Разработка микропроцессорной системы обнаружения и

РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И
КОМПЕНСАЦИИ ПОМЕХ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Горева Татьяна Сергеевна,
Дальневосточный федеральный университет филиал в г. Петропавловске – Камчатском,
г. Петропавловск – Камчатский
Актуальность темы. В связи с развитием силовой полупроводниковой техники все
большее применение в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) находят мощные
статические преобразователи электроэнергии (выпрямители, инверторы, преобразователи
электроэнергии), а также другое электрооборудование с нелинейными вольт – амперными
характеристиками и резкопеременными нагрузками.
При этом происходит ухудшение показателей качества электроэнергии, выражающиеся
в нарушении синусоидальности напряжения в цепях питания, бросках и провалах
напряжения. Кондуктивные помехи, приводящие к искажению напряжения могут быть:

Импульсными, в виде кратковременного провала или броска напряжения, тока в
результате включения или выключения мощных приемников или срабатывания защит;

Осциллирующими, в виде кратковременного двухполярного изменения
напряжения, тока из-за резонанса при включении конденсаторов, предназначенных для
коррекции коэффициента мощности;

Флуктуационными, в виде изменения среднеквадратического значения
напряжения при наличии пульсаций нагрузки.
Несинусоидальность напряжения и наличие в связи с этим высших гармонических
составляющих напряжения и тока, в питающей электрической сети отрицательно влияют на
работу электрооборудования (возрастают потери в электрических машинах, сокращается
срок службы электрической изоляции), средств автоматизации, связи и персональных
компьютеров.
В настоящее время большое внимание уделяется вопросам разработки методов и
средств, позволяющих устранить влияние высших гармоник, для обеспечения качества
электроэнергии, соответствующего требованиям стандартов.
Наиболее перспективным способом компенсации в настоящее время является
применение активных фильтров компенсаторов. При активной фильтрации основной задачей
является разработка эффективного метода идентификации (выделение) кондуктивных помех
в электрической сети. Устройство управления обеспечивает формирование соответствующих
управляющих сигналов, под воздействием которых широтно – импульсный модулятор
активного компенсатора генерирует компенсирующий сигнал.
В общем случае в напряжении СЭЭС содержится разномасштабные локальные
особенности, относительная величина и временная протяженность которых зависит от
природы возмущения. Выделить кондуктивные помехи в кривой напряжения с подобными
особенностями позволяет вейвлет – преобразование.
В связи с этим целью работы является разработка активного компенсатора помех для
судовой электроэнергетической системы с идентификацией кондуктивных помех в
ортогональном вейвлет базисе.
Наиболее значительными результатами, впервые полученные автором, являются:
1. Методика идентификации структурных составляющих несинусоидальных сигналов
напряжения и тока в судовых системах электроснабжения на базе вейвлет – преобразования.
1
2. Обоснование выбора базисных вейвлет функций для применения в реализации
дискретного вейвлет – преобразования, осуществляющего непрерывный анализ сигналов в
режиме реального времени.
3. Методика анализа импульсных и флуктуационные помех случайного характера в
системах электроснабжения с идентификацией структурных компонент в ортогональном
вейвлет базисе.
4. Методика
нейросетевого
прогнозирования
изменений
высокочастотной
составляющей сигнала электрической сети.
5. Активный компенсатор кондуктивных помех в судовой электроэнергетической
системе.
Практическая ценность состоит в том, что проведенные исследования, доказали
эффективность применения вейвлет – преобразования для создания активного компенсатора
кондуктивных помех в СЭЭС, вызванных электрооборудованием с нелинейными вольт –
амперными характеристиками и резкопеременными нагрузками. Разработанный активный
компенсатор помех питающего напряжения позволяет контролировать качество
электроэнергии в СЭЭС и при необходимости компенсировать возникающие кондуктивные
помехи.
На промысловых судах источниками помех являются:
 генераторы G1-G4;
 преобразователь частоты;
 мощное технологическое оборудование: филейные разделочные линии,
крабоварки.
В связи с чем, возникает необходимость в установки активных компенсаторов помех.
Предлагается установить АКП на шинах ГРЩ, на шинах РЩ, в точках подключения
мощного технологического оборудования, и ПЧ (рис.1).
