65577

КОМП’ЮТЕРИЗОВАНА СИСТЕМА КОМЕРЦІЙНОГО ОБЛІКУ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ТА ЇЇ МЕТРОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Автореферат

Информатика, кибернетика и программирование

Зі створенням Оптового Ринку Електричної Енергії що складається з незалежних акціонерних компаній державні електричні компанії та державні акціонерні електричні компанії незалежного регулюючого органу Національна комісія з питань регулювання електроенергетики України...

Украинкский

2014-08-01

531 KB

1 чел.

7

PAGE  17

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Заславський Олександр Михайлович

УДК 621.3

КОМП’ЮТЕРИЗОВАНА СИСТЕМА КОМЕРЦІЙНОГО ОБЛІКУ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ТА  ЇЇ МЕТРОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

05.13.05 – Комп’ютерні системи та компоненти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Вінниця – 2010


Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Кухарчук Василь Васильович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електричних вимірювань

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Бурбело Михайло Йосипович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри електротехнічних систем електроспоживання та енергетичного менеджменту;


доктор технічних наук, старший на
уковий співробітник

Колпак Богдан Дмитрович,

Державне підприємство «Науково дослідний інститут «Система»,
м. Львів, керівник відділення метрології си
стем.

Захист відбудеться «05»_листопада__2010 р.  о 9 30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д  05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК, ауд. 210.

З дисертацією  можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий «01»_жовтня__2010 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради                                                         С.М. Захарченко


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.   Зі   створенням  Оптового Ринку Електричної Енергії, що складається з незалежних акціонерних компаній (державні електричні компанії та державні  акціонерні електричні компанії), незалежного регулюючого органу (Національна комісія з питань регулювання електроенергетики України  (НКРЕ), і, власне, Енергоринку - державного підприємства, що   здійснює  управління  оптовим  ринком  електричної  енергії, виникла необхідність   почасового  обліку  електричної  енергії (почасові оптові тарифи реального часу) з підвищеною точністю. Оскільки  вартість електричної енергії залежить від витрат на її виробництво і передачу, моменту споживання (пори року, днів тижня і години  доби),  величини  заявленої  потужності та часу споживання потужності,  то  собівартість  її є різною для кожної години року.

Перехід  до  високоточних вимірювань у реальному часі дозволяє  вийти на дійсну ціну електричної енергії та оптимізувати виробництво, постачання  і споживання  електричної енергії. Це можливо лише при удосконаленні існуючих методів одержання первинної інформації про режими навантаження електричних мереж,  відпущену в мережу, та корисно спожиту електроенергію за допомогою комп’ютеризованих систем.

 Не зважаючи на велику кількість технічних рішень з побудови мікропроцесорних лічильників та комп`ютеризованих систем обліку електроенергії, досі не існує теоретичного узагальнення фізичної природи та математичного змісту похибок суто цифрових вимірювань, що пов`язані із застосуванням мікропроцесорної техніки.  Не існує також теоретичного узагальнення різноманітних методів корекції похибок цифрових вимірювань електричних величин при автоматизованому обліку електричної енергії. Необхідність теоретичного обґрунтування  нової технології цифрових вимірювань електричних величин диктується все більш гострим попитом на цю технологію у зв`язку з потребами енергетичної галузі у точних та надійних вимірюваннях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладено матеріали, які узагальнюють дослідження автора в рамках науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт за тематикою Міжгалузевої господарської корпорації «Облік», затвердженої наказом №18 від 16.12.1998р. згідно з Технічним завданням Міністерства  промислової політики та   Міністерства палива та енергетики України, Національної комісії регулювання електроенергетики України, Державного комітету з енергозбереження, Державного комітету стандартизації, метрології та сертифікації України від 04.04.2001р., а також Технічними умовами ТУ У 23939240.001-98 на багатофункціональний лічильник обліку електричної енергії.

Мета і завдання дослідження.   Метою роботи є підвищення точності вимірювань у комп`ютеризованих системах комерційного обліку електричної енергії шляхом вдосконалення цифрових методів вимірювання електричних величин.

Для досягнення поставленої мети розв’язуються такі завдання:

  1.  Аналіз впливу режимів навантаження контрольованих електричних  мереж на характерні  похибки, які з`являються при цифрових вимірюваннях електричної енергії.
  2.  Математичне та фізичне моделювання впливу дискретності та нелінійності цифрових вимірювачів на результати вимірювань електричної потужності і енергії.
  3.  Розроблення алгоритмів компенсації нелінійностей вимірювальних каналів та похибок, що пов’язані з  неодночасністю миттєвих вибірок струмів і напруг в багатоканальних цифрових вимірювачах електричної енергії.
  4.  Розроблення мікропроцесорного устаткування для  експериментальних досліджень метрологічних характеристик та повірки вимірювальних каналів. Дослідження передатних та коригуючих функцій вимірювальних каналів мікропроцесорних лічильників за допомогою цього обладнання.
  5.  Розроблення багатофункціонального мікропроцесорного лічильника електричної енергії.
  6.  Розроблення програмно-технічного комплексу для побудови об`єктно орієнтованих комп`ютеризованих систем обліку електричної енергії.

Об’єктом дослідження є процес цифрових вимірювань електричних величин в комп’ютеризованих  системах обліку електричної енергії.

Предметом дослідження є методи і засоби підвищення точності цифрових вимірювань в комп`ютеризованих системах обліку електричної енергії.

