CC BY
35
Энергетика и электротехника -►
11. Кузнецов, Г.В. Моделирование воспламенения жидкого вещества горячей частицей [ Текст ] / Г. В. Куз -нецов, П.А. Стрижак // Химическая физика.— 2009. Т. 28. № 5.— С. 91-98.
12. Kuznetsov, G.V. Transient heat and mass transfer at the ignition of vapor and gas mixture by a moving hot particle [Текст] / G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak // International Journal of Heat and Mass Transfer.— 2010. Vol. 53. № 5-6.— P. 923-930.
Бухмиров, В.В. Модификации зонального метода для решения задач радиационного теплообмена: основные положения [Текст] / В.В. Бухмиров, С.А. Крупенников, Ю.С. Солнышкова // Вестник
Ивановского государственного энергетического университета. 2009. Вып. 2.— С. 61-63.
13. Бухмиров, В.В. Алгоритм расчета систем лучистого отопления помещений [Текст] / В.В. Бухмиров, С.А. Крупенников, Ю.С. Солнышкова // Вестник Ивановского государственного энергетического университета.— 2010. Вып. 4.— С. 23-25.
14. Бухмиров, В.В. Экспериментальное исследование системы отопления и инфракрасными излучателями [Текст ] / В.В. Бухмиров, Ю.С. Солнышкова, М.В. Пророкова // Вестник Ивановского государственного энергетического университета.— 2011. Вып. 3.— С. 12-16.
УДК 621. 311:621.316.925:004.312.46
А.С. Зеленин, В.Л. Кузнецов, М.Г. Попов
РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО ИСПЫТАТЕЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА СРЕДСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Техническое совершенство и надежность функционирования средств диагностики, автоматики и релейной защиты в основном определяются качеством входной информации. Прогрессивное развитие методов и средств релейной защиты и автоматики (РЗА) достигается при модернизации структуры, конструктивного исполнения и улучшения метрологических характеристик вторичных преобразователей (датчики) электрических сигналов тока и напряжения [1], а также при разработке функциональных алгоритмов диагностики, управления и защиты с учетом собственных динамических характеристик всех элементов измерительного тракта микропроцессорной системы. Эти направления совершенствования современных микропроцессорных устройств РЗА неизбежно связаны с многочисленными экспериментально-поисковыми исследованиями различных функциональных структур, методов, алгоритмов измерения и контроля параметров режимов работы защищаемого электрооборудования. Естественно, что значительная энергоемкость и большие затраты на
выполнение натурных физических экспериментов не позволяют провести полноценные исследования динамических свойств микропроцессорных устройств защиты и диагностики. И тогда единственно возможным способом исследования остается применение современных численных методов, реализующих адекватное математическое описание всех элементов расчетной схемы электрической сети, в том числе первичных и вторичных преобразователей электрических сигналов, которые контролируются средствами РЗА. В частности, такой подход реализуется в [1] для контроля режимных параметров электрооборудования в темпе процесса изменения электрических сигналов, что открывает возможности для разработки качественно новых функциональных алгоритмов диагностики, управления и защиты.
Особенности разработки микропроцессорного испытательно-диагностического комплекса
Цифровая комплексная система диагностики реального времени средств РЗА электроэнер-
а)
Multifunctional DAQ N1 USB-6216 многоканальный ЦАП/АЦП
осциллографирование сигналов
Устройства полевого уровня
фильтрация сигналов, масштабирование, первичная индикация
Тестируемое устройство
средства релейной защиты и автоматики
ЛИС - N1 сШО-9215 АЦП
преобразование задающего воздействия и др. аналоговых сигналов испытуемого устройства
И АС - N1 сШО-9263 ЦАП
преобразование выходных расчетных параметров в аналоговые сигналы в некотором заданном
_масштабе_
А -
ОЮ N1 сШО-9401 Цифровые входы/выходы
преобразование входных и выходных дискретных сигналов А + —
Сервер С+ + Project: цифровые модели элементов электроэнергетической сети, регуляторов скорости, регуляторов возбуждения, разработанного регулятора возбуждения и др., интегральные преобразования
сигналов, реализация взаимодействия с интерфейсом пользователя, передача рассчитанных значений по
TCPLabVIEW.DP ' ШReal~Time Controller NIcRIO-9012
i Контроллер реального времени
контроль начальных параметров, ^ ттптл^
^ р f ' f извлечение из памяти полученных от сервера данных и передача их на ПЛИС обработка сигналов, реализация :
интерфейса пользователя и др.
