Разработка и исследование быстродействующего измерителя активного сопротивления токоведущего контура силового электроэнергетического оборудования
На правах рукописи
Тан Тайк У РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ИЗМЕРИТЕЛЯ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОКОВЕДУЩЕГО КОНТУРА СИЛОВОГО ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 05.11.01 – Приборы и методы измерения (по видам измерений: электрические и магнитные)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва, 2011 2
Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Информационно-измерительной техники.
Научный консультант: кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Лупачев Алексей Алексеевич Официальные доктор технических наук, оппоненты: Хренников Александр Юрьевич кандидат технических наук, Исаев Вячеслав Иванович
Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики», г. Москва
Защита состоится «31» мая 2011 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.13 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу:
Москва, ул. Красноказарменная, д.14, ауд. З-505.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).
Автореферат разослан «29» апреля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.13, кандидат технических наук, доцент С.В. Вишняков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одной из актуальных проблем при эксплуатации силового электрооборудования является своевременное обнаружение дефектов токоведущего контура. Известно1, что значительная доля (41%) аварий силовых трансформаторов (СТ) при сроках эксплуатации от 10 до 30 лет приходится на следующие виды повреждений: разрушение высоковольтных вводов (22%), по вреждение обмоток (16%), повреждения регуляторов под нагрузкой (РПН) (13%). Часть таких повреждений (до 15%) сопровождается взрывами и пожара ми, что наносит существенный экономический ущерб.
Дефекты СТ, различные по природе, в большинстве случаев приводят к изменению сопротивления цепи токоведущего контура, в том числе, и к изме нению сопротивления цепи постоянному току. Известно, что все перечислен ные виды дефектов можно обнаружить одним простым методом – измерением омического сопротивления постоянному току обмоток. Остальные методы ус тупают в универсальности обнаружения неисправностей.
Активное сопротивление обмотки – есть первый из группы схемных па раметров, согласно аналитической теории трансформаторов, интегрально ха рактеризующей электромагнитные и энергетические процессы в трансформато ре и придающей конкретный смысл параметрам уравнений состояния и основу для решения задач анализа. Вся совокупность схемных параметров определяет ся путм их измерения.
Токоведущий контур, включающий обмотку силового трансформатора или реактора (СТР), характеризуется значительной постоянной времени, суще ственно снижающей скорость установления в ней рабочего тока с требуемой погрешностью измерения. На современном этапе развития подобных средств измерений (СИ) достигнутая точность измерения активного сопротивления удовлетворяет выдвигаемым требованиям (ГОСТ 3484.1, п.4.1.4: «Сопротивле ние обмоток постоянному току следует измерять при помощи приборов классов точности не ниже 0,5»). Временные затраты на измерения, с учтом большого числа отведений в РПН, существенно снижают производительность измерения и испытания подобного электроэнергетического оборудования.
Поэтому возникает актуальная задача повышения быстродействия средств измерения активного сопротивления обмоток СТР с сохранением или улучшением точностных показателей СИ.
Для реализации современных методов испытаний используются цифро вые измерители сопротивления (ЦИС). В настоящее время рынок предлагает массу ЦИС, порой с идентичными характеристиками. Доступные литературные материалы показывают, что ЦИС относятся к перспективному виду средств измерения. Разработкой конструкций и серийным выпуском ЦИС заняты мно Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю. и др. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110 - 150 кВ в эксплуатации. // Электрические станции. 2001. № 9. С.53-58.
гие предприятия и фирмы в России и за е пределами (такие фирмы как «ADWEL» (Канада), «C-A Schuetz Messtechnik» (Германия), «Megger» (США), «Sonel» (Польша), «АВИАСТЭК», «ИНФРОХРОМ-99», «СКБ ЭП ИСЭМ» (Россия).
В разработку методов измерения сопротивления внесли большой вклад коллективы, возглавляемые такими известными учными, как Карандеев К.Б., Шляндин В.М., Волгин Л.И, и другие.
Выпускаемые в настоящее время в России и за рубежом ЦИС (такие как «MMR-620», «MMR-630» («Sonel», Польша), «Мико-2.3» («СКБ ЭП ИСЭМ», Россия)) имеют высокие метрологические характеристики, однако их потенци альное быстродействие (десятки и более измерений в секунду) не используется в виду значительной инерционности измерительной цепи. Этот недостаток час тично устраняется в ряде приборов, если используется принцип форсирования рабочего тока (такие модели ЦИС как «ИСО-1», «РЕТ-МОМ» и «ПТФ-1»;
«МКИ-200» и «МКИ-600» (Россия)). Вопросу повышения быстродействия ом метров для диагностики СТР уделяется большое внимание вот уже на протя жении 50 лет. Вопросам коррекции динамических характеристик измеритель ных цепей и преобразователей посвящены работы Харченко Р.Р., Грановского А.В., Колосова О.С., Мелентьева В.С. и других учных.
