Назад в библиотеку

---

Моделирование устройств в САПР сквозного проектирования на основе структурно-лигнвистического метода

Автор: А.П. Никифоров
Автор перевода: М.К. Дмитриев
Источник: http://ea.donntu.ru

Аннотация

Анализ, синтез, проектирование устройств релейной защиты и автоматики рассматривается посредством структурно-лингвистического метода. Показано развитие устойчиво работающих устройств в условиях многообразия входных смысловых ситуаций. Предлагаются способы совершенствования САПР сквозного проектирования.

1. Введение

Анализ, синтез и проектирование многовходовых устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА), работающих со сложными ОУЗ в условиях многообразия входных смысловых ситуаций привели к необходимости задействования структурно-лингвистического (СЛ) метода [1]. Предварительные исследования показали эффективность СЛ-метода в задаче анализа причин неустойчивой работы устройств РЗиА распределительных сетей напряжением 6-35 кВ. Цель этой статьи - рассмотрение вопросов детерминированного моделирования согласно СЛ-методу при сквозном проектировании устройств с заданными характеристиками. Также привести пути дальнейшего совершенствования устройств РЗиА, реализованных на многоядерных микросхемах и предложить более широкое распространение СЛ-метода в отрасли.

Известно, что эффективная разработка устройств начинается и заканчивается в САПР сквозного проектирования. При разработке устройств в САПР следуют этапам - от первоначальной идеи к структурной схеме оптимизированных устройств, отлаженным принципиальной схеме и программе, далее к печатной плате и конструктиву, завершая наладкой готового устройства. Разработка устройств основана на имитационном моделировании составляющих частей устройств при подаче на их входы сигналов реальных процессов в объекте управления или защиты (ОУЗ), а также на совместном моделировании устройств с ОУЗ.

2. Описание СЛ-метода.

Метод основан на аналогии между структурой объектов и синтаксисом языка. Объекты состоят из соединенных подобъектов так же, как фразы и предложения строятся путем соединения слов, а слова составляются из букв. Поток смысловой информации во времени, который переносится параметрами сигналов входных координат устройств, разделяется информационными датчиками с пороговым выходом - терминальными символами (ТС). Практическое построение ТС основывается на технически и экономически оправданных методах. Задавая имена собственные каждой элементарной информационной составляющей ТС и правилам ее обработки Р, получаем возможность определить характерные особенности, присущие любой текущей смысловой ситуации по отношению к допустимому смысловому потоку информации (переходному процессу в сети, являющемуся следствием аварийной ситуации).

3. Применение СЛ-метода для построения устойчиво работающих устройств.

Приведем этапы моделирования устройств согласно СЛ-методу - 1) разложение сигналов входных координат устройств на структурные информационные составляющие ТС; 2) построение и анализ обобщенного дерева определения смысловых ситуаций известных устройств; 3) построение оптимального дерева устойчиво работающего устройства; 4) проверка работы оптимального дерева; 5) синтез принципиальной схемы, конструктива устройства. Моделирование этапов в САПР можно рассмотреть на примере любого устройства РЗиА. Возьмем устройство, включающее все уровни иерархии устройств по отношению к обработке смысловой информации. Таким устройством является «сканер-анализатор» состояния контура нулевой последовательности сети (КНПС). Кратко охарактеризуем назначение, принцип работы и характеристики устройства.

Для обоснования целесообразности применения СЛ-метода в [2] введена теорема «О наличии смыслового сигнала в системах релейной защиты». Согласно теореме системы РЗ, работающие по возмущению, можно преобразовать в системы, работающие по отклонению. Обратная связь в такой системе замыкается с помощью смыслового сигнала S(t) (см. рис.1). Изменение сигнала S(t) пропорционально такому изменению смысловых состояний ОУЗ, каким бы его представлял оператор, если бы управлял ОУЗ в ручном режиме. Среди характерных свойств смыслового сигнала S(t) можно выделить наличие в нормальном и других режимах работы ОУЗ, эффективное сжатие параметрической информации, наглядное представление любой сложной смысловой ситуации, простота его задействования для задач анализа, синтеза и построения простых и иерархических устройств РЗиА.