FPGA NI CompactRIO 9104 ПЛИС
передача I/O данных, простая первичная обработка сигналов
Соединение с контроллером
Параметры соединения
Задание параметров расчета,
параметров соединения с контроллером, выбор вида и числа элементов ЭС, задание их параметров
Начальные условия, элементы ЭС, их
параметры
Расчет производных согласно реализованным моделям TSheme
z
Расчет остальных параметров
Начать / остановить расчет
Г Расчетное время |Расчстный м W"""
1 1 времени ..-•
I пптпк*я 1
'■'•••Т'ёкущий момент
потока интегрирования
______j
▲
Добавить величину шага
Поток синхронизации
TThreadTimer
Поток интегрирования
TThreadlnteg
Продолжить/
расчет приостановить Расчетные значения на шаге
Пересылать данные / ждать
Контроль реального времени
Буфер данных для передачи
Буфер расчетных данных
Поток передачи ; данных по протоколу TCP/IP или UDP TThreadIO
Адреса необходимых данных
Рис. 1. Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы (а) и алгоритма (б) прикладного программного обеспечения
гетических систем разрабатывается на базе контроллера реального времени National Instruments CompactRIO™ и компьютера (рис. 1, а). Управ -ляющий контроллер FPGA помещен на шасси программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), позволяющей с помощью разработанной авторами программы (рис. 2) передавать рассчитанные компьютером результаты на платы аналогового и дискретного вывода и задающие воздействия от испытуемых устройств
на компьютер через платы ввода с фиксированной частотой дискретизации.
На контроллере реального времени установлена операционная система реального времени WindRiver VxWorks (см. [2], с. 120). Алгоритм программы контроллера включает в себя следующие основные процедуры: инициализацию программы для ПЛИС (FPGA); получение данных с компьютера на контроллер посредством передачи данных по TCP/IP или UDP; преобразование
Рис. 2. Общий вид программы контроллера в среде LABVIEW
полученных данных; организацию тайм-аута и передачу данных на ПЛИС для последующего вывода значений.
Согласно представленной обобщенной структуре (см. рис. 1, а) математическое описание переходных процессов в элементах электроэнергетических систем (генераторы, трансформаторы, линии, нагрузки) реализовано в разработанном авторами прикладном программном обеспечении. Для организации пользовательского интерфейса применены независимые алгоритмы создания схем замещения элементов энергосистемы (ЭС) и сборки общей расчетной схемы (рис. 3, б). Задание параметров элементов осуществляется в табличной форме (см. рис. 3, а). Для обеспечения максимальной гибкости при создании расчетных схем произвольной конфигурации автора-
Схема | TabSheet2 | Параметры | Графики | С-
Л= траисф. Щпрод), Oj Цшрод), Гн ¡(првд.),.
е£(ирвд.),А Ru,Om Lu, Гн in,
С(к1), Ф IMkI), В Щпрод.), О, Цшрод.), Гн Цпрод.). А К(к2). Ом 0.0000-30 О 0.5 0,30 О 50
с<*1), Ф
0.000030
№}тяа
ми был разработан специальный класс объектов — TMyMatrix, который включает в себя методы работы с матрицами и матричными вычислениями.
Передача расчетных параметров режима работы электрической системы, а также управляющих воздействий выполняется с использованием протоколов TCP/IP или UDP.
