CC BY
12
DOI 10.36622^т2023.19А006 УДК 621.31
РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА СИНХРОННО-ВЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА БАЗЕ GPS-СИНХРОНИЗИРОВАННОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В.А. Казбанов, М.С. Курицкий, А.Н. Алещенко, В.М. Анискевич Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, г. Калининград, Россия
Аннотация: рассматривается проблема нехватки доступных аппаратных и программных средств цифрового мониторинга в режиме реального времени состояния различных параметров сети, субъектов генерации и передачи электроэнергии (таких как мощность, сдвиг фаз, частота и прочее). Проанализировано, что для эффективного реагирования на различного рода искажения и аварии в линии передачи необходима синхронизация полученных из разных частей сети измерений, учитывая, что данные по этой сети передаются с огромной скоростью, а сама сеть имеет большую протяжённость. В исследовании изучается эффективный метод решения описанных проблем, заключающийся в создании и внедрении устройств на базе технологий синхронно-векторных измерений, использующих синхронизацию времени глобальными позиционирующими системами. Обращается внимание на то, что зарубежные аналоги таких устройств являются дорогостоящими, обладают закрытыми конструкционными и программными сведениями. В работе представлены результаты разработки авторами прототипа программно-аппаратного комплекса синхронно-векторных измерений на базе GPS-синхронизированного АЦП, который является недорогой, но перспективной и открытой альтернативой коммерческим предложениям. Предлагается собственное программное обеспечение, полностью реализующее процессы получения измерений, их обработки и отображения результата конечному пользователю на странице веб-сервера с доступом как по локальной, так и из внешней сети
Ключевые слова: синхронно-векторные измерения, электроэнергетика, цифровая обработка сигналов, микроконтроллеры, GPS/ГЛОНАСС, программно-аппаратный комплекс, системы диагностики электросетевого оборудования
Введение
Современная энергетика в настоящее время сталкивается с целым рядом серьёзных проблем. Ввиду активной электрификации различных человеческих сфер деятельности потребность в энергоресурсах нарастает с каждым годом [1]. При этом количественно ежегодные потери электроэнергии до сих пор остаются на довольно высоком уровне [2]. С другой стороны, необходимо отметить современную тенденцию по переходу к «зелёной энергетике» и возобновляемым энергоресурсам [3]. Такой подход, конечно, положительно сказывается на экологии, однако источники «зелёной» энергии имеют более низкую эффективность.
В конечном счёте, совмещая падение генерируемых мощностей с повышением потребляемых, получаем острую необходимость в контроле и минимизации любых нежелательных потерь на пути от производителя электроэнергии к её потребителю. Можно заключить, что современная энергетика действительно нуждается в средствах управления генерируемой и передаваемой электроэнергией, а также в программно-аппаратных мощностях для непосредственного мониторинга этой электроэнергии [4,
© Казбанов В.А., Курицкий М.С., Алещенко А.Н., Анискевич В.М., 2023
5]. Кроме того, если рассматриваемая сеть имеет большую протяженность, возникает проблема синхронизации полученных измерений. Ведь для принятия критических решений о перераспределении генерируемых мощностей необходима высокая точность сведений о состоянии сети в реальном времени.
Все эти факторы создают новые проблемы при эксплуатации, планировании и защите распределительных сетей и подстанций, а также при управлении ими. В попытке минимизировать эти риски и исключить потери современная промышленность всё более активно занимается внедрением так называемых интеллектуальных сетей и цифровых подстанций на объекты генерации и передачи электроэнергии [4]. Основной целью внедрения цифровых подстанций является автоматизация электросетей. Получаемые в реальном времени сведения о состоянии сети позволяют в автоматическом режиме планировать генерацию электроэнергии, осуществлять контроль переходных процессов, отключать или восстанавливать систему в случае аварии, прогнозировать дальнейшее потребление мощностей.
Основу цифровых подстанций составляют устройства на базе синхронно-векторных измерений (УСВИ), где используется синхронизация времени глобальными позиционирующими системами, такими как GPS или ГЛОНАСС.
Такие устройства быстро становятся стандартной частью оборудования, используемого на передающих подстанциях с целью анализа неисправностей, и уже много лет пользуются популярностью в литературе как краеугольный камень многих концепций защиты и управления в режиме реального времени [6, 7].
Сама задача синхронизации, вообще говоря, актуальна для многих приложений, включая системы промышленного назначения в телекоммуникациях, банковском секторе, военном деле, нефтегазовой и транспортно-логистической отраслях, где используется обработка данных в реальном времени. Авторами, однако, было приято решение рассматривать разработку и применение УСВИ именно через призму проблем в энергетике в связи с наибольшим спросом подобных отечественных решений в этой отрасли.
