СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ В ЭНЕРГООБЪЕДИНЕНИИ ПО ДАННЫМ ЦИФРОВЫХ РЕГИСТРАТОРОВ

Полезная модель относится к специализированным устройствам вычислительной техники и может быть использована при создании систем обработки и анализа данных цифровых регистраторов для мониторинга переходных режимов в энергообъединении, в частности, на основе спектрального анализа результатов полученных векторных измерений и вычислений функций взаимной корреляции.
Используемая в энергообъединениях система мониторинга переходных режимов (СМПР), основанная на применении цифровых регистраторов, применяется для регулярной верификации их базовой динамической модели. Анализ данных цифровых регистраторов выполняется, как правило, только при технологических нарушениях, сопровождающихся значительными небалансами мощности. Очевидно, что полноценный анализ колебательных свойств должен быть основан не только на изучении поведения энергообъединения при технологических нарушениях, но и на изучении их колебательных свойств в квазиустановившихся режимах, рассматриваемых на длительных интервалах времени. Такой анализ позволит выявить источники и причины возникновения низкочастотных колебаний и разработать при необходимости рекомендации по их устранению путем коррекции рабочих настроек системных стабилизаторов автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов или установки дополнительных системных стабилизаторов на конкретных генераторах при их модернизации или реконструкции.
Известно устройство, содержащее группу аналоговых датчиков, группу цифровых датчиков, многоканальные первый аналоговый и второй цифровой коммутаторы, формирователь модуля, нуль-орган, источник опорных напряжений, дешифратор, первое, второе и третье оперативные запоминающие устройства, постоянное запоминающее устройство, микроконтроллер, таймер, первый-четвертый одноканальные аналоговые коммутаторы, аналого-цифровой преобразователь, первый и второй аналоговые компараторы, регистр, первый-пятый счетчики, первый-третий триггеры, элемент И-НЕ, первый-пятый элементы И, первый-четвертый элементы ИЛИ, первый-шестнадцатый одновибраторы, числовой компаратор и генератор тактовых импульсов [RU 2376625, C1, G06F 17/40, 20.12.2009].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Известно также устройство дистанционного контроля за параметрами тока и напряжения в высоковольтной части электроэнергетических систем, включая контроль за переходными процессами в этих системах, содержащее подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого напряжения, при чем, высоковольтный измерительный модуль содержит блок вторичного электропитания, подключенные к блоку вторичного электропитания, магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью и включенный в цепь пассивного преобразователя сетевого напряжения низковольтный питающий трансформатор напряжения с фильтрующим конденсатором, шунтирующим первичную обмотку, и параллельным ему демпфирующим резистором, активный преобразователь сигналов измерительной информации, соединенный с пассивным преобразователем сетевого тока и/или пассивным преобразователем сетевого напряжения и блоком вторичного электропитания и имеющий радиочастотный и/или оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации, а пассивный преобразователь сетевого напряжения выполнен в виде последовательно соединенных высоковольтного опорного конденсатора и низковольтного плеча, причем, все элементы высоковольтного измерительного модуля, кроме высоковольтного опорного конденсатора, помещены в электрический экран, соединенный с сетевым проводом через дроссель и параллельный ему демпфирующий резистор [RU 2143165, С1, H02J 13/00, 20.12.1999].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для регистрации параметров переходных процессов изменения напряжения и тока в электрических сетях, содержащее группу аналоговых датчиков, группу цифровых датчиков, аналоговый и цифровой коммутаторы, первый-четвертый счетчики, группу оперативных запоминающих устройств, постоянное запоминающее устройство, микроконтроллер, таймер, регистр, аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, D-триггеры, первый-четвертый одновибраторы [RU 2402067, C1, G06F 17/40, 20.10.2010].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, поскольку при регистрации параметров переходных режимов оно не позволяет, в частности, осуществлять такие важные функции, как проведение спектрального анализа результатов полученных векторных измерений и оценивать функцию взаимной корреляции.