Для обеспечения максимального быстродействия предусмотрена мультипоточность прикладного программного обеспечения (см. рис. 1, б). Алгоритм работы основан на взаимодействии потоков численного интегрирования (TThread-Integ), синхронизации (TThreadTimer), передачи данных TThreadIO. Кроме того, для тестирования передачи данных в комплекс включен вспомогательный поток приема данных (TThread-TimerPrint — на рисунке не показан).
б)
Модель генератора
Модель трансформатора
Модель линии
Модель нагрузки
L
R
L
е
г
г
L т
L
R
L
л
л
н
^1.л ^2.л
С
н
R
С
С
н
к1. л
к2.л
Рис. 3. Представление параметров элементов ЭС: а — табличный интерфейс задания параметров элементов ЭС; б — схемы замещения элементов ЭС
Начало 1 ▼ ^
Хо; Ax; у(х0) = у0
У' = /(х,у) -
К =/{хп>Уп)>
к7 = х + —,у +— |Ах;
2 Ч 2 2 )
к4 = / (хи + к,уп + къ )Ах; Хп +1 - + А-*'
^и + 1 ~ З7« + + + + ^4 )
но подробно описан в [3]. Составление нормального графа позволяет выделить в этих матрицах подматрицы, соответствующие паре «элемент дерева + элемент связи». К примеру, согласно [3]
Ед Сд гд Ьд Рс К £с Сс
Л РЕ Ррс Рря Ррь 1 0 0 0
К Рье Рьс Рьк Рц 0 1 0 0
РвЕ РвС Рвя 0 0 0 1 0
Сс РСЕ Рсс 0 0 0 0 0 1
Рис. 4. Алгоритм численного интегрирования методом Рунге — Кутты 4-го порядка
В потоке TThreadInteg реализованы методы численного интегрирования Эйлера и Рунге — Кутты 4-го порядка с постоянным шагом (рис. 4). В этом классе есть специальный буфер, в который заносятся рассчитанные значения параметров энергосистемы на каждом шаге интегрирования. Для синхронизации потоков интегрирования TThreadInteg и передачи данных TThreadIO используется специализированный класс TThreadTmer, с помощью которого реализуется управление загрузкой многоядерного процессора. Реальное время вычисляется по тактам работы процессора при помощи специальной функции WinAPI QueryPerformance-Counter.
Вычисление производных на i-м шаге осуществляется согласно теории графов в рамках класса TSheme, учитывающего топологию схемы и объединяющего в себе модели отдельных элементов. Для создания графа цепи необходимо пронумеровать ветви в строго определенном порядке (см. [3], с. 55), формируя так называемые нормальные дерево и подграф. По результатам нумерации ветвей и заполнения матрицы соединений A формируются матрицы контуров C и сечений D. Их физический смысл достаточ-
С
где 1 — единичные матрицы, размерность которых определяется числом строк в подматрицах Р^ , соответствующих i-м ветвям связи иу-м ветвям дерева; Ед, Сд — номера ветвей, входящих в дерево и содержащие источники ЭДС, конденсаторы и т. д.; /с, Ьс — номера ветвей, входящих в подграф связей, содержащих источники тока, индуктивные элементы и т. д.
В [3] получены выражения для нахождения значений производных токов в катушках индуктивности ветвей связи и напряжений конденсаторов ветвей дерева:
— = Ах + Бы, Л
где х =
ыС иЕ Е д
; ы =
К ьс Рс
; А и В — матрицы, полу-
ченные по выражениям, приведенным ниже, с использованием вышеназванных подматриц.
А=
С 0 -1 А11 А12
0 ь А21 А22
Б=
С 0 -1 / Бц Б12 Ип 0 <1
+ -
0 ь V Б21 Б22 0 н22
А11 = -Рося ~1рос; А12 = Р1с - Р0СК~1рОЯКдР1я; А21 = -РЬС + РЬЯв ~1рОЯвсРОС; А22 = -РЬЯв ;
Н11 = -рСССс;
а)
Отн. погрешность, % Ток, А
0,05 0,10 0,15 0,2 Время, с
б)
Получаемый сигнал, о. е.