Методи дослідження базуються на використанні: теорії електричних кіл для аналізу характерних  похибок, що виникають при безпосередньому інтегруванні миттєвих значень струмів і напруг у процесі вимірювання електричної потужності та енергії; теорії відновлення залежностей за емпіричними даними та екстремальної кускової інтерполяції функції регресії для розроблення способів цифрової компенсації цих похибок; оригінальних теоретичних методів моделювання процесів перемагнічування, що розроблені  д. ф-м. н. проф.
Зіркою С.Є. для моделювання перехідних  процесів у схемах заміщення трансформаторів струму з феромагнітним осердям; теорії ймовірності та математичної статистики для розро
блення моделей похибок вимірювань; теорії побудови багатопроцесорних обчислювальних систем, а також теорії управління розподіленими базами даних для синтезу електронних схем, алгоритмів і програм при розробці багатофункціонального мікропроцесорного лічильника і програмно – технічного комплексу для побудови об’єктно-орієнтованих комп`ютеризованих систем обліку електричної енергії.

Наукова новизна  одержаних результатів полягає в тому, що:

  •  вперше одержана  аналітична  залежність похибок вимірювань електричної потужності в колах змінного струму від  інтервалу часу між замірами миттєвих значень струмів і напруг  при різноманітних кутах зсуву фаз, та спектральнім складі струму і напруги;
  •  вперше одержана аналітична залежність додаткової похибки вимірювань від значення повного міжканального опору схеми багатоканального вимірювача електроенергії;  ці похибки мають суттєве значення відповідно сучасних вимог до точності вимірювань електричної енергії, залежать від характеру навантаження електричних мереж і потребують компенсації;
  •  вперше  запропоновано метод вимірювання електричної енергії за результатами усереднення подвійної дискретної вибірки миттєвих значень струмів та напруг (метод подвійного сканування), за яким вибірка містить подвійну кількість пар миттєвих значень струмів і напруг, що відрізняються одна від одної послідовністю вимірювань у часі, завдяки чому значно зменшується похибка, що зумовлена неодночасністю вимірів струмів та напруг;
  •  вперше запропоновано новий метод цифрового відновлення дійсних значень первинного струму вимірювального перетворювача змінного струму за допомогою процедури екстремальної лінійної інтерполяції його комплексної передатної характеристики, розподіленої з вільними межами (метод вільних меж);

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що отримані теоретичні положення дозволили:

  •  розробити та впровадити в практику вимірювань багатофункціональний мікропроцесорний вимірювач електричної енергії, що є основною складовою комп`ютеризованих систем обліку електроенергії. Особливістю цього вимірювача є застосування методу подвійного сканування та методу вільних меж в алгоритмі обчислення електричної потужності та енергії, завдяки чому вдалось значно покращити співвідношення ціна / точність  у розробленому приладі;
  •  розробити та налагодити виробництво мікропроцесорних засобів для дослідження метрологічних характеристик, калібрування та повірки вимірювальних каналів комп`ютеризованих систем обліку електричної енергії в класі точності 0,5S. Застосований при розробці цих засобів підхід дозволив практично реалізувати  нові оригінальні методи коригування передавальних функцій вбудованих вимірювальних трансформаторів струму у складі мікропроцесорних лічильників електричної енергії.
  •  розробити апаратно – програмне забезпечення уніфікованого комп’ютеризованого вимірювального комплексу для побудови на базі розроблених мікропроцесорних лічильників об’єктно-орієнтованих  систем комерційного та технічного обліку електричної енергії.

На підставі Державних випробувань типовий ряд розроблених мікропроцесорних лічильників занесено до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки за номером У 1189-01 і здійснюється їх серійне виробництво.  

Результати досліджень впроваджено  в серійних  приладах та комп’ютеризованих системах на багатьох підприємствах України. Найзначніші з них:  

  •  комп’ютеризована  система обліку електроенергії у системі водопостачання Донецького регіону;
  •  комп’ютеризовані  системи обліку електричної енергії  газоперекачувальних станцій у системі магістральних газопроводів України.

Особистий внесок здобувача  в роботах, виконаних у співавторстві: досліджено вплив взаємодії вимірювальних каналів на точність вимірювання електричної енергії [1]; одержана та досліджена аналітична  залежність остатньої (не скомпенсованої) похибки від тривалості інтервалу часу між двома найближчими один до одного вимірами, нестабільністю частоти коливань напруги  у розподільчій мережі, та гармонійним складом струмів і напруг при різноманітних кутах зсуву фаз [2]; запропоновано спосіб підвищення точності осереднення електроенергії на кінцевих інтервалах часу за допомогою періодичної зміни послідовності миттєвих вимірів струмів та напруг (метод подвійного сканування) [9, 10]; при дослідженні на фізичних [7] та математичних [4] моделях залежності вторинних струмів трансформаторів струму від первинних виявлено, що максимальна точність математичних методів відновлення цієї залежності  мікропроцесорним обчислювачем досягається при розподілу області визначення передавальної функції на ділянки інтерполяції з вільними межами [3]; досліджено  цільовий функціонал для досягнення оптимального  розподілу областей інтерполяції   передатної   функції   трансформатору  струму, вдосконалена методика обчислювання часткових похідних при пошуку оптимального розподілу областей апроксимації, спираючись на властивості інтегралів, залежних від параметру, а саме, на особливості диференціювання інтегралів зі змінними межами інтегрування [3]; розроблено алгоритми оптимального розподілення області інтерполяції на ділянки з вільними межами за критеріями середньоквадратичного та рівномірного ухилення [3]; розроблені функціональні схеми багатофункціонального мікропроцесорного лічильника електричної енергії [5, 9, 10]; розроблено структурну схему та принципи організації програмно-технічного комплексу для побудови автоматизованих систем обліку електричної енергії [5, 11].

