Способ мониторинга состояния электрических сетей и сетей связи
METHOD OF MONITORING STATE OF ELECTRICAL NETWORKS AND COMMUNICATION NETWORKS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам, системам и устройствам для измерения параметров электрических сетей и сетей связи, контроля состояния их элементов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из существующего уровня техники известны различные способы и системы, предназначенные для мониторинга состояния электрических сетей и сетей связи.
Для контроля и диспетчеризации состояния электрических сетей и сетей связи в настоящее время применяется два подхода [1. ГОСТ Р МЭК 60870-5-1-95 Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 1. Форматы передаваемых кадров. 2. ГОСТ Р МЭК 60870-5-104-2004 Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 104. Доступ к сети для ГОСТ Р МЭК 870-5-101 с использованием стандартных транспортных профилей. 3. IEC 61850-5 Communication networks and system sinsubstations-Part5: Communication requirements for functions and device models. 4. IEC 61850-7-2 Communication networks and systems in substations-Part7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment-Abstract communication service interface(ACSI)]:
- непрерывная передача данных о состоянии сети с заданным периодом обновления, при этом данные содержат значения измеряемого параметра и содержат или не содержат метку времени;
- формирование событий при обнаружении изменения состояния электрических сетей и сетей связи (выход измеряемого значения за заданный порог, изменение текущего измеряемого значения относительно предыдущего на заданную величину и т.п.), при этом события содержат значения измеряемого параметра и метку времени события.
Первый подход при малом (относительно времени изменения измеряемого технологического параметра) периоде обновления позволяет получить высокую степень детализации измеряемых параметров, но содержит большую избыточность в стационарном режиме (передаются данные, не содержащие новой полезной информации). Кроме того, объем данных требует наличия канала связи с объектом контроля с достаточно высокой пропускной способностью. Крайним случаем первого подхода является непрерывное осциллографирование формы входного сигнала измеряемого параметра. При относительно большом же периоде обновления обеспечивается низкая степень детализации измеряемых параметров, вплоть до пропуска быстро протекающих процессов.
Второй подход обеспечивает обнаружение изменений состояния электрических сетей и сетей связи при уменьшении, по сравнению с первым подходом, объема данных с объекта контроля. Критерии формирования событий (например, выбор значений порогов, при пересечении которых измеряемым параметром формируется событие) имеют определяющее значение с точки зрения степени детализации данных измерений. Существуют комбинированные реализации, в которых при обнаружении изменений состояния электрических сетей и энергообъектов формируются соответствующие события со значениями параметров и одновременно производится запись формы сигнала.
Так, известен способ непрерывного пассивного контроля параметров телефонных линий, реализованный в устройстве типа ЛСТ-1007 [Лысов А.В. Телефон и безопасность. Проблемы защиты информации в телефонных сетях / А.В. Лысов, А.Н. Остапенко. - СПб.: Политехника, 1995. - 109 с. (Лаборатория ППШ)], при котором предварительно проверяют телефонную линию на отсутствие повреждений и несанкционированных подключений, задают контролируемые параметры телефонной линии, измеряют контролируемые параметры, запоминают их в качестве эталонов, непрерывно измеряют и сравнивают текущие значения контролируемых параметров с эталонными, формируют сигнал тревоги при несовпадении измеренных значений параметров с эталонными, продолжают измерения при их совпадении с эталонными значениями контролируемых параметров.
Недостатками данного способа являются низкая экономическая эффективность системы контроля, обусловленная значительными временными и материальными затратами (контроль ведется непрерывно), а также необходимость наличия канала связи с объектом контроля с достаточно высокой пропускной способностью, что ограничивает область применения способа.
Известен способ и устройство для одновременной записи осциллограмм с разной частотой дискретизации для анализа качества электроэнергии (Патент США № US 8121801). Способ записи осциллограмм с различными частотами дискретизации и заключается в том, что в аналого-цифровом преобразователе производят преобразование входных трех фазных сигналов тока и напряжения в цифровой код, далее с помощью цифровой обработки сигналов определяют нарушения режима электрической сети по среднеквадратическим значениям напряжения (переходные процессы, провалы, перенапряжения) и формируют осциллограммы с двумя различными частотами дискретизации в зависимости от определенного нарушения режима электрической сети.