Решение проблемы повышения быстродействия приборов актуально и для современных, достаточно дорогих приборов, обладающих значительными вычислительными и измерительными мощностями. Использование в практике измерений априорной информации об объекте и обработка отсчтов мгновен ных значений переходного процесса в измерительной цепи позволяет сущест венно сократить временные затраты на преобразование информации и разрабо тать новые алгоритмы измерения параметров обмоток силовых трансформато ров и реакторов без магнитопровода на основе методов динамических измере ний и двухканального инвариантного преобразования измерительных сигна лов.
Целью работы является повышение быстродействия измерения сопро тивления обмоток силовых трансформаторов и реакторов постоянному току и разработка структуры и алгоритма работы быстродействующего цифрового из мерительного прибора с улучшенными точностными характеристиками для ис пытания токоведущего контура СТР.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести критический анализ быстродействия алгоритмов работы и струк тур современных приборов, способов и средств коррекции динамических ха рактеристик входной измерительной цепи (ИЦ).
2. Исследовать метод динамического измерения (ДИ) сопротивления обмоток СТР, инвариантный к постоянной времени входной ИЦ прибора, который по зволяет получить оценку сопротивления обмотки значительно раньше заверше ния переходного процесса (ПП) в этой цепи с требуемой погрешностью.
3. Разработать алгоритм и структуру цифрового прибора, основанные на мето де ДИ, инвариантного к изменению сопротивления ИЦ прибора с целью повы сить точностные характеристики быстродействующего измерителя для испыта ния токоведущего контура.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы динамических измерений и анализа динамической погрешности, теории линей ных цепей и сигналов, теории автоматического управления, а также метод ими тационного моделирования.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в сле дующем:
1. На основе единого подхода к оценке эффективности алгоритмов повышения быстродействия ЦИС произведено сравнение различных алгоритмов.
2. Разработана классификация способов коррекции динамической характери стики измерительной цепи. Классификация позволила найти перспективный для построения ЦИС способ цифрового ДИ, основанный на методе выбранных то чек.
3. При помощи имитационного моделирования установлено, что существует область параметров трхточечного алгоритма ДИ определяющая его работоспо собность.
4. Получены аналитические выражения для расчета максимальной погрешно стей оценки асимптоты от шума квантования сигнала ПП и параметров алгорит ма.
5. Разработаны рекомендации по практической реализации трхточечного алго ритма ДИ. Разработана двухканальная структура ЦИС и алгоритм е работы, реализующий трхточечный алгоритм ДИ.
Практическая значимость работы. Основные результаты диссертаци онного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в сле дующем:
1. Проведн сравнительный анализ эффективности алгоритмов повышения быстродействия ЦИС, основанных на коррекции динамической характеристики входной ИЦ прибора.
2. Разработана структура и алгоритм работы цифрового измерителя активного сопротивления высокоиндуктивной обмотки, основанная на принципе ДИ по стоянной величины путм обработки мгновенных значений ПП во входной ИЦ.
3. Разработаны рекомендации по реализации предложенных структур.
4. Результаты работы используются в учебном процессе (в курсовом и ди пломном проектировании) на кафедре «Информационно-измерительной техни ки» ГОУВПО «МЭИ (ТУ)».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы док ладывались и обсуждались на: МНТК «Наука, образование, инновации: при оритетные направления развития», организованной МГТУ им. Н.Баумана, МЭИ (ТУ), Кыргизским гос. тех. ун-т, (г. Бишкек, 2009г.);
II Всероссийской НТК «Измерение и испытания в судостроении и смежных отраслях «СУДОМЕТРИКА-2008», организованной Федеральным агентством по техни ческому регулированию и метрологии, (г. Санкт-Петербург, 2008г.);
МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», ор ганизованными МЭИ (ТУ), (г. Москва, 2008, 2009 гг.);
МНТК «Информацион ные средства и технологии», организованными МЭИ (ТУ), (г. Москва, 2008 – 2010 гг.).