Апробація результатів дисертації.   Основні положення  дисертаційної роботи доповідались та одержали схвалення на 4 науково-технічних конференціях, де були зроблені 8 доповідей, а саме: на Міжнародній конференції Актуальні проблеми вимірювальної техніки «Вимірювання 98» (Київ: НТУУ «КПІ»), Х Байкальской Всеросийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании» (Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2005), на 3-ій  науково-практичній конференції «Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні» (Київ 2001), на 5-ій  науково-практичній конференції «Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні» (Київ 2005).

Публікації.  Результати дисертаційної роботи опубліковано в 11 працях, в тому числі: в чотирьох  статтях у фахових наукових журналах, що входять до переліку періодичних видань, затверджених ВАК України, чотирьох тезах конференцій, двох патентах та свідоцтві про реєстрацію авторського права на твір.

Структура та обсяг роботи.  Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Об'єм дисертації – 149 стор., додатків – 11 стор. Робота містить  51  рисунок,  9 таблиць та посилання до 87 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета, ідея й задачі досліджень, наукова новизна й практичне значення отриманих результатів, наведені наукові положення, що виносяться на захист, наукове та практичне значення роботи, дані про публікації, апробацію й упровадження розробок і результатів досліджень.

Перший розділ присвячено обґрунтуванню наукових положень роботи й обраного напрямку досліджень, наведено результати інформаційного пошуку за тематикою дослідження, здійснено постановку задач дослідження.  Розглянуто особливості автоматизованого обліку електричної енергії, узагальнену структурну схему і принципи побудови інформаційно вимірювальної системи обліку електричної енергії. Детально проаналізовані  складові вимірювального комплексу системи обліку електричної енергії. Наведено результати інформаційного пошуку в області математичного моделювання процесів вимірювання змінного електричного  струму. Розглянуто принципи побудови засобів для метрологічних досліджень та калібрування складових вимірювального комплексу.

Відзначено, що питанням побудови нової технології електричних вимірювань в задачах обліку електричної енергії  присвячені роботи вчених: Стогнія Б.С., Танкевича Е.Н., Тесіка Ю.Ф. Праховника А.В. Значний вклад в теорію і практику математичного моделювання електромагнітних процесів в трансформаторах струму та їх вплив на точність вимірювання електричної енергії внесено вченими Зіркою С.Є та Мороз Ю.І. Базові метрологічні характеристики багатоканальних систем обліку енергоносіїв детально досліджені в роботах Колпака Б.Д.  Класична технологія обліку електричної енергії базувалась на фізичному моделюванні процесів вимірювання та виключно параметричних методах досягнення потрібної точності вимірювань.  Нова технологія базується на цифрових методах вимірювань та математичних моделях, які дозволяють з великою точністю відновлювати залежності дійсних значень первинних вимірюваних величин від тих, що одержані параметричним  перетворенням струмів та напруг. Побудова нової технології цифрових вимірювань електричних величин в електроенергетиці потребує проведення додаткових наукових досліджень та конструкторських розробок.

 У другому розділі  наведено результати  розробки та досліджень нових методів підвищення точності мікропроцесорних вимірювань електричної енергії. Результати  вимірювань  відрізняються  від дійсної активної та реактивної енергії внаслідок залежності коефіцієнту  первинного перетворювання струму від значень вимірюваних величин та інших факторів, а також неодночасності вибірок миттєвих значень струмів та напруг.  Вказаними факторами зумовлені специфічні похибки цифрових вимірювань в автоматизованих системах обліку електричної енергії.

Похибка взаємовпливу каналів внаслідок її адитивного характеру та малої абсолютної величини  набуває суттєвого значення  лише тоді, коли канал з високим рівнем вхідного сигналу впливає на канал з низьким рівнем вхідного сигналу. Згідно сучасним вимогам до метрологічних характеристик електронних лічильників електричної енергії вони повинні забезпечувати нормовану точність вимірювань в діапазоні вимірювальних струмів 1:150 для лічильників трансформаторного включення та не менш як 1:2500 для лічильників прямого включення. Тому аналіз додаткової похибки вимірювань, що обумовлена впливом вхідних напруг на вхідні струми фаз (особливо знизу діапазону) набуває актуальності в мікропроцесорних лічильниках. Очевидно, що в тім випадку, коли на вхід схеми заміщення подається симетрична система векторів напруг, результуюча похибка їх сукупного впливу на кожний з  каналів вимірювання струму дорівнюється нулю. Тому в трьохелементних лічильниках, що призначені для вимірювання електричної енергії в чотирьохпровідних  мережах, похибка міжканального впливу набуває суттєвого значення лише в аварійних несиметричних режимах. Але в двохелементних лічильниках, що призначені для вимірювання електричної енергії в трьохпровідних  мережах, цю похибку треба враховувати у всіх режимах.

Формулу похибки, що узагальнена для різних схем включення вимірюючих елементів лічильника, одержано у вигляді , де - відношення вимірюваної напруги до струму; - вхідний опір аналого-цифрового перетворювача; - міжканальні активний опір та ємкість;  
для двохелементного лічильника; для трьохелементного лічильника при відсутності напруги на одній з фаз;  для трьохелементного лічильника при відсу
тності напруги на двох фазах.

Оцінка похибки  для 8-канального 12-бітного  аналого-цифрового перетворювача MAX197 фірми MAXIM наведено у таблиці 1.