Недостатком способа является формирование сравнительно большого объема данных в осциллограммах, недопустимого при использовании каналов связи с ограниченной полосой пропускания, а также ограниченность изменения степени детализации измерений в зависимости от состояния сети (используются только две частоты дискретизации).
Известен способ и устройство для одновременной записи осциллограмм с разной частотой дискретизации для анализа качества электроэнергии (Патент США № US 8121801). Способ записи осциллограмм с различными частотами дискретизации заключается в том, что в аналого-цифровом преобразователе производят преобразование входных трехфазных сигналов тока и напряжения в цифровой код, далее с помощью цифровой обработки сигналов определяют нарушения режима электрической сети по среднеквадратическим значениям напряжения (переходные процессы, провалы, перенапряжения) и формируют осциллограммы с двумя различными частотами дискретизации в зависимости от определенного нарушения режима электрической сети. Отличительной особенностью способа является возможность обнаружения нарушений режима электрической сети на основе данных, полученных с низкой частотой дискретизации, формирования событий различных типов и одновременного сохранения осциллограмм с различной частотой дискретизации для различных типов событий при эффективном использовании памяти и отсутствии дополнительных аппаратных или вычислительных затрат.
Недостатком способа является отсутствие возможности гибко регулировать степень детализации данных в зависимости от режима электрической сети и сравнительно большой объем данных, содержащихся в осциллограммах, недопустимый при использовании каналов связи с ограниченной полосой пропускания.
Известны также способы контроля состояния объектов, включающих большое число контролируемых параметров [Патент РФ №2210112 С2 «Унифицированный способ Чернякова / Петрушина для оценки эффективности больших систем», класс G06F 17/00, опубл. 10.08.2003; Патент РФ №2364926 С2, класс G06F 17/00, опубл. 20.08.2009 г.]. Способы основаны на представлении большой системы в виде иерархии ее структурных элементов, задании контролируемых параметров и осуществлении их периодического контроля. Однако значение периода контроля в данных способах не определяется, что приводит к невысокой точности и оперативности оценки состояния объекта контроля. Кроме того, состояние объекта контроля определяют по значениям показателей состояния, при вычислении которых используются предварительно заданные на эмпирическом уровне неизменные весовые коэффициенты, что также оказывает влияние на точность, достоверность оценки состояния объекта контроля и ограничивает область применения способов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ мониторинга состояния электрической сети и энергообъекта и устройство для его реализации (Патент РФ №2531038, МПК G01R 19/00 (2006.01). Способ заключается в аналоге - цифровом преобразовании входных трехфазных сигналов тока и напряжения, цифровой обработке сигналов, определении нарушений режима электрической сети по изменениям среднеквадратических значений тока и напряжения и формировании осциллограмм с двумя различными частотами дискретизации в зависимости от определенного нарушения режима электрической сети, при этом при измерении на интервале в  периода частоты сети среднеквадратических значений входных токов и напряжений производят анализ и определение текущего типового для энергосистемы режима работы электрической сети и энергообъекта на основе измерений входных токов и напряжений, далее на основании данных о типовом режиме производят усреднение и вычисление значений измеряемых параметров электрической сети, формируют периодические события со значениями измеряемых параметров и метками времени формирования событий, формируют события со значениями измеряемых параметров при пересечении измеряемыми параметрами заданных порогов и метками времени пересечения порогов, формируют события со значениями измеряемых параметров при превышении измеряемыми параметрами заданных отклонений относительно предыдущего значения и метками времени превышения отклонений, формируют осциллограммы с измеряемыми параметрами.
Недостатком способа-прототипа является ограниченная область применения. Кроме того, степень детализации значений измеряемых параметров зависит от точности настройки параметров всех входящих в состав устройства адаптивных формирователей для каждого измеряемого параметра. Недостатками способа являются также фиксированные значения порогов адаптивных формирователей, что ограничивает степень наблюдаемости для различных режимов сети.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом изобретения является расширение области применения способа, а также оптимизация объема хранимых и передаваемых данных результатов мониторинга с сохранением максимального уровня наблюдаемости контролируемых параметров.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в аналого-цифровом преобразовании входных сигналов, цифровой обработке сигналов, дополнительно предварительно формируют множество классов возможных состояний сети, формируют перечень контролируемых параметров, производят измерения контролируемых параметров на некотором интервале, идентифицируют текущее состояние сети с одним из классов, определяют оптимальную частоту измерения контролируемых параметров для текущего состояния сети, формируют массивы с результатами измерений параметров (мониторинга), запоминают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга), передают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга).