Внедрение результатов работы. Работа выполнялась в рамках госбюд жетной фундаментальной НИР № 1026091 «Разработка теоретических вопросов создания аппаратно-программного обеспечения информационно измерительных систем (ИИС) в электроэнергетике (ЭЭ)» и хоздоговорной НИР № 2204080 от 02.06.2008 г. «Разработка автоматизированной многоканальной измерительной системы для измерения временных характеристик резистивных регуляторов под нагрузкой (РПН), активного сопротивления обмоток силовых высоковольтных РПН-трансформаторов и снятия вольтамперных характери стик трансформаторов тока силовых высоковольтных трансформаторов» с НП «ИНВЭЛ». Теоретические и практические результаты диссертации использу ются в учебном процессе на кафедре информационно-измерительной техники Московского энергетического института (ТУ) при подготовке специалистов по направлению «Информатика и вычислительная техника» (230100).
Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением в контрольных точках результатов аналитического и имитационного моделиро вания.
Положения, выносимые на защиту Классификация и сравнительный анализ алгоритмов коррекции динамиче 1.
ской характеристики входной измерительной цепи ЦИС.
Результаты исследования влияния параметров алгоритма выбранных то 2.
чек, реализующего метод ДИ, на методическую погрешность оценки результата измерения. В качестве независимых параметров алгоритма выбраны следующие:
разрядность цифрового эквивалента мгновенных значений ПП в ИЦ;
относи тельная длительность интервала обработки сигнала;
относительный момент на чала интервала обработки по отношению к началу ПП. Рекомендации по практи ческой реализации трхточечного алгоритма ДИ.
Структура ЦИС, реализующая алгоритм выбранных точек метода ДИ, от 3.
личающаяся наличием двух каналов преобразования мгновенных значений тока и напряжения ИЦ, позволяющая уменьшить влияние возмущающих факторов в ИЦ.
Результаты исследования способа форсирования тока в измерительной це 4.
пи показали, что время действия этого режима целесообразно определять по те кущей погрешности установления тока в измерительной цепи. Это обеспечивает максимальную эффективность этого способа коррекции динамической характе ристики ИЦ.
Соответствие паспорту специальности. Цель и объект исследования диссертационной работы состоит в существенном совершенствовании извест ных методов и средств измерений, обусловленных требованиями развития нау ки и техники.
Значение решнных в диссертационной работе задач, относящихся к данной специальности, состоит в совершенствовании измерителя активного сопротив ления, что соответствует п.5 области исследования паспорта специальности о совершенствовании существующих методов и способов обеспечения единства измерений в области измерений электрических величин.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 10 печатных ра бот, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одна работа депонирована в ВИНИТИ РАН РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырх глав, заключения, приложений, библиографического списка, вклю чающего 97 источников. Основная часть работа изложена на 158 страницах, со держит 45 рисунков и 31 таблицу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов работы, кратко изложено содержание диссертационной работы, приведены данные о структуре и объеме работы.
В первой главе проведен анализ метрологических характеристик совре менных ЦИС, методов и средств измерения активного сопротивления и требо ваний к ним, а также современных тенденций построения диагностических средств, алгоритмов измерения, реализуемых в ЦИС.
Анализ литературы показал, что активное сопротивление обмоток сило вых трансформаторов и реакторов является важным диагностическим призна ком, несущим информацию о состоянии этих электроэнергетических объектов.
Показано, что точностные характеристики ЦИС в полной мере удовлетворяют потребностям современной диагностики. Однако время измерения ЦИС суще ственно увеличено наличием переходного процесса в ИЦ и при этом не исполь зуется в полной мере быстродействие каналов преобразования.
На основе анализа литературы сделан вывод, что классический алгоритм измерения, основанный на принципе ожидания окончания переходного процес са во входной измерительной цепи ЦИС, реализуется в настоящее время в большинстве моделей ЦИС. Однако, данный принцип приводит к значитель ным временным затратам на получение результата измерения активного сопро тивления обмотки, которые наряду со снижением эксплуатационных пока зателей автономных приборов, приводят к потере точности из-за нагрева об мотки, а так же к низкой производительности диагностики СТР.
Для оценки различных алгоритмов установления рабочего тока в измери тельной цепи ЦИС сформулирован критерий эффективности повышения быст родействия:
(1) где - время, необходимое для реализации L-го алгоритма при динамиче ской погрешности измерения ;
) – время, требуемое на измерение при классическом алгоритме (L=1) при той же погрешности.
Увеличение отношения (1) без изменения длительности цикла аналого цифрового преобразования представляет актуальную задачу.