1. Метод синхронно-векторных измерений 1.1. Устройство фазовых измерений PMU
Синхронно-векторные измерения (СВИ) (англ. Syncrhophasor Measurements) — это технология множественных одновременных измерений одного или нескольких параметров протяжённой системы посредством анализа разности частот, фаз, напряжений и токов в разных её участках. Ярким примером области применения такой технологии являются электрические подстанции и линии электропередач между ними. Синхронизация в таких системах осуществляется путём координирования с глобальными позиционирующими системами (GPS, ГЛОНАСС и тому подобное). Специфику синхронно-векторных измерений исчерпывающе описывают такие международные стандарты, как IEEE 1588 и IEEE C37.118.1 [8, 9].
В основе СВИ лежит цифровое устройство фазовых измерений — PMU (Phasor Measurement Unit), способное оценить с высокой точностью синхрофазу, частоту и первую производную частоты по времени измеряемых напряжений и токов. Синхрофаза или синхро-вектор — это амплитуда и угол сигнала синусоидальной формы (тока или напряжения), измеренного в конкретный момент времени.
Сигнал поступает в PMU сразу с преобразователя напряжения и тока. Далее производится его дискретизация. Время дискретизации сигнала является постоянным и базируется на точном времени от геопозиционирующих систем, работающих с микросекундной точностью. Для дискретизации сигнала после его
фильтрации используется АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Полученные данные формируются в специальный цифровой пакет, к которому прикрепляется временная метка, и далее отправляются в концентраторы фазовых данных PDC (Phasor Data Concentrators). PDC представляют собой специальные накопительные устройства, используемые для хранения данных в режиме оффлайн, а также дальнейшей их отправки для анализа состояния системы в реальном времени.
На рис. 1 изображена структурная блок-схема PMU [10], отражающая процесс захвата входных сигналов с последующим их преобразованием в синхрофазу. Точная временная метка координируется сигналом со спутника, а её тактирующий сигнал 1PPS используется для фазовой автоподстройки частоты захвата входных сигналов. В течение секунды происходит накопление показаний и одновременно отправка по локальной сети и цифровая обработка измерений за предыдущую секунду.
Сигналы времени Входные сигналы
Синхрофазы
Рис. 1. Блок-схема устройства фазовых измерений (PMU) [10]
Проще говоря, PMU производит выборку сигналов напряжения и тока синхронно с сигналом времени, вещаемым со спутника, что позволяет сравнивать вычисленные параметры формы сигнала в одном месте с параметрами из других мест в широкой географической области. Таким образом, на основе полученных данных возможно обнаружение и дальнейшее исследование различных переходных процессов во всей сети одномоментно.
1.2. Методы синхронизации точного времени
Синхронизация времени в промышленных сетях необходима для согласования работы устройств и приложений, осуществляющих обработку данных в режиме реального времени. Синхронизация также требуется в системах мониторинга и управления с целью протоколирования возникающих событий и своевременного реагирования.
Существует несколько методов синхронизации времени [11]. В одностороннем методе ведущие часы (Master) отправляют информацию о времени на ведомые часы (Slave). Ведомые используют полученные данные, учитывая задержку на передачу информации, для синхронизации своего времени. Задержка может быть измерена или рассчитана. Такой метод может быть использован только в тех системах, где есть возможность передачи данных, и путь от ведущих часов к ведомым не изменяется. В противном случае при синхронизации будет некорректно рассчитываться задержка. При использовании одностороннего метода следует учесть, что в любой системе могут возникать помехи и шумы, которые влияют на время передачи информации, однако, так как связь односторонняя, отследить такие колебания в задержке невозможно.
В двустороннем методе между ведущими и ведомыми часами создаётся двусторонняя связь. Необходимость в такой конструкции возникает для корректного определения задержки на передачу данных при синхронизации по сети. Ведущие и ведомые часы обмениваются сообщениями с метками времени, после чего рассчитывается задержка, которая учитывается в алгоритмах синхронизации.
В зависимости от решаемых задач могут потребоваться разные уровни точности синхронизации времени. В табл. 1 приведена точность некоторых методов синхронизации времени стандарта IEEE 1588 [8].
Из таблицы можно сделать вывод, что наиболее точным и наиболее подходящим методом синхронизации в протяженных сетях является GPS (ГЛОНАСС). В проведённом исследовании использовалось три метода синхронизации, последовательно преобразуемых друг в друга: GPS ^ IRIG-B ^ 1PPS.
GPS (Global Positioning System) - это глобальная система позиционирования, синхронизация времени в которой осуществляется в момент определения местонахождения устройства, оснащенного GPS-приемником. Для этого устройство ловит сигнал со спутников, установленных на околоземной орбите. Каждый из
спутников имеет атомные часы, за счет чего система GPS обеспечивает хорошую точность. Минусом данного метода является обязательное наличие GPS-антенны, сигнал у которой может быть нестабильным.