ГРЩ
П1
П2
РЩ
ПД
G1
П3
АКП
ПД
РЩ
G2
РЩ
АКП
РЩ
Т
ПД
G3
ВУ
ПД
G4
П4
П5
П6
П7
П8
П9
ПЧ
П10
ЩПБ
АРЩ
Д
К
АГ
РЩ
АКП
П11
П12
П13
Рис 1. Структурная схема автономной СЭЭС с одной основной и одной аварийной
электростанциями
2
начало
Сигнал сети с
помехой
Выбор вейвлет базиса
Высокочастотная
составляющая (помеха)
Разложение по
вейвлет дереву на
составляющие
Низкочастотная
составляющая ( 50 Гц)
Обратное вейвлет
преобразование по
ветке [2 0]
Сигнал сети с
помехой
Обратное вейвлет
преобразование по всем
веткам дерева кроме [2 0]
Вычитающее
устройство
Выделение помехи
Широтно импульсная
модуляция
Сигнал подается в
сеть для компенсации
Анализ результатов
работы
конец
Рис.2. Блок – схема алгоритма компенсации импульсных составляющих сетевого
сигнала.
Для повышения эффективности процесса подавления кондуктивных импульсных
помех необходимо разработать методологию выделения субгармонических и
интергармонических составляющих из кривых напряжения судовой электросети на базе
современных методов цифровой обработки сигналов.
Для построения алгоритмов обработки в реальном времени необходима компенсация
задержки реакции фильтра по отношению к полезному сигналу, для чего предлагается
разработать и применить нейросетевой предсказатель помехи на реальном сигнале судовой
сети.
Результат операции вычитания сигнала сети и сигнала несущей (50 Гц) полученного в
результате вейвлет фильтрации представлен на (рис.3, рис.4-7).
Напряжение, В
200
150
100
50
0
-500,000
0,021
0,042
0,063
0,084
0,105
-100
-150
Время, с
Рис.3. Результат вычитания сигнала сети и сигнала полученного в результате фильтрации
вейвлет фильтром.
3
Рис.4. Вейвлет спектр сетевого сигнала с
импульсными помехами.
Рис.5. Вейвлет спектр выделенной
низкочастотной составляющей сетевого
сигнала с импульсными помехами.
Рис.6. Вейвлет спектр выделенной высокочастотной составляющей сетевого сигнала с
импульсными помехами.
Рис.7. Результат компенсации импульсных помех.
Сравнивая полученные результаты можно сделать следующие выводы:
- и ФНЧ и вейвлет фильтры осуществляют выделение полезного сигнала, однако при
переходе к реальному времени, ФНЧ имеет фазовую задержку 37,70, которая практически не
позволяет воспользоваться контуром регулирования, из-за разности фаз выделенного и
исходного сигнала, вейвлет фильтр имеет задержку 40, что позволяет применить схему
компенсации (рис. 8);
- для компенсации задержки при переходе к реальному времени, необходимо
использовать фильтры с прогнозом для уменьшения динамических погрешностей
компенсатора помех.
4
Принцип работы системы управления вейвлет фильтрацией и прогнозом искажений
представлен на рис.8.
МП
U
АЦП
Вейвлет фильтр
U1
Гибридная НС
ЦАП
U1
Рис.8. Принцип работы системы управления вейвлет фильтрацией и прогнозом
искажений.
Выводы:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагается решение комплекса актуальных задач, направленных на повышение
качества электроэнергии в судовых электроэнергетических системах. В результате
проведенных исследований разработаны математическое и программное обеспечение,
полезная модель активного компенсатора кондуктивных помех в СЭЭС.
Основными результатами работы являются:
1. Анализ кондуктивных помех, действующих в судовых системах электроснабжения.
Установлено, что наибольшее опасными являются импульсные широкополосные
помехи с апериодической составляющей, и проведена оценка соотношений
амплитуды помехи и величины кривых гармоник, создаваемых ею.
2. На основе анализа активных фильтров установлено, что в активных фильтрах при
применении процедуры выделения полезного сигнала в базисе Фурье требуется
высокий порядок фильтра, приводящий к значительной фазовой задержке и
динамической погрешности. Более эффективно изменяющиеся во времени спектры
сигналов описывать в базисе вейвлетов.