Таблиця 1

Відносна похибка міжканального впливу  для двохелементних лічильників

Похибка  при f =50 Гц та відношенні вимірюваної напруги до струму –

1

10

100

150

0,5

0,088

0,88

8,8

13,2

0,8

0,055

0,55

5,5

8,25

1,0

0,044

0,44

4,4

6,6

Параметричні способи компенсації похибки  не дають бажаного результату при коливаннях частоти змінного струму в межах , що допускається стандартами на якість електропостачання. Зважаючи на те, що вимірювальні канали впливають один на одного тільки тоді, коли заміри по цих каналах виконуються одночасно,  можна звести похибку взаємовпливу майже до нуля, виконуючи заміри струмів та напруг у різні моменти часу (неодночасно). Для цього до складу первинних перетворювачів напруги та струму вводяться прецизійні комутатори аналогових кіл.

Похибка неодночасності миттєвих вимірів з'являється внаслідок виникнення фіктивного зсуву фаз між вимірюваними струмами та напругами при неодночасній фіксації їх миттєвих значень. Це специфічна похибка високо інтегрованого цифрового вимірювача, що пов’язана з послідовним  характером обробки інформації за допомогою процесора, а також необхідністю компенсувати взаємовплив вимірювальних каналів (див. вище). При синусоїдальних струмах та напругах значення відносної похибки неодночасності оцінюється за формулами:

.    - при вимірюванні активної енергії ;

- при вимірюванні реактивної енергії.

Процес вимірювання активної та реактивної енергії за методом подвійного сканування складається із двох сканів. У першому скані виміри здійснюються  в одній послідовності (першою, наприклад, вимірюється напруга фази, а за нею струм тієї ж фази). У другому –  послідовність вимірів змінюється на протилежну (як вказано на рис.1).

Тривалість кожного скану на рис.1 позначено . Відносну похибку методу  безпосереднього інтегрування за методом подвійного сканування миттєвих значень струмів та напруг одержано у вигляді

де рад/с – п`ять відсотків від нормованої кутової частоти . Найбільша похибка, обчислена за цією формулою, не перевершує %   (рис.2).

На рисунку позначено  - похибка неодночасності, - похибка неодночасності при подвійному скануванні. У реальних умовах за наявністю нелінійних спотворень  у розподільчій мережі, де вимірюється електрична енергія, при обчислюванні похибки неодночасності вимірів необхідно враховувати спектральний склад кривих струмів та напруг. Для цього випадку формулу  похибки ,% одержано автором у  вигляді

де  - номери гармонік. Виходячи з вимог міжнародного стандарту
IEC 62053 обчислено найбільше значення похибки  (мкс)  в умовах нормованих нелінійних спотворень струму та напруги. Це значення  складає 0,187%, що з урахуванням інших похибок припустимо для лічильників класу точності 0,5S.  Для досягнення класу точності 0,2S треба зменшувати неодночасність вимірів .

Автоматичне коригування нелінійної передатної функції вхідного трансформатору струму полягає в тому, щоб на основі одержаних в результаті
вимірювань значень активної  і реактивної енергії та записаних в пам`яті мікропроц
есорного лічильника значень комплексної корегуючої функції  одержати із заданою точністю значення первинного струму , первинної активної  та реактивної енергії на інтервалі часу .  Формулу для обчислення за результатами метрологічних досліджень  значень функції одержано автором у вигляді

.

Ця функція, визначена лише у точках калібрування і тому потребує інтерполяції на обмеженій кількості  точок, які мають бути прописані у пам’яті лічильника. Одним з найбільш простих методів інтерполяції являється кусково-лінійний зі сполученнями в рівновіддалених вузлах. Але при кусково-лінійній інтерполяції зі сполученнями в рівновіддалених вузлах, кількість яких обмежена, можуть виникати значні локальні похибки навіть при мінімальній середньо квадратичній. Це неприпустимо при вимірюванні електричної енергії. Значно кращі результати можуть бути отримані при розподілі області визначення коригуючої функцій на ділянки з вільними (не заданими) межами. На рис.3 відображено ідею методу інтерполяції з вільними межами.

Як бачимо, розподіл області визначення   на відрізку  на 8 областей з однаковою мірою  (рис.3 А) із заданими межами дає значну похибку точності інтерполяції. При розподілу області визначення   на відрізку  на 8 областей з вільними межами (рис. 3 Б) досягається значно більша точність. Можна очікувати, що навіть при лінійній інтерполяції за цим методом при достатній кількості вузлів можна досягнути потрібної точності.

В функціональнім аналізі прийняті різні методи метризації (введення поняття відстані між функціями). Задачам вимірювань найбільш відповідають такі поняття (метрики): середньоквадратичне ухилення (метрика ) та рівномірне ухилення (метрика ). Цим метрикам співвідносяться функціонали, що мінімізуються параметрами інтерполяційних функцій.

Метод  кусково-лінійної інтерполяції з вільними межами у метриці . За цим методом  параметри інтерполяційної функції одержують шляхом варіації середньоквадратичної похибки з урахуванням обмежень, які виникають за умов безперервності функції у всьому діапазоні вимірюваних величин. Функцію Лагранжа для цієї задачі одержано у вигляді

,

де  – множники Лагранжа для обмежень,  - параметри, що характеризують уклін та зміщення апроксимуючих відрізків,  - довжина часткового відрізку розподілу області визначення функції.