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе достигается указанный технический результат за счет определения оптимальной частоты измерения контролируемых параметров для текущего состояния сети, что позволяет оптимизировать объем хранимых и передаваемых данных результатов мониторинга с сохранением максимального уровня наблюдаемости контролируемых параметров.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
Фиг. 1 - блок-схема алгоритма способа мониторинга состояния электрических сетей и сетей связи;
Фиг. 2 - блок-схема алгоритма определения частоты изменения параметра;
i
j
у
ax+b
Фиг. 3 - примеры аппроксимации значений параметров дестабилизирующих факторов S, S аппроксимирующими функциями вида =Asin().
Заявленный способ реализуется при помощи алгоритма, блок-схема которого представлена на фиг. 1.
Первоначально на основе данных опыта предыдущей эксплуатации, а также требований существующих ГОСТ (ОСТ) и других нормативных документов, регламентирующих требования к электрическим сетям и сетям связи, формируют множество классов возможных состояний сети (бл. 2, фиг. 1). При этом для каждого класса определяются параметры, характеризующие состояние сети, и частота их изменения .
Частота изменения параметров  может быть определена следующим образом (фиг. 2):
Задают исходных данные (бл. 1, фиг. 2):
- множество аппроксимирующих функций, удовлетворяющих заданным требованиям (а именно функции должны быть непрерывными периодическими);
- точность аппроксимации;
- пределы и шаг изменения параметров аппроксимирующих функций.
Далее формируют множество данных о значении контролируемых параметров в заданные моменты времени (бл. 2, фиг. 2).
В качестве контролируемых параметров для анализа, например, сетей связи в соответствии с руководящими документами [ГОСТ Р 53111-2008: Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки; Приказ №43 Минсвязи РФ от 15.04.1996 Нормы на электрические параметры каналов ТЧ магистральной и внутризоновых первичных сетей; Приказ Госкомсвязи РФ №54 от 05.04.1999. Эксплуатационные нормы на электрические параметры коммутируемых каналов сети ТфОП; ОСТ 45.54-95. Стыки оконечных абонентских телефонных устройств и автоматических телефонных станций; ОСТ 45.01-98 Участки кабельные элементарные и секции кабельные линий передачи. Нормы электрические. Методы испытаний; Приказ Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от 27.09.2007 №113 «Об утверждении Требований к организационно-техническому обеспечению устойчивого функционирования сети связи общего пользования»; МСЭ-Т Р.862 (02/2001) Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs и др.] могут выступать:
- параметры передачи и параметры влияния кабельных линий связи (сопротивление, индуктивность, емкость, проводимость изоляции, волновое сопротивление, коэффициент затухания, коэффициент фазы, электрическая связь, магнитная связь, волновое сопротивление, рабочее затухание; переходное затухание, частота сигнала, уровень шума и др. - для электрических кабелей, мощность сигнала, затухание сигнала в линии, длина волны или частота несущего электромагнитного излучения, дисперсия (расширение) импульса в тракте, чувствительность системы передачи при заданном коэффициенте ошибок, ширина спектральной линии оптического излучения, поляризационная модовая дисперсия, комбинационное рассеяние
- для волоконно-оптических линий связи и др.);
- показатели функционирования сетей телефонной сети связи (потери вызовов при установлении соединений, время отклика узла связи, время установления соединения, время выполнения соединения; время разъединения и др.);
- показатели функционирования сетей телеграфной сети связи (время отклика узла связи сети; время установления соединения в сети; время разъединения в сети; потери вызовов; вероятность искажения телеграфных сообщений по знакам и др.);
- показатели функционирования сетей передачи данных (средняя задержка передачи пакетов информации, отклонение от среднего значения задержки передачи пакетов информации, коэффициент потери пакетов информации, коэффициент ошибок в пакетах информации и др.);
- параметры анализа импульсных помех (максимальный на секундном интервале уровень импульсной помехи с подавлением сигнала; счет событий превышения уровнем импульсных помех порога; относительное время действия импульсных помех, превышающих порог и др.);
- параметры анализа перерывов связи (минимальный на секундном интервале уровень сигнала, счет перерывов связи с заданной длительностью и др.);
- показатели оценки устойчивости, надежности, живучести сетей.
