Разработка устройства синхронизированных векторных измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ВЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Помазков М.С., Цебровский А.Д.

Амурский Государственный Университет

Технологии синхронизированных векторных измерений насчитывают более чем 30-летнюю историю исследований и разработки. Они создают новые возможности для решения задач мониторинга, оценки состояния, моделирования, управления и визуализации работы ЭЭС, идентификации параметров элементов сети и поиска мест повреждения в режиме реального времени. Однако, специализированные устройства имеют высокую стоимость и проприетарную архитектуру, что не позволяет приобретать подобные устройства для нужд лабораторий, и как следствие, использовать PMU для исследовательской деятельности и подготовки молодых специалистов. В связи с этим, была поставлена задача: разработать аналогичное устройство, отвечающее требованиям стандарта IEEE C37.118, регламентирующего концепцию и соглашения в области предстваления сигналов, а так же требования к погрешностям измерений как в установившихся, так и в переходных режимах, но не обладающее названными выше недостатками

Ключевые слова: Синхронизированные векторные измерения, сигнал, блок, устройство, вычисления

Development of the synchronized phasor measurement device

Pomazkov M,S., Tsebrovsky A.D.

Synchronized phasor measurements technology has over than 30 years of development and researches. That technology creates new opportunities for monitoring, state estimation, modeling, management problems and visualization of work of power grids, problem of identification of parameters of grid and fault location problem in a real-time mode. However, specialized devices are expensive and has proprietary license and architecture. Consequently, that not allows to purchase Phasor Measurement Units (PMU) for laboratory needs and use it for research activities and training of junior specialists. In this regard was given a purpose: develop similar device, which would satisfyies IEEE C37.118 standard, regulating the concept and agreements in the field of representation of signals, as well as the requirements for the measurement errors in the steady-state and transient conditions, but not having the disadvantages mentioned above.

Keywords: Synchronized vector measurement, signal, unit, device, computing

Технологии синхронизированных векторных измерений насчитывают более чем 30-летнюю историю исследований и разработки. Данные технологии позволяют производить измерения в различных точках электроэнергетических систем (ЭЭС) в едином временном поле, что создаёт новые возможности для решения задач мониторинга, управления, оценки состояния, моделирования и визуализации работы ЭЭС, идентификации параметров элементов сети и поиска мест повреждения в режиме реального времени.

Физическая реализация синхронных измерений осуществляется с помощью специализированных устройств PMU (УСВИ) - Phasor Measurement Unit (Устройство

Синхронизированных Векторных Измерений). Каждое такое устройство должно соответствовать современному нормативно-правовому обеспечению в данной области. В настоящее время таким стандартом является серия документов IEEE C37.118, состоящая из двух частей: IEEE C37.118.1, регламентирующей концепцию и соглашения в области представления сигналов токов и напряжений с точки зрения синхронизированных векторных измерений, а так же требования к погрешностям измерений как в установившихся, так и в переходных режимах работы ЭЭС; IEEE C37.118.2, определяющей принципы и протоколы коммуникации устройств PMU с компьютерными системами.

Но данные устройства имеют достаточно большую цену, что создает сложности для приобретения их для нужд лаборатории. Так же, УСВИ, предлагаемые сегодня как на зарубежном, так и на отечественном рынках имеют закрытую архитектуру и проприетарную лицензию. Данные устройства PMU не позволяют проводить исследования по модификации существующих и создания новых математических алгоритмов сбора и обработки измерительной информации. В связи с этим разработка УСВИ с открытой программной и аппаратной архитектурой является актуальным направлением как в научно-исследовательской деятельности, так и в целях обучения молодых специалистов технологиям и стандартам синхронизированных векторных измерений, современным методам оценки состояния ЭЭС.

Для расширения объёма полезных функций, тестирования существующих и создания новых алгоритмов расчёта результатов и способов выполнения векторных измерений поставлена следующая цель: самостоятельно разработать устройство PMU из готовых блоков и реализовать протоколы передачи данных в соответствии со стандартом IEEE C37.118. Также необходимо выполнить устройство с открытым исходным программным кодом и аппаратной частью, что даст возможность в лабораторных условиях выполнить аппаратурную реализацию УСВИ и опробовать на нем различные алгоритмы расчёта параметров сигналов токов и напряжений в электрической сети, а также реализовать полноценную платформу для обучения и выполнения различных смежных научных исследований.

Для выполнения указанной цели ставятся и решаются следующие задачи:

1. Выполнить реализацию устройства по принципу модульного построения. Данная особенность даёт возможность замены какого-либо блока без нарушения связи между остальными, что позволит достаточно быстро и просто изменять конфигурацию и функциональные возможности устройства, а также применять промышленные унифицированные решения от сторонних производителей.

Соединение между блоками осуществляется при помощи существующих стандартных аппаратных интерфейсов, таких как PCI-e, USB, RS-232, Ethernet. Данное решение позволит создать устройство с более дружелюбным интерфейсом для пользователей, что особенно важно при использовании в учебном процессе.

2. Разработать программное обеспечение для устройства СВИ.