Рішення задачі зводиться до пошуку стаціонарних точок функції Лагранжа. Це можна зробити, наприклад, методом умовного градієнту. Основною відмінністю даного методу від класичних є те, що варіація цільового функціоналу здійснюється не тільки по параметрах  апроксимуючих функцій, але і по довжинах часткових відрізків . При цьому, на відміну від класичних методів, варійовані змінні знаходяться не тільки під знаком інтегралу в (1), а і в межах інтегрування. Для варіації функціоналу (1) необхідно виразити часткові похідні від інтегралу по параметрах не тільки тих, що під знаком інтегралу, але й по тих, що входять у межі інтегрування. Це зроблено, спираючись на звісні властивості інтегралів, залежних від параметру, а саме, на особливості диференціювання інтегралів зі змінними межами інтегрування. Часткові похідні по параметрах ,  від  мають вигляд

.

Одержані параметри кусково-лінійної інтерполяції заносяться у вигляді таблиць в прикладну програму мікропроцесорного пристрою, яка по значеннях вторинних (не скоригованих) сигналів обчислює наближені значення первинних струмів, що протікають у контрольованих електричних мережах.  

Для загальної задачі кусково-поліноміальної інтерполяції, при необмеженому зростанні кількості вузлів цей метод рівномірно (за метрикою ) наближує коригуючу функцію . Але, по-перше, в реальнім мікропроцесорнім пристрої не можна не обмежувати кількість вузлів, а, по-друге, при обмеженій їх кількості, внаслідок не лінійності та не опуклості задачі мінімізації  з вільними межами, одержане наближення може бути не найкращим і допускати значні локальні похибки інтерполяції. До того ж  вимога рівномірної близькості сильніша ніж середньоквадратична. Якщо функції близькі за метрикою  то з цього слідує також близькість їх у метриці  . Зворотне ствердження в загальному випадку невірне. У зв’язку з цим розроблено евристичний метод  кусково-лінійної інтерполяції з вільними межами в метриці . Відстань між функціями  та   за змістом рівномірного ухилення визначається функціоналом

.

Відшукується  таке розподілення області визначення функції  на відрізку , при якому виконуються обмеження  щодо   кусково-лінійної функції

,

де  - допустима відносна похибка інтерполяції в точці .

Автором розроблено «поглинаючий» алгоритм поліноміальної складності, за допомогою якого винаходиться  розподілення області визначення функції  на відрізку за вказаним критерієм. Цей алгоритм базується на ітеративній процедурі послідовних лінійних перетворень у просторі параметрів функції, яка потребує розподілення на області кусково-лінійної інтерполяції.  Робота алгоритму завершується тоді, коли в жодній точці похибка інтерполяції не перевершує допустиму.

Третій розділ присвячено математичному та фізичному моделюванню характеристик вимірювальних каналів та розробці  програмно – технічних засобів для метрологічних  досліджень складових вимірювального комплексу. Дослідження проводились у двох напрямах.

1) Розроблено комплекс спеціальних програм для цифрового моделювання перехідних процесів у схемі заміщення ТС, з урахуванням  гістерезисних властивостей матеріалу осердя. Цифрове моделювання дозволило здійснювати на етапі проектування підбір матеріалу осердя, геометричних та електричних параметрів трансформаторів струму залежно від  конструктивних особливостей та вимог до точності мікропроцесорного  вимірювача електричної потужності. Виходячи зі стандартної моделі ТС з феромагнітним осердям,  рівняння, що зв’язує напруженість поля в осерді  з приведеним струмом має вигляд

,

де  - сумарна індуктивність, що враховує індуктивність розсіяння та індуктивність навантаження трансформатору струму,  - сумарний опір вторинної обмотки трансформатору струму та кола навантаження, - довжина середньої лінії осердя,  - площа поперечного перетину осердя,  - кількість витків вторинної обмотки,  - магнітна проникливість осердя.

Відзнакою даної розробки є те, що при моделюванні характеристик трансформаторів струму використовується модель гістерезису, що запропонована д.т.н. проф. Зіркою С.Є., яка відтворює у повному об’ємі основні закономірності перемагнічування (правила Маделунга). Це дозволило відмовитись від відомих  припущень.

Приклади результатів цифрового моделювання трансформаторів струму для  мікропроцесорних лічильників електричної енергії наведено в роботі у вигляді графіків залежності амплітудних та фазових похибок від значень первинного струму (рис.4). За результатами моделювання виявлено тенденцію зменшення амплітудних та фазових похибок перетворювання струму зі збільшенням магнітної проникності матеріалу осердя та зменшенням його коерцитивної сили. Результати моделювання також вказують на те, що при незначній амплітудній похибці у всіх випадках має місце суттєва кутова похибка порядку 1…2 ел. град. Цій похибці відповідає похибка вимірювання потужності 0,87…1,74%.

Це обладнання повинно підтримувати зв’язок з мікропроцесорними лічильниками по швидкодіючому послідовному інтерфейсу магістрального типу та забезпечувати можливість проведення метрологічних досліджень у всьому діапазоні вимірюваних струмів та напруг.  За цими вимогами розроблено модульний мікропроцесорний комплекс УНМ-3.

В цих точках проводяться виміри (не менш як 150 на точку) та обчислюються математичні очікування активної та реактивної потужності. Кількість вузлів інтерполяції в метриці   обмежується тридцятьма. Як показали результати калібрування більш як 1500 лічильників при цій кількості вузлів інтерполяції досягається необхідна точність, і  результат інтерполяції за метрикою  сходиться приблизно до такої ж кількості вузлів. Приклад результатів калібрування фази А трьохелементного лічильника 220В, 5А приведено у таблиці 2.

