Применение интеллектуальных распределенных информационно-измерительных систем в задачах защиты энергетических объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Перепелица, Станислав Анатольевич

• Перепелица, Станислав Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Перепелица, Станислав Анатольевич

Введение

Глава

Современное состояние информационно - измерительных и управляющих систем и возможности их развития для решения задач защиты энергетических объектов

Современное состояние распределенных информационно-измерительных систем (ИИС)

Основные причины возникновения распределенных ИИС.

Стандарты в области распределенных ИИС.

Проблемы поиска рациональной архитектуры распределенной ИИС . . 13 Применение информационно - измерительных систем в энергетике

Структура энергетической системы (ЭС).

Управление в реальном времени.

Оперативное управление.

Оперативное планирование

Преимущества применения ИИС в защитных системах энергетических объектов.

Основные принципы построения защитных систем и проблемы применения

ИИС в защитных системах энергетических объектов.

Общие принципы построения защитных систем на примере защиты генератора)

Рекомендованая ШЕЕ структура защиты генераторов

Ресурсоемкость алгоритмов цифровой обработки сигнала (ЦОС) в микропроцессорных устройствах защиты.

Совершенствование защитных систем путем построения последних в виде интеллектуальной распределенной ИИС

Обзор существующих архитектур распределенных интеллектуальных ИИС

Анализ архитектур интеллектуальных систем.

Построение интеллектуальной распределенной системы защиты энергетических объектов.

Системы реального времени.

Коммуникации в распределенных системах реального времени (РВ)

Отказоустойчивость распределенных систем.

Развитие защитных систем энергетических объектов

Цели и задачи диссертационной работы.

Разработка архитектуры и алгоритмов основного компонента ИИС микроконтроллерного защитного узла

Исследование вопросов надежности распределенной интеллектуальной ИИС.

Исследование и выбор сетевых технологий и протоколов передачи данных для применения в распределенной ИИС.

Выводы по первой главе.

Глава

Исследование архитектуры и алгоритма работы микроконтроллерного узла распределенной информационно-измерительной системы (ИИС), применяемой в задачах защиты энергетических объектов

Архитектура микроконтроллерного защитного узла.

Задача фильтрации в ИИС для защиты энергетических объектов

Исследование цифровых фильтров

Применение Фурье - фильтров.

Исследование косинусного фильтра

Влияние длительности импульсной характеристики на АЧХ и переходный процесс КИХ - фильтра.

Исследование равноамплитудных фильтров

Совершенствование цифрового фильтра, применяемого в МЗУ.

Выводы по главе - .

Глава

Исследование надежности распределенной интеллектуальной ИИС для задач защиты энергетических объектов

Основные принципы обеспечения надежности защитных систем. - 61 Традиционные принципы построения надежной защитной системы генератора.

Традиционные принципы обеспечения надежности распределенных систем

Применение способа повышения надежности ИИС путем реализации плавного отказа"

Преимущества распределенной системы с точки зрения устойчивости к сбоям

Основные требования к структуре программного обеспечения МЗУ .71 Обобщение вычислений параметров, необходимых для работы алгоритмов защиты генератора

Исследование вопросов организации сетевых сервисов с целью реализации "плавного отказа"

Алгоритм работы модуля обнаружения отказов

Алгоритм работы конфигуратора.

Построение конфигуратора на основе методов искуственного интеллекта (ИИ)

Анализ и проектирование источников знаний

Анализ и проектирование объекта контроллер.

Выводы по главе 3

Глава

Применение современных сетей передачи данных и Интернет - технологий в распределенной ИИС для задач защиты энергетических объектов.

Особенности коммуникации в микроконтроллерных ИИС реального

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение интеллектуальных распределенных информационно-измерительных систем в задачах защиты энергетических объектов»

Анализ коммуникации, не использующей протокол доступа к среде передачи ----------------------------89

Анализ протоколов управления доступом к разделяемой среде передачи.89

Генеалогия стандартных протоколов.90

Доступ к среде на основе опроса .91 4

Множественный доступ с разделением во времени (TDMA) .92

Маркерное кольцо .92

Маркерная шина.93

Побитный арбитраж.93

Множественный доступ с контролем несущей и определением столкновений (CSMA/CD) .93

Выводы по разделу .94

Направление дальнейшего исследования транспортной подсистемы 95

Абстракция транспортной системы.96

Анализ применения сети Ethernet в качестве основы транспортной подсистемы--------------.------- - - ■- 97