3. Составить и выполнить серию тестов и испытаний устройства на соответствие вышеуказанным требованиям и стандартам, как в нормальных, так и переходных режимах работы ЭЭС.

Проектируемое устройство синхронизированных векторных измерений, разработанное на базе Амурского Государственного Университета, состоит из следующих блоков: блока ввода сигналов, блока сбора данных, блока коррекции времени, вычислительного блока.

1. Блок ввода сигналов рассчитан на работу на переменном токе частотой 50/60 Гц в диапазоне измеряемых напряжений 220/380 В и состоит из трёх понижающих трансформаторов, соединённых в звезду через аттенюатор напряжения, который преобразуют измеряемое напряжение до значения, являющегося рабочим для платы сбора данных - не более 5 В.

2. Далее пониженное напряжение передаётся на блок сбора данных для аналого-цифрового преобразования. Блок состоит из 12-битного АЦП с разрешением 1,2 мВ с возможностью запуска процесса сбора по внешнему сигналу. Это дает возможность реализации синхронных измерений.

3. Блок коррекции времени состоит из GPS/ГЛОНАСС модуля, подключённой к нему внешней антенне и микроконтроллера. Системы спутникового местоопределения передают данные о географических координатах, параллельно передавая каждую секунду сигнал 1PPS (Pulse Per Second), так называемую метку времени. Метка времени генерируется атомными часами спутника и соответствует точности в 1с±(12-2000) пкс.

Далее сигнал о метке времени передаётся на микроконтроллер, в котором имеется программное обеспечение, преобразующее сигнал 1PPS в квадратный сигнал 50PPS или 60PPS, соответствующий скорости сбора данных, регламентируемой стандартом IEEE C37.118 в зависимости от номинальной частоты сети. Сгенерированная квадратная волна используется как окно для деления измеряемых сигналов на равные промежутки времени в пределах периода.

Реализация коррекции времени на микроконтроллере объясняется тем, что он является операционной системой реального времени в противоположность широко используемым пользовательским операционным системам, в которых невозможно создать точную выдержку времени. Сигнал с микроконтроллера передаётся на плату сбора данных как тактирующий синхронизирующий импульс для запуска процесса сбора. Программное обеспечение реального времени построено по принципу системы фазовой автоподстройки частоты (PLL - Phase Locked Loop) и содержит логику учёта високосной секунды, информация о которой передаётся GPS/ГЛОНАСС - приёмником по протоколу NMEA для согласования всемирного координированного времени UTC, по которому выполняются синхронизированные измерения, со средним солнечным временем UT1. Это полностью соответствует требованиям стандарта IEEE C37.118.

Рисунок 1 - Структурная схема проектируемого УСВИ

устройство синхронизированный векторный

4. Вычислительный блок состоит из материнской платы быстродействующего компьютера со всеми необходимыми для работы комплектующими. Необходимость использования значительных вычислительных ресурсов обуславливается математической нетривиальностью алгоритмов оценки параметров синхрофазоров, а также жесткими требованиями к скорости расчетов в режиме реального времени.

Обработка каждого сигнала с устройства представляет собой цепочку математических вычислений. При номинальной частоте f = 50 Гц устройство передает на компьютер квадратную волну с частотой, синхронизированной с сигналом PPS с микроконтроллера. Обработка одного измерения происходит по следующему алгоритму.

В устройстве для вычисления и аппроксимации сигнала используется метод взвешенных наименьших квадратов (WLS). В этом методе каждое наблюдение получает «вес», который обратно пропорционален дисперсии случайной ошибки в данном наблюдении. Каждое наблюдение представляет собой уравнение, из которого выбирается два значения, после чего производится деление на среднеквадратичное отклонение. Таким образом, наблюдениям с наименьшими дисперсиями придается наибольший вес, с максимальной дисперсией - наименьший вес. Тогда наблюдения с меньшей дисперсией будет менее значимыми при оценке коэффициентов регрессии по сравнению с элементами с наибольшей дисперсией. Учет этого факта увеличивает вероятность получения более точных оценок.

Далее для преобразованных значений составляются уравнение регрессии без свободного члена с гарантированным качеством оценок.

С этого этапа расчёт идет по методу наименьших квадратов.

Решается переопределенная система уравнений. Таким образом, количество независимых уравнений больше, чем количество искомых переменных и система не имеет точного решения, и метод наименьших квадратов позволяет найти некоторый оптимальный вектор Х.

В случае, если система уравнений имеет решение, минимум суммы квадратов будет равен нулю и точные решения могут (и будут) найдены.

Цифровая обработка сигналов представляет собой ресурсоемкие вычисления. В то же время стандарт IEEE C37.118 не предъявляет конкретных требований к реализации алгоритмов, а скорее является общей спецификацией, описывающей как результаты должны соответствовать входным измеряемым значениям. В связи с этим существует множество путей совершенствования расчетных алгоритмов.