Во второй главе рассмотрена предложенная автором классификация спо собов коррекции динамической характеристики (КДХ) измерительной цепи ЦИС. На основе этой классификации, показанной на рисунке 1, с единых пози ций рассмотрены следующие алгоритмы:
введения добавочного сопротивления в ИЦ (L = 2);
форсирования рабочего тока I0 в ИЦ (L = 3);
экстраполяции к постоянному значению измеряемой величины (L = 4);
динамического измерения по методу выбранных точек (L = 5).
Построены математические модели погрешности для этих способов КДХ, которые позволили определить эффективность используемой коррекции по раз работанному критерию (1). Зависимость эффективности коррекции от выбранно го способа и главного параметра алгоритма показаны на рисунках 2…4. В каче стве динамической модели ИЦ рассматривается звено первого порядка.
При введении динамическая погрешность измерения текущего сопро тивления обмотки в течение переходного процесса (в алгоритме L = 2) изменяет ся по формуле:
, (2) где - относительное сопротивление цепи – главный параметр этого алгорит ма,.
Наибольший прирост эффективности на единицу параметра наблюдается при изменении от 1 до 5 и составляет 0,8 при = 0,01, …, 1,0 %.
Уменьшение времени установления тока I0 осуществляется (в алгоритме L = 3) за счт управления э.д.с. источника Е0k, который обеспечивает повыше ние тока в цепи до значения IФ – значение рабочего тока в режиме форсирова ния. Коэффициент форсирования тока является главным параметром данного алгоритма и = IФ /I0. Относительная длительность составного ПП при форси ровании тока определяется по выражению:
, (3) где - отношение относительных погрешностей (установки тока в момент выключения его форсирования) к.
Значения по (3) позволяют рассчитать эффективность повышения быстродействия данного алгоритма, которая показана в табли це 1, по сравнению с классическим:
. (4) Классификацио- МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ нные признаки:
1. По виду испы- Единичная Экспоненциальная Гармоническая Линейно изменяю тательного сиг- функция функция функция щаяся функция нала на ИЦ Наибольший прирост эффек тивности на единицу роста парамет ра, как видно диаграмм эффективно сти, показанных на рисунке 2, на блюдается при изменении от 1,1 до 2. Граничное значение гр = 2 харак терно ещ и тем, что при больших значениях неправильный выбор продолжительности времени форси рования тока приводит к изменению знака погрешности Ф.
Причм только при гр погрешность ФJ может превысить (минус 100) %, т.е. эффект от форсирования исчезает. Этот факт является главным недос татком данного алгоритма при управлении режимом форсирования тока по времени, на который ранее не указывалось.
Анализ (3) показывает, что минимальное время установления рабоче го тока соответствует случаю окончания режима форсирования тока в зо не допускаемой динамической погрешности Ф = дин.
Таким образом, только управление моментом окончания режима форси рования по отклонению текущего сигнала ПП в ИЦ от заданного уровня I0, обеспечивает минимальную длительность переходного процесса в ИЦ.
Способ измерений постоянной величины с экстраполяцией к установив шемуся значению 0 приме ним к задаче измерения со противления (L = 4). В ре зультате работы алгоритма может быть получена как одна 0 так и несколько оценок j асимптоты переходного про цесса в различные моменты времени j=0,…, J.
Известно, что погреш ность оценки содержит две группы составляющих, при чм вторая обусловлена погрешностями определения постоянной времени ИЦ, т.е., и фиксации моментов tj измерения = мгновенного значения ПП, т.е. = :
. (5) Анализ (5) показывает, что обусловлена экстраполяционным алго ритмом и нелинейно связана с главным параметром алгоритма - погрешностью фиксации временных параметров, т.е. с.
Общим недостатком методов ДИ постоянной величины с экстраполяцией к установившемуся значению являются жсткие требования к допускаемому разбросу параметров t0 и алгоритма и влияние на эффективность алго ритма по быстродействию. Действительно, при гарантированной эффективно сти = 2, как показано на рисунке 3, необходимо иметь погрешность фиксации вре менных параметров алгоритма не более 0,5 %. Это предъявля ет достаточно высокие требо вания к точности априорной информации о ИЦ.
Однако определение па раметров ИЦ по мгновенным значениям ПП обеспечивает существенное сокращение вре мени подобных измерений. Эти методы позволяют аппроксимировать нелинейную функцию переходного про цесса экспоненциальными полиномами. Коэффициенты полинома можно вы бирать, например, методами наименьших квадратов или аппроксимации. По стоянный шаг аппроксимации применяется в методе выбранных точек. Такие алгоритмы являются инвариантными к изменению измерительной цепи ЦИС, и для них требуется информация только о виде переходной характеристике ИЦ.
