CC BY
8
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
удк«21.316.925 в. А. БОРОДЕНКО
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова (Казахстан)
МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОЦЕССЕ СИНТЕЗА УСТРОЙСТВ СИСТЕМНОЙ АВТОМАТИКИ_
Определена роль моделирования на основных этапах создания устройств системной автоматики, приведен пример использования моделирования при синтезе фазочувстви-тельного пускового органа АВР. Показано, что для формирования логической структуры устройства вполне достаточно упрощенной модели и распространенной среды вычислений.
Моделирование является непременной принадлежностью процесса создания устройств релейной защиты (РЗ) и противоаварийной автоматики (ПА) энергосистем. На каждом этапе оно преследует различные цели и осуществляется разными средствами.
В процедуре синтеза устройства ПА можно выделить, по крайней мере, четыре этапа, требующих моделирования поведения устройства или отдельных его элементов. На этапе формирования общего представления о назначении устройства и особенностях его поведения в определенных режимах моделирование ставит целью сформулировать алгоритм функционирования устройства и проверить его истинность. Здесь предпочтительнее использование средств общего назначения, не требующих знания каких-либо языков программирования или умения
работать со специальным оборудованием, и поведенческое описание объекта. В то же время, очевидно, необходимо хорошее представление о процессах, происходящих в объекте электроснабжения при моделируемых условиях.
Далее на первый план выходит элементная база, в которой предполагается реализовать средства ПА. В зависимости от методологии синтеза — нисходящее или восходящее проектирование, изменяется порядок моделирования отдельных элементов, узлов, блоков, устройства в целом. Как правило, моделирование поведения производится в машинном (модельном) времени штатными средствами системы автоматизированного проектирования (САПР), в которой выполняется синтез дискретного устройства. Так, при создании его на перспективной
0J9 <Ц8
Oi
03
Oi
1Л
vi i i i i i я n п п п
i » л п n
U У U I
t П П
ТПГТ
JL-TL
a a a a s ? s s
a a
8 9
a
a a
a a # §
о о
a a a a
?o о о
$ 3 S Время, мс
Рис. 1. Реакция пускового органа на выбег электродвигателей
элементной базе — программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), может быть использована САПР МАХ + PLUS II [1 ]. В этой системе после компиляции объекта возможна симуляция поведения при задаваемой сигнальной последовательности на входах, проверка отсутствия рисков и т. п.
Третий этап подразумевает изготовление опытных образцов (малой серии) устройства и моделирование В темпе реального времени — лабораторный эксперимент. К числу решаемых здесь проблем относится выбор источника испытательных воздействий, подбор регистрирующей и измерительной аппаратуры. Можно считать наилучшей возможностью использование динамической модели [2], позволяющей за установленный промежуток времени испытать устройство многократно, а следовательно, произвести одновременно ускоренную тренировку и сократить время приработки опытных экземпляров.
Окончательным критерием правильности высказанных и реализованных положений являются результаты производственного эксперимента — моделирование поведения устройства непосредственно в действующей электроустановке, в режимах соответствующих тем, для которых оно предназначалось. Поскольку длительность эксперимента и число опытов, как правило, ограничены рамками производства, целесообразно совмещение нескольких видов испытаний, либо соединение их в такой временной последовательности, чтобы они естественно переходили друг в друга. Проблему выбора регистрирующей аппаратуры можно полагать решенной на предшествующем шаге, а поиск источника тестовых воздействий не требуется вообще, поскольку необходимые воздействия формируются процессами в первичном оборудовании [3].
На данном этапе становится важным тщательное составление и согласование с оперативным персоналом программы испытаний, по возможности не нарушающей устойчивость работы потребителей, электрически связанных с испытуемым объектом, и непрерывность технологических процессов, исключающей возможность повреждения первичного оборудования, удовлетворяющей требованиям правил техники безопасности и технической эксплуатации. Отметим наблюдающееся зачастую отсутствие у эксплуатационного персонала исполнитель-
ных схем вторичной коммутации, затрудняющее не только привязку устройств к существующим цепям РЗ и ПА, но и проведение эксперимента в целом.