Можно выделить самые перспективные методы оптимизации:

1. Улучшение алгоритмов. Реализация платформы для разработки и тестирования новых алгоритмов обработки синхронизированных векторных измерений позволяет тестировать любые алгоритмы для требуемых исследователям условий при любых входных данных. Существующие алгоритмы не являются исключением, поскольку могут давать отличающиеся результаты в различных сценариях применения. Немаловажным является предельная точность, которую можно достигнуть с применением данного алгоритма, поскольку общая точность выполнения измерений устройством PMU зависит как от аппаратной, так и программной частей.

2. Параллельные вычисления на графическом процессоре. Традиционные алгоритмы, используемые для расчёта параметров синхрофазоров реализуются программно посредство последовательных вычислений на CPU. В то же время алгоритмы цифровой обработки сигналов, как правило, содержат значительное количество математических операций, способных выполнятся параллельно. В связи с этим актуальным направлением совершенствования алгоритмов и методов расчёта синхрофазоров является реализация программной части на параллельном вычислителе. В последние несколько лет эта идея получила широкое распространение. Современные CPU имеют 4-8 ядер, рассчитанных на решение задач общего характера, в то время как графические процессоры (GPU) видеокарт имеют в своём распоряжении набор ядер, исчисляемый тысячами, специально спроектированных для выполнения узкого круга математических действий. Если выполнить параллелизацию алгоритмов и расчётов, задействовав значительное количество ядер GPU, то при соответствующей оптимизации процессов выделения и перераспределения памяти возможно получить прирост производительности, на порядок выше, чем при использовании CPU.

Рисунок 2. Модель подстанции в МЭК 61850 на примере одного устройства.

3. Использование более сложных архитектурных решений на базе протокола МЭК 61850. Создание веб-сервиса на основе REST (Representational state transfer) архитектуры, впервые представленной в 2000 году, представляющей собой метод взаимодействия компонентов распределённых систем. Использование такого сервиса, как основное место обработки и хранения технических данных, полученных с устройств синхронизированных векторных измерений, позволяет использовать возможности протокола МЭК 61850 через web-интерфейс, используя свой собственный логин и пароль в целях соблюдения безопасности. Такой подход позволит горизонтально масштабировать (увеличивать число устройств СВИ на подстанциях) систему, агрегировать данные со всех устройств в одном месте и использовать данные для расчёта различных статистик и мониторинга систем в реальном времени, используя HTTP запросы через зашифрованные, с помощью SSL/HTTPS, соединения.

Таким образом, использование REST-запросов к серверу МЭК 61850 следующего формата: http://<hostname>/<device>/<node>/<class>/<attribute> позволит получить доступ к любому из доступных атрибутов любого класса, узла и устройства, работающего по данному протоколу (рис.2) и включённому в общую распределённую сеть.

Однако использование данного подхода затрудняется усложнением общей модели разработки. Необходимость обработки, хранения и отдачи большого объёма данных, передаваемых с кластера серверов МЭК 61850 устанавливает жёсткие требования ко времени выполнения различных операций на этом сервере. Решением проблемы является вертикальное масштабирование самой системы - увеличение производительности программного кода и аппаратного обеспечения. Помимо уже предложенных методов оптимизации алгоритмов и способов обработки данных на GPU, возможно использование мультипоточного программирования на языках низкого уровня, например, языке Си. Однако, использование нескольких потоков для обработки данных, усложняет общую модель программирования, и увеличивает необходимое количество времени для разработки программного обеспечения.

В настоящее время разработана схема соединений между головными блоками устройства, позволяющая собрать прототип УСВИ и использовать для исследований в области оптимизации алгоритмов обработки сигнала, а так же агрегировать технические данные этих измерений. Также реализована имплементация алгоритма передачи данных в соответствии со стандартом IEEE C37.118, готовая к встраиванию в централизованный сервис обработки и хранения данных СВИ. Дальнейшее исследование будет проводиться по расширению возможностей программного обеспечения и созданию web-сервиса обработки и хранения данных, построенного в соответствии с REST-архитектурой (Representional state transfer - передача репрезентативного состояния), а также созданию распределенной сети.

Список литературы

1 Бовыкин В.Н., Миклашевич А.В., Мокеев А.В., Ульянов Д.Н. Устройства синхронизированных векторных измерений с поддержкой стандартов IEEEC37.118 и IEC 61850 // Сб. межд. научно-техн. конф. “Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем”. - Екатеринбург, 2013.

2 Куликов Ю.А. Использование технологии векторного измерения параметров в ЕЭС России для информационного обеспечения оперативно-диспетчерского управления / «Энергетик», № 1, 2009.

3 Falk, H., Adamiak, M.,Baigent, D.,Madani, V.An overview of the new IEC 61850 synchro-phasor publish-subscribe profile // IEEE Xplore Digital Library. URL:http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?rel..(дата обращения: 15.04.2015).

4 IEEE C37.118-2005. IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems. - Взамен IEEE Std 1344-1995 ; введ. 2005-08-21. - New York : The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc; New York : 2006. - 57 с.

5 Kezunovic, M., Meliopoulos, S., Venka-tasubramanian, V., Vittal, V. Application of Time Synchronized Measurements in Power Sys-tem Transmission Networks, Springer International Publishing, Switzerland, 2014. - 187 с.

Размещено на Allbest.ru