При представлении ИЦ динамическим звеном первого порядка используется «трхточечный» алгоритм экстраполяции для определения установившегося значения – асимптоты – ПП.
Известный трхточечный алгоритм (L = 5) (в дальнейшем называемый исходным) основан на измерении мгновенных значений силы тока i(ti) в ИЦ в три момента времени: t1= t;
t2 = t+ t;
t3=t+2 t – и расчете сопротивления об мотки по формуле:
(6) где Е0 – ЭДС источника напряжения, питающего измерительную цепь;
I 0 – оценка асимптоты рабочего тока в измерительной цепи, i 2 t I0 i t1 i t3 2i t2 i t1 i t3. (7) Для реализации такого трехточечного алгоритма известный одноканальный ЦИС содержит:
высокостабильный источник Е0, значение ЭДС которого записано в память вычислительного устройства для расчета сопротивления;
высокоскоростной канал измерения текущих значений силы рабочего тока с устройством выборки и хранения (УВХ) аналогового сигнала на входе АЦП;
вычислительное устройство, рассчитывающее асимптоту I 0 рабочего тока.
Расчт I 0 выполняется N раз с использованием N-троек мгновенных значений силы тока, сдвинутых во времени на период дискретизации t, в течение интер вала времени Т=ТK – t1, где ТK – время получения массива оценок установив шегося значения силы тока в ИЦ. По массиву I 0 определяется среднее значе ние I 0 и затем окончательный результат Rоб. При этом момент начала измере ния t1 не связан с моментом подключения напряжения Е0 к ИЦ.
Применение данного алгоритма обеспечивает максимально быстрое по лучение результата измерения, поскольку возможно вычисление оценки уже по первым трем отсчетам ПП. Однако в технической литературе недостаточно ос вещены вопросы исследования точности такого рода алгоритмов и отсутствуют рекомендации для принятия обоснованных решений по их практическому по строению.
В третьей главе рассмотрена классификация методов ДИ в зависимости от минимально необходимого количества отсчтов сигнала ПП. Она позволила найти среди известных базовый алгоритм, который не требует наличия априор ной информации о. Базовый алгоритм основан на использовании первой и вто рой производных сигнала (t) ПП для оценки асимптоты процесса 0 0 = 1.
Анализ базового алгоритма позволил найти общую закономерность в по строении известных методов ДИ этой группы. Путм использования аппрокси мации производных с помощью отношения конечных разностей удалось пока зать эквивалентность различных форм их записи. Действительно, представляя квадрат первой производной сигнала как произведение «левой» и «правой» раз ностей, а вторую – как разность этих конечных разностей для среднего из трх отсчтов ПП, можно из формулы для базового алгоритма получить выражение для расчта оценки по трхточечному алгоритму (7). Таким образом, трхточеч ный алгоритм является представителем этого класса алгоритмов ДИ, основанных на методе выбранных точек.
В работе исследовалось влияние на погрешность оценки следующих не зависимых переменных алгоритма:
погрешности q квантования мгновенного значения сигнала ПП;
относительного момента tji/ взятия j отсчта на интервале обработки i, продолжительностью 2t/;
относительного интервала t/ дискретизации по времени входного сигнала или минимальной дискретности D=t/=(t2i-t1i)/=(t1i+1-t1i)/ сдвига интервала обработки;
кратности М интервала обработки (порядка алгоритма), М=t/t;
1jM.
Численное моделирование по зволило выявить область значений параметров алгоритма М и q влияющих на работоспособность трхточечного алгоритма. Так при М = 1 и q/0 10-6 погрешность оценки либо превосходит 100 %, либо результат моделирования по лучить нельзя, т.к. в алгоритме по (7) происходит деление на 0. Этот факт отражен таблицей 2, в которой область работоспособности алго ритма отмечена знаком «+», а его неработоспособности - знаком «-» и окраской ячеек с «неработоспо собным» сочетанием параметров ал горитма серым цветом.
Известные исследования данного алгоритма на факт влияния параметров алгоритма на его работоспособность не обратили внимания.
Анализ данных моделирования (таблица 2) позволил сформулировать критерий работоспособности трёхточечного алгоритма:
. (8) Данный критерий позволяет рационально выбрать параметры алгоритма в значимых для его практической реализации областях значений.
Погрешность результата расчта асимптоты ПП носит случайный харак тер. Гистограмма распределения погрешности оценки показывает симметрич ный характер этого распределения с незначительным по значению математиче ским ожиданием (порядка )и / =2,6±0,2, что говорит о близости этого распределения погрешности нормальному закону, где – максимальное, – среднеквадра-тическое отклонение (СКО) по грешности оценки.