Задачей предложенной системы обработки и анализа данных цифровых регистраторов для мониторинга переходных режимов в энергообъединении является расширение функциональных возможностей. Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, обеспечивающих расширение функциональных возможностей системы, в частности, осуществлять такие важные функции, как проведение спектрального анализа результатов полученных векторных измерений и оценивать функцию взаимной корреляции.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в систему, содержащую, по крайней мере, две цепи формирования и обработки данных, каждая из которых включает последовательно соединенные цифровой датчик и запоминающее устройство, введены блок расчета функции взаимной корреляции, а в каждую из цепей формирования и обработки данных введены блок подготовки и преобразования формата данных, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, блок верификации и контроля данных, вход которого соединен с выходом блока подготовки и преобразования формата данных, блок изменения шага дискретизации, вход которого соединен с выходом блока верификации и контроля данных, блок определения спектра плотности мощности, вход которого соединен с выходом блока изменения шага дискретизации, анализатор спектра, вход которого соединен с выходом блока определения спектра плотности мощности, блок фильтрации данных, первый вход которого соединен с выходом анализатора спектра, а второй вход соединен с выходом блока изменения шага дискретизации, блок расчета автокорреляционной функции и блок определения амплитуд и фаз гармоник, вход которого объединен с входом блока расчета автокорреляционной функции и соединен с выходом блока фильтрации данных, а выход является выходом соответствующей цепи формирования и обработки данных, при этом, входы блока расчета функции взаимной корреляции соединены с выходами, по крайней мере, двух цепей формирования и обработки данных.
На чертеже представлена структурная схема системы мониторинга переходных режимов в энергообъединении по данным цифровых регистраторов для частного случая использования двух цепей формирования и обработки данных.
Система мониторинга переходных режимов в энергообъединении по данным цифровых регистраторов (пример использования двух цепей формирования и обработки данных) содержит две цепи 1-1 и 1-2 формирования и обработки данных, каждая из которых включает последовательно соединенные цифровой датчик 2 и запоминающее устройство 3.
Кроме того, каждая из цепей 1-1 и 1-2 формирования и обработки данных содержит блок 4 подготовки и преобразования формата данных, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 3, блок 5 верификации и контроля данных, вход которого соединен с выходом блока 4 подготовки и преобразования формата данных, блок 6 изменения шага дискретизации, вход которого соединен с выходом блока 5 верификации и контроля данных, блок 7 определения спектра плотности мощности, вход которого соединен с выходом блока 6 изменения шага дискретизации, анализатор 8 спектра, вход которого соединен с выходом блока 7 определения спектра плотности мощности, блок 9 фильтрации данных, первый вход которого соединен с выходом анализатора 8 спектра, а второй вход соединен с выходом блока 6 изменения шага дискретизации, блок 10 расчета автокорреляционной функции и блок 11 определения амплитуд и фаз гармоник, вход которого объединен с входом блока 10 расчета автокорреляционной функции и соединен с выходом блока 9 фильтрации данных, а выход - является выходом соответствующей цепи 1-1 (1-2) формирования и обработки данных, при этом, входы блока 12 расчета функции взаимной корреляции соединены с выходами, по крайней мере, двух цепей 1-1 и 1-2 формирования и обработки данных.
В более общем случае, когда в системе используется боле двух цепей формирования и обработки данных, входы блока 12 расчета функции взаимной корреляции соединены с выходами, по крайней мере, двух цепей формирования и обработки данных, или используется отдельный блок для каждой пары цепей 1-1 и 1-2 формирования и обработки данных или используется коммутатор, обеспечивающий подключение блока 12 к требуемым парам цепей.
Система, помимо стандартных элементов (цифровые датчики, запоминающие устройства) содержит и элементы, охарактеризованные на функциональном уровне, и описываемая форма их реализации предполагает использование программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, поэтому ниже представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения такими средством конкретных предписываемых им в составе данной системы функции, в том числе вычислительные алгоритмы и соответствующие математические выражения.
