Исследование манипуляционно-исполнительного модуля диагностического комплекса для высоковольтного оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУВО "Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых"

Исследование манипуляционно-исполнительного модуля диагностического комплекса для высоковольтного оборудования

Ю.С. Чебрякова

Аннотация - На основе модифицированного метода оценочной функции разработан адаптивный интерполятор для управления движением сенсорного модуля диагностического комплекса с учётом текущих результатов мониторинга. Изготовлены и протестированы опытные образцы манипуляционно-исполнительного модуля диагностического комплекса. Разработанный манипуляционно-исполнительный модуль диагностического комплекса позволяет автоматизировать процесс мониторинга и снизить присутствие человека в опасных зонах вблизи диагностируемого высоковольтного оборудования без потери информации о текущем техническом состоянии оборудования.

Ключевые слова: высоковольтное оборудование; диагностика; системы мониторинга; манипуляционно-исполнительный модуль.

Abstract - Based on the modified method of the evaluation function developed adaptive interpolator to control the movement of the touch module of the diagnostic complex given current monitoring results. Manufactured and tested prototypes of manipulation-executive module of the diagnostic complex. Manipulation-executive module of the diagnostic complex allows to automate the monitoring process and reduce human presence in dangerous zones near diagnosed high-voltage equipment without loss of information about the current technical condition of the equipment

Key words: high voltage equipment; diagnostics; monitoring systems; manipulation-executive module.

Для наиболее ответственных видов высоковольтного оборудования и, особенно, для интеллектуальных электрических сетей целесообразно непрерывное функциональное диагностирование - диагностический мониторинг. Положением ОАО «Россети» этот вид мониторинга определен как приоритетная форма диагностирования высоковольтного оборудования [1].

Мониторинг высоковольтного оборудования предполагает определение широкого спектра параметров различной физической природы (параметров вибраций и акустических волн, значений электрических токов, напряжений и сопротивлений, параметров электромагнитных полей, температуры, количества растворённых газов и влажности изоляции и т.п.), т.е. многопараметровую интродианостику высоковольтного оборудования.

В настоящее время в электроэнергетике такая форма диагностики реализуется с помощью стационарных систем мониторинга. [2, 3] Источниками диагностической информации для них являются датчики неподвижно установленные на работающем высоковольтном оборудовании. Комплект датчиков, используемых для конкретного высоковольтного аппарата, формируется на этапе проектирования системы мониторинга. Очевидными недостатками стационарных систем мониторинга являются: жёсткая ограничение количества, состава и мест расположения датчиков на всех эксплуатационных этапах жизненного цикла диагностируемого оборудования; многократное дублирование однотипных систем мониторинга на электроэнергетическом объекте; сложность переналадки систем на диагностику новых видов оборудования. Придание мобильности системам мониторинга позволяет устранить многие из перечисленных недостатков. Насыщенность энергетических объектов высоковольтным оборудованием различного типа, сложная топология и большие площади его пространственного размещения, а также крупные габариты современных высоковольтных аппаратов требуют правильной организации движения элементов мобильных систем мониторинга, в частности, перемещения датчиков относительно объекта контроля. С этой целью разработан мехатронный диагностический комплекс, который представляет собой автономную систему, объединяющая на общей интеграционной платформе модули обработки электротрошумовых сигналов с манипуляционно-исполнительными модулями. В качестве интеграционной платформы комплекса целесообразно выбрать принцип управления модулями на основе учёта текущих результатов диагностики, предложенный в работе [4]. Обобщённая структурная схема комплекса представлена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема мехатронного диагностического комплекса

В структурную схему модуля включены система управления и наиболее важные компоненты комплекса: сенсорный модуль, модуль вторичного преобразования информации, модуль моделирования и обучения и манипуляционно-исполнительный модуль и др. На верхнем уровне управления принимаются решения о способах, режимах и алгоритмах обеспечения необходимой достоверности мониторинга: выбираются математическая модель мониторинга; режим изменения напряжённости электрического поля; алгоритмы измерений и обработки их результатов; траектории перемещения датчиков; анализируются результаты мониторинга. Разработанный мехатронный комплекс может работать как автономно, так и в составе автоматизированной системы диспетчерского управления и мониторинга электрической сети. Эта система является централизованной территориально распределенной многоуровневой информационно-измерительной системой реального времени, предназначенной для контроля, управления технологическими процессами и мониторинга состояния оборудования электрических сетей.