Эти свойства смыслового сигнала S(t) позволили объединить соответствующие устройства РЗиА, работающие разрозненно, в единую систему автоматической стабилизации нормального режима работы (АСНОР) КНПС. Цель работы системы – поиск поврежденного участка КНПС при появлении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) и обеспечение работоспособности системы при неопределяемых смысловых ситуациях. Разработка системы привела к новому построению устройств селективной РЗ в качестве устройств селективного поиска (СП), а также привлечении устройств автокомпенсации токов ОЗЗ и аварийной регистрации для реализации системы поиска неисправностей ОУЗ. Центральным элементом системы АСНОР становится «сканер-анализатор», конструктивно располагающийся в новом типе терминала РЗиА «Т-КНПС». Терминал может устанавливаться в ячейке трансформатора напряжения, быть заменой (дополнением) щита РЗиА «Контроль изоляции сети». Каждое устройство системы АСНОР формирует дополнение сигнала S(t) универсальным алгоритмом «За-против» (см. Рис. 1). В этом алгоритме в группу «За» входят ТС, Р отвечающие за формирование корневого символа S, соответствующего классическому ОЗЗ. В группу «Против» входят ТС, Р - не разрешающие формирование S.

Диапазон изменений смыслового сигнала S(t) находится в пределах [0–100%]. Устанавливая ряд пороговых значений ?, например, ?МАХ=98%, можно контролировать наличие и качество определения ОЗЗ, других процессов в КНПС и всего высоковольтного гальванически-связанного оборудования. В случае отказа (или разделения) какой-либо части системы АСНОР контроль порога ?МАХ может выполняться отдельно в каждом из устройств. В тех случаях, когда информации недостаточно или информация формируется с большими искажениями, интервалами времени и так далее привлекается оперативный персонал. Экспертная система «сканер-анализатора» формирует диагностическое сообщение о состоянии ОУЗ, возможной причине переходного процесса, о необходимости и способах устранения причины.

4. Решение задач моделирования, возникающих при СЛ-методе.

Целенаправленное преобразование входной смысловой информации схемами каскадов и программами структурных блоков устройств предъявляет некоторые требования к возможностям моделирования. Дополнительно к приведенным выше требованиям можно добавить возможность динамического моделирования в одном САПР преобразования информации последовательно морфологическим, синтаксическим, семантическим уровнями Важным становится быстрота расчета.

Согласно СЛ-методу на Рис. 1 показана многоуровневая иерархия обработки смысловой информации – морфологический, синтаксический и семантический уровни. Одни этапы моделирования оказались легко реализуемыми в САПР, другие – труднореализуемыми. Моделирование устройств показало, что по совокупности предъявляемых требований, большинству этапов СЛ-метода успешно соответствует САПР «OrCAD». Однако семантический уровень моделируется с затруднениями, потребовал применения других САПР. Так эффективным оказался «MatLab-Simulink». Рассмотрим возникающие затруднения при моделировании СЛ-методом.

5. Малая скорость моделирования в САПР.

Объединение иерархических уровней СЛ-метода в одном проекте оказывается не приемлемым по времени моделирования. Причина состоит в том, что каждый уровень работает на разных частотах. Так если частота изменения входной информации составляет 10 кГц (см. Рис. 2), то изменения выходного сигнала S(t) выбирается порядком 10 Гц. Понижение частоты входной информации в 1000 раз эквивалентно сжатию параметрической информации сигналов, что замечательно для построения системы и устройств, но не для совместного моделирования иерархических уровней.

Это затруднение решается декомпозицией проекта следующим образом. Система, устройство конструктивно разделяются на части, реализующие иерархические уровни - морфологический, синтаксический, семантический. Разделение обычно удается выполнить, поскольку в точках перехода между уровнями количество связей минимально. Каждый из уровней моделируется отдельно на соответствующих частотах. Передача результатов от уровня к уровню для сборки проекта выполняется файловыми источниками сигналов.

6. Моделирование морфологического уровня.

Элементы этого уровня состоят из информационных датчиков (далее ТС), работающих на высоко-, средне-, низкочастотных составляющих (ВЧС, СЧС, НЧС). В состав, ТС входят: элементы гальванической развязки, фильтры, ограничители, формирователи, пороговые элементы (ПЭ). ТС реализуются аналоговыми, ШИМ схемами (качественно моделируются в «OrCAD») и программно на микроконтроллерах (МК). При построении на МК при анализе удается макетировать структурные схемы цифровой фильтрации из имеющихся PSpice-моделей (АЦП, сумматоров и т.д.). На этапе синтеза приходится привлекать дополнительные САПР («MatLab») для синтеза фильтров в виду отсутствия инструмента в «OrCAD». Это вопрос к разработчикам «OrCAD».

