РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОМПЕНСАЦИИ ПОМЕХ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
,
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.
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).
Рис 1. Структурная схема автономной СЭЭС с одной основной и одной аварийной электростанциями
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).
Рис.3. Результат вычитания сигнала сети и сигнала полученного в результате фильтрации вейвлет фильтром.
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.
Принцип работы системы управления вейвлет фильтрацией и прогнозом искажений представлен на рис.8.
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. , Портнягин построения активных фильтров подавления импульсных помех в сетях электропитания промысловых судов. (монография) // –М.: Издательство «Академия Естествознания», 2010 г.- 102 с.
2. , , Портнягин 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.
3. , Е, Портнягин процесса локализации просек напряжения на основе вейвлет – преобразования.// Фундаментальные исследования. Выпуск №12,часть 3 – Москва. 2011 г. С. 548-552.
4. ,. И, , . Использование метода исключения внешнего полюса многополюсника при построении модели регулирования многомерных систем.// «Фундаментальные исследования». Выпуск №8, часть 1 – Москва. 2011 г. С. 157-166.
5. , Е, Портнягин модели сигналов электрической сети на основе вейвлет – конструкции и модели авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего.// Современные проблемы науки и образования. – № 6 – 2011; URL: www. *****/.
Свидетельства об отраслевой регистрации (Патенты)
6. Горева об отраслевой регистрации комплекса программ для ЭВМ № 000: «Программный комплекс подавления шумовой компоненты, идентификации структурных составляющих и выделения аномалий сигналов сложной структуры» / М.: ИНИМ РАО, 2010 г.
7. Горева об отраслевой регистрации комплекса программ для ЭВМ № 000: «Программный комплекс управления качественными показателями электроэнергии в распределительных сетях» / М.: ИНИМ РАО, 2010 г.
8. , , Горева об отраслевой регистрации комплекса программ для ЭВМ № 000: «Анализатор импульсных и флуктуационные помех случайного характера в системах электроснабжения с идентификацией структурных компонент в ортогональном вейвлет базисе» / М.: ИНИМ РАО, 2011 г.
9. , , Горева об отраслевой регистрации комплекса программ для ЭВМ № 000: «Программный комплекс построения модели регулирования многомерных систем на основе метода исключения внешнего полюса многополюсника» / М.: ИНИМ РАО, 2010 г.
10. , , Кузнецов об отраслевой регистрации комплекса программ для ЭВМ № 000: «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
11. , , Портнягин -технология локализации и подавления импульсных помех в сетях электропитания.//Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени . Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск 8-1. г. Москва. 2011 г. С.
12. , , Портнягин 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.
13. , , Портнягин 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.
14. Горева 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.
15. С, , Портнягин 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.
16. Горева -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.
17. , Е, Портнягин 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
18. , Портнягин вейвлет - преобразования для моделирования импульсивных изменений напряжения в судовых электроэнергетических системах. // Сборник тезисов докладов. Научно-технической конференции ППС и научных сотрудников и курсантов. Государственная морская академия имени адмирала . г. Санкт-Петербург. 2011. С. 35-45.
19. , Е, Портнягин составляющих сигнала напряжения судовой электроэнергетической системы на основе вейвлет-преобразования. // Научно-технический сборник. Российский морской регистр судоходства. Выпуск г. С.
20. , , 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, томС.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
Руководитель проекта д. т.н., профессор
Автор: , 1987 г. рождения, старший преподаватель, Дальневосточный федеральный университет филиал в г. Петропавловске-Камчатском.
Тел. – , e-mail. *****@***ru
Научный Руководитель: , д. т.н., профессор, Камчатский государственный технический университет.
e-mail.: *****@***ruб