Сенсорный модуль комплекса является первичным преобразователем сигнала, несущим информацию о разрядных процессах в высоковольтном аппарате. Манипуляционно-исполнительный модуль комплекса выполняет перемещение и ориентировку сенсорного модуля на источники сигналов ЧР и необходим для адаптации сенсорных модулей к особенностям объекта мониторинга. Это необходимо в первую очередь при проведении мониторинга с целью решения прикладных технологических задач, таких как, например, вывод оборудования в ремонт, корректировка режимов работы и т.п. При этом необходимо правильно интерпретировать результаты диагностики, подвергая их дополнительной обработке.

Функциональная схема манипуляционно-исполнительного модуля

Рассмотрим особенности реализации принципа, выбранного в качестве интеграционной платформы мехатронного комплекса, на примере управления движением датчиков ЧР [5]. В сенсорном модуле для дистанционной регистрации акустических сигналов ЧР применены портативные ультразвуковые приборы марки «UltraTest» (ООО «ДИМРУС») [6], а в качестве датчиков электромагнитного излучения, вызванного ЧР, используются направленные СВЧ антенны типа «АШП-1». Такие антенны хорошо подходят для электрошумовой диагностики высоковольтного оборудования. Спроектированы они для измерения шумов с диапазоном частот от 5 МГц до 3 ГГц, имеют массу 0,5 кг, наружное исполнение, диапазон рабочих температур от -40^о до +40^оС. Сенсорный модуль размещается на платформе, в электроприводах которой применены высокомоментные бесколлекторные двигатели постоянного тока с полым ротором. В качестве преобразователей движения применены планетарные редукторы и ШВП «HIWIN» с вращающимся винтом.

Анализ особенностей различных систем программного управления движением позволяет сделать вывод о том, что для перемещения сенсорного модуля мехатронного комплекса дистанционного мониторинга наиболее пригодны системы, реализующие контурное управление. С их помощью возможно решение сложных задач формообразования и воспроизведение любых заранее заданных траекторий перемещения датчиков ЧР. Однако этого недостаточно для реализации принципа управления движением в соответствии с текущими результатами мониторинга, выбранного в качестве интеграционной платформы комплекса. Действительно, при использовании систем контурного управления траектории движения должны быть заданы заранее. К примеру при смене объекта мониторинга на этапе переобучения. Это исключает возможность непрерывного мониторинга разнотипного трансформаторного оборудования крупных электрических подстанций магистральных электрических сетей. Необходимо разработать алгоритмы управления движением с элементами адаптации к текущим результатам мониторинга, например, к интенсивности электрошумовых процессов в изоляции аппаратов различных конструкций. Для решения этой задачи целесообразно использовать результаты работы [5], в которой были проанализированы возможности создания алгоритмов управления движением средств электромагнитной локации на основе наиболее распространённых методов интерполяции траекторных перемещений. По предложенной методике с использованием программных моделей анализировались алгоритмы интерполяции ЦДА, CORDIC и на основе методов оценочной функции и параметрического уравнения траектории. Анализ результатов этих исследований приводит к выводу о том, что для повышения достоверности диагностики путём изменения параметров движения датчиков ЧР в соответствии с текущими результатами мониторинга целесообразно применение модернизированного метода оценочной функции.