Трафик в сетях микроконтроллеров.98

Результаты исследования сетей Ethernet и CAN .99

Исследование сети Ethernet в топологии "общая шина".99

Исследование сети Ethernet в топологии "звезда"----------104

Улучшение характеристик Ethernet для синхронного трафика. 107

Сравнение сетей Ethernet и CAN . Ill

Применение Интернет-технологий в транспортной подсистеме ИРЗС 115

Стэк протоколов TCP/IP . 117

Частичные реализации стека ТСРЯР .119

Усеченный стэк, пригодный для микроконтроллерных систем .119

Основные правила реализации стека ТСРЯР на микроконтроллерах . 119

Стандартные возможности устройств, имеющих стэк TCP/IP .120

Выводы по главе-------------------------— 122

Глава 5 124

Практическая реализация теоретических положений диссертационной работы .124

Разработка идеологии системы--------------------124

Описание эксплуатации интеллектуальной распределенной ИИС для задач защиты генераторов.125

Разработка аппаратной части системы.126

Программная часть центрального пульта . .130

Основные результаты работы 139

Введение

Современное промышленное производство использует информационно -измерительные системы и управляемые компьютерами устройства практически во всех технологических процессах. Поэтому, появление информационно - измерительных систем и микроконтроллеров в системах противоаварийной автоматики энергетических объектов было вполне закономерным. Прогресс в данной области, на сегодняшний день, невозможен без совершенствования информационно-измерительных систем (далее ИИС), развитие которых идет, в частности, по пути создания распределенных интеллектуальных ИИС.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование и развитие принципов построения интеллектуальных распределенных ИИС, используемых в защитных системах энергетических объектов, а также разработка общего подхода к проектированию данных систем на основе применения современных технологий информационного обмена.

Актуальность темы вызвана тем, что в настоящий момент при построении систем защиты энергетических объектов имеется ряд проблем, требующих распределенности обработки и хранения информации, модульности архитектуры построения аппаратных и программных средств системы и применения программируемых элементов искусственного интеллекта. Задача построения систем защиты усложняется при дополнительном требовании открытости, т. е. способности к развитию и наращиванию системы, унификации в смысле оптимизации структуры программных и аппаратных средств на базе рационального сокращения их номенклатуры, в том числе протоколов и интерфейсов. В связи с этим проектирование распределенных интеллектуальных ИИС, основанных на уже существующих сетевых технологиях и предназначенных для применения в задачах защиты энергетических объектов актуально.

Научная новизна:

1.Предложен метод повышения надежности некритических функций ИИС для защиты энергетических объектов, путем применения специального распределительного сервиса в сети передачи данных.

2.Впервые исследованы задержки сети Ethernet в конфигурации, типичной для распределенной ИИС, выполнено сравнение этого случая с обычной конфигурацией сети Ethernet.

3.Предложена и исследована усовершенствованная архитектура и алгоритм распределенной интеллектуальной ИИС, применяемой в задачах защиты энергетических объектов, основанной на протоколах передачи данных сетей общего назначения.

Практическая значимость:

1 .Разработаны цифровые фильтры с простой весовой функцией, дающие существенный выигрыш в скорости вычисления спектральных характеристик входных сигналов измерительной системы, при этом решающие поставленную задачу фильтрации с допустимой точностью.

2.Получена кривая статистической функции распределения (СФР) для задержек при передаче пакетов по сети Ethernet, для трех типов трафика: синхронного, имеющего распределение Пуассона и смешанного. График СФР позволяет оценить вероятность доставки пакета при данной задержке или, наоборот, оценить задержку при заданной вероятности. Данное исследование открывает возможность применения сети Ethernet в распределенных системах мягкого реального времени.

3.Разработан и проанализирован способ улучшения характеристик задержки доставки пакетов синхронного трафика для сети Ethernet. Способ заключается в введении небольшой случайной задержки перед отправкой пакета. Задержка изменяет характеристики трафика и делает его похожим на трафик Пуассона, что снижает среднюю задержку на 27%, а задержку 99% вероятности доставки - на 47%.

4.Создан действующий прототип ИИС, где впервые выполнены две реализации частичного стэка TCP/IP: для минимальной и расширенной конфигурации системы.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Структура и алгоритм интеллектуальной распределенной ИИС, основанной на протоколах передачи данных сетей общего назначения для применения в задачах защиты энергетических объектов.

2.Способ повышения надежности распределенной ИИС для защитной системы путем функционального разбиения алгоритма обработки измерительного сигнала и реализации "плавного отказа".

3.Методика применения стандартных сетей Ethernet и CAN и протоколов стэка TCP/IP в распределенных ИИС для защиты энергетических объектов.

Обзор глав диссертации. В первой главе выполнен обзор возможных применений ИИС при создании сложных распределенных систем, реализующих защиту энергетических объектов.

Во второй главе сформулированы требования к основному строительному блоку защитной системы - микроконтроллерному защитному узлу (МЗУ). Рассмотрена архитектура построения и алгоритм работы узла. Разработаны цифровые фильтры, удобные для реализации на микроконтроллере и решающие поставленную задачу фильтрации с требуемой точностью.