Таблиця 2

Результат коригування нелінійностей трансформаторів струму

 І,

А

Початкова похибка 

Коригуюча функція

Кінцева похибка

активна

реактивна

амплітуда

фаза, рад

активна

реактивна

1

2

3

4

5

6

7

0,05

0,8532

-0,6686

0,4345

0,0060

+ 0,2079

+ 0,1979

0,1

0,9047

-1,0064

0,4245

0,0076

+ 0,1913

 + 0,1512

0,326

0,1758

-1,7401

0,4263

0,0103

– 0,2225

+ 0,1573

0,652

0,1004

-1,9537

0,4260

0,0093

– 0,1784

– 0,1940

Програмні вікна з відповідною  коригуючою функцією показано на рис.  6.  Програмою передбачається можливість представлення комплексної коригуючої функції як у поліноміальному так і у експоненціальному вигляді. Точками відмічено вузли інтерполяції. При виконанні інтерполяції з вільними межами в загальному випадку вузли інтерполяції амплітудної та фазової характеристик не співпадають. Це потребує удвічі збільшеного об’єму пам’яті, мікропроцесорного лічильника і дуже ускладнює алгоритм коригування. Для спрощення програмно-апаратної реалізації лічильника інтерполяція з вільними межами здійснюється для фазової характеристики, а інтерполяція амплітудної характеристики здійснюється на вузлах, що одержані.

Такий вибір пояснюється різною питомою вагою та діапазоном значень характеристик у коригуючій функції. Фазова характеристика, як можна бачити з графіків та таблиці, змінюється значно сильніше за амплітудну. При цьому її вплив на результуючу похибку сильніший.

У третьому розділі також проведено статистичне оцінювання масивів вибірок значень потужності, які одержують при калібруванні та повірці вимірювальних каналів системи обліку електричної енергії. Традиційний шлях оцінки (за максимумом правдоподібності) величини енергії на інтервалі усереднення пов’язаний  з підміною математичного очікування середнім за об’ємом вибірки.

.

Але ця оцінка дає достатньо точне наближення лише при великих об’ємах вибірки. Згідно сучасним дослідженням в області математичної статистики при обмеженім об’ємі вибірки доцільніше скористатись іншим наближенням, що базується на байєсовім принципі оцінки параметрів функції розподілення вірогідності   випадкової величини на інтервалі усереднення. За цим методом оцінка функції розподілення вірогідності, що знайдена по результатах випадкової вибірки, мінімізує середній ризик відхилення від шуканої функції та має вигляд

,          ,  ,

- кількість умовно однакових елементів вибірки, - кількість значень, яких набуває вимірювана величина у вибірці. Для достатньо великих байєсова оцінка мало відрізняється від оцінки максимуму правдоподібності, але в тих випадках, коли мале або  велике, різниця може бути значною. Головний недолік байєсової оцінки адитивної випадкової величини, якою являється енергія, полягає в тому, що сума математичних очікувань  на послідовних інтервалах часу відрізняється від математичного очікування енергії на відповідному сумарному інтервалі. Тому доцільніше користуватись оцінкою на вибірках такого об’єму, при якому розбіжність з оцінкою приблизно на порядок менша за допустиму похибку вимірювань. Приклади розподілення вибірок та результати оцінювання приведено на рис.7

Четвертий розділ  присвячено втіленню результатів досліджень в приладах і системах обліку електричної енергії.  За результатами проведених досліджень здійснено розробку трьохпроцесорного багатофункціонального  лічильника «Облік» . Процесори лічильника об’єднані конвеєрною схемою обробки інформації, а в пам’яті прописуються коригуючи коефіцієнти.  Лічильники «Облік» занесено до Державного реєстру засобів вимірювання за № У1189-01.

Для побудови об’єктно-орієнтованих систем обліку електричної енергії створено уніфікований програмно-технічнй комплекс OASYS (Oblik Accounting Systems) (Рис.9).

На базі розробленого багатофункціонального лічильника «Облік» та  уніфікованого програмно-технічного комплексу  збудовано системи автоматизованого обліку електричної енергії на різних підприємствах України, в тому числі на підприємствах регіонального рівня «Вода Донбасу» та «Київтрансгаз». Основні принципи побудови об’єктно-орієнтованих систем демонструються на прикладі автоматизованої системи комерційного обліку електроенергії (АСКОЕ) на компресорній станції «Решетилівка» управління магістральних газопроводів (УМГ) «Київтрансгаз».

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-прикладної задачі, яка полягає у вдосконаленні технологій  електричних вимірювань у комп’ютеризованих  системах  обліку електричної енергії. Досліджені основні джерела похибок, що пов’язані з  цифровим характером вимірювань електричної енергії - неодночасність вимірів миттєвих значень струмів та напруг у колах різних фаз, нелінійність та гістерезіс вимірювальних характеристик трансформаторів струму, взаємовплив вимірювальних каналів. Розроблені нові методи цифрової корекції цих похибок. Новизна вирішення наукової задачі полягає у системному підході до застосування принципів  цифрової корекції  похибок при одержанні первинної інформації у комп’ютеризованих системах обліку електричної енергії. Основні результати досліджень такі:

1.Встановлено причину виникнення додаткової  похибки неповнофазних вимірювань  потужності багатоканальним вимірювачем. Вона полягає в тому, що при малих значеннях вхідних струмів вхідний сигнал, пропорційний векторній сумі вимірюваних напруг суттєво впливає на похибку вимірювання електричної енергії внаслідок одночасності вимірів великих і малих величин та кінцевого значення повного опору між вимірювальними каналами, який тим менший чим вище ступінь інтеграції комплектуючих вимірювального каналу. Доведено, що ця похибка значно зменшується при рознесенні у часі моментів вибірки струмів та напруг.