Математическую модель управления обеспечивающего контрольной точке (начиная с некоторого момента ) перемещение в скользящем режиме вдоль заданной траектории, можно представить в следующем виде:

(1)

С целью корректировки траекторий перемещения локационных датчиков в процессе диагностики возможно использование метода оценочной функции совместно с методом вибрационной линеаризации. [7] Поясним суть предложения на примере рассмотрения интерполятора, основными узлами которого являются вычислительное устройство, логическое переключающее устройство (ЛПУ) и интеграторы в каналах и . Для реализации метода вибрационной линеаризации на вход логического переключающего устройства, реализующего (1), подают пилообразное воздействие с частотой значительно более высокой, чем частота основной гармоники . При этом на выходе ЛПУ по-прежнему будет действовать последовательность импульсов, но с частотой внешнего периодического воздействия. Рассмотренный режим воспроизведения траектории S называется вынужденным скольжением.

Для адаптации траектории перемещения датчика (направленной широкополосной антенны) в соответствии с текущими результатам диагностики предлагается корректировать режим работы ЛПУ воздействием, которое является результатом интегрирования сигнала, несущего информацию об интенсивности электрошумовых процессов в изоляции диагностируемого высоковольтного оборудования [7]. При технической реализации способа интегрируется выходное напряжение вторичного преобразователя ЧР. Форма этого сигнала близка к прямоугольной, а амплитуда пропорциональна текущим значениям интенсивности ЧР в изоляции объекта мониторинга.

Структурная схема адаптивного интерполятора, реализующего предложенный способ управления при , представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема адаптивного интерполятора

В состав интерполятора входят: вычислительное устройство (1); логическое переключающее устройство (ЛПУ), реализуемое на одном релейном элементе (2) и двух переключающих элементах (3, 4); интегратор (5); звенья чистого запаздывания (6, 7); вторичный преобразователь ЧР (8), а также электроприводы (9, 10) и направленная антенна (11), выполняющая роль первичного преобразователя ЧР.

На рис. 3.4 представлены осциллограммы входного u (t) и выходного сигналов f(t) вторичного преобразователя, а также сигнала, корректирующего работу ЛПУ (выходного сигнала интегратора) f^?(t), для двух различных значений интенсивности ЧР в диагностируемом аппарате.

Рис. 3. Осциллограммы зашумлённого сигнала на входе вторичного преобразователя u(t); сигнала на выходе вторичного преобразователя f(t) и сигнала на выходе интегратора f^?(t).

В соответствии с рис. 2 на вход ЛПУ подаётся сигнал

(2)

(3)

В этом случае адаптивный интерполятор описывается следующей системой уравнений:

(4)

На рис. 5 представлены осциллограммы входных сигналов сумматора p(t) и f^?(t), его выходного сигнала p^?(t), а также сигналов на выходе ЛПУ и .

Рис. 3.5. Осциллограммы входных сигналов сумматора p(t) и f^?(t), его выходного сигнала p^?(t) и сигналов на выходе ЛПУ и

Последовательности импульсов переключающих элементов 3 и 4 (рис. 2) являются, по существу, управляющими для электроприводов вертикального и горизонтального перемещения антенны, а амплитуда пилообразного сигнала f^?(t) определяется интенсивностью ЧР (рис. 3).

При анализе параметров движения влиянием переменных составляющих сигналов и можно пренебречь, т.к. значения их частот лежат вне полосы пропускания исполнительных органов мехатронного комплекса. С учётом этого интерполятор представляет собой замкнутую систему для текущих средних значений названных сигналов и разомкнутую для их высокочастотных составляющих.

Результаты использования

Рассмотренный метод адаптации параметров движения антенны реализован системой управления мехатронного комплекса на базе микроконтроллеров SC 1801 и бесколлекторных электродвигателей с полым ротором компании Faulhaber. В качестве преобразователей движения применены планетарные редукторы и ШВП «HIWIN» с вращающимся винтом. Горизонтальное и вертикальное перемещения антенны осуществляются в диапазонах 3•10³ мм и 5•10³ мм, соответственно, по шариковым рельсовым направляющим. При проверке точности позиционирования для 15 положений антенны с использованием лазерного интерферометра XL-80 (Великобритания) получены следующие результаты: точность двухстороннего позиционирования - 640 мкм; повторяемость двухстороннего позиционирования - 410 мкм; средняя зона нечувствительности - 32 мкм. Анализ показал, что достигнутая точность позиционирования обеспечивает возможность мониторинга при нахождении антенны на расстоянии до 50 м от диагностируемого аппарата. В этой зоне напряжённости электрического и магнитного полей, даже на ОРУ-750 кВ, не превышают значений 1 кВ/м и 8 А/м, соответственно, т.е. безопасны для оператора.

