Разработка цифрового анализатора коэффициента...

1

Конкурс прорывных идей «Эврика»

Разработка цифрового анализатора коэффициента несинусоидальности на базе

компьютерных устройств

Идея представлена Токмачевой А.Г.

Конкурс прорывных идей «Эврика», 2014г. 2

Термины и условные обозначения:• КН (Кс) – коэффициент несинусоидальности/суммарный коэффициент гармонических

составляющих напряжения – величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала;

• S – анализируемый входной сигнал;• t – время;• dn – детализирующие компоненты вейвлет-разложения сигнала;• an – аппроксимирующие компоненты вейвлет-разложения сигнала;• 〖 (∆dn)〗^2 – среднеквадратичные отклонения каждой из деталей;• ∆a4 – среднеквадратичное отклонение аппроксимации.

3

Коэффициент несинусоидальности- количественное искажение синусоидальной формы кривой напряжения;

Конкурс прорывных идей «Эврика», 2014г.

рис 1.1 - нормальный вид кривой напряжения при отсутствии негативных воздействий (А) и с наличием искажения сетевого напряжения (Б)

(А) (Б)

• Несинусоидальные режимы возникают при использовании приборов с нелинейной ВАХ, таких как полупроводниковые преобразователи, электромагнитные трансформаторы, энергосберегающие лампы (ртутные и люминесцентные), некоторые бытовые приборы и т.д. [1];

• Превышение установленного порогового значения КН приводит к серьезным нарушениям в работе электрической сети [2].

4

Требования ГОСТ:

• Поставщиками гармонических искажений являются потребители с нелинейными нагрузками;

• Значения КН в электрических сетях:


• Предел допустимого значения КН - 5 % на зажимах любого приемника электроэнергии для исправной работы электрической сети;

Требования ГОСТ соблюдаются введением скидок (при отклонении сверх допустимого значения КН по вине поставщика услуги) и надбавок тарифа (при отклонении по вине потребителя).

Конкурс прорывных идей «Эврика», 2014г.5

Известные измерители несинусоидальностии их недостатки:

Способы определения коэффициента несинусоидальности

№43250• Стоимость• Большие размеры• Вес• Уступает

современным технологиям

• Является аналоговым прибором• Базируется на Фурье-преобразовании

сигнала

№СА230• Стоимость• Ограничение

диапазона определяемых значений КН

(0-10%)• Базируется на Фурье-преобразовании

сигнала

6

Предлагаемый анализатор значений КН


На рис. представлен заданный с помощью генератора сигнал, считанный на ПК для дальнейшего анализа

Методика:• Считывание сигнала, используя

встроенные в компьютер или андроид-устройство АЦП;

• Анализ считанного сигнала с помощью комплекса разработанных программ;

• Помимо вычисления КН, при необходимости возможна дополнительная обработка спектрограмм и входного сигнала.

21 3рис.2.1

Рис. 1:1 – Подвижный щуп;2 – Делитель входного сигнала и адаптер под ПК;3 – ПК с комплексом разработанных программ.

7

Программная часть обработки


КН ~ 17%

КН ~ 9%

1. 2.1.

2.2.

3.1.

3.1.

3.2.1 – считанный на ПК сигнал;2.1 – спектр Фурье2.2 – Вейвлет-спектр;3.1 – значение КН;3.2 –искажение сигнала локализировано во времени.

8

Преимущества использования вейвлет-анализа


Результат обработки сигнала из 2 синусоид равной длительности с

частотами 45 Гц и 50Гц (включение в цепь прибора большой мощности)

предлагаемым методом (слайд №7).

3. Фурье-спектр:• не несет информации об

искажении сигнала во времени;

• два пика равной амплитуды;• КН равно отношению 2

равных амплитуд, что дает значение ~100%

2. Вейвлет-спектр:• локализировано временное

искажение сигнала;• видно, что сигнал -

синусоида на всём временном промежутке;

• согласно (1.1) КН ~ 2%.

Фурье-спектр даёт неточную информацию о сигнале

1.

2. 3.

2 2 2 24 3 2 14c

d d d dK

a

(1.1)

9

Выявленные преимущества предлагаемой идеи

Значительно более низкая стоимость создания цифрового анализатора за счет использования встроенных в компьютер или андроид-устройство АЦП;

Более высокая точность определения КН за счет альтернативного метода обработки сигналов посредством использования вейвлет-анализа помимо стандартного для данной задачи Фурье-преобразования;

Возможность проведения измерений КН на неограниченном диапазоне значений; Одновременное получение Фурье- и вейвлет-спектра, а также значений КН для обоих

случаев в качестве итогов анализа сигнала; Точное определение момента возникновения искажений в сигнале за счет анализа

вейвлет-спектра; Возможность определения искажений на заданном промежутке времени; Возможность проведения регулярного мониторинга состояния электрической сети, что

способствует предотвращению ряда проблем, связанных с возникновением несинусоидальных режимов.



Коммерциализация идеиШирокий рынок сбыта:• Электротехнические и метрологические службы энергетических компаний• Железнодорожные сети• Различные промышленные предприятия• Частные лица для мониторинга состояния используемой электрической сети

Актуальность использования:Превышение пороговых значений показателей качества электроэнергии, одним из которых является КН формы кривой напряжения, является актуальной проблемой. По данным ОАО «РЖД», ущерб от невыполнения требований ГОСТ по двум подобным показателям может ежегодно составлять порядка 1,2–1,4 млрд. руб. по сети железных дорог России. [3]Выявление и количественная оценка несинусоидальных искажений необходимы для постоянного контроля состояния электрических сетей, что позволит сократить финансовые затраты, связанные с нарушением уставленных требований ГОСТ.


Используемая литература1. Идельчик В. И., Электрические системы и сети: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.2. Клинова Г.Н., Электросбережение на промышленных предприятиях, учебное пособие3. А.С. Копанев, Б.И. Хоменко, Электротехника, 1975. № 10. 4. Добеши И., Десять лекций по вейвлетам, Ижевск: РХД, 2001.5. Малла С., Вэйвлеты в обработке сигналов, М.: Мир, 2005.


Спасибо за внимание!

Разработка цифрового анализатора коэффициента...

Technology

Transcript of Разработка цифрового анализатора коэффициента...