Рассмотрим этапы моделирования на примере синтеза фазочувствительного пускового органа (ПО) автоматики включения резерва (АВР) для объектов электроснабжения с двигательной нагрузкой [4]. Компьютерное моделирование для проверки работоспособности основного принципа производилось в достаточно распространенной среде для производства научных, математических расчетов и программирования MS EXCEL (рис. 1). Отметим, что в среде MS EXCEL легко осуществляется одновременный вывод результата в таблицу и на график. Максимально упрощенная модель позволяет, тем не менее, выявить все характерные особенности поведения ПО, необходимые для построения его логической структуры.
При исчезновении питающего напряжения электродвигатели (ЭД) выбегают, вследствие их торможения изменяется частота остаточного напряжения секции с ЭД, благодаря чему непрерывно изменяется взаимный фазовый угол 5 между напряжениями рабочего и резервного источников, приблизительно по экспоненциальному закону снижается величина остаточного напряжения. Разрабатывается пусковой орган, выявляющий потерю рабочего напряжения по величине и знаку угла 8. Предполагается, что в ходе моделирования напряжение U2 резервного источника (второй секции) сохраняет неизменным начальное значение, амплитуда которого может задаваться, а его частота сохраняет номинальное значение <в0 = 50 Гц.
Для напряжения Ur соответствующего объекту с двигательной нагрузкой, могут быть заданы перед моделированием: длительность затухания i-MC остаточной ЭДС до величины 5 % номинального значения, механическая постоянная инерции эквивалентной нагрузки Т. (уже приведенная с учетом коэффициента загрузки кз агрегата), а также начальные условия: амплитудное значение V, (1Ц,( и фазовый сдвиг 6нач (60) напряжений источников в момент начала выбега.
В программе можно учесть, что амплитудное значение напряжения секции с двигателями в момент потери питания, как правило, падает до (0,85-0,9) Umiv, хотя может и возрасти до 1,ЗЦШЧ, если синхронные
двигатели перед этим работали в режиме компенсации реактивной мощности. С помощью начального фазового сдвига 5иач можно воспроизвести существующую несинфазность напряжений резервируемых источников в рабочем режиме, однако гораздо более существенным является учет скачка фазы в момент отделения секции от питающего источника. Данный скачок является следствием мгновенной смены напряжения источника остаточным напряжением двигателей, работающих с некоторым углом нагрузки 80. Кроме того, задаются конечное значение интервала исследования tKaH и шаг At (в миллисекундах). Устанавливаемое значение чувствительности входных: пороговых элементов Ucp проектируемого устройства является общим для обоих напряжений и в данном случае равно 0,1 UHm.
Программа дает возможность не только установить факт превышения заданной разности фаз напряжений и длительность существования этого режима, но и сформировать реакцию на знак угла сдвига фаз (порядок чередования фаз), что характерно для последовательностных фазочувствительных ПО. Моделирование поведения последовательностного ПО АВР в ходе выбега двигательной нагрузки первой секции производилось при следующих исходных данных: длительность затухания остаточной ЭДС t3AC = = 5 с, механическая постоянная инерции эквивалентной нагрузки 7* ЗК1 = 5 с, амплитудное значение в момент начала выбега U, нач = 1,0 о.е., фазовый сдвиг напряжений источников в момент начала вы-беГЗ = 15 ГРЗА-
Положительные импульсы в последовательности К соответствуют совпадению полуволн и, и а2 при опережающем появлении и, (положительном знаке разности фаз), отрицательные импульсы — тоже при опережающем появлении и2 (отрицательном знаке разности фаз). Изменение знака управляющей последовательности ^соответствует переходу угла сдвига фаз напряжений через 180°, пауза — попаданию в зону нечувствительности вблизи 8 = 0°. Наблюдаются неравенство длительностей импульсных последовательностей разного знака в течение одного цикла (несимметрия полупериодов) и сокращение общей длительности последовательности с каждым следующим циклом проворота векторов напряжений. При дальнейших исследованиях эти явления подтверждены аналитическим путем и в производственном эксперименте.