высоковольтный оборудование диагностический интерполятор

Список литературы

1. Положение ОАО «Россети» о Единой технической политике в электросетевом комплексе: утверждено Советом директоров ОАО «Россети» 23.10.2013г. URL: http://www.mrsk-1.ru/common/upload/docs/Polozhenie o tehnicheskoj politike OAO Rosseti (дата обращения 06.12.2014).

2. Сви П. М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.:Энергоатомиздат, 1992. 240 с.

3. Михеев Г.М. Цифровая диагностика высоковольтного оборудования. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. 304 с.

4. Шахнин В.А. Мехатронные комплексы магнитной локации технических объектов с элементами из нанокристаллических магнитомягких сплавов. Дис. докт. техн. наук. Владимир. 2009. 367 с.

5. Шахнин В.А., Моногаров О.И., Чебрякова Ю.С. Управление движением мехатронного комплекса электрошумовой диагностики высоковольтного оборудования// Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 8. С. 47-50.

6. Переносной прибор для регистрации сигналов от частичных разрядов в ультразвуковом диапазоне частот «UltraTest». Руководство по эксплуатации. Пермь: ООО «Димрус». 2013. 45 с.

7. Шахнин В.А., Моногаров О.И., Чебрякова Ю.С. Алгоритм управления движением антенны мехатронного комплекса электрошумовой диагностики высоковольтного оборудования // Контроль. Диагностика. 2013. № 11. С. 60 - 65.

References

1. Polozhenie OAO «Rosseti» o Edinoj tekhnicheskoj politike v ehlektrosetevom komplekse: Utverzhdeno Sovetom direktorov OAO «Rosseti» 23.10.2013g. [The position of JSC "Russian grids" on the Uniform technical policy in electric grid complex: approved by the Board of Directors of JSC "rosseti" 23.10.2013] URL: http://www.mrsk-1.ru/common/upload/docs/Polozhenie o tehnicheskoj politike OAO Rosseti (data obrashcheniya 06.12.2014).

2. Svi P. M. Metody i sredstva diagnostiki oborudovaniya vysokogo napryazheniya.[ Methods and means of diagnostics of high voltage equipment] - Moscow: Energoatomizdat, 1992. 240 p.

3. Miheev G.M. Cifrovaya diagnostika vysokovol'tnogo oborudovaniya. [Digital diagnostics of high voltage equipment] Moscow: Izdatel'skij dom «Dodehka-XXI», 2008. 304 p.

4. SHahnin V.A. Mekhatronnye kompleksy magnitnoj lokacii tekhnicheskih ob"ektov s ehlementami iz nanokristallicheskih magnitomyagkih splavov. [Mechatronic complexes magnetic locations technical objects with elements of nanocrystalline soft magnetic alloys] Dis. dokt. tekhn. nauk. Vladimir. 2009. 367 p.

5. Shahnin V. A., Monogarov O. I., Y. S. Cheburakova motion Control of mechatronic complex electrosamba diagnostics of high voltage equipment// mechatronics, automation, control. 2013. No. 8. S. 47-50.

6. Portable device for registration of signals from partial discharges in the ultrasonic frequency range "UltraTest". The user's manual. Perm: "Dimbus". 2013. 45 p.

7. Shahnin V. A., Monogarov O. I., Y. S. Cheburakova Algorithm for motion control of mechatronic antenna complex electrosamba diagnostics of high voltage equipment // Control. Diagnosis. 2013. No. 11. P. 60 - 65.

Размещено на Allbest.ru