Моделирование в САПР принципиальных схем ТС известных устройств принципиально выполняется на реальных сигналах высокочастотных аварийных файлов обучающей выборки, в виду отсутствия нестационарных составляющих сигналов, формируемых моделями ОУЗ. На этом этапе выявляется значительное количество случаев неправильной работы каждого из составных элементов ТС. Здесь типичные морфологические ошибки формирования ТС можно разделить на группы, подлежащие строгому контролю – а) качество и эффективность работы одной и той же схемы ТС при различных сложных входных сигналах; б) взаимодействие собственных переходных колебаний фильтров с текущими ударными воздействиями при дуговом ОЗЗ; в) смещение полос ВЧС, СЧС для разных ОУЗ. Рассмотрим эти группы более подробно на примере анализа работы связки элементов - входной фильтр (Ф)+ПЭ известных устройств СП (см. Рис. 1, Рис. 2).

А) Изначально устройства СП проектировались для селективного определения поврежденного участка КНПС при глухом ОЗЗ в режиме работы сети с изолированной нейтралью. В условиях, которой очередной пробой ОЗЗ, как правило, происходит на каждой полуволне промчастоты w. С точки зрения реакции связки ФНЧС+ПЭ сигналы входных координат 3u₀, 3i₀ оказываются схожи при дуговом и глухом ОЗЗ (в плане повторяемости, регулярности сходны с частотой с w). Схожесть должна, по мнению авторов устройств СП, повышаться, тем более, когда при большом токе пробоя дуговое ОЗЗ переходит в глухое. Известная статистика и современный мониторинг ОЗЗ аварийными регистраторами показывает, что количество установившихся процессов при ОЗЗ на частоте w (глухих ОЗЗ) составляет не более 1.5-2 % от числа всех ОЗЗ и в некоторых сетях они могут появляться крайне редко. Именно схожесть, а не детерминированность структуры устройств СП позволяет работать при дуговом ОЗЗ. Моделирование показывает, что это большое поле для неустойчивости работы устройств СП.

Б) В сети с резистивно-заземленной нейтралью время восстановления напряжения на поврежденной фазе может составлять полупериод-период w. На интервал между пробоями ОЗЗ влияют индивидуальные характеристики сети в конкретный момент ее работы, а также изменение емкостного тока при изменении режимов работы сети или потребителей. Для каждой сети интервал между пробоями ОЗЗ будет отличен от других сетей, параметры же схемы устройств СП остаются прежними. Здесь возникает задача выбора и настройки параметров устройств СП согласно характеристикам сети.

В) ТС «НЧС3u₀» несет в себе большое количество информации о КНПС и ОЗЗ (см. Рис. 2). Однако оказывается, что не во всех устройствах СП задействуется эта информация [2]. В случае задействования ТС «НЧС3u₀» отводится незначительная роль вспомогательной проверки наличия 3u₀.

Г) В виду нелинейного характера дугового промежутка ток ОЗЗ прекращается в основном при первом проходе через нулевое значение ВЧС перезаряда емкостей фаз сети (разрядная РВЧС + зарядная ЗВЧС). Длитель-ность протекания тока ОЗЗ (см. Рис. 2) в таком случае может составлять Т_ОЗЗ=1-2 мс. После Т_ОЗЗ дальнейший характер переходных процессов в сети следует относить не к ОЗЗ, а к этапу восстановления нормального режима работы сети, который не имеет селективных фазовых сдвигов между НЧС 3u₀, 3i₀ на частоте w. Появление следующего пробоя ОЗЗ зависит от скорости восстановления напряжения в месте пробоя (иначе от режима заземления нейтрали). Чем меньше время восстановления, тем выше вероятность развития очередного пробоя ОЗЗ. Таким образом, моделирование показывает, что селективных сигналов на частоте w при дуговом ОЗЗ практически нет.

Д) В разных распределительных сетях РВЧС, ЗВЧС могут смещаться по шкале частот, быть сильно или слабо разнесены по частоте, либо РВЧС преобладает над ЗВЧС, либо наоборот. Поэтому Р «ФД» (фазовое детектирование) определяется по разному - либо по РВЧС, либо по ЗВЧС, либо по РВЧС+ЗВЧС, не смотря на декларирование критерия селективности.

Е) Качественное формирование ТС требует надежного отделения НЧС 3u₀, 3i₀, от сигналов ВЧС. Ужесточение фильтрации ФНЧС увеличивает его инерционность. В режиме дугового ОЗЗ ударные воздействия ВЧС 3u₀, 3i₀ большой амплитуды, длительностью Т_ОЗЗ (см. рис. 2), будут возбуждать собственные колебания ФНЧС и приводить к срабатыванию ПЭ в течение ТФНЧС=(3-5)w^-1. Сложение собственных колебаний ФНЧС от очередных пробоев ОЗЗ в зависимости от интервала их следования может привести как к срабатыванию ПЭ, так и к несрабатыванию. В случае срабатывания ПЭ на выходе связки ФНЧС+ПЭ возникнет значительный дополнительный фазовый сдвиг из-за широтно-импульсного модулирования. При таких сигналах формирование Р «ВЧС ФД» может быть неправильным.