3. Методика
и
алгоритмы
идентификации
структурных
составляющих
несинусоидальных сигналов напряжения и тока в СЭЭС в ортогональном вейвлет –
базисе с выделением опорной частоты (50 или 60 Гц) и составляющих других
частот.
4. Алгоритмы функционирования системы управления активным фильтром с вейвлет
фильтрацией и нейросетевым прогнозированием изменений высокочастотной
составляющей сигнала электрической системы.
5. Структурная схема и полезная модель активного компенсатора кондуктивных помех
в СЭЭС на основе вейвлет-преобразования имеет меньшую динамическую
погрешность и позволяет по сравнению с преобразованием Фурье гасить
импульсную помеху до допустимого по ГОСТам уровня даже без блока
предсказания.
6. По выполненным научным исследованиям получено 4 Свидетельства об отраслевой
регистрации комплексов программ и одно свидетельство о регистрации полезной
модели.
Основное содержание опубликовано:
По теме имеется 20 опубликованных работ (включая 1 свидетельство на полезную модель и 4
свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ)
Ведущие рецензируемые журналы и научные издания
1. Горева Т.С., Портнягин Н.Н. Методы построения активных фильтров подавления импульсных помех в
сетях электропитания промысловых судов. (монография) // –М.: Издательство «Академия
Естествознания», 2010 г.- 102 с.
2. Горева Т.С., Кузнецов С.Е., Портнягин Н.Н. Построение активных фильтров подавления импульсных
помех в сетях электропитания промысловых судов с применением вейвлет – анализа.// «Эксплуатация
морского транспорта». Выпуск №3. Санкт – Петербург. 2011 г. С. 65 – 70.
5
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Горева Т.С., Кузнецов С.Е, Портнягин Н.Н. Моделирование процесса локализации просек напряжения на
основе вейвлет – преобразования.// Фундаментальные исследования. Выпуск №12,часть 3 – Москва. 2011
г. С. 548-552.
Горева Т.С.,. Горева Т.И, Портнягин Н.Н., , Пюкке Г.А.. Использование метода исключения внешнего
полюса многополюсника при построении модели регулирования многомерных систем.//
«Фундаментальные исследования». Выпуск №8, часть 1 – Москва. 2011 г. С. 157-166.
Горева Т.С., Кузнецов С.Е, Портнягин Н.Н. Построение модели сигналов электрической сети на основе
вейвлет – конструкции и модели авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего.//
Современные проблемы науки и образования. – № 6 – 2011; URL: www.science-education.ru/100-5313.
Свидетельства об отраслевой регистрации (Патенты)
Горева Т.С. Свидетельство об отраслевой регистрации комплекса программ для ЭВМ № 15684:
«Программный комплекс подавления шумовой компоненты, идентификации структурных составляющих и
выделения аномалий сигналов сложной структуры» / М.: ИНИМ РАО, 2010 г.
Горева Т.С. Свидетельство об отраслевой регистрации комплекса программ для ЭВМ № 16389:
«Программный комплекс управления качественными показателями электроэнергии в распределительных
сетях» / М.: ИНИМ РАО, 2010 г.
Горева Т.С., Кузнецов С.Е., Портнягин Н.Н., Горева Т.И. Свидетельство об отраслевой регистрации
комплекса программ для ЭВМ № 16624: «Анализатор импульсных и флуктуационные помех случайного
характера в системах электроснабжения с идентификацией структурных компонент в ортогональном
вейвлет базисе» / М.: ИНИМ РАО, 2011 г.
Горева Т.С., Портнягин Н.Н., Горева Т.И. Пюкке Г.А. Свидетельство об отраслевой регистрации
комплекса программ для ЭВМ № 16510: «Программный комплекс построения модели регулирования
многомерных систем на основе метода исключения внешнего полюса многополюсника» / М.: ИНИМ РАО,
2010 г.
Горева Т.С., Портнягин Н.Н., Кузнецов С.Е. Свидетельство об отраслевой регистрации комплекса
программ для ЭВМ № 16746: «Полезная модель на фильтрокомпенсирующее устройство импульсных и
флуктуационных помех случайного характера, возникающих в системах электроснабжения, с
идентификацией в ортогональном вейвлет - базисе» / М.: ИНИМ РАО, 2011 г.