Таблица 1
Точность различных методов синхронизации времени стандарта IEEE 1588
Точность Метод синхронизации Сеть
GPS < 1 мкс Односторонний Беспроводная
1PPS < 1 мкс Односторонний Отдельная проводная
IRIG-B 10 мкс -1 мс Односторонний Отдельная проводная
NTP 0,5 - 100 мс Двусторонний Интернет
SNTP 1 - 50 мс Двусторонний Локальная
PTP < 1 мкс Двусторонний Локальная
IRIG-B (Inter-Range Instrumentation Group Timecodes) - информация о дате и времени передаётся вместе с импульсным сигналом синхронизации. Коды семейства IRIG используют выделенную сеть для передачи информации. Сеть может быть построена на оптическом волокне, витой паре или коаксиальном кабеле.
1PPS (1 pulse per second) - сигнал, не содержащий непосредственно метки времени. Ведущее устройство посылает один импульс в секунду по отдельной сети (по оптоволокну, витой паре или коаксиальному кабелю). Ведомые часы используют этот импульс только для синхронизации начала каждой секунды. Устройства не могут получить из такого сигнала информацию о дате и времени, поэтому такой протокол чаще всего используют в паре с другими, например с NTP.
2. Разработка прототипа УСВИ 2.1. Общая структурная схема устройства
Основными блоками системы синхронно-векторных измерений, как уже отмечалось ранее, являются подсистема синхронизации времени по GPS/ГЛОНАСС, блоки векторных измерений PMU, концентратор данных векторных измерений PDC (Phasor Data Concentrator), а также коммуникационное оборудование и программное обеспечение (ПО) для анализа и визуализации полученных данных.
Фундаментом такой системы является синхронизированный по времени аналого-цифровой преобразователь (АЦП), каждый отсчет которо-
го снабжен меткой глобального времени, что позволяет сравнивать вычисленные параметры сигналов в одном месте с параметрами сигналов из других мест в широком географическом пространстве. Упрощённая структурная схема разработанного авторами прототипа программно-аппаратного комплекса изображена на рис. 2.
На вход схемы подаётся нормализованный измеряемый аналоговый сигнал в виде напряжения, изменяющегося в пределах 0-3,3 В. Далее по сигналу PPS запускается последовательность оцифровки полученного сигнала при помощи АЦП. Каждое дискретное значение записывается в память контроллера, формируя в ней блоки (страницы) с показаниями с обоих входных каналов за несколько последних секунд. Каждому блоку присваивается метка времени. По мере необходимости верхний уровень запрашивает последнюю сформированную страницу с измерениями из памяти контроллера. Передача данных осуществляется через последовательный порт по USB.
Рис. 2. Упрощенная структурная схема GPS-синхронизированного АЦП
Рис. 3. Лабораторная установка «Программно-аппаратный комплекс СВИ»
Стоит отметить, что выделенные на рис. 2 нормализатор измеряемого сигнала, источник PPS и GPS-приёмник не являются частью микроконтроллера, а их задачи выполняют отдельные устройства. Границы микроконтроллера обозначены пунктирной линией.
Нормализатор сигнала необходим для преобразования входного сигнала в колебания напряжения в рабочих пределах используемого АЦП. В качестве источника нормализованного сигнала в разработанном прототипе используется цифровой генератор сигналов Zet210 от компании ZetLab (рис. 3, в центре). Генератор создаёт два синусоидальных сигнала с частотой
50 Гц, смещённых по фазе друг относительно друга на некоторое значение. Амплитуда генерируемых сигналов находится в пределах 0-2 В. Управление генератором происходит через компьютер в приложении ZetLab (рис. 3, справа). Для снятия контрольных показаний на выходе генератора используется осциллограф (рис. 3, сверху).
Для формирования сигнала точного времени в формате IRIG-B в прототипе используется часть оборудования компании «Prosoft Systems», а именно - судовая GPS-антенна и источник сигнала синхронизации ИСС-1.3 (на рис. 3 не значатся). Сформированный сигнал
далее поступает на программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) FPGA ALTERA MAXII (рис. 3, в центре), где происходит извлечение временной метки и выдача импульса 1PPS (Pulse Per Second — импульс в секунду).
Наконец, в качестве микроконтроллера в прототипе используется плата STM32 линейки Nucleo-144 Discovery с микроконтроллером STM32F767ZÍ (рис. 3, снизу). На одной плате имеется всё необходимое для разработки, включая точный высокочастотный АЦП, а также модуль отладчика и программатора ST-Link. Возможность отладки программного обеспечения в реальном времени значительно упрощает процесс разработки, позволяя просматривать состояние процессорного ядра, памяти и регистров периферии с рабочего компьютера. Данным контроллером также поддерживается передача данных по последовательному порту через USART (по USB).
Данные с GPS-АЦП транслируются на другом мониторе (рис. 3, слева), где осуществляется приём и обработка снятых показаний.
