Методы и средства управления энергоснабжением и потреблением электроэнергии

2)инициативные, когда сигнализация об изменившихся положениях аппаратов поступает немедленно, не дожидаясь начала цикла опроса.

Источниками возникновения ошибок автоматически измеряемых переменных могут быть:

1)ошибки датчиков измерений аналоговых переменных (потеря чувствительности, дрейф нуля, механические повреждения);

2)ошибки измерительных трансформаторов тока и напряжения;

3)ошибки аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей при передаче результатов измерений по информационноизмерительным каналам и их вводе в ЭВМ;

4)неправильная работа вспомогательных блок-контактов коммутационных аппаратов, включенных в цепи сигнализации;

5)помехи, создаваемые в информационно-измерительных каналах различными внешними факторами.

Для обеспечения контроля достоверности ошибки измерений аналоговых переменных подразделяются на три группы:

1)негрубые;

2)грубые (промахи);

3)систематические .

К негрубым относятся ошибки, не выходящие за пределы, соответствующие нормированной точности измерительных приборов и каналов передачи информации.

К грубым относятся анормально большие ошибки, превышающие допустимые пределы и длящиеся относительно непродолжительное время (порядка нескольких циклов опроса информации).

К систематическим относятся грубые ошибки, существующие длительное по сравнению с периодичностью опроса информации время.

Измеренное в момент времени t значение аналоговой переменной x(t) представляем как сумму истинного значения x(t), нормиро-

ванной негрубой ошибки измерения (t) и грубой или систематической ошибки n(t), выходящей за допустимые пределы:

Истинное значение переменной рассматриваем как результат измерения, произведенного идеально точным прибором.

120

Негрубые ошибки носят случайный характер и включают наряду со случайными и часть систематических составляющих, ограниченных по амплитуде пределами точности измерительных приборов и каналов передачи информации. Эти ошибки имеют близкие к нулю средние значения, а разброс результатов измерений относительно неизвестного истинного значения характеризуется дисперсией ошибок:

где – квантиль, характеризующая уровень значимости случайных ошибок;

α – показатель, характеризующий в относительных единицах нормированную точность измерения;

Amax – диапазон измерений (максимальное значение измеряемой величины, на которую рассчитан датчик).

Диапазон измерений связан с полной ошибкой измерения соотношением

Величина соответствует классу точности датчика с учетом регламентированных дополнительных ошибок преобразований и передачи сигнала по информационно-измерительному каналу (например, = 0,02 при классе точности 2 %), включая ошибки в согласующих устройствах и преобразователях.

Для интегральных измеряемых переменных Amax – величина переменная, принимаемая равной результату измерения.

На практике часто применяют различные эвристические методы, обеспечивающие отбраковку анормальных ошибок измерений. Варьируя величину квантили , можно изменять гарантированную вероятность попадания ошибки измерения в диапазон ± , где – среднеквадратичная ошибка измерения. Чаще всего берется значение = 3 (так называемое правило «трех сигм»), при котором вероятность такого попадания для нормального (гауссовского) закона

121

распределения равна 0,997. Опыт эксплуатации средств измерений показывает, что фактическое распределение ошибок, находящихся в классе точности приборов, достаточно хорошо подчиняется нормальному закону.

Грубые ошибки характеризуют достоверность или надежность измерений. Можно сказать, что вероятность появления грубых ошибок определяет степень доверительности измерений. Большое разнообразие и различный характер причин, вызывающих эти ошибки, не позволяют отдать предпочтение большим или меньшим амплитудам ошибок. Поэтому чаще всего для грубых ошибок измерений принимается равномерный закон распределения.

8.3.Математическая модель измерений взаимосвязанных переменных

Между многими измеряемыми аналоговыми переменными в системах электроснабжения имеют место взаимные связи, обусловленные конфигурацией схем электрических соединений и физической связью между переменными. Уравнения связи, накладываемые на переменные, являются источником дополнительной информации о величинах измеряемых переменных, которую можно использовать для более эффективного контроля достоверности и повышения точности измерений.

В тех случаях, когда расстояния между установленными измерительными приборами небольшие и, следовательно, можно пренебречь потерями мощности и энергии в токоведущих элементах, однотипные аналоговые переменные (например, потоки мощности) практически линейно зависят одна oт другой, и их фактические взаимосвязи могут с достаточной точностью аппроксимироваться линейными функциями.

При существенных нелинейностях взаимных связей предварительно осуществляется линеаризация нелинейных функций путем их разложения в ряд Тейлора и отбрасывания членов второго и более высоких порядков.

Взаимные отношения между аналоговыми переменными могут быть описаны системами линейных уравнений связи двух видов:

122

1) система точных (жестких) уравнений связи:

2) система неточных (мягких) уравнений связи

где b11, b21, …, brk – коэффициенты при переменных;

x1, x2, …, xk – истинные (неизвестные) значения переменных;

c1, c2, ..., cr – свободные члены, объединяющие те переменные, которые по каким-либо причинам не оцениваются, и потому принимаются постоянными величинами, равными результатам измерений или расчетов (например, потери мощности или энергии в силовых трансформаторах);

1м, 2м, …, rм – невязки (небалансы) уравнений связи, обусловленные ошибками математической модели уравнений связи;