Временем ожидания 1ож является время от момента возникновения потери питания до момента, когда этот факт установлен устройством автоматики. Аналитически время ожидания может быть определено из формулы
с Т °ср ' 1 ркв
9000
, с,
где 5 — угол срабатывания устройства, равный:
Нс£
и,
180
| град.
На основе полученных результатов уже можно сформулировать общий подход к выбору угла срабатывания фазочувствительного ПО АВР и его структуры. При высоких требованиях к быстродействию ПО АВР уставка не должна существенно превышать угол нагрузки 50 синхронных двигателей в нормальном режиме, поскольку при потере питания вектор остаточного напряжения на секции с двига-
но
jJQ-и й
но
Или %
it
но
но
ЭЗ
а б
Рис. 2. Логическая структура последовательностного _ ПО АВР
И ~ последовательноетная схема совпадения с контролем порядка чередования импульсов, ЭЗ - элемент задержки, ИО - исполнительный орган, А, (А,) - выход команды на отключение первого (второго) ввода подстанции
телями мгновенно смещается на величину, равную эквивалентному углу нагрузки. Если при этом сразу будет достигнута уставка срабатывания, исключается неопределенное время Гож разворота ротора, эквивалентного СД от 8„ до 8П1 орган действует без дополнительной задержки.
Так, при скачке на секции фазы напряжения двигателей до значения угла нагрузки 80 = 15е исчезновение питающего напряжения определяется мгновенно, практически при t = 0 (управляющая последовательность Y), тогда как угол 180° достигается лишь при ( = 0,22 с.
С другой стороны, при различных неисправностях ТН, например, перегорании предохранителя высокого или низкого напряжения, обрыве фазы, происходит мгновенное изменение вторичных напряжений как по амплитуде, так и по фазе. В частности, при обрыве одной фазы вторичных цепей ТН возможно смещение фазы, по крайней мере, одного напряжения на 120° и снижение его амплитуды до 0,5 UU0M Очевидно, что это может привести к ложному формированию признака потери питания. Поэтому в общем случае необходимо задать уставку по углу срабатывания устройства — например, с помощью задержки на срабатывание i, величиной 1 -4 мс; влияние задержки t3 = 3 мс отражает импульсная последовательность Z. Импульсный характер сигнала требует введения задержки на исчезновение сигнала t4 величиной около 0,3-0,4 с.
При потере питания действие автоматики не должно иметь места до явного выхода СД из синхронизма с сетью, отсюда уставку по углу желательно принять не менее 90° — при меньших значениях д синхронные машины, как правило, сохраняют устойчивость. Известно также, что восстановление питающего напряжения с углом д около 105-135° опасно для двигателей по условию величины момента на валу, с д порядка 180° — по условию деформации изоляции обмоток и величины тока включения. Кроме того, величина разности фаз 180° обычно свидетельствует о нарушении синхронизма двигателей с питающим источником и неопределенности результата их самостоятельной ресинхронизации после восстановления электроснабжения. Таким образом, величина д, равная 90-180°, позволяет констатировать наиболее неблагоприятные условия работы синхронной машины, и, следовательно, указывает на необходимость замещения питающих вводов с выполнением целесообразных сопровождающих операций (гашение возбуждения двигателей, отключение неответственных потребителей и т.п.).
Величина 5ср1 выбранная в диапазоне углов 150180", позволяет отстроиться и от режимов, сопровождающихся сдвигом по фазе напряжений на входах органа в режимах неисправности ТН или энергосис-
Name:
100.0ms 200.0ms 300.0ms 400.0ms 500.0ms 600.0ms 700.0ms 800.0ms 900.0ms
■ xl
■x2
•yi
■У2
• хЭ ' x4
►ql
► q2
ИШ1П и ппппппппппп
1ППППППП ПП1
J -
L
Рис. 3. Симуляция поведения пускового органа в САПР MAX+plus II
темы. Однако она требует использования в устройстве высокоточных, устойчивых к изменениям температуры окружающей среды и срока эксплуатации компонентов, поскольку разница в величине задержки соответствующей значениям утла 120° (неисправность ТН) и 150°, составляет при номинальных напряжениях всего 1,67 мс и уменьшается с увеличением порога срабатывания формирователей импульсов или снижением амплитуды напряжений.