Материалы международных конференций
Горева Т.С., Кузнецов С.Е., Портнягин Н.Н. Вейвлет-технология локализации и подавления импульсных
помех в сетях электропитания.//Труды Российского научно-технического общества радиотехники,
электроники и связи имени А.С.Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск 81. г. Москва. 2011 г. С. 260 - 263.
Горева Т.С., Кузнецов С.Е., Портнягин Н.Н. Построение активных фильтров подавления импульсных
помех в сетях электропитания промысловых судов с применением вейвлет – анализа.// 3-я Международная
научная заочная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии». г. Липецк. 2011
г. С.42-50.
Горева Т.С., Кузнецов С.Е., Портнягин Н.Н. Моделирование процесса локализации и подавления
импульсных помех в сетях электропитания промысловых судов в ортогональном вейвлет базисе.// VIII
Международная научно-практическая конференция «Наука и современность – 2011».г. Новосибирск. 2011
г. С.151 – 161.
Горева Т.С. Метод определения лучшего вейвлет базиса для идентификации импульсных помех в сигналах
сетей электропитания. // 12-я Международная научно – практическая конференция «Фундаментальные и
прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». г. Санкт –
Петербург. 2011 г. С. 245-252.
Горева Т.С, Горева Т.И., Пюкке Г.А., Портнягин Н.Н. Программно алгоритмический комплекс построения
модели регулирования многомерных систем на основе метода исключения внешнего полюса
многополюсника. // 12-я Международная научно – практическая конференция «Фундаментальные и
прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». .г. Санкт –
Петербург. 2011 г. С. 252-263.
Горева Т.С. Вейвлет-технология анализа импульсных помех случайного характера в системах
электроснабжения с идентификацией структурных компонент в ортогональном вейвлет – базисе.// 7
Всемирный электротехнический конгресс. г. Москва. 2011 г. С. 126 – 127.
Горева Т.С., Кузнецов С.Е, Портнягин Н.Н. Программно алгоритмический комплекс анализа импульсных
и флуктуационных помех случайного характера в системах электроснабжения с идентификацией
структурных компонент в ортогональном вейвлет базисе. // 12-я Международная научно – практическая
конференция «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких
технологий в промышленности». г. Санкт – Петербург. 2011 г. С. 97-104.
Региональные издания
Горева Т.С., Портнягин Н.Н. Применение вейвлет - преобразования для моделирования импульсивных
изменений напряжения в судовых электроэнергетических системах. // Сборник тезисов докладов. Научно-
6
технической конференции ППС и научных сотрудников и курсантов. Государственная морская академия
имени адмирала С.О. Макарова. г. Санкт-Петербург. 2011. С. 35-45.
19. Горева Т.С., Кузнецов С.Е, Портнягин Н.Н. Идентификация составляющих сигнала напряжения судовой
электроэнергетической системы на основе вейвлет-преобразования. // Научно-технический сборник.
Российский морской регистр судоходства. Выпуск 34. 2011 г. С. 242 - 252.
20. Горева Т.С. , Кузнецов С.Е. , Портнягин Н.Н Метод анализа импульсных помех в системах
электроснабжения с идентификацией структурных компонент в ортогональном вейвлет базисе. Вестник
КРАУНЦ. Физико – математические науки. // г. Петропавловск - Камчатский, Камчатский
государственный университет имени В. Беринга. Выпуск №2, том 3. 2011. С.50-57.
Н4 Новые приборы и аппаратные комплексы
Н4.10. Электронное оборудование и программное обеспечение для «умных сетей» в электроэнергетике
(технологии и системы SMART GRID).
Автор проекта
Горева Т.С.
Руководитель проекта
д.т.н., профессор Портнягин Н.Н.
Автор: Горева Татьяна Сергеевна, 1987 г. рождения, старший преподаватель, Дальневосточный федеральный
университет филиал в г. Петропавловске-Камчатском.
Тел. – 89622927211, e-mail. [email protected]
Научный Руководитель: Портнягин Николай Николаевич, д.т.н., профессор, Камчатский государственный
технический университет.
e-mail.: [email protected]б тел.: 89247818185
7