Далее контролируемые параметры разделяют на однородные группы (бл. 3, фиг. 2).
Однородность - тождественность объекта, множества объектов во всей области определения [В.Н. Савченко, В.П. Смагин. Начала современного естествознания. Тезаурус. - Ростов-на-Дону. 2006].
i
j
Значения контролируемых параметров однородных групп А,…,A отмечают на временных осях Т (фиг. 3).
i
j
0
0
0
i
j
0
у
A
ω
ϕ
y
A
ω
ϕ
А
ω
ϕ
у
А
ω
ϕ
Полученные значения параметров каждой из выделенных однородных групп А,…,A аппроксимируют с заданной точностью непрерывными периодическими функциями (например, простыми гармоническими кривыми вида =sin(t+), =cos(t+), где  - амплитуда колебания,  - круговая (циклическая) частота,  - начальная фаза колебания [В.И. Смирнов Курс высшей математики, Т. 1.: Изд-во "Наука". 1974. - 479 с., стр. 43-48; Сканави М.И. Элементарная математика. 2-е изд., перераб. и доп., М: 1974 г. - 592 с., стр. 273-338; Энциклопедический словарь юного математика / Сост. Э-68 А.П. Савин. - М.: Педагогика, 1989. - 352 с., стр. 301-305; В.И. Смирнов. Курс высшей математики, Т. 2.: Изд-во "Наука". 1974. - 479 с., стр. 435-451; Савельев И.В. Курс общей физики, т. 1. Механика. Молекулярная физика: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 432 с., стр. 190-195] и др., удовлетворяющими заданным требованиям (бл. 5, фиг. 1)). На фиг. 3 представлен пример аппроксимации значений параметров А, A функцией вида = sin(t+).
s(x)
s(x
)
s(x)
i
Аппроксимация - это представление сложных функций  или дискретных выборок из этих функций  простыми и удобными для практического использования функциями аппроксимации  таким образом, чтобы отклонение  от  в области ее задания было наименьшим по определенному критерию приближения [Давыдов А.В. Цифровая обработка сигналов. Лекции и практикум на ПК. Тема 14. Аппроксимация сигналов и функций. Электронный ресурс: www//http://geoin.org/. Дата обращения: 04.11.2015 г.].
Точность аппроксимации может оцениваться различными критериями приближения [Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей: Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1982. - 280 с., стр. 40; Калиткин Н.Н. Численные методы. - М.: Наука, 1978. - 512 стр., стр. 51-69].
Наибольшее распространение имеют:
u
- среднеквадратичное приближение, при котором требуют, чтобы среднее значение квадрата отклонения аппроксимирующей зависимости  от действительной i=Ф() не превышало некоторой допустимой величины δ:
u
в интервале  значений , в пределах которого производится аппроксимация;
u
- равномерное приближение, при котором требуют, чтобы при любом значении и интервала  величина отклонения  от Ф() не превышало 8, т.е. .
Точности аппроксимации и множество аппроксимирующих функций, удовлетворяющих заданным требованиям, задаются в исходных данных (бл. 1, фиг. 2).
Согласно [Хандрос М.Я. Тригонометрическая аппроксимация экспериментальных последовательностей. Вычисление естественных спектров. Электронный ресурс www//http://www.twirpx.com/file/919684/. Дата обращения 04.11.2015 г.], как правило, достаточно точности аппроксимации - 0,05. Уменьшение допустимой точности приводит к значительному усложнению аппроксимирующей функции.