2.2. Алгоритм формирования и отправки блоков измерений
Процесс формирования блока (страницы) с оцифрованными входными сигналами начинается по сигналу 1PPS, формируемому в ПЛИС. Получаемые в течение секунды измерения необходимо накапливать в памяти микроконтроллера. Каждый блок содержит 256-50-2 = 25600 строк (на каждый из двух каналов с учетом частоты входного сигнала в 50 Гц по 256 измерений на каждый период волны синусоиды). Количество страниц (блоков) всегда фиксировано. По ежесекундному импульсу происходит ротация активного блока, в который непрерывно с указанной частотой производятся записи измерений с АЦП. Такой алгоритм является компромиссом, позволяющим уместить несколько сформированных и одно формируемое измерение в ограниченном объёме памяти.
Каждое дискретное значение напряжения занимает 12 бит, однако плотная упаковка измерений требует дополнительных циклов процессора на сдвиг и соединение битов в слова, кратные восьми. Целесообразным (с учетом дополнительных затрат памяти) является выделение по 16 бит (2 байта) на каждое дискретное значение напряжения. Таким образом, получаем количество бит в одной странице:
256 • 50 • 2 • 16 = 409600 бит.
Передача такого числа бит даже на максимально поддерживаемой частоте передачи (256000 bps) займёт 1,6 секунды. Если выполнять блокирующую передачу с использованием ядра процессора, получается лаг в измерениях АЦП, то есть пропуск более одной секунды измерений, что является недопустимым для такого рода устройств. Во избежание такой задержки задача передачи данных по серийному порту была переложена на модуль DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти), не блокирующий работу процессора во время своей работы. DMA взаимодействует только с выделенным для него участком памяти.
В качестве рабочей для DMA выделяется область памяти из резервного блока. В момент получения запроса на передачу блока данных с верхнего уровня происходит подмена ячеек резервного и одного из рабочих блоков. Рабочий блок с данными помещается на место резервного, и с него в асинхронном режиме начинается передача данных по серийному каналу USART. Поскольку за одну секунду формируется блок из 256-50-2 измерений, АЦП работает с частотой 256 • 50 = 12800 Гц. За каждый такт таймера происходит два последовательных измерения с двух входных каналов по очереди.
В случае увеличения числа входных каналов будет увеличиваться и их отставание от момента подачи сигнала 1PPS. Однако в этом случае отставание соизмеримо с несколькими тактами процессорного ядра и зависит от режима измерений самого АЦП. В случае самой минимальной длительности измерения в 3 цикла лаг между двумя каналами в идеальном случае составит:
3 цик 256 МГц
85 • 10-6с = 85 мкс.
Учитывая затраты в циклах на прочие операции по чтению/записи значений в регистры/память, такого рода задержка является пренебрежимо малой.
2.3. Программное обеспечение
В качестве языка программирования для микроконтроллера был выбран язык Rust. Это современный аналог языка C, мультипарадиг-менный высокоуровневый компилируемый язык программирования со статической типизацией, гарантирующий безопасность работы с памятью и не имеющий сборщика мусора.
В качестве среды разработки и отладки ПО для микроконтроллера был выбран современный инструментарий Intellij IDEA от чешской
компании JetBrains. Для прошивки программы микроконтроллера STM32F767ZI используется официальный драйвер для программатора St-Link V2-1.
Для задания параметров генерируемых сигналов используется базовая версия ПО от компании-разработчика генератора ZET210 -ZetLab Base. Для приёма измеренных показаний по серийному порту с микроконтроллера (через USB) и отправки команды для начала передачи на этапе отладки используется программа SerialPlot.
Приёмная часть установки находится под управлением OS Ubuntu (на базе ядра Linux). Такое техническое решение способствует исчезновению проблем с драйверами ST-Link и значительному приросту производительности компьютера.
2.4. Обработка результатов измерений
По запросу пользователя программа
SerialPlot отправляет по серийному порту команду на микроконтроллер для передачи блока данных за последнюю секунду. Полученные показания (рис. 4) интерпретируются по заданному алгоритму таким образом, чтобы извлечь из байтовой последовательности показания различных каналов с заданным размером слова, числом каналов, размером буфера, градацией осей OX и OY и так далее. В экспериментальной установке использовался размер буфера на 12800 отсчетов, в два канала, с порядком байт от младшего к старшему, по два байта на отсчет. На рис. 4 также отчётливо видны 50 периодов синусоиды в секунду, то есть заданная в настройках генератора частота в 50 Гц. Стоит ещё раз отметить, что весь интервал оси времени на рис. 4 равен ровно одной секунде, так как снятие показаний происходит в интервале между двумя сигналами 1PPS с заданной частотой дискретизации. Иными словами, на одну секунду приходится 12800 дискретных значений напряжения с точностью 12 бит.