Работает система мониторинга переходных режимов в энергообъединении по данным цифровых регистраторов следующим образом.
Система относится к специализированным устройствам вычислительной техники и может быть использована при мониторинге переходных режимов в энергообъединении, в частности, спектрального анализа результатов полученных векторных измерений и функцию взаимной корреляции. Такой анализ позволит выявить источники и причины возникновения низкочастотных колебаний и разработать, при необходимости, рекомендации по их устранению путем коррекции рабочих настроек системных стабилизаторов автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов или установки дополнительных системных стабилизаторов на конкретных генераторах при их модернизации или реконструкции.
Результаты измерений от цифровых датчиков 2, установленных на контролируемых объектах энергообъединений (генераторах) за длительный период измерений поступают в запоминающие устройства 3.
Блок 4 подготовки и преобразования формата исходных данных каждой из цепей формирования и обработки данных производит чтение информации из запоминающего устройства и ее преобразование в требуемый, используемый при дальнейшей обработке, двоичный формат.
В этом же блоке могут производиться предварительные преобразования, к которым относится устранение скачков в показаниях абсолютного угла напряжения прямой последовательности (под скачком здесь понимается разность двух соседних показаний, превышающая 180°) и удаление постоянного смещения 50 Гц в показаниях частоты.
Скачки обусловлены ограничением диапазона показаний пределами 0-360°. Сам абсолютный угол напряжения прямой последовательности изменяется непрерывно, поэтому, для предупреждения искажений при спектральном анализе необходимо исключить скачки показаний. Это возможно, так как спектральный анализ осуществляется на ограниченном диапазоне времен. Для этого последовательно просматриваются пары соседних показаний абсолютных углов. Если разность текущего и предыдущего показания больше 180°, то из текущего и всех последующих показаний вычитают 360°. Наоборот, если эта разность меньше 180°, текущее и все остальные показания увеличивают на 360°.
После проведенной коррекции просматривают полученные результаты, и изменяют, при необходимости, все показания на величину кратную 360° так, чтобы разность максимального и модуля минимального значения не превышала 360°. Таким образом, показания абсолютного угла напряжения прямой последовательности будет оставаться в приемлемых границах.
Изменения показаний частоты по сравнению со средним ее значением очень малы, что может привести к потере точности при расчетах. Поэтому целесообразно перейти к отклонениям от 50 Гц с заменой Гц на мГц, т.е. умножению результата на 1000.
Исходные данные могут содержать следующие параметры электрического режима, передаваемые от цифровых датчиков в запоминающие устройства 3:
- мгновенное значение абсолютного угла напряжения прямой последовательности δ;
- мгновенное значение напряжения прямой последовательности U;
- мгновенное значение тока прямой последовательности I;
- значение частоты электрического тока f;
- астрономическое время Т;
- значение активной мощности Р;
- значение реактивной мощности Q.
Для каждого параметра формируется задание на чтение из запоминающего устройства, содержащее:
- идентификационный номер;
- параметр.
Кроме указания объектов и параметров, формируются данные о начале и конце выборки:
- дата начала выборки данных (по формату день, месяц, год, часы, минуты, секунды);
- дата конца выборки (день, месяц, год, часы, минуты, секунды).
При циклической обработке данных этот диапазон разбивается на ряд поддиапазонов с длительностью, равной периоду обработки данных.
По результатам чтения из базы данных запоминающего устройства 3 формируется список удовлетворенных запросов и соответствующий двоичный массив данных, длина которого пропорциональна периоду обработки данных при циклической обработке, или диапазону выборки - при отсутствии циклической обработки. Таким образом, параметры, по которым на момент запроса не было данных, из списка обрабатываемых параметров исключены.
Блок 5 верификации и контроля исходных данных преобразует массив с исходными данными в форму, пригодную для дальнейшего анализа. В частности, производится выявление аномальных измерений (промахов) в массиве данных.