Алгоритмы нахождения аппроксимирующих функций, в том числе тригонометрических, известны. Например, в [Хандрос М.Я. Тригонометрическая аппроксимация экспериментальных последовательностей. Вычисление естественных спектров. Электронный ресурс www//http://www.twirpx.com/file/919684/. Дата обращения 04.11.2015 г.] предлагается следующий многоступенчатый алгоритм нахождения тригонометрического полинома:
ε
- задается допустимая погрешность ;
- задаются величины вариаций параметров;
m
1
- определяется частота (Выбор частоты осуществляется в соответствии с методом статистических испытаний. В заданном интервале генерируется некоторое количество  равномерно распределенных случайных чисел. Из этого набора последовательно выбираются частоты);
- для каждой частоты вычисляются вариации для отдельных составляющих;
- выполняется проверка значения критерия.
T
T
ω
0
Согласно [Савельев И.В. Курс общей физики, т. 1. Механика. Молекулярная физика: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 432 с., стр. 190-195], поскольку косинус (синус) - периодическая функция с периодом 2π, ее период может быть определен как =2π/.
Число колебаний в единицу времени называется частотой колебания . Очевидно, что частота  связана с продолжительностью одного колебания Т следующим соотношением: .
В результате будет найдена частота и значения составляющих функции, которая обеспечивает минимальную погрешность при аппроксимации.
После определения всех аппроксимирующих функций для полученных значений параметров каждой из выделенных однородных групп, определяют частоты аппроксимирующих функций (бл. 5, фиг. 2), которые и отражают частоту изменения контролируемого параметра в том или ином состоянии сети.
После определения частоты изменения параметров , характеризующих заданные классы состояний сети, формируют перечень контролируемых параметров объекта контроля (электрической сети или сети связи) (бл. 3, фиг. 1).
Производят измерения контролируемых параметров на некотором интервале времени (бл. 4, фиг. 1).
Производят аналого-цифровое преобразование входных параметров (бл. 5, фиг. 1).
Производят цифровую обработку сигналов (бл. 6-9, фиг. 1), а именно:
идентифицируют текущее состояние сети с одним из классов с использованием любого из известных методов анализа данных (бл. 6, фиг. 1) [Загоруйко Н.Г. Прикладные методы анализа данных и знаний. Новосибирск: ИМ СО РАН, 1999. - 270 с.; Рубан А.И. Методы анализа данных. Учебное пособие. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004. - 319 с.; Боровиков В.П. Нейронные сети. Statistica Neural Networks. Методология и технологии современного анализа данных. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 392 с.; Миркин Б.Г. Введение в анализ данных. Учебник и практикум. - М.: Юрайт, 2015. - 174 с.];
определяют оптимальную частоту измерения контролируемых параметров для текущего состояния сети (бл. 7, фиг. 1).
Определение оптимальной частоты измерения параметров может быть основано на одном из постулатов теоретической радиотехники - теореме Котельникова [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2-е издание. - 446 с., стр. 116-117, Теория передачи сигналов: Учебник для вузов / Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. - М.: Связь, 1980. - 288 с., стр. 68, Хургин Я.И., Яковлев В.П. Методы теории целых функций в радиофизике, теории связи и оптике. - М., 1962. - 220 с., стр. 107]. Согласно данной теореме, произвольный сигнал, спектр которого не содержит частот выше , может быть полностью и однозначно восстановлен, если известны отсчетные значения этого сигнала, взятые через равные промежутки времени .
Таким образом, если контроль будет проводится через промежутки времени, равные отношению , где  - наибольшее значение частоты изменения параметров, то значения параметров контролируемого процесса могут быть однозначно восстановлены на заданном интервале времени.
В этих целях строится вариационный ряд значений частот изменения всех контролируемых параметров и определяется наибольшее значение частоты.
Согласно выражению  определяется оптимальный интервал времени для осуществления контроля (измерения параметров).
Далее формируют массивы с результатами измерений параметров (мониторинга) (бл. 8, фиг. 2).
Запоминают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга) (бл. 9, фиг. 2).
Передают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга) (бл. 10, фиг. 2).
Таким образом, за счет определения оптимальной частоты измерений контролируемых параметров достигается оптимизация объема хранимых и передаваемых данных результатов мониторинга с сохранением максимального уровня наблюдаемости контролируемых параметров, а также расширяется область применения известных способов, то есть достигается реализация заявленного технического результата.