Алгоритмы контроля напряжения и тока в распределительных электрических сетях, питающих сельскохозяйственных потребителей

Введение. В настоящее время в связи с переходом сельскохозяйственного производства на промышленную основу, где производство и переработка продукции осуществляется на высоком уровне механизации и автоматизации производственных процессов, для большинства сельскохозяйственных объектов характерен непрерывный режим работы. Соответственно, значительно возросли требования к надежности электроснабжения, энергоэффективности и энергосбережения, что в свою очередь сейчас является одним из важнейших направлений в развитии электрических сетей. Новое направление развития электроэнергетики - цифровизация электрических сетей [1, 2], в том числе питающих сельскохозяйственных потребителей. Современный уровень электроники и информационных технологий придает этим системам свойства искусственного технического интеллекта, а интеллектуализация сложных систем, в свою очередь, является важнейшим этапом развития современной техники. Значительная часть работы интеллектуальных систем связана с получением и обработкой различной информации. В распределительных электрических сетях [3, 4, 5, 6] выполняется контроль режимов работы электрооборудования путём оценки электрических величин - напряжение, ток, мощность и частота. Наиболее востребованной информацией являются уровни электрических напряжений и токов. Соответственно, повышение надежности работы распределительных электрических сетей, питающих сельскохозяйственных потребителей, может быть решено путем контроля этих электрических величин.

Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года России важнейшей задачей является реформирование электрических сетей путем перевода всей информации в цифровой код, то есть всеобщая цифровизация сетей [1, 2].

Соответственно, информация о напряжениях и токах в распределительных электрических сетях, питающих сельскохозяйственных потребителей, также должна быть представлена в цифровом коде. В настоящее время в энергетике существуют разработанные на базе микроконтроллеров измерительные преобразователи, которые преобразуют аналоговую информацию в цифровую [7, 8, 9]. Эти устройства реализованы в отдельных корпусах и отвечают высоким метрологическим требованиям, однако, для использования в качестве встраиваемых устройств они малопригодны. Кроме того, микроконтроллеры в них выполняют только функцию аналого-цифрового преобразования (АЦП).

Во встраиваемых устройствах необходимо применять достаточно простые микроконтроллеры, которые должны совмещать функции контроля, управления и измерения. Для управления электрооборудованием сельскохозяйственных объектов необходимо техническое, а не коммерческое измерение контролируемых величин. Это позволяет упростить алгоритмы преобразования электрических величин - напряжения и тока в цифровой сигнал и применить малогабаритные микроконтроллеры. Например, можно применить микроконтроллер PIC12F675, который имеет всего 8 выводов. При наличии 4-канального 10-разрядного АЦП достаточная память программ и данных. В работе [10] показано применение этого микроконтроллера для построения измерительного преобразователя.

Методика исследования. Двойную задачу контроля напряжений и токов можно свести только к измерению напряжений, предусмотрев преобразование токов в напряжения. Однако особенностью токов является наличие в них апериодической слагающей, величина которой носит случайный характер. Апериодическая слагающая вносит значительную погрешность в результат измерения. Можно подождать зату- хания апериодической составляющей тока (напряжения) или применить низкочастотный фильтр. В обоих случаях время получения результата измерения увеличивается, что для интеллектуальных электрических систем не приемлемо. В связи с этим требуется разработка алгоритма, который обеспечивает правильное измерение при наличии апериодической составляющей тока (напряжения).

Необходимо определить требования к допустимой величине измеряемого напряжения. Микроконтроллеры измеряют напряжение положительной полярности в диапазоне от 0 до 5 В. Переменное напряжение необходимо выпрямлять или смещать на 2,5 В. В первом случае необходимо выполнять прецизионное выпрямление, что в свою очередь усложняет схему преобразователя. В данной работе отдано предпочтение смещению, что позволяет измерять переменное напряжение в пределах от -2,5 В до +2,5 В. А вот при измерении тока, преобразованного в напряжение, апериодическая составляющая может принимать значение, близкое к амплитуде, и амплитудное значение измеряемого напряжения не должно превышать 1,25 В.

В процессе исследования выявленной проблемы использованы методы системного анализа, теоретического и экспериментального исследования.

С целью получения быстродействующего алгоритма измерения напряжения на входе микроконтроллера при наличии апериодической составляющей предлагается использовать первые три экстремума напряжения после начала преобразования.

Амплитуда переменной составляющей напряжения определяется по формуле

U_m = ^еі+и_ез-2и_е2^ 0) где Uei, u₆2, Ue3 - экстремумы напряжения, из которых удалено смещение.

Программная реализация этого алгоритма достаточно простая, что позволяет использовать простые микроконтроллеры. Время измерения напряжения не превышает полтора периода промышленной частоты. Алгоритм обеспечивает достаточное быстродействие.

Далее, оценим погрешность такого алгоритма. Разумеется, при отсутствии апериодической составляющей она равна нулю, то есть при измерении напряжений электрооборудования предлагаемый алгоритм не вносит погрешность в результат измерения.

При измерении токов необходимо учитывать влияние апериодической составляющей, то есть, чем больше апериодическая составляющая, тем больше погрешность. Кроме того, погрешность зависит от величины постоянной времени переходного процесса в электрооборудовании Та. На основании проведенных исследований выявлено, что наибольшая погрешность предлагаемого алгоритма будет при постоянной времени Та = 0,0091 с и составит +3,7%. Такая большая величина погрешности для контроля токов в электрооборудовании не приемлема. Исходя из того, что погрешность всегда положительная, результат измерения токов можно снизить на 1,85% и тогда погрешность будет находиться в пределах ± 1,85%.

Дальнейший анализ показал, что наличие трех экстремумов достаточно для точного вычисления амплитуды напряжения. Для этого было получено следующее выражение:

гт _ I це1цез~це2 I т |U81+2Ue2+uJ'

Очевидно, при вычислении по этой формуле (2) предлагаемый алгоритм не вносит погрешность в результат измерения при любой апериодической составляющей.

Но при вычислении амплитуды напряжения в установившемся режиме, когда апериодическая составляющая отсутствует и все экстремумы равны между собой по модулю, в результате вычисления получается неопределённость вида 0/0. Это противоречие легко преодолевается. Когда экстремумы имеют близкие значения по модулю, необходимо добавить к ним одинаковое смещение, превышающее разность между ними, и неопределённости вида 0/0 не будет.

В формуле (2) необходимо выполнять умножение двухбайтовых чисел, что, безусловно, несколько усложняет программную реализацию алгоритма. Все зависит от доступного ресурса микроконтроллера, который будет загружен другими задачами контроля и управления.

Заключение. В настоящее время для повышения надежности электроснабжения, энергоэффективности и энергосбережения распределительных электрических сетей вообще, и сетей АПК, в частности, используется цифровизация электрических сетей. Повышение надёжности систем релейной защиты и управления цифровизованных сетей в установившемся и переходном режимах достигается путём реализации их на базе простых встраиваемых микроконтроллеров с несложными алгоритмами обработки информации о контролируемых токах и напряжениях.

В связи с этим исследована возможность измерения токов и напряжений для трёхфазной системы. При частоте микроконтроллера 4 МГц получено для каждой фазы 4 замера мгновенного значения в течение одной миллисекунды.

Разработанные алгоритмы обеспечивают допустимую погрешность измерения величин токов и напряжений. Эти алгоритмы исключают влияние апериодической слагающей переходного процесса в электрических сетях на погрешность измерения и обеспечивают необходимое быстродействие. Результаты выполненной работы использованы для измерения токов во встраиваемых системах контроля и управления.