Важную роль играют статистические критерии, предназначенные для выделения аномальных результатов измерений (выбросов). В системе может быть использован критерий Граббса, применяемый для проверки на аномальность (для оценки анормальности) выделяющихся результатов измерений, как большинство существующих критериев отбраковки "подозрительных" данных, опирается на предположение о принадлежности наблюдаемых случайных величин нормальному закону. Статистики критерия Граббса предусматривают возможность проверки на наличие в выборке либо одного аномального результата измерения (наименьшего или наибольшего), либо двух (двух наименьших в выборке или двух наибольших).
При использовании критериев Граббса наблюдаемая выборка упорядочена по возрастанию.
1
2
n
(1)
(2)
(n)
Пусть Х, Х,…,X - наблюдаемая выборка, Х≤Х≤…Х - построенный по ней вариационный ряд.
(n)
При проверке выброс наибольшего выборочного значения Х статистика критерия Граббса имеет вид:
n
(n)
G=(X-X)/S
где:
При проверке на выброс наименьшего выборочного значения вычисляемая статистика принимает вид
n
n,1-α
1
1,1-α
Максимальный или минимальный элемент выборки считается выбросом, если значение соответствующей статистики превысит критическое: G≥G или G≥G, где α - задаваемый уровень значимости.
При проверке на выброс одновременно двух наибольших значений статистика критерия Граббса имеет вид
где
Для проверки на выброс одновременно двух наименьших величин статистика критерия принимает вид:
где:
α
Оба значения считаются выбросами, если значение соответствующей статистики окажется ниже критического:. G<G.
Статистика для проверки на аномальность одновременно минимального и максимального выборочных значений формируется в соответствии с соотношением:
где:
1,n
1,n,α
Оба значения считаются выбросами при заданном уровне значимости α, если вычисленное по выборке значение статистики окажется ниже критического: G<G.
В системе можно использовать табличные значения для выборок с длиной из диапазона n=5-30 и 5 уровней значимости, равные в процентном выражении: 0.1, 0.5, 1, 5 и 10.
Отсутствие аномального выброса для одной статистики не гарантирует его отсутствие для другой. Если был обнаружен аномальный выброс (выбросы), то он удаляется из тестируемого отрезка и производится повторный контроль для укороченного отрезка.
Выбор длины тестируемых отрезков и уровня значимости проводится экспериментально.
Для цифровых датчиков при измерении абсолютного угла характерно наличие скачков, связанных с выходом показаний за пределы 360°. Поскольку длины обрабатываемых массивов конечны, скачки могут быть устранены добавлением или вычитанием из показаний величины кратной 360°. Если коррекция проводится до устранения промахов, то необходимо анализировать поведение их окружения. При частоте опроса цифровых датчиков в 50 Гц диапазон передаваемых частот составляет 25 Гц. Исследуемые частоты не превышают 1 Гц. Для увеличения скорости работы блоков системы может оказаться целесообразным увеличение шага дискретизации по времени, т.е. производить децимацию исходных выборок, совмещенную со сглаживанием для предотвращения подмены частот при прореживании данных.
Объем формируемой входной выборки определяется периодом выдачи результатов анализа. Объем обрабатываемой выборки может быть больше. Поэтому, в общем случае, старые данные, при поступлении новой информации, заменяются не полностью, а сдвигаются на соответствующую величину, чтобы освободить место новым данным. В начале работы может понадобиться несколько шагов для заполнения массивов до готовности к дальнейшей обработке.
