МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В 1999 был введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97 [1], который устанавливает показатели и нормы качества электроэнергии в сетях общего назначения. В соответствии с требованиями стандарта следует предусматривать мероприятия по обеспечению КЭ.

Уменьшить эмиссию помех в сеть можно за счет оптимизации состава фильтров высших гармоник и правильного выбора мест их установки, применяем регулируемых компенсирующих устройств, в частности тиристорно-реакторных групп (ТРГ), изменением законов регулирования в целях питания или изменением конфигурации сети.

Технически оценка параметров КЭ на этапе проектирования реализуется с помощью компьютерного моделирования электрических схем. На готовых объектах – проведением периодического контроля, с помощью анализаторов в точках общего подключения.

Понимая важность вопроса контроля КЭ, отечественные компании разработали целый ряд анализаторов, удовлетворяющих требованиям нормативных документов (РД 153-34.0-15.50100) по сертификационным испытаниям.

В указанном документе оговариваются лишь статистически усредненные показатели КЭ, которые измеряют при испытаниях. Поэтому большая часть промышленных анализаторов первого поколения позволяет лишь констатировать факты нарушения КЭ. С целью экономии ресурсов прибора в их памяти хранятся лишь усредненные за несколько минут промежуточные величины, на основании которых вычисляются показатели КЭ. Получить доступ к мгновенным значениям тока и напряжения либо вообще невозможно, либо возможно на небольшом интервале времени, достигающим нескольких секунд. Ориентируясь только на усредненные показатели, определить виновника, выделить его вклад в ухудшение КЭ в нагрузочном узле и выбрать наиболее подходящий способ борьбы с этими нарушениями невозможно.

В конце 2002 года появился закон о техническом регулировании и контроле в электроэнергетике [2], где особое место занимает вопрос КЭ. В новом нормативном документе РД153-34.015.502-2002 говорится о необходимости изменения мгновенных значений тока и напряжения. Эти требования существенно расширили возможности анализаторов по хранению, обработке и передаче измеряемых величин. Существенно изменилась и архитектура прибора: неотъемлемой частью стала возможность их объединения, предусмотрена связь с компьютером для дальнейшей детальной обработки измеряемых величин (рис. 1).

Несмотря на возросшие возможности нового поколения приборов, зачастую этой информации оказывается недостаточно для исследования системы электроснабжения. Ограниченный объем внутренней памяти прибора и применяемые интерфейсы обмена данными RS232 или RS485 не позволяют увидеть непрерывную картину изменения мгновенных значений токов и напряжений на длительном интервале времени. В зависимости от объема памяти размер непрерывного кадра составляет 3–120 с. Также вызывает сложность и объединение анализаторов в единую сеть при удалении точек подключения друг от друга. Возможности анализа измеряемых величин во многом определяются прилагаемым программным обеспечением, поставляемым с прибором, альтернативная обработка данных не предусматривается.

Следует отметить, что в ряде приборов те или иные недостатки отсутствуют, однако полностью устранить их можно, только изменив концепцию проектирования анализаторов [3].

На наш взгляд, дальнейшее функциональное расширение возможностей приборов нецелесообразно, это приведет лишь к неоправданному росту их стоимости. Все необходимую обработку данных можно возложить на ЭВМ, снабдив ее быстродействующим АЦП. Объединение ЭВМ в единую сеть позволит создать стационарную систему непрерывного мониторинга КЭ, что используется в последнее время в развитых странах рис. 2.

В связи с тем, что вся обработка поступающих данных возлагается на ЭВМ, роль выбора программного обеспечения приобретает важнейшее значение. Технические возможности прибора во многом будут определяться именно этим. Также необходимо предусмотреть возможность оперативного изменения и выбора алгоритмов обработки поступающих сигналов.

Система MathLab, со встроенным языком программирования высокого уровня, имеет открытую архитектуру и является одним из лучших и высокоэффективных средств моделирования различных устройств и систем [4]. Пакет расширения системы MathLab Simulink реализует принципы визуально ориентированного программирования, позволяя составлять модели устройства из отдельных уже готовых блоков. При этом сложнейшие уравнения, описывающие работу устройств, формируются автоматически.

Кроме того, пакет позволяет работать с внешними устройствами, подключенными к компьютеру, в том числе вести обработку поступающих данных в реальном масштабе времени, компилируя модели в Real-Time Workshop.

Для реализации проекта был разработан компонент пакета расширения MathLab Simulink, управляющий модулем сбора данных E14-140 фирмы L-Card в реальном времени. Модуль E14-140 содержит 16/32-канальный АЦП, связь с компьютером реализована через USB-интерфейс.