2 500
2 000
о 1500
X 1 000
500
200 400 600 800
Время (мс)
Рис. 4. Показания с GPS-АЦП за одну секунду (SerialPlot)
1000
SerialPlot поддерживает экспорт исходных данных для построения в формате CSV. Проанализировав исходные данные в формате CSV средствами Matlab или Octave, можно получить Фурье-образ оцифрованного сигнала (рис. 5), а также представить фазу и амплитуду входных сигналов в векторном виде (рис. 6).
Один из входных сигналов на рис. 6 выбран в качестве эталонного, а его фаза зафиксирована в нуле. Также на этом рисунке отчётливо видно, что разница фаз между сигналами на двух входных каналах составляет 45°. Показания в точности совпадают с параметрами генерируемого сигнала, заданными в окне настроек ZetLab.
Рис. 5. Фурье-образ одного из входных сигналов с отчётливо наблюдаемым пиком на частоте 50 Гц
Рис. 6. Фаза и амплитуда входных сигналов в векторном виде
Способ обработки измерений в программной среде Matlab, однако, имеет некоторые неудобства, так как заставляет производить множество манипуляций в несвязанных между собой программах для извлечения, последующей конвертации и обработки полученных измерений. Ввиду этого в рамках разработки программно-аппаратного комплекса СВИ было разработано также собственное ПО, полностью реализующее процессы получения измерений, их обработки и отображения результата конечному пользователю (рис. 7).
Все промежуточные этапы обработки между конечным пользователем и драйвером последовательного порта были заменены вебсервером, осуществляющим процесс коммуникации с микроконтроллером.
По команде пользователя сервер запрашивает показания, занимается выгрузкой буфера с этими показаниями из подключенного по последовательному каналу микроконтроллера, а затем их обрабатывает, генерируя Фурье-спектры и образы входных сигналов в векторном виде с заданными фазой и амплитудой (рис. 8). Частотные спектры создаются при помощи быстрого преобразования Фурье комплексной переменной. Фаза и амплитуда комплексной величины соответствуют фазе сигнала и его амплитуде в вольтах.
Для отображения графиков на стороне браузера используется JS-библиотека с открытым кодом - Plotly. Для отображения элементов управления (кнопок, списков) используется открытый фреймворк Bootstrap 5.
Рис. 7. Структурная схема автоматизированной системы обработки измерений с возможностью удалённого доступа
Рис. 8. Векторный вид входных сигналов с разностью фаз в 5 градусов (показания с веб-сервера)
Доступ к веб-серверу осуществляется из локальной сети (включая компьютер, на котором исполняется бинарный файл веб-сервера). Кроме того, оператору предоставляется возможность удалённого доступа к серверу с любого портативного устройства (телефона или
планшета), имеющего в своей операционной системе браузер. Загружается html-страница с интерактивными диаграммами оцифрованных входных сигналов и их основных характеристик: амплитуды, фазы и частоты.
Стоит отметить, что частотные спектры входных сигналов отображаются на вебстранице сервера не просто для интерактивного представления параметров полученного сигнала. Они выполняют важнейшую задачу по обнаружению и мониторингу помех и искажений в сети, так как в случае возникновения различ-
ного рода искажений сигнала в его спектре появляются явно заметные гармоники.
Рассмотрим в качестве примера два сигнала, параметры которых задаются в настройках генератора. Пусть один сигнал будет «нормальным» - синусоидальным, а другой «искажённым» - меандром (рис. 9). В спектре второго сигнала (рис. 10), полученном в результате быстрого преобразования Фурье, будут отчётливо различаться гармоники (справа от основного пика), свидетельствующие об «искажённой» прямоугольной форме этого сигнала.
Время, мс
Рис. 9. Пример входных сигналов. Синус и меандр. Частота 50 Гц (показания с веб-сервера)
4ии 300
1 — А I 1 А 1 Л 1 *
500 600
Частота, Гц
Рис. 1 0. Спектр второго сигнала с отчётливо различимыми гармониками (показания с веб-сервера)
Обзор аналогичных решений и перспективы исследования
Устройства синхронизированных векторных измерений обеспечивают постоянный мониторинг электрических величин по всей энергосистеме в режиме реального времени с целью предотвращения развития аварийных ситуаций. Они используются для распределения систем управления, проверки модели системы, мониторинга запаса устойчивости, контроля напряжения и фазовых углов в узлах энергосистемы, а также визуализации динамических характеристик системы. Приложения PMU, конечно, сталкиваются и со многими проблемами в си-
стемах распределения, такими как недостаточная точность векторных измерений и отсутствие сетевой инфраструктуры связи, которая может поддерживать большое количество датчиков и исполнительных механизмов с различными технологиями [4]. Однако несмотря на это, устройства синхронизированных векторных измерений с каждым годом подвергаются всё более активным процессам внедрения и модернизации, составляют основу новейших цифровых подстанций, систем защиты и управления.