Параметры, измеряемые современными цифровыми датчиками 2, имеют шаг дискретизации по времени равный 20 мс. Такой шаг позволяет изучать спектральные свойства сигналов до 25 Гц. Значимые частоты низкочастотных колебаний в энергосистеме не превышают нескольких герц. Для увеличения скорости работы узлов и компонентов предложенного устройства и самого устройства в целом может оказаться целесообразных увеличить шаг дискретизации по времени, т.е. произвести децимацию исходных выборок. Например, может быть использован один дополнительный шаг дискретизации - 100 мс. Переход к этому шагу в блоке 6 изменения шага дискретизации легко реализуется - последовательность пяти измерений заменяется одним средним значением, которое присваивается средней точке пятерки. Так, например, отсчет для 100 мс будет формироваться как среднее отсчетов для 60, 80, 100, 120 и 140 мс. Чтобы сохранить первое значение в массиве данных с нулевым временным смещением, можно принять его исходное значение. Предельная частота для массивов с шагом 100 мс - 5 Гц.
Определение (расчет) спектра плотности мощности в блоке 7 производится с помощью дискретного преобразования Фурье. Для уменьшения влияния «боковых лепестков», связанного с ограниченной длиной обрабатываемых массивов информации, используются окна. Окна уменьшают искажение спектра плотности мощности, но с другой стороны, ухудшают разрешающую способность метода. Чем эффективнее окно подавляет «боковые лепестки», тем ниже разрешающая способность. В системе предусмотрено на выбор несколько видов окон - прямоугольное окно, приподнятый косинус (окно Хемминга) и взвешенные косинусы (окно Наттолла).
Могут быть использованы алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ) для последовательностей произвольных длин, но наиболее эффективными остаются алгоритмы для случаев, когда длина кратна 2. Массивы такой длины можно получить добавлением нулей к основной последовательности. При этом изменяется и шаг по частоте полученного спектра плотности мощности.
Блок 7 определения спектра мощности осуществляет поиск частот с повышенной плотностью спектральной характеристики, как правило, 2-3 значения.
Используется дискретный вариант преобразования Фурье:
где Δt - шаг квантования по времени; x(i)=x(i·Δt) - отсчеты исходного процесса, умноженные на значения оконной функции w(i); Т - длительность исходного процесса; ΔF=1/T - шаг квантования по частоте; N=T/Δt -количество отсчетов исходного процесса; X(k)=X(k·ΔF) - точки преобразования Фурье для процесса в частотной области.
Для вычисления используется быстрое преобразование Фурье. В алгоритме вместо того, чтобы вещественную функцию, рассматривать, как комплексную с нулевой мнимой частью, повышают скорость в два раза за счет сведения задачи к задаче с два раза меньшим числом значений, но ненулевой мнимой частью. Алгоритм работает с последовательностями, длина которых кратна 2. Существуют методы БПФ для любой длины последовательностей, но их быстродействие меньше. Чтобы привести исходную последовательность к нужной длине, ее можно дополнить нулями.
Рассматриваются три вида окон: прямоугольное, приподнятый косинус (окно Хемминга) и взвешенные косинусы (окно Наттолла). Прямоугольное окно по существу означает преобразование исходного процесса без усреднения, и приведено здесь для сравнения.
Окно Хемминга:
w(n)=0.54+0.46cos(2π[n]),
окно Наттолла:
w(n)=0.3635819+0.4891775cos(2πt[n])+0.1365995cos(4πt[n])+0.0106411cos(6πt[n]),
где: t[n]=(n-(N-1)/2)/(N-1), 0≤n≤N-l.
Если последовательность была продолжена нулями, то в качестве длины N при расчете весовых коэффициентов окна следует использовать длину исходной последовательности.
По полученному спектру может быть вычислена спектральная плотность мощности Р(k) по формуле:
Спектр сигнала может иметь линейчатый характер, в нем многочисленные локальные максимумы чередуются с минимумами, так что для выделения интересующих областей спектра необходимо произвести предварительную обработку полученной зависимости. Этот процесс осуществляется в анализаторе 8 спектра.
Колебания, эффективная амплитуда которых меньше критической заданной величины удаляются из списка фильтров. Критические значения амплитуд указаны для каждого параметра в файле конфигурации.
