ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ КОМПЛЕКСА ИЗМЕРЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электроизмерительной технике, а именно к устройствам измерения качества электрической энергии постоянного и переменного тока электрифицированного железнодорожного транспорта, предназначена для использования в составе электротехнического комплекса в различных отраслях народного хозяйства, в системах автоматизированного контроля, управления и распределения электроэнергии.
Известен измерительно-вычислительный комплекс ИВК «Омск-М» обеспечивающий регистрацию, оцифровывание и запоминание мгновенных значений сигналов напряжения и тока электрической сети. [1]. Вычислительный блок данного комплекса состоит из микроконтроллера. Недостатком такой системы является низкая производительность вычислительного модуля. Порядок измеряемых гармоник - до 40, число измерительных каналов 16.
В качестве прототипа полезной модели, выбрано устройство Fluke-437-II (http://td-automatika.ru/upload/iblock/e58/582daa5d-d968-11e2-87cf-0030486527a0_4d8c9a12-е572-11e2-bab8-0030486527a0.pdf). Данный анализатор качества электроэнергии имеет 4 измерительных канала, работает в режиме реального времени. Недостатком данного устройства является измерение гармонических составляющих тока и напряжения до 50 порядка, а также небольшое количество каналов.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение точности измерений гармоник тока и напряжения на тяговых подстанциях железной дороги постоянного и переменного тока путем увеличения порядка измеряемых гармоник, а также увеличение числа измерительных каналов.
Для решения поставленной задачи предлагаемое устройство, как и существующие, содержит процессорные устройства, однако, оно имеет принципиально новую архитектуру. Вычислитель содержит четыре сигнальных процессора трехъядерной архитектуры соединенных между собой высокопроизводительной ПЛИС FPGA-архитектуры, которая позволяет без дополнительных задержек обмениваться информацией процессоров с внешними устройствами и между собой. Наличие 12 вычислительных процессорных ядер обеспечивает измерение по 32-м каналам до 256 гармоники тока и напряжения в трехфазных и однофазных электросетях. Предложенный модуль обеспечивает измерение по 32-м каналам, что позволяет проводить измерения не только с фидеров контактной сети, но и с фидеров районных нагрузок тяговых подстанций. Измерения проводятся с частотой до 6 раз в секунду. Расчетное время обработки данных составляет 8,954 мс.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства.
Вычислительный модуль измерения качества электрической энергии состоит из четырех сигнальных процессора NVCom-01 производства ГУП НПЦ «Элвис» трехъядерной архитектуры, ПЛИС архитектуры FPGA, ОЗУ (SDRAM 128 Мбит) и ПЗУ (Flash 4 Мбит) для каждого процессора, ПЗУ (PROM 4,19 Мбит) для ПЛИС, генератор 10 МГц для процессоров, генератор 50 МГц для ПЛИС, таймер реального времени 32,768 МГц, интерфейсы: JTAG, RS-232, FIFO, USB, LVDS.
На чертеже обозначено:
1 - генератор 10 МГц;
2 - таймер 32,768 МГц;
3 - ОЗУ 128 Мбит;
4 - ПЗУ 4 Мбит;
5 - процессор NvCom-01;
6 - J-TAG;
7 - шина LPORTx4;
8 - ПЛИС FPGA XC3S 1000;
9 - генератор 50 МГц;
10 - ПЗУ 4,19 Мбит;
11 - RS-232;
12 - FIFO/USB;
13 - LVDS-1;
14 - LVDS-2;
14 - ЦАП;
15 - АЦП;
16 - управляющий сигнал на компенсирующее устройство тяговой подстанции или поста секционирования;
17 - входной сигнал от концентратора.
Вычислитель подключается к концентратору измерительного комплекса. На концентратор поступают входные измеряемые ток и напряжение с фидеров контактной сети, которые передаются на входы LVDS-1 и LVDS-2 вычислителя.
После обработки формируется управляющий сигнал, который через интерфейс USB High Speed/FIFO передается на фильтрокомпенсирующее устройство тяговой подстанции или поста секционирования.
Питание модуля осуществляется от концентратора, через регуляторы напряжения 3,3; 1,2; 2,5 В.
Обработка данных внутри вычислительного модуля осуществляется следующим образом.
Через входные интерфейсы LVDS данные поступают на входы ПЛИС, где коммутируются и по LPORT поступают на одно из вычислительных ядер соответствующего процессора. Процессорам присвоены номера 1-4 и данные поступают на ближайший по номеру свободный процессор. Такой же принцип действует и при распределении данных внутри процессора между ядрами. Модуль способен обрабатывать 32 канала одновременно. Пиковая производительность одного вычислительного ядра процессора NVCom-01 составляет 3.6 GFLOPs на тактовой частоте 300 МГц.
В вычислительном ядре процессора с помощью алгоритмов Быстрого Преобразования Фурье (БПФ) рассчитываются гармоники тока и напряжения, затем сравниваются с допустимыми значениями и формируется соответствующая информация, которая передается через ПЛИС и выходной интерфейс USB High Speed/FIFO на фильтрокомпенсирующее устройство тяговой подстанции или поста секционирования или на диспетчера.
На фиг. 2 представлен пример измерений гармоник тока и напряжения на тяговой подстанции с помощью вычислительного модуля. Из примера видно, что гармоники выше 40-й имеют значительный размер по амплитуде и должны быть измерены и учтены.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает контроль уровня гармонических составляющих тока и напряжения на тяговых подстанциях постоянного и переменного тока, путем расчета до 256 гармоники в трехфазных и однофазных электросетях по 32-м каналам в режиме реального времени.
Применение предлагаемого технического решения позволит повысить точность учета электрической энергии на тягу поездов, исключить сбои в работе применение отдельно счетчиков постоянного и переменного тока, обеспечить регистрацию графиков, тока, напряжения, потребления и рекуперации активной, реактивной и полной мощности, параметров качества электрической энергии.
Библиографический список
1. Измерительно-вычислительный комплекс ИВК «Омск-М». Руководство по эксплуатации. Омск, 2001, 30 с.
2. Корабельная управляющая система. Патент РФ на полезную модель №38066, опубл. 8.01.2004, МПК G06F 15/16.