Поскольку рынок аппаратных и программных решений для синхронно-векторных измерений является нишевым, на нём доминируют современные гиганты измерительной электроники,
такие как Siemens (Wide Area Monitoring system SIGUARD PDP [12]), Valiant (Synchrophasor Measurement Unit VCL-PMU-30 [13]) и Electro Industries (Nexus 1450 [14]). Такие импортные аппаратные решения относятся к категории дорогостоящих (порядка $10000) и требуют специальной профессиональной подготовки к эксплуатации, а также наличие соответствующего ПО. Более того, конструкционные и программные сведения в данной области в большинстве своём являются закрытыми и носят конфиденциальный характер. Существуют, конечно, и так называемые решения с "открытыми исходниками" [15], однако доступ к содержанию таковых решений не является в полной мере открытым, бесплатным и не описывает в деталях процесс создания устройств СВИ. В таких материалах СВИ рассматривают только с математической, либо сугубо алгоритмической точки зрения, упуская самую важную составляющую - непосредственное устройство GPS-синхронизированного АЦП, его структуру, аппаратные требования и прочие детали реализации. «Закрытый» характер аппаратного и программного обеспечения этих устройств делает их ограниченно применимыми для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Все промышленные аналоги УСВИ отличаются высокой тактовой частотой работы встроенных микропроцессоров (порядка 1 - 3 ГГц), а также имеют высокоточные 16-битные АЦП (в разработанном прототипе точность оцифровки составляет 12 бит). Неотъемлемой частью любого коммерческого решения также является высокая совместимость с различными протоколами и каналами связи. Например, для получения точного времени в устройствах от Valiant можно использовать на выбор порты GigE Ethernet, 1PPS, IRIG-B или же внешнюю GPS-антенну. УСВИ от Electro Industries имеет встроенный веб-сервер с отображением показаний в реальном времени на базе технологий HTML5. Также эти аналоги в базовой комплектации поддерживают снятие показаний с трёхфазных источников питания (3 канала для напряжений и 3 для токов). Разработанный авторами прототип способен измерять пока лишь только два канала напряжения.
Авторами планируется глубокая модернизация программно-аппаратного комплекса. На данный момент наиболее избыточной частью стенда является установка от Prosoft Systems, у которой задействуется лишь один модуль, необходимый для получения точного времени в формате IRIG-B. Авторами проведётся замена громоздкого стороннего комплекса обычной
GPS/ГЛОНАСС антенной и ещё одним микроконтроллером, производящим преобразование сообщений стандарта NMEA (используемого в GPS-приёмниках) в стандарты IRIG-B и 1PPS. Кроме того, проведётся замена отладочного микроконтроллера STM32F767ZI на аналог из младшей, более дешевой, но не менее производительной линейки - STM32F411CE. Также несмотря на дороговизну и наличие отладочного режима, скорость передачи данных по встроенному эмулятору последовательного порта в используемом сейчас микроконтроллере ограничена до 256 кбит/с. В следующей версии прототипа планируется использовать внешний преобразователь USART в USB для увеличения максимальной скорости передачи уже до 3 Мбит/с, в следствии чего появится возможность увеличить максимальное количество считываемых каналов с 2 до 24. Конечной целью данного этапа проводимой работы является сборка всей установки на одной печатной плате, создание пластикового корпуса средствами 3D-печати, а также добавление возможности наблюдения за формой сигнала в режиме реального времени на веб-сервере.
Заключение
Авторам в процессе этого научного исследования удалось разработать и сконструировать полноценный, работоспособный и дешёвый в изготовлении (себестоимость комплектующих меньше 10 тыс. руб.) прототип программно-аппаратного комплекса синхронно-векторных измерений с полностью собственным программным обеспечением и аппаратными комплектующими, которые легко могут быть заменены аналогичными отечественными продуктами (микроконтроллерами, ГЛОНАСС-антеннами).
Аппаратная часть разработанного комплекса включает в себя GPS-синхронизированный АЦП на базе микроконтроллера, а программная часть — непосредственно программирование микроконтроллера, а также веб-сервер для оперативной обработки снятых показаний.
Применение комплекса, конечно, пока ограничено малым числом входных каналов. Тем не менее, это никоим образом не мешает использовать подобного рода устройство в однофазных сетях небольших хозяйств, например, в небольшой котельной или насосной станции. Стоит также учесть, что этап преобразования входных сигналов к векторному виду вовсе не является обязательным, и устройство можно использовать в качестве обычного GPS-синхронизированного АЦП для снятия сигна-
лов прочего (негармонического) вида: температуры, влажности и тому подобного.
В связи с высокой востребованностью такого рода оборудования государственными компаниями в секторе энергетики становится очевидной необходимость дальнейшей модернизации программно-аппаратного комплекса для применения уже в промышленных масштабах.
Литература
1. «Электробаланс и потребление электроэнергии в Российской Федерации c 2005-2021гг». Федеральная служба государственной статистики: официальный сайт. URL: https://rosstat.gov.ru/enterprise_industrial (дата обращения: 12.02.2023).