Ж) Для ФД выделяются ВЧС 3u₀, 3i₀ высокодобротными фильтрами. Формирование АФЧХ в известных устройствах СП выполняется либо 2Т-образными фильтрами-пробками, подавляющими частоту w при рабочей полосе частот (0.5-5 КГц), либо фильтрами Бесселя третьего порядка (0.2-10 КГц), либо дополнительно при дифференцировании координаты 3u₀, либо феррорезонансными трансформаторами, подавляющими частоту w и выделяющими (0.5-5 КГц). Для уменьшения фазовых искажений входные фильтры выполняются, как правило, однотипно. Однако, во-первых, колебания ВЧС координаты 3i₀ происходят главным образом относительно нулевого уровня, то есть амплитуды РВЧС, ЗВЧС для неповрежденных участков КНПС гораздо больше НЧС 3i₀. Во-вторых, амплитуды колебаний ВЧС 3u₀ происходят относительно фронта нарастания НЧС 3u₀ до фазного значения сети, которое на порядок больше амплитуд РВЧС, ЗВЧС 3u₀. Также как и выше первую полуволну изменения координат 3u₀, 3i₀ следует рассматривать как ударное воздействие. Так, например, возбужденный от помехи (1 В, 0.2 мс) ВЧС-фильтр генерирует переходный процесс на собственных частотах, приводящий к срабатыванию ПЭ ТС и неселективному формированию Р «ВЧС ФД» в течение двух периодов w.

Понятие о формировании заданной АФЧХ в основном справедливо для установившихся сигналов. Специфика сигналов 3u₀, 3i₀ резко снижает эффективность высокодобротных фильтров для выделения ВЧС 3u₀, 3i₀. Следовательно, правильнее оперировать, прежде всего, не понятием о заданной АФЧХ, а инерционными свойствами фильтров. Для синтеза устойчиво работающих устройств эффективнее применять программные КИХ-фильтры, в которых отсутствует обратная связь выхода со входом. Следовательно, имеют линейную ФЧХ и «быстро» забывают предысторию.

Подытоживая результаты моделирования морфологического уровня можно сказать, что область применения известных устройств СП, функционирующих на НЧС 3u₀, 3i₀, в условиях резистивно-заземленной нейтрали уместно ограничить сетями, в которых при увеличении активной составляющей тока ОЗЗ можно гарантировать переход первого пробоя ОЗЗ в глухое ОЗЗ. Естественно при этом полный ток ОЗЗ не должен приводить к разрушению межфазной изоляции сети, а общие технико-экономические показатели работы сети должны удовлетворять требованиям эксплуатирующей организации. Понятно, что реализовать такие ограничения весьма трудно, следовательно, применимость самой резистивно-заземленной нейтрали оказывается крайне ограниченной. Тоже можно отнести и к сети с изолированной нейтралью, применимость которой еще более ограничена.

7. Моделирование синтаксического уровня.

Анализ морфологического уровня позволил показать целый ряд существенных недостатков в работе известных устройств СП. Этих недостатков вполне достаточно, чтобы привести устройства к неустойчивой работе. Анализ синтаксического уровня устройств СП выполнен в работах [2]. Результаты синтеза показывают, что моделирование автоматов синтаксического уровня в «OrCAD» согласно СЛ-методу можно успешно выполнять при условии реализации устройств на основе ПЛИС (логических элементов, языка VHDL). Такая реализация оказывается приемлема и даже предпочтительна в виду того, что уровень состоит в основном из большего числа параллельно функционирующих трактов логического преобразования информации, требует большую скорость преобразования в реальном масштабе времени, что плохо реализуется на МК.

В случае реализации уровня на МК моделирование в «OrCAD» оказывается невозможным в виду отсутствия моделей ядер МК и соответствующего инструментария. Это является вопросом к разработчикам «OrCAD», ведь ядра современных МК поставляются на языке VHDL. Так, например, в САПР «Proteus» реализуется сквозное моделирование аналоговой и конструктивной частей различных МК-ядер. В САПР «MatLab-Simulink» поддерживается и автоматически формируется разработка элементов программы на языке Си, а так же моделируются МК фирмы «Texas Instruments». Другие производители, к сожалению не поддерживаются. Но в «MatLab» затруднена разработка морфологического уровня при аналоговой и ШИМ реализациях, а так же отсутствует разработка конструктива устройств.