Локальный максимум для наименьшей частоты соответствует тренду, и может быть из списка удален. Колебания, эффективная амплитуда которых меньше заданной величины, удаляются из полученного списка.
Блок 9 фильтрации спектра осуществляет выделение сигналов на частотах с повышенной спектральной плотностью, список которых был определен анализатором 8 спектра. Для каждой частоты рассчитываются параметры соответствующего симметричного нерекурсивного полосового фильтра.
Для расчета задаются ширина полосы пропускания, ширина переходной зоны и размах допустимых пульсаций в полосе пропускания и задерживания. Ширина полос пропускания выбирается таким образом, чтобы полосы пропускания разных фильтров не пересекались.
Блок 10 расчета автокорреляционных функций вычисляет автокорреляционные функции по сигналам, формируемым 9 блоком фильтрации данных. Для стационарного случайного процесса значения автокорреляционной функции стремятся к нулю. Если в сигнале имеется незатухающая колебательная составляющая, значения автокорреляционной функции приобретают периодический характер. Автокорреляционная функция имеет размерность мощности, так что по амплитуде ее колебаний можно судить об амплитуде колебательной составляющей сигнала. Частота колебаний автокорреляционной функции соответствует частоте колебательной составляющей. В действительности и амплитуда, и частота колебаний изменяются, так что можно использовать только их средние значения.
Корреляционная функция характеризует связь значений функций во времени. При сравнении функции самой с собой, функцию называют автокорреляционной функцией, при сравнении разных функций, функцией взаимной корреляции. При сравнении не самих значений функции, а отклонений от среднего значения, говорят о ковариации. Поскольку в данном случае корреляционная функция вычисляется для функций, отфильтрованным полосовым фильтром, имеющим нулевое среднее значение, это различие не существенно.
Корреляционную функцию определяют как математическое ожидание произведения значений функций. В качестве оценки корреляции последовательностей одинаковой длины x(i), y(i), i=0, 1.…N-1, используют формулу:
xx
Здесь i - запаздывание, выраженное в шагах сетки. Умножая на шаг сетки, можно получить запаздывание в единицах времени τ. В случае автокорреляции выражение s(0) совпадает с дисперсией сигналах.
Запаздывание может быть отрицательным. В то же время легко видеть, что при отрицательном i появятся члены, выходящие за пределы заданных последовательностей. Поэтому для этого случая удобнее модифицировать формулу следующим образом:
Для расчетов удобно использовать другую функцию:
2
Предполагается, что функции x() и y() в двух последних соотношениях равны нулю за пределами отрезка [0,N-1], Как и в предыдущем случае свертки сигналов, можно использовать БПФ. Поскольку спектр корреляции функций можно получить покомпонентным умножением спектра сигнала х(p) на сопряженный спектр сигнала у(p). Это свойство позволяет провести БПФ (за время порядка N·logN), покомпонентно перемножить полученные наборы комплексных чисел, затем провести обратное преобразование для получения требуемой корреляционной функции.
i
xy
После вычисления corr(x,y) можно определить s(i) по формуле:
В блоке 11 определяются амплитуды и фазы гармоник, выделенных блоком 9 фильтрации.
Блок 12 расчета функций взаимной корреляции для заданных пар объектов контроля энергообъединения, на которых расположены цифровые датчики 2, результаты измерений которых поступают в соответствующие им запоминающие устройства 3, в блоке 12 вычисляются функции взаимной корреляции, Это позволяет по сдвигу максимума определить направление источника возмущений при их наличии.
Таким образом, за счет расширений арсенала технических средств обеспечивается расширение функциональных возможностей системы при обработке и анализе данных цифровых регистраторов, поскольку реализуется дополнительная возможность проведения спектрального анализа результатов полученных векторных измерений и оценки функции взаимной корреляции при мониторинге переходных режимов в энергообъединении. Причем, благодаря использованию введенного блока изменения шага дискретизации возникает возможность регулировать оперативность и точность спектрального анализа результатов полученных векторных измерений.