Одновременно такая уставка ухудшает чувствительность устройства по напряжению. Так, если принять за время отстройки 13 длительность совпадения полуволн напряжений 5,71 мс на уровне уставки 0,1 Umu в режиме неисправности ТН (напряжение 0,5Umn, угол сдвига фаз 120°), то при снижении напряжения ЭД до 0,15 Unmi полная длительность совпадения полуволн уменьшается до 5,35 мс, и орган отказывает в работе. При времени отстройки = 3 мс момент срабатывания выявительного органа отодвигается от 0 до 0,12 с, что говорит об ухудшении быстродействия.
В соответствии с результатами моделирования прогнозируются два варианта логической структуры фазочувствительного ПО быстродействующего АВР для объектов электроснабжения с ответственной двигательной нагрузкой. Устройство с действием в интервале разности фаз напряжений 0-180° (рисунок 2, а) является более быстродействующим, однако требует принятия дополнительных мер для предотвращения ложного срабатывания при неисправностях ТН или прочих анормальных режимах, сопровождающихся сдвигом фаз напряжений. Основой органа является последовательностная схема совпадения. Уставка по углу здесь необходима, она может задаваться длительностью задержки на срабатывание. Кроме того, требуется блокировка действия органа по одному из каналов, если уже произошло срабатывание в другом канале, поскольку знак разности фаз рабочего и резервного напряжений в процессе выбега ЭД многократно меняется, и возможно ложное действие.
Во второй схеме ПО (рисунок 2, б) производится двойная проверка изменения порядка следования фаз, что исключает необходимость в задании уставки по величине угла (6ср = 180°) и во взаимной блокировке каналов. В целом это упрощает изготовление и эксплуатацию ПО, однако время выявления потери питания подобным органом возрастает. Задержка на появление сигнала здесь играет вспомогательную роль и может отсутствовать. Учитывая импульсный характер сигнала и его полное исчезновение в зоне нечувствительности органа, задержка сигнала на исчезновение необходима в обеих схемах.
Схема устройства второго типа собрана в САПР МАХ + plus И на программируемой логической схеме типа EPM7032SLC44-10 фирмы Altera. Входные переменные обозначены х 1, х2, выходные q 1, q2, дополнительные узлы у 1, у2, хЗ, х4 введены для контроля правильности функционирования и в окончательном варианте могут быть исключены. Симуляция поведения разработанного устройства штатными средствами САПР в режимах потери питания двигательной нагрузки (рис. 3) подтверждает выводы, сделанные при первичном моделировании принципа работы в среде MS Excel.
Импульсы xl и х2, нормально следующие в про-тивофазе, начинают при выбеге электродвигателей первой секции совмещаться, причем с опережением переменной xl. В силу этого формируется последовательность импульсов возрастающей длительности на выходе yl первого последовательное гного элемента И, элемент задержки первого канала переключается и образует на своем выходе непрерывный сигнал хЗ = 1. С достижением разностью фаз напряжений значения 180° уже на выходе у2 появляется последовательность импульсов убывающей длительности, поскольку теперь при совпадении входных импульсов опережающей оказывается переменная х2. В момент срабатывания (0,4 с) второго элемента задержки второй последовательнос-тный элемент //формирует сигнал ql = 1, т. к. на его вхГодах имеются обе переменные: хЗ (опережающая) и х4. Этим сигналом отключается выключатель первого ввода подстанции, от чего включается секционный выключатель (0,6 с), на неисправную секцию подается резервное напряжение. Переменные xl их2 формируются опять поочередно, и через t4 = 0,32 с элементы задержки возвращают пусковой орган в исходное состояние. Время срабатывания ПО АВР зависит от инерции агрегата электродвигатель — приводимый механизм.
Выводы
Моделирование на первом этапе синтеза устройства ПА позволяет сформировать представление о необходимых уровнях срабатывания входных пороговых элементов, уставке срабатывания по углу, необходимости специального ввода временных задержек или взаимных блокировок в логическую структуру устройства. В совокупности это дает возможность определить предполагаемую структуру пускового органа и перейти к аппаратному синтезу. При этом достаточно использовать упрощенную модель и неспециализированные среды программирования, вычислений или моделирования.