Компонента написана на C++ в виде S-function Level 2. Структура S-function представлена на рис. 3.

Опишем методы S-function для блока с дискретными состояниями:

− mdlInitializeSizes (SimStruct *S) – функция, вызываемая единожды перед началом симуляции. Создается управляющая структура SimStruct *S, которая полностью описывает пользовательский блок: количество входов и выходов, их тип, внутреннее состояние блока, определяется частота (или несколько частот), на которой работает блок, выделяется память под пользовательские переменные: вещественные, целые, массивы;

− mdlCheckParameters – функция вызывается из mdlInitializeSizes и производит проверку типов и значений переданных блоку фактических параметров. При обнаружении ошибочного параметра выдается сообщение об ошибке методом ssSetErrorStatus (S, «Недопустимый параметр»);

− mdlInitializeSampleTimes (SimStruct *S) – функция, вызываемая единожды перед началом симуляции в процессе инициализации блока. Она определяет частоту (частоты) работы блока – задается дискрета времени для вызова функции обновления выходного порта. Для компиляции блока в Real-Time Workshop необходимо запретить изменение параметров (ssSetSFcnParamNotTunable (S, i);

− static void mdlStart (SimStruct *S) – функция, вызываемая единожды в самом начале симуляции. Здесь должны задаваться различные состояния блока, а также выполняться вся работа по инициализации внутренних структур блока, которая должна быть выполнена до начала цикла симуляции;

− mdlOutputs (SimStruct *S, int_T tid) – функция вызывается каждый раз, когда необходимо получить выходное значение блока (это должно происходить с частотой, определенной в mdlInitializeSampleTimes). Функция должна сформировать сигнал на выходе блока в данный момент времени. Для этого надо заполнить управляющую структуру, получив указатель на нее ssGetOutputPortSignal (S, 0);

− mdlTerminate (SimStruct *S) – функция вызывается единожды при завершении симуляции либо при удалении блока из модели. Здесь выполняется освобождение выделенной под пользовательские переменные памяти и прочих системных ресурсов.

Для работы в реальном масштабе времени необходимо учитывать, что система Windows может вносить задержки 10–40 мс, поэтому процесс чтения данных асинхронный и буферизованный. Чтение происходит в отдельном потоке, параллельно обработке данных в Simulink-модели, что обеспечивает отсутствие переполнения внутреннего буфера модуля E14-140 и, как следствие, отсутствие потерь данных. Обмен данными между потоком сбора и основным потоком, в котором выполняется S-функция, организован с помощью двухстраничного буфера обмена (рис. 4). В одну страницу буфера в некоторый момент времени обязательно осуществляется запись данных, а с другой может происходить чтение. Страница, на которую осуществляется запись, «заперта» от чтения с помощью механизма флагов. Для синхронизации чтения используется объект ядра Windows «событие».

Отсчеты поступают в буфер обмена с АЦП в виде знакового целого двухбайтового числа, где значащими являются 14 бит. Будучи считаны при очередном вызове функции mdlOutputs, отсчеты преобразуются в измеренные значения напряжения, корректируются с помощью корректировочных коэффициентов и в таком виде образуют выходной сигнал модуля.

Когда работа блока завершается (естественным образом по истечении времени симуляции или аварийно из-за ошибки чтения с АЦП), вызванная функция mdlTerminate завершает поток чтения данных и освобождает выделенную память.

На рис. 5 в качестве примера из блоков собран многоканальный осциллограф.

На рис. 6 представлена структурная схема для определения колебаний напряжений – дозы фигнера.

Структурная схема прибора составлена в соответствии с описанием в работе [5]. Алгоритм обработки блока flick_solve описан нами в статье [6].

Визуально ориентированное программирование открывает перед исследователями новые возможности создания устройств и приборов.

1. ГОСТ Р 13109-97. Качество электрической энергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2. Федеральный закон Российской Федерации «О техническом регулировании» № 184-ФЗ от 27 декабря 2002 г. // Российская газета. 2002. № 245 (3113).

3. Кучумов Л., Антонов А., Салунов М. Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов // Новости электротехники. 2004. № 4 (28).

4. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. 528 с.

5. ГОСТ Р 51317.4.15-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Технические требования и методы испытаний.

6. Численный метод расчета фигнера напряжений / Боков А.И., Корнилов Г.П., Храмшин Т.Р., Коваленко А.Ю. // Наука и производство Урала: Сб. тр. Межрегион. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Новотроицк: НФ МИСиС, 2005.