Переход от работоспособного к неработоспособному режимам ра боты характеризуется относительной погрешностью оценки асимптоты около 100% и отношени ем / ( ) более 3. Поэтому в процессе работы алгоритма целесо образно вычислять отношение Моделирование алгоритма по зволило определить связь между па раметрами алгоритма с и погрешностями оценки асимптоты и е от шума квантования. Впервые полу чены аналитические выражения для расчета этих погрешностей:
, %, (9) где Сn – множитель, определяемый видом погрешности: для С1 = 1,9;
для С2 = 0,012;
для С3 = 0,73, т.к. установлено, что = 2,6 ± / 0,2.
На рисунке 4 приведн график зависимости относительной максимальной погрешности оценки от перечисленных параметров в логарифмическом мас штабе. Из анализа (9) следует, что при реализации трхточечного алгоритма с использованием АЦП с разрядностью n = 10…12 погрешность определения оценки на уровне 0,5 … 1,0 % достигнуть не удатся.
Проведнные исследования позволили дать рекомендации по практиче ской реализации трхточечного алгоритма. Целесообразно задавать значения:
интервала обработки 2t/ не менее 0,1 – 0,2, т.е. при t/ = 0,001 параметр алгоритма М должен быть более 100;
относительной погрешности квантования сигнала ПП на уровне 10-5;
относительного момента t11/ взятия первого отсчта на первом интервале обработки не менее 0,4…0,5. После этого момента стабилизируется уровень от носительной погрешности входного шума квантования и уменьшится уровень «быстрых» экспоненциальных составляющих в ПП до приемлемого уровня;
относительной длительности ТK/ набора массива оценок, по которому оп ределяются среднее значение асимптоты, должен быть не менее 1;
параметра алгоритма М в зависимости от текущего отношения и результатов сравнения с граничным значением. Положительный результат сравнения служит источником информации о неудовлетворительном ходе ра боты трхточечного алгоритма и сигналом для перехода от текущего значения М к новому – большему, с целью уменьшения погрешности.
В четвртой главе проведн анализ погрешности известного однока нального алгоритма ДИ, основанного на определении активного сопротивления обмотки СТР через оценку асимптоты рабочего тока ПП в ИЦ по (6). Показано, что составляющую погрешности измерения от влияния возмущающих факто ров можно устранить в двухканальной структуре.
Расчет сопротивления по формуле (6) дает значение суммарного сопро тивления постоянному току всех элементов контура ИЦ, причем Rоб Rоб Rвн, где Rвн – активное сопротивление внешнего по отношению к обмотке участка цепи. На это значение можно внести поправку в результат расчета оценки, од нако погрешность его предварительного определения и нестабильность во вре мени могут существенно увеличить результирующую погрешность.
В работе показано, что существенного (более двух раз) уменьшения по грешности измерения сопротивления можно добиться путм использования при реализации метода ДИ двухканальной структуры. Такая структура является ин вариантной к сопротивлениям токоведущего контура ИЦ внешним по отноше нию к обмотке. В двухканальном ЦИС оценка сопротивления обмотки Rх(jt) определяется путм обработки мгновенных значений сигналов переходного процесса в цепи. Это напряжение на зажимах обмотки и ток в ИЦ, который выражен через, где j – номер отсчта сигнала переходного процесса с периодом дискретизации по времени. Поэтому такая структура сохраняет свойство инвариантности к постоянной времени ИЦ. Дан ная структура также сохраняет главное преимущество исходной – е высокое быстродействие.
Проведн анализ способов реализации двухканальной структуры в соот ветствии с принципом инвариантности в измерительной технике акад. Б.Н.
Петрова. Логометрический способ исключения влияния возмущений выполня ет вычислительное устройство, реализующее трхточечный алгоритм коррек ции динамической характеристики ИЦ.
В работе проведн анализ погрешности определения оценки Rоб по трм вариантам алгоритмов, реализуемых двухканальными структурами с простран ственным и временным разделением каналов:
1-й вариант – алгоритм с вычислением мгновенного сопротивления че рез отношение мгновенных значений сигналов ПП в ИЦ (x1, x2) и на его основе средней асимптотической оценки активного сопротивления обмотки:
;
;
;
;
k = 2M, …, J. (11) 2-й вариант – алгоритм с вычислением оценки сопротивления через среднее значение отношения оценок асимптот сигналов x1 и x2:
;
;
.