Библиографический список
1. Стешенхо В. Б. ПЛИС фирмы «Алтера»: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. — М.: Додека-ХХ1, 2002, - 576 с.
2. А. С. 847394 СССР. Устройство для испытания релейных схем сравнения по фазе / В. А. Бороденко; опубл. 15.07.81, Бюл. № 26. - 3 с: ил.
3. Бороденко В. А., Бороденко Г. Н. Установка для моделирования возмущений по питанию в электроприводе переменного тока. - В кн.: Электрооборудование промышленных установок. — Горький, изд-во ГПИ, 1986. — С. 39-43.
4. Бороденко В. А. Повышение эффективности автоматики подстанций с двигательной нагрузкой: Аналитический обзор. — Павлодар, ЦНТИ, 2005. - 88 с.
БОРОДЕНКО Виталий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Автоматизация и управление».
Статья поступила в редакцию 30.10.06 г. © Бороденко В. А.
УДК 535:621.31 в. И. ГОРБУНКОВ
А. П. ПОПОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Омский государственный технический университет
РЕГУЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСА ЭНЕРГИИ ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ ДОЗИРОВАНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ РТУТНЫХ ЛАМП
По уровню квантовой эффективности ультрафиолетовое излучение (УФИ) имеет неоспоримое преимущество перед видимым и инфракрасным излучением, что делает метрологическое обеспечение рассматриваемой методики дозирования весьма актуальным. Это позволяет использовать электронный дозатор как прибор, обеспечивающий воспроизводимость и повторяемость результатов при биологических исследованиях, а также в медицинской практике. Вместе с тем авторы уделили внимание возможности дозирования видимого и инфракрасного излучения.
Проблема точно определенной дозы ультрафиолетового излучения [1] возникает, прежде всего, при определении фотобиологической безопасности источников ультрафиолетового облучения (УФО) при использовании в целях:
— лечебно-профилактического УФО;
— санитарно-противоэпидемических мероприятий, направленных на подавление жизнедеятельности микроорганизмов в водной, воздушной и иных средах.
С этой же проблемой сталкиваются, например, при использовании медицинской технологии экстракорпоральной фотогемотерапии (воздействия на кровь ультрафиолетовым излучением), которая благодаря имуннорегулирующему эффекту перспективна для применения в клинической практике.
В последнее время внимание исследователей [2] стало привлекать воздействие всего диапазона оптического излучения на возможности изменений компонентов крови. Естественно, что нельзя рассматривать ряд основных процессов фотогемотерапии, таких, как разрыв связей молекул, диссоциация молекул, а также эффекты возбуждения гармонических колебаний и нагрев без изменения структуры молекул [3] неотрывно от величины квантовой эффективности излучения, начиная с УФ-диапазона и заканчивая инфракрасным.
Кроме того, появился интерес [4] к спектрам комбинационного рассеяния, получаемым путем облучения крови интенсивными линиями видимой части спектралинии ртути — 435,8 нм., 404,7 нм. и 546,2 нм,
Поскольку ртутная газоразрядная лампа низкого давления (ГЛ НД) в подавляющем числе медицинских приборов [2) находится, по соображениям безопасной эксплуатации, в замкнутом теплоизолированном пространстве, то ее работу целесообразно рассмотреть в приближении абсолютно черного тела [5]. Спектр излучения закрытой ртутной ГЛ НД - линейчатый, в целом соответствует закону излучения Планка с температурой 9 270 К. Несмотря на низкое давление, в газоразрядной плазме этой лампы устанавливается термодинамическое равновесие, приводящее к существенному изменению спектральных характеристик излучения по сравнению с открытой лампой.
Из приведенной на рис. 1 спектральной характеристики ртутной ГЛ НД видно, что интенсивность излучения резонансной линии 253,7 не превышает 10% от общей интенсивности, в то время как в от-крытойлампе ее доля доходит до 90% [6]. Кроме этого, в спектре появились линии, сравнимые по интенсивности с ней: это линии среднего и мягкого ультрафиолета (табл.1.) и линии комбинационного рассеяния.