В третьей главе анализируются вопросы обеспечения надежности распределенной ИИС для защиты энергетических объектов. При этом, рассматриваемым способом достижения надежности является автоматическая реконфигурация, что выдвигает ряд требований к структуризации программного обеспечения микроконтроллерного защитного узла (МЗУ). Разработана структура и построена диаграмма классов, реализующая интеллектуальный менеджер конфигурации распределенной измерительной системы.

В четвертой главе приведены результаты исследования временных характеристик сетей Ethernet и CAN с точки зрения применения данных технологий для связи между узлами ИИС. На основе проведенного исследования делается вывод о применимости технологии Ethernet для передачи информации в проектируемой распределенной ИИС.

В пятой главе рассмотрена реализация прототипа микроконтроллерной ИИС для защиты энергетических объектов, где применены теоретические положения данной диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Перепелица, Станислав Анатольевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертационной работе выполнен обзор архитектур построения распределенных ИИС реального времени, пригодных для применения в защите энергетических объектов.

2. Для выбранной архитектуры ИИС, на основании обзора алгоритмов защиты энергетических объектов поставлена задача фильтрации и исследованы реализации цифровых фильтров измерительного сигнала на микроконтроллерах.

3. Предложен и исследован способ повышения надежности распределенной ИИС путем функционального разбиения алгоритмов защиты на блоки и применения автоматической реконфигурации блоков в случае выхода из строя узла системы, названный в работе "плавный отказ".

4. Проведена систематизация протоколов доступа к разделяемой среде передачи. Проанализированы сильные и слабые стороны каждого из протоколов. Выработаны рекомендации по применению конкретных протоколов в распределенных ИИС.

5. Исследовано поведение сети Ethernet при малых нагрузках и трафике, характерном для распределенных ИИС реального времени. Определена максимальная задержка передачи сообщения при выбранных условиях.

6. Предложен и исследован метод улучшения среднего времени задержки передачи сообщения путем введения небольшой случайной задержки перед отправкой пакета.

7. Исследованы практические вопросы применения протоколов стэка TCP/ IP в распределенных ИИС, построенных на микроконтроллерах. Показано, что реализация частичного стэка TCP/IP возможна, даже при малых имеющихся ресурсах и приводит к существенному расширению функциональных возможностей ИИС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Перепелица, Станислав Анатольевич, 2001 год

1. Ванин В.К., Павлов Г.М. Релейная защита на элементах аналоговой вычислительной техники. -Л.: Энергоатомиздат, 1983. -206 с.

2. Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 520 с.

3. Шнеерсон Э.М. Дистанционные защиты. М.: Энергоатомиздат, 1986. -448 с.

4. Микропроцессорные системы в электроэнергетике /В.С.Стогний , В.В.Рогоза, А.В.Кириленко и др.; Отв. ред. Годлевский B.C.; АН УССР. Инт Электродинамики. Киев: Наук, думка, 1988. - 232 с.

5. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты /В.В. Михайлов, Е.В. Кириевский, Е.М. Ульяницкий и др.; Под ред. В.Н. Морозкина М.: Энергоатомиздат, 1988. 240 с.

6. Козлов В.Н., Ефимов Н.С., Шевцов В.М. Специализированные микропроцессорные системы релейной защиты //Программируемые устройства релейной защиты и автоматики энергосистем: Тез. докл. II научно-технической конференции. Рига, 1988. - С.35-37.

7. Домбровский В.В. Внутренние короткие замыкания в обмотке статора двухполюсного генератора //Изв. вузов. Электромеханика.-1960. № 9. - С. 38-40.

8. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор-трансформатор. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 256 с.

9. Гуревич Э.И. Тепловые испытания турбогенераторов большой мощности. -Л.: Энергия, 1969. С. 38-40.

10. Стогний B.C., Кириленко А В. и др Теоретические основы построения микропроцессорных систем в электроэнергетике,- Киев Наукова думка, 1992-320 с.

11. Horowitz, S.H. 1980. Protective Relaying for Power Systems. IEEE Press, p. 260.

12. James, M. 1985. Classification Algorithms. John Wiley & Sons Inc., p. 21.

13. A.C. Касаткин, M.B. Немцов «Электротехника», М., Высшая школа, 1999, стр. 490.

14. Анормальные режимы крупных синхронных машин / Е.Я. Казовский, Я.Б. Данилевич, Е.Я. Кашарских, Г.В. Рубисов. -JL: Наука, 1968.

15. Коган Ф.Л. Анормальные режимы мощных турбогенераторов. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 192 с.

16. Ворохобин С.Б. Разработка и исследование защит генератора от асинхронного режима при потере возбуждения: Автореферат дисс. . канд. техн. наук . Л., 1986. - 16 с.