;
(12) 3-й вариант – алгоритм с вычислением асимптотической оценки через отношение средних значений оценок асимптот сигналов x1 и x2:
;
;
;
;
. (13) Операция « » соответствует логометрическому способу исключения влияния возмущений. Операция « » соответствует расчту оценки асимптоты по трхточечному алгоритму (7) на основе результатов измерения в моменты времени: на интервале обработки 2t. Операция « » соответствует вычислению средних величин, представленных массивом значений. Причм при моделировании принято, что.
Процесс установления погрешности оценки асимптоты активного сопротивления обмотки в результате работы 1-го алгоритма (10) показан на рисунке 5. На этом рисунке также показано изменение текущей погрешности сопротивления обмотки по (2) для классического статического алгоритма с добавочным сопротивлением в ИЦ. Результаты моделирования 1-го алгоритма приведны в таблице 3.
Таблица 3 – Сводные результаты моделирования 1-го двухканального алгоритма Анализ этих результатов показы вает, что выигрыш во времени от применения двухканаль ной структуры в динамическом режиме измерения по сравнению с двухканальной структурой в статическом режиме измерения составляет до раз независимо от параметров алгоритма. При этом более раннее по времени получение оценки сопровождается значительным – до 10 раз – снижением погрешности. Это подтверждается отношением погрешностей в момент установления минимально достижимой погрешности коррекции (см. табл. 3).
Конечное, но значи тельное, время установле ния этой погрешности обу словлено тем, что входной массив содержит не только экспоненциальную составляющую, которая корректируется трехточеч ным алгоритмом, но и другие составляющие. Та ким образом, 1-й алгоритм инвариантного косвенного измерения активного со противления можно реко мендовать для использова ния в двухканальных структурах с классическим алгоритмом работы (L = 1) для более раннего (до двух раз) установления показаний ЦИС.
Результаты числового моделирования 2-го алгоритма показывают его способность в полной мере скорректировать динамическую погрешность рас чта активного сопротивления ИЦ за время переходного процесса. Результаты работы этого двухканального алгоритма (при q/0 = 10-5 и t/ = 0,2) по (11) приведены на рисунке 6. Там же на рисунке для сравнения представлена по грешность оценки Rоб по исходному одноканальному алгоритму (выбранного в качестве прототипа) динамического измерения активного сопротивления (6).
При этом результирующее сопротивление обмотки рассчитывалось с учтом поправки на RВН, в допущении об его абсолютной априорной точности. Такое допущение существенно завышает потенциальную точность исходного алго ритма.
Анализ погрешностей исходного одноканального и разработанного инва риантного 2-го двухканального алгоритмов ДИ позволяет сделать вывод о том, что при сохранении такого же, как у прототипа, быстродействия 2-й алгоритм обеспечивает 2 … 3 кратное снижение погрешности оценки активного сопро тивления обмотки по сравнению с исходным (L = 5).
Главной отличительной особенностью 3-го алгоритма является определе ние среднего значения оценки через средние асимптоты ПП для каждого из сигналов в двухканальной структуре. Задача определения среднего значения является одной из типичных задач фильтрации в измерительной технике. Для усреднения оценок применим цифровой фильтр нижних частот с П-образной весовой функцией. На рисунке 7 показано влияние на погрешность оценки ос новного параметра цифрового фильтра - длительности окна ТФ, которая опре деляется числом Кф периодов дискретизации сигнала ПП по времени.
Анализ результатов моделирования позволяет определить целесообраз ную длительность окна усреднения, равную, достаточную для стабилизации погрешности оценки. При этом выигрыш в погрешности от применения 3-го алгоритма по сравнению со вторым составляет до 10 раз, о чм говорит сравне ние рисунков 6 и 8 (на рис. 8 цена деления по ординате в 10 раз меньше чем на рис. 6).
Таким образом, проведнные исследования позволяют сделать вывод о целесообразности построения ЦИС по двухканальной структурной схеме с вы числением асимптотической оценки сопротивления обмотки.
Для практической реализации двухканальных структур ЦИС можно ис пользовать, например, 16-разрядный АЦП LTC1867 фирмы Linear Technology с 4 дифференциальными каналами и одним УВХ.
В заключении обобщены основные результаты и сделаны выводы по ра боте.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана классификация способов коррекции динамической характери стики измерительной цепи (ИЦ) цифровых измерителей сопротивления (ЦИС). Классификация позволила определить место наиболее используе мого в настоящее время способа коррекции – форсирования тока. Класси фикация также показала место способов цифрового динамического изме рения (ДИ) для повышения быстродействия ЦИС и позволила установить метод выбранных точек в качестве перспективной основы для построения разрабатываемого ЦИС. Показано, что трхточечный алгоритм ДИ являет ся базовым для исследования подобных алгоритмов.