1,6 1,2 0,8 0,4 0
-0,4 -0,8 —1.2
3,2 3,21 3,22 3,23 3,24 3,25 3,26 3
Реальное время, с
Рис. 5. Полученные осциллограммы сигналов в рамках тестирования:
а — рассчитанные сигналы и их относительная погрешность вычисления; б — проверка быстродействия в системе «компьютер — компьютер»
0
B11 = -FGCR 1FQE ;
B12 = FJC - FGcR 1fgr^fJR ;
В21 = -рьш ;
В22 = -FLRG ^; Н22 = -FLLLддFJL - ^ д^Л, •
Нахождение остальных токов ветвей связи и напряжений на элементах ветвей дерева осуществляется по выражениям из [3]:
ч =(■
= ( + FGRGcFGR
п
FJRJC + FLRiL
FGRGcFGEUEA FGRGcFGCUCd );
G =(Rc + FGRRдFGR ) 1 (-FGEU
Ед FGC UC„
FGR ^ FJr Jc FGR ^ FLR i.Lc );
d
uL =— ЬД dt
Lдд Rj Jc + FLL iL„ ) + ir
1LL L„
дс lL
C = dtCcc RFCE UEд - FCC UCK П •
Полный набор токов и напряжений ветвей вычисляется с применением матриц C и D:
i = CT
-J; U = DT
+ E,
где J и E — матрицы мгновенных значений токов и напряжений соответствующих источников.
Апробация микропроцессорного испытательно-диагностического комплекса
Тестирование расчетного алгоритма производилось сравнением значений токов и напряжений, полученных комплексом путем числен-
ного интегрирования методом Рунге — Кутты 4-го порядка при шаге 0,0001 с и полученных в среде MATLAB Simulink с использованием такого же метода интегрирования и шага. На рис. 5, а приведена зависимость относительной погрешности вычисления сигналов от времени для схемы «генератор — трансформатор — линия — нагрузка».
Тестирование быстродействия программного обеспечения осуществлялось в системе «компьютер (сервер) — компьютер (клиент)». Сервер осуществляет прием данных от клиента (то есть сервер несет функцию контроллера) и присваивание метки времени полученным данным. Клиент выполняет расчет согласно алгоритмам комплекса с использованием синхронизации и пересылает полученные результаты серверу. Кроме того, клиент добавляет к результатам свое внутреннее расчетное время.
Для тестирования передачи данных в комплекс включен вспомогательный поток приема данных по TCP/IP. Поток включает в себя таймер, построенный на функции WinAPI Query PerformanceCounter, что позволяет ему при получении данных переносить их с соответствующей меткой времени на график. Поток предназначен для тестирования стабильности работы потока передачи данных и комплекса в целом в условиях «компьютер — компьютер».
Полученный результат тестирования быстродействия в схеме «генератор — трансформатор — линия — нагрузка» для одного из шести сигналов в квазиустановившемся режиме работы представлен на рис. 5, б.
В заключение отметим, что предложенная цифровая комплексная система диагностики реального времени дает возможность разрабатывать и проектировать без привлечения реального оборудования принципиально новые средства и алгоритмы защиты и противоаварийной автоматики. Это позволит повысить экономичность, скорость разработки и промышленной реализации новых микропроцессорных устройств РЗА.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ванин, В.К. Повышение эффективности дифференциальных защит энергетического оборудования [Текст ] / В.К. Ванин, М.Г. Попов, С.О. Попов // Научно-технические ведомости СПбГПУ.—2011. № 3.— С. 50—55.
2. National Instruments Corporation. LabVIEW и Com-pactRIO: основы разработки приложений [Текст] /
National Instruments.— 2008.— 305 с.
3. Демирчян, К.С. Теоретические основы электротехники [Текст]: учебник для вузов в 3 т. / К. С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин.— 4-е изд., доп. для самостоят. изучения курса.— М.— СПб.: Питер, 2003.— Т. 2.— 575 с.
U
E
д
c
U
i
U
R
c
д
U
L
д