8. Моделирование семантического уровня.

В САПР «OrCAD» реализовать уровень оказывается наиболее затруднительно. Это связано с отсутствием необходимых моделей и соответствующего инструментария, а так же с задачами оптимизации и быстродействием расчета. Например, оптимизации подлежат количество, эффективность и простота реализации при выборе ТС, Р, S(t), диагностических сообщений. Рассмотрим задачи моделирования.

А) Одной из задач является выбор величин весовых коэффициентов для правил Р, позволяющих получить градации в смысловом сигнале S(t) (см. Рис. 2), соответствующие отличию текущей смысловой ситуации от заданной (100%). Задача решается в «OrCAD» макетированием моделей оформляемых в иерархические блоки. Однако при необходимости введения дополнительных ТС, Р на предыдущих морфологическом, синтаксическом уровнях приходится выполнять новое моделирование для этих уровней, а только затем для семантического уровня. Таким образом, при оптимизации декомпозиция общего проекта оказывается организационно не удобной и занимающей значительное время расчетов.

Б) Другой задачей является формирование правил РОТН относительных критериев сравнения смысловых сигналов S(t) каждого из поврежденных участков ОУЗ между собой (см. Рис. 1, Рис. 2). Для синтеза РОТН необходимо моделирование устройств СП не только поврежденного и неповрежденного участков ОУЗ, чем обычно ограничивались при синтезе известных устройств СП, а моделированием минимум 3-4-х устройств СП. Ведь задачей моделирования системы АСНОР КНПС является определение очереди фаворитов на отключение в случаях наличия «Неопределяемой ситуации», «Нечетком определении», наличия нескольких фаворитов. Формирование автомата контроля порогов ?ОТН, автомата мажоритарного определения фаворитов и так далее выполняется макетированием доступными в «OrCAD» элементами. Следовательно, моделирование ограничивается структурной схемой автоматов, построенных не программным языком реализации уровня в устройстве, а другим языком реализации (ШИМ, электрическим).

Задача решается организационно. Моделирование в одном проекте ряда устройств СП усложняет организацию рабочего места при смене множества источников входных сигналов, предварительно подготовленных на предыдущих уровнях иерархии. Следует отметить, что при совместном моделировании ряда устройств, «OrCAD» поддерживает список соединений, но время расчета чрезмерно велико, а главное устойчивость расчета (метод Ньютона-Рафсона) заметно ухудшается.

В) Третьей задачей является построение семантических автоматов принятия конечного решения об отключении фаворитов, принятия решения в случае «Неопределяемой ситуации», выбора и заполнения текстовых диагностических сообщений, ведения архива событий. Задача характерна возможностью не соблюдать привязку работы семантических автоматов к оси времени. Автоматы реализуются в основном программным способом. Их макетирование в «OrCAD» оказывается крайне неэффективным. Здесь требуется переход к САПР другого типа («MatLab»). При реализации задачи на МК с использованием встроенной операционной системы и графической оболочки моделирование сводится к отладке рабочей программы МК на Си для ПК. Такое решение задачи моделирования минимизирует затраты перед началом реализации устройства и формирует симулятор устройства для освоения на ПК. Однако стоимость комплектующих МК резко возрастает.

Выводы

1. Эффективно реализовать целенаправленные анализ, совершенствование, проектирование устройств и организацию рабочего места конструктора возможно на основе СЛ-метода.
2. Сквозное проектирование устройств СЛ-методом показывает наличие разрывов в непрерывности этапов моделирования, несмотря на позиционирование известных САПР в качестве САПР сквозного проектирования, а также показывает пути дальнейшего совершенствования САПР. Несмотря на значительное развитие САПР организация рабочего места конструктора устройств выполняется, к сожалению, как и прежде, исходя из САПР, поддерживающих конкретные программируемые микросхемы или реальные электронные элементы.
3. В САПР «OrCAD», «MatLab-Simulink» разработаны устройства системы АСНОР КНПС – устройство селективного поиска «У-СП-ЗЗМ1», восьмиканальный высокочастотный аварийный регистратор «Р-СП-ЗЗМ1», терминал РЗиА «Т-КНПС-1».

Список использованной литературы

1. Г. Тью, Р. Гонсалис. Принципы распознавания образов, М: «Мир», 1978.-411 с.
2. Гребченко Н.В.., Коваль И.И., Сидоренко А.А., Смирнова М.А. Определение полной проводимости электрической изоляции без отключения электрооборудования / / СPE2009. 6-я международная конференция-семинар 978-1-4244-2856-4/09/25.00. P. 61-66.