2. «Показатели энергетической эффективности субъектов электроэнергетики. Показатели по итогам деятельности за 2021 год». Министерство энергетики РФ: официальный сайт. URL: https://minenergo.gov.ru/node/22764 (дата обращения: 12.02.2023).
3. Oettinger G. Energy Roadmap 2050. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2012. 20 p.
4. A comprehensive survey on phasor measurement unit applications in distribution systems / M. Hojabri, U. Derch, A. Papaemmanouli, P. Bosshart // Energies. 2019. Vol. 12. № 23. Рр. 1-23.
5. Phadke A., Thorp J. Synchronized phasor measurements and their applications. Second Edition. Springer International Publishing: Power Electronics and Power Systems, 2017. 285 p.
6. Synchrophasor-based power system protection and control applications / E.O. Schweitzer, D. Whitehead, G. Zweigle, K.G. Ravikumar // Modern Electric Power Systems. 2010. P. 1-10.
7. Laverty D. Best R.J., Morrow D.J. Loss-of-mains protection system by application of phasor measurement unit technology with experimentally assessed threshold settings /
D. M. Laverty // IET Generation, Transmission and Distribution. 2015. Vol. 9. № 2. Рр. 146-153.
8. IEEE Std 1588™ - 2008, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, IEEE Instrumentation and Measurement Society. 2008.
9. IEEE Std C37.118.1™ - 2011, IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems, IEEE Power and Energy Society. 2011.
10. GPS-disciplined analog-to-digital converter for phasor measurement applications / X. Zhao [et al.] // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2017. Vol. 66. № 9. P. 2349-2357.
11. «Синхронизация точного времени. Стандарт IEEE 1588». Официальный дистрибьютер Moxa Inc. в России, компания Ниеншанц-Автоматика: официальный сайт. URL: https://moxa.ru/tehnologii/power_systems/sinhron izaciya-tochnogo-vremeni-standart-ieee-1588/ (дата обращения: 12.02.2023).
12. «Phasor Measurement Unit (PMU)». Siemens: официальный сайт. URL: https://www.siemens.com/global/en/products/energy/energy-automation-and-smart-grid/protection-relays-and-control/general-protection/phasor-measurement-unit-pmu.html (дата обращения: 14.02.2023).
13. «VCL-PMU-30, Phasor Measurement Unit (PMU)». Valiant Communications: официальный сайт. URL: https://valiantcom.com/pmu/phasor-measurement-unit.html (дата обращения: 14.02.2023).
14. «Nexus 1450 Cyber Secure Power Quality Meter with Multiport Communication». Electro Indus-tries/GaugeTech Inc.: официальный сайт. URL: https://www.electroind.com/products/nexus-1450-cyber-secure-power-quality-meter-with-multiport-communication/ (дата обращения: 14.02.2023).
15. Laverty D., Hastings J., Zhao X. An open-source analogue to digital converter for power system measurements with time synchronisation // 2017 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). 2017. Рр. 1-5.
Поступила 27.04.2023; принята к публикации 07.08.2023 Информация об авторах
Казбанов Виктор Алексеевич - магистрант 1-го года обучения Высшей школы междисциплинарных исследований и инжиниринга образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий», Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (236041, Россия, г. Калининград, ул. А. Невского, 14), e-mail: kazbanov2000@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7790-2489
Курицкий Михаил Сергеевич - магистрант 1-го года обучения Высшей школы междисциплинарных исследований и инжиниринга образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий», Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (236041, Россия, г. Калининград, ул. А. Невского, 14), e-mail: MiKuritskii@stud.kantiana.ru, Mix-Mux@yandex.ru, тел. +7-921-109-88-21, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4125-4678
Алещенко Алексей Николаевич - канд. техн. наук, доцент, доцент образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий», Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (Россия, 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14), e-mail: AAleshchenko@kantiana.ru
Анискевич Вячеслав Михайлович - заведующий лабораторией конструкторского бюро, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (236041, Россия, г. Калининград, ул. А. Невского, 14), e-mail: anis-1vm@rambler.ru
DEVELOPING A PROTOTYPE OF SOFTWARE-HARDWARE SYSTEM FOR SYNCHROPHASOR MEASUREMENTS BASED ON GPS-DISCIPLINED ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER
V.A. Kazbanov, M.S. Kuritskiy, A.N. Aleshchenko, V.M. Aniskevich
Immanuel Kant Baltic Federal University, Kaliningrad, Russia
Abstract: this article addresses the issue of a lack of software-hardware solutions for real-time digital monitoring of various grid parameters, it's generation and transmission subjects (power, phase shift, frequency, etc.). It has been analyzed that an effective response to a various distortions and failures of the grid a synchronization needed when measuring its parameters across different areas, considering that data transfer rates are fast and the grid itself is widespread. The study describes an effective method for solving such problems by developing and introducing new devices based on the synchrophasor measurement technology, that use time synchronization from Global Positioning Systems. It should be noted that foreign analogues of such devices are expensive, and their constructional details are closed. The result of this work is a complete prototype of a softwarehardware complex for synchrophasor measurements based on GPS-disciplined ADC, which is a cheap, yet perspective and open analogue to many commercial solutions. A software, built from scratch, completely implements the processes of acquiring, processing and displaying measurement results to the end user on a webpage with an access from a local or a global network
Key words: syncrhophasor measurements, electrical energy industry, digital signal processing, microcontrollers, GPS/ GLONASS, software-hardware system, grid equipment diagnostic systems
References
1. «Electric balance and electricity consumption in the Russian Federation in 2005-2021», Federal State Statistics Service: official website, available at: https://rosstat.gov.ru/enterprise_industrial (accessed 12.02.2023).