2. Доведено, що похибка цифрового  вимірювання електричної енергії, яка обумовлена неодночасністю миттєвих вимірів, зменшується незалежно від характеру навантаження контрольованих електричних мереж у 50…100 разів при
усередненні подвійної дискретної вибірки миттєвих значень струмів та напруг запропонов
аним методом подвійного сканування.

3.Встановлено, що точність математичних методів інтерполяції нелінійної комплексної передатної функції первинних вимірювальних перетворювачів струму значно підвищується при розподілі її області визначення на ділянки інтерполяції з вільними межами. Розроблено також метод пошуку найкращого за критерієм мінімальної похибки розподілу області визначення передатної функції (метод вільних меж), який вдосконалює відомі математичні методи інтерполяції функцій і дозволяє одержувати мінімальне значення похибки автоматичної інтерполяції в мікропроцесорному вимірювачі при обмеженому об’ємі пам’яті.

4.Висока точність методів подвійного сканування та вільних меж підтверджена результатами державних випробувань, розробленого на базі цих методів, вимірювального каналу для роботи у складі комп׳ютеризованої системи обліку електричної енергії.

5.На підставі державних випробувань типовий ряд розроблених мікропроцесорних пристроїв занесено до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки за № У1189-01 і здійснюється їх серійне виробництво.  

6.Розроблено програмні та програмно-апаратні засоби для метрологічних досліджень вимірювальних каналів системи обліку електричної енергії. Ці засоби уніфіковані і можуть використовуватися в різних системах обліку для досліджень та калібрування метрологічних характеристик.

7.Здійснено розробку уніфікованої комп’ютеризованої системи для побудови об`єктно-орієнтованих систем комерційного обліку електричної енергії.

8. Експлуатація на багатьох підприємствах України системи «Облік» та її метрологічного забезпечення показали ефективність втілених в ній результатів досліджень, наведених у даній роботі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Заславський О.М. Оцінювання похибок трифазних мікропроцесорних лічильників електроенергії, зумовлених взаємовпливом вимірювальних каналів /О. М. Заславський, В. В. Кухарчук // Інформаційні технології та комп`ютерна інженерія. –  2008. – №2. –  С. 61 – 70.

2. Заславський О.М. Вимірювання електричної енергії методом безпосереднього інтегрування та подвійного сканування миттєвих значень струму та напруги / О. М. Заславський, В. В. Кухарчук // Оптико-електронні нформаційно-енергетичні технології. – 2008. – № 1 (15). –  С. 191 – 196.

3. Заславський О.М. Цифрова корекція нелінійностей трансформаторів струму в мікропроцесорних лічильниках електричної енергії / О.М.Заславський, В.В.Кухарчук //Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2008. – № 2.  –  С. 48 – 55.

4. Заславский А.М. Моделирование трансформаторов тока в переходных и установившихся режимах / Ю. И. Мороз, С. Е. Зирка, А. М. Заславский, Б. С. Стогний // Технічна електродинаміка. –  2003. – №6. – С. 7 – 12.

5. Zaslavsky A.M. Conveyor principle of handing the information in a multiprocessor and multitask electric meter system. / A. M. Zaslavsky, S. V. Martens, Y. V. Voytseshko,  D. E. Marienko // Actual Problems of Measuring Technique “Measurement – 98”: Internetional Conference., 7-10 sept. proceeding – K., 1998.  – P. 280 – 281.

6. Заславский А. М. Новые возможности и проблемы электронных средств учёта электроэнергии / А. М. Заславский  // Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні: III  наук.-практич. конф., 23-24 трав. 2001 р.  матер. конф.– К., 2001.C. 77 – 80.

7. Заславский А. М. Автоматизированные синтезаторы переменных токов и напряжений / А. М. Заславский, Л. П. Фещенко // Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні: III  наук.-практич. конф., 23-24 трав. 2001 р. : матер. – К., 2001.C. 139 – 142.

8. Заславский А.М. Коллективное поведение автоматов в задаче распределения электроэнергии при веерном отключении // Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании: труды Х Байкальской Всероссийской конф., часть II. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2005. – С.261 – 265.

9. Пат. 28106 Україна,  G 01 R 21/06. Спосіб визначення споживання енергії у колах змінного струму і пристрій для його здійсненн / Заславський О. М.,  Ходак І. Я., Ружніков Є. В., Войцешко Ю. В. та інш.; заявники
Заславський О.М.,  Ганопольский М. І., Лісняк О. Г., Кліменко В. М.; власники патенту З
аславський О. М.,  Ганопольський М. І., Лісняк О. Г.,
Кліменко В. М. – № 98020969 заявл. 25
.02.98; опубл 16.10.2000, Бюл. № 5.

10. Пат. 2143701 Росийская федерация,  G 01 R 21/133. Способ определения потребления энергии в цепях переменного тока и устройство для его осуществления /   Заславский А. М.,  Ходак И. Я., Ружников Е. В.,
Войцешко Ю. В., и др.;  патентообладатели Заславский А. М.,  
Ганопольский М. И., Лисняк А. Г., Клименко В. Н., Клисенко С. В; заявители Заславский А. М.,  Ганопольский М. И., Лисняк А. Г., Клименко В. Н. – № 98111479 заявл. 10.06.98; опубл 27.12.99, Бюл. №36. 

11. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір №25182. Програмний продукт «Програмний комплекс АСУЄ «OASYS»/ Черниш О.Ю.,
Заславський О.М.; дата реєстрації 01.08.2008.

АНОТАЦІЯ

Заславський О.М.  Комп’ютеризована стема комерційного обліку електричної енергії та її метрологічне забезпечення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціаль-ністю 05.13.05 – Комп’ютерні системи та компоненти.  Вінницький    національний технічний університет, Вінниця, 2010.