17. Плачков И.В., Гинайло В.А., Праховник А В. и др. Автоматизированная система коммерческого учёта электроэнергии для энергоснобжающей компании. "Учёт и контроль энергоресурсов",- Киев, №1, 1998.С.П-23

18. Грек Г.Т. Дифференциальная защита шин с торможением // Электричество. 1970.-№ 10.

19. К вопросу выполнения торможения дифференциальных реле /Е.М. Ульяницкий, B.C. Стрельков, В.В. Михайлов, В.И. Беличвнко // Изв. вузов. Электромеханика. 1974,. - № 2.

20. Волчуков Н.П., Кирик С.В. Построение системы контроля и учёта электропотребления в условиях энергорынка. Труды ХГПУ,- Харьков, вып.№7, 1999,с. 88-91.

21. DB88. Dean, Т. and Boddy, М. 1988. An Analysis of Time-Dependent Planning. In Proceedings of the 7th National Conference on Articial Intelligence, pages 49-54, St.Paul, Minnesota.

22. Mus95. David J. Musliner et al. January 1995. The Challenges of Real-Time AI. IEEE Computer,28(l):58-66.

23. Minsky, M. 1986. The Society of Mind. New York, NY: Simon and Schuster, p 199.

24. Sta88. John A. Stankovic. October 1988. Misconceptions about Real-Time Computing: A Serious Problem for Next-Generation Systems. IEEE Computer, 21(10): 10-19.

25. Месарович М.Д. Общая теория систем и ее математические основы // Исследования по общей теории систем. Сборник переводов / Общая ред. В.Н.Садовского и Э.Г.Юдина М., Прогресс, 1969

26. Клепарский В.Г., Менгазетдинов Н.Э. Основные задающие блоки интеллектуальных управляющих систем. // Приборы и системы управления, 1998, N 8, с. 35-37.

27. Горлач А.А., Минц М.Я., Чинков В.Н. Цифровая обработка сигналов в измерительной технике. Киев.: Техника, 1985.

28. Elliot, D.F. 1987. Handboook of Digital Signal Processing / Engineering Applications. Acad. Press, S.-Diego, Cal.

29. Uyless Black. 1992. TCP / IP. McGraw-Hill, Inc, New York.

30. Справочник. Протоколы информационно-вычислительных сетей. Под ред. И.А. Мизина и А.П. Кулешова, М., Радио и связь, 1990

31. Douglas Е. Comer. 1988. Internetworking with TCP / IP. Prentice Hall, Engle-wood Cliffs, N.J. 07632.

32. Erman, L., Lark, J., and Hayes-Roth, F. December 1998. ABE: An Enviroment for Engineering Intelligent Systems. IEEE transactions on Software Engineering vol. 14(12), p.1758

33. Theodoridis, S., Kalouptsidis, N. 1993. Adaptive System Identification and Signal Processing Algorithms. Prentice Hall International.

34. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 494 с.

35. Eykhoff, Р. 1974. System Identification. John Wiley & Sons

36. MatLab 5.2 "Help on Power System Toolbox"

37. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Энергоатомиздат, 1987.-256 с.

38. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М.: Мир, 1975. -683 с.

39. Masters, Т. 1994. Signal and Image Processing with Neural Networks. John Wiley & Sons, New York, USA.

40. Ebron, S., Lubkeman, D. L. and White, M. April 1990. A Neural Network Approach to the Detection of Incipient Faults on Power Distribution Feeders, IEEE Trans, on Power Delivery vol. 5( 2), pp. 905-914

41. Корн Г. Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1973. 832 с.

42. Брейсуэлл Р. Преобразование Хартли. -М.: Мир, 1990.

43. Englemore and Morgan. Blackboard Systems, p. 11.

44. Мир компьютерной автоматизации, N1, 1998

45. Phadke, A.G. Hibka, Т., Ibrahin, M., Adamiak, M.G. A micorpocessor based symmetrical component distance relay, Proceedings of PICA, May 1979, Clev-land.

46. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов,- M.: Энергоатомиздат, 198648. Энергетика, № 4, 1999

47. Перепелица С.А. Система ЦУТ: к вопросу об управлении распределенными сетями микроконтроллеров, Вестник связи, 1999 г., №3, стр.48-51.

48. Schweitzer, Е.О., Hou, D. Filtering for protective relays, 19th Annual Western protective relay conference, Spokane, Washington, 1992/

49. Перепелица С.А. Микроконтроллер с сетевыми возможностями. Микропроцессорные средства измерений. Вып.2., Сб. науч. трудов С.Петербург 2001 г., стр. 34-41.

50. Перепелица С.А. Реализация быстрого преобразования Хартли на микроконтроллере, Микропроцессорные средства измерений. Вып.2., Сб. науч. тр. С.-Петербург 2001 г., стр. 42-52