2. При помощи имитационного моделирования установлено, что существует область параметров трхточечного алгоритма ДИ определяющая его рабо тоспособность. Предложен критерий устанавливающий связь между пара метрами алгоритма и допустимой погрешностью квантования мгновенных значений ПП с его работоспособностью. Определена связь между пара метрами алгоритма с максимальной и средней погрешностями оценки асимптоты и е среднеквадратическим отклонением от шума квантования канала преобразования мгновенных значений ПП. Получены аналитиче ские выражения для расчета этих погрешностей.
3. Разработаны рекомендации по практической реализации трхточечного ал горитма ДИ.
4. Разработана двухканальная структура и алгоритмы е работы, реализую щие трхточечный алгоритм ДИ. Двухканальная структура ЦИС отличает ся от известной одноканальной тем, что оба этих канала формируют оцен ки асимптот как рабочего тока в измерительной цепи, так и падения на пряжения на обмотке. Структура инвариантна к наличию в измерительной цепи (ИЦ) всех внешних по отношению к обмотке сопротивлений и позво ляет уменьшить погрешность оценки более чем в два раза по сравнению с одноканальной.
5. На основе исследования способа форсирования тока в измерительной цепи получены оценки эффективности повышения быстродействия ЦИС в зави симости от коэффициента форсирования тока. Впервые показано, что при значениях этого коэффициента более 2 при реализации фиксированного по времени управления может наступить потеря эффективности. Предложено время действия этого режима поставить в зависимость от текущей по грешности установления тока в измерительной цепи, что обеспечивает максимальную эффективность этого способа коррекции динамической ха рактеристики ИЦ.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Желбаков И.Н., Лупачв А.А., Тан Тайк У. Анализ быстродействующе го алгоритма измерения сопротивления для диагностики силовых транс форматоров // Метрология – приложение к журналу «Измерительная тех ника». 2010, № 9. - С. 15-26.
2. Лупачв А.А., Тан Тайк У. Анализ метрологических характеристик микроомметров для диагностики силовых трансформаторов // Моск.
Энерг. Ин-т (ТУ).- М., 2010.- 66 с. - 16 ил. - Библиогр.: 55 назв. Рус.- Деп.
в ВИНИТИ 20.10.10 № 604-В2010.
3. Тан Тайк У, Тимохин А.Н., Лупачв А.А. Исследование быстродействия цифровых омметров для диагностики силовых трансформаторов // Труды XVIII МНТК «Информационные средства и технологии». Т.3. B 3-х т. – М.: Издатель ский дом МЭИ, 2010. С. 211–217.
4. Тан Тайк У, Лупачв А.А. Современное состояние и тенденции развития микроомметров для нужд энергетики // Труды XVII МНТК «Информационные средства и технологии». Т.1. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. С.
68–75.
5. Тан Тайк У. Анализ характеристик микроомметров для диагностики эле ментов токоведущего контура силовых трансформаторов // Известия КГТУ им. И. Раззакова. Теоретический и прикладной научно-технический журнал. № 16. - Бишкек, Кыргизский гос. тех. ун-та, 2009. С. 226 – 230.
6. Тан Тайк У, Лупачв А.А., Быков А.П. Измерение переходных сопротивле ний контактов силовых энергетических установок // Вторая всероссийская НТК «Измерение и испытания в судостроении и смежных отраслях «СУДОМЕТРИКА-2008», - Санкт-Петербург, «Электроприбор», 2008. С. 97– 98.
7. Тан Тайк У, Лупачв А.А., Быков А.П. Диагностика быстродействующих «регуляторов под нагрузкой» силовых трансформаторов // Труды XVI МНТК «Информационные средства и технологии». Т.3. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. С. 9–14.
8. Малиновский В. Н., Муборакшоев Д., Хоанг В.Н., Тан Тайк У. Фильтр нижних частот // Труды XVI МНТК «Информационные средства и техноло гии». Т.3. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. С. 53–58.
9. Тан Тайк У, Лупачв А.А., Быков А.П. Специализированный цифровой ос циллограф для диагностики РПН-трансформаторов // Тез. докл. ХVI МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».
Т.1. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. С. 405-406.
10. Тан Тайк У, Лупачв А.А., Быков А.П. Анализ метрологических характери стик современных микроомметров для тестирования силовых цепей // Тез.
докл. ХV МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т.1. B 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. С. 379 – 381.