2. «Indicators of energy efficiency of electric power industry entities. Performance indicators for 2021». Ministry of Energy of the Russian Federation: official website, available at: https://minenergo.gov.ru/node/22764 (accessed 12.02.2023).
3. Oettinger G. "Energy Roadmap 2050", Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2012, 20 p.
4. Hojabri M., Derch U., Papaemmanouli A., Bosshart P. "A comprehensive survey on phasor measurement unit applications in distribution systems", Energies, 2019, vol. 12, no. 23, pp. 1-23.
5. Phadke A., Thorp J. "Synchronized phasor measurements and their applications. Second Edition", Springer International Publishing: Power Electronics and Power Systems, 2017, 285 p.
6. Schweitzer E.O., Whitehead D., Zweigle G., Ravikumar K.G. "Synchrophasor-based power system protection and control applications", Modern Electric Power Systems, 2010, pp. 1-10.
7. Laverty D.M., Best R.J., Morrow D.J. "Loss-of-mains protection system by application of phasor measurement unit technology with experimentally assessed threshold settings", IET Generation, Transmission and Distribution, 2015, vol. 9, no. 2, pp. 146-153.
8. IEEE Std 1588™ - 2008, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, IEEE Instrumentation and Measurement Society, 2008.
9. IEEE Std C37.118.1™ - 2011, IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems, IEEE Power and Energy Society, 2011.
10. X. Zhao "GPS-disciplined analog-to-digital converter for phasor measurement applications", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2017, vol. 66, no. 9, pp. 2349-2357.
11. «Time synchronization. IEEE 1588 Standard», Official distributor of Moxa Inc. in Russia, Nienschanz-Automatica company: official website, available at: https://moxa.ru/tehnologii/power_systems/sinhronizaciya-tochnogo-vremeni-standart-ieee-1588/ (accessed: 12.02.2023).
12. «Phasor Measurement Unit (PMU)», Siemens: official website, available at: https://www.siemens.com/global/en/products/energy/energy-automation-and-smart-grid/protection-relays-and-control/general-protection/phasor-measurement-unit-pmu.html (accessed: 14.02.2023).
13. «VCL-PMU-30, Phasor Measurement Unit (PMU)», Valiant Communications: official website, available at: https://valiantcom. com/pmu/phasor-measurement-unit.html (accessed: 14.02.2023).
14. «Nexus 1450 Cyber Secure Power Quality Meter with Multiport Communication», Electro Industries/GaugeTech Inc.: official website, available at: https://www.electroind.com/products/nexus-1450-cyber-secure-power-quality-meter-with-multiport-communication/ (accessed: 14.02.2023).
15. Laverty D., Hastings J., Zhao X. "An open-source analogue to digital converter for power system measurements with time synchronization", IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2017, pp. 1-5.
Submitted 27.04.2023; revised 07.08.2023 Information about the authors
Viktor A. Kazbanov - 1st year master's student, Graduate School of Interdisciplinary Research and Engineering, educational and scientific cluster "Institute of High Technologies", Immanuel Kant Baltic Federal University (14 A. Nevskogo str., Kaliningrad 236041, Russia), e-mail: kazbanov2000@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7790-2489
Michael S. Kuritskiy - 1st year master student, Graduate School of Interdisciplinary Research and Engineering, educational and scientific cluster "Institute of High Technologies", Immanuel Kant Baltic Federal University (14 A. Nevskogo str., Kaliningrad 236041, Russia), e-mail: MiKuritskii@stud.kantiana.ru, Mix-Mux@yandex.ru, tel.: +7-921-109-88-21, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4125-4678
Alexey N. Aleshchenko - Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Graduate School of Interdisciplinary Research and Engineering educational and scientific cluster "Institute of High Technologies", Immanuel Kant Baltic Federal University (14 A. Nevskogo str., Kaliningrad 236041, Russia), e-mail: AAleshchenko@kantiana.ru
Vyacheslav M. Aniskevich - Head of the development laboratory, Immanuel Kant Baltic Federal University (14 A. Nevskogo str., Kaliningrad 236041, Russia), e-mail: anis-1vm@rambler.ru