Дисертація присвячена  вдосконаленню цифрових методів вимірювань електричних величин в комп’ютеризованій системі комерційного обліку електроенергії та  розробці на цій основі комплексу технічних і програмних засобів автоматизації обліку і засобів для метрологічних досліджень вимірювальних каналів системи обліку.

У дисертації вирішена актуальна задача теоретичного узагальнення фізичної природи і математичного змісту похибок суто цифрових вимірювань електричних величин, а також розроблені нові методи цифрової корекції похибок. Розв’язання цієї проблеми має  важливе значення для національної енергетики, оскільки сприяє зниженню наднормативних технологічних втрат електроенергії й забезпечує практичне створення ефективних, точних і надійних систем автоматизованого обліку  електричної енергії.

Ключові слова: вимірювальні канали, похибка, мікропроцесор, електрична енергія, вибірка, послідовність, трансформатор струму, методи корекції, інтерполяція.

АННОТАЦИЯ

Заславский А.М. Компьютеризованная система коммерческого учёта электрической энергии и её метрологическое обеспечение. – Рукопись.  

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 – Компьютерные системы и компоненты. – Винницкий национальный технический университет, Винница, 2010.

Диссертация посвящена  совершенствованию цифровых методов измерений электрических величин в компьтеризованной системе автоматизированного учёта электроэнергии и разработке на этой основе комплекса технических и программных средств автоматизации учёта электроэнергии, а также средств для метрологических исследований измерительных каналов системы учёта.

В диссертации решена актуальная задача теоретического обобщения физической природы и математического содержания погрешностей, характерных для цифровых измерений электрических величин, а также разработаны новые методы цифровой коррекции погрешностей. Решение этой проблемы имеет  важное значение для национальной энергетики, так как способствует снижению сверхнормативных технологических потерь электроэнергии и позволяет практически создавать эффективные, точные и надёжные системы автоматизированного учёта электроэнергии.

В результате проведенного анализа  обнаружена причина появления дополнительной погрешности при неполнофазных режимах измерений мощности переменного тока. Она заключается в том, что при малых уровнях входных токов суммарный входной сигнал напряжения вызывает появление дополнительной погрешности. Эта погрешность обусловлена конечным значением полного сопротивления между измерительными каналами, которое тем меньше, чем выше степень интеграции измерительного прибора.

Установлено, что погрешность усреднения электрической энергии на конечных промежутках времени, обусловленная неодновременностью измерений мгновенных значений токов и напряжений, уменьшается при периодическом изменении последовательности выборок в 50…100 раз и при этом становится значительно менее зависимой от характера нагрузки контролируемой электрической сети.

Разработан новый метод двойного сканирования выборок мгновенных значений токов и напряжений с периодическим изменением последовательности измерений на противоположную.  Этот метод позволяет с помощью очень простого алгоритма измерять активную и реактивную энергию переменного тока с автоматической компенсацией погрешностей, обусловленных отклонениями моментов времени выборок от идеальных.

Установлена необходимость автоматического (в реальном времени) восстановления нелинейных передаточных функций трансформаторов тока, в составе электронных счётчиков электроэнергии. Результаты  математического и физического моделирования трансформаторов тока показали, что максимальная  точность измерений достигается при разбиении области определения передаточной функции на участки интерполяции со свободными  границами.

Разработаны программный и программно-аппаратный комплексы для метрологических исследований измерительных каналов информационно измерительных систем учёта электроэнергии.

Научные результаты проведенных исследований использованы при разработке многофункционального микропроцессорного счётчика «Облік», предназначенного для применения в составе автоматизированных систем учёта электроэнергии. На основании государственных приёмочных испытаний типовой ряд счётчиков «Облік» занесен в Государственный реестр средств измерительной техники.

Разработан унифицированный программно-технический комплекс OASYS для построения объектно-ориентированных систем учёта электроэнергии. Эксплуатация комплекса OASYS и счётчиков «Облік» на многих предприятиях Украины, в том числе  в системе  учёта электроэнергии  предприятия «Вода Донбасса», осуществляющего водоснабжение Донецкого региона,  в автоматизированной системе учёта электроэнергии системы магистральных газопроводов Украины и многих других, показала эффективность использования в этих разработках теоретических и практических результатов исследований.

Ключевые слова: измерительные каналы, погрешность, микропроцессор, электрическая энергия, выборка,  последовательность, трансформатор тока, методы коррекции, интерполяция.

ABSTRAKT

Zaslavsky A.М. Informative measuring system of accounting electric power and means for metrologic research of its measuring channels. –Manuscript.

Thesis work for PhD degree in speciality 05.13.05 - the Computer systems and components. Vinnytsia National Technical University of Ukraine, Vinnitsia, 2010.

The thesis is devoted to perfection of digital methods of measuring electric values in an informative electric power commercial accounting system and to development on this basis of a complex of technical and software methods of automated accounting, and of means for metrologic research of measuring channels of accounting systems.  In the thesis, an actual problem of theoretical generalization of physical nature and mathematical essence of digital measuring errors is solved, and new methods of digital correction of errors are developed. The solution of this problem is of high importance for national power market, as it brings to the decrease of extra-normative technologic losses of electric power and allows to create practically the effective, exact and reliable electric power automated accounting systems.

Keywords: measuring channels, error, microprocessor, electric power,
sample,
 sequence, current transformer, methods of correction, interpolation.

Підписано до друку 29.09.2010 р. Формат 29.7×42 ¼

Наклад 100 прим. Зам. № 2010-161

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95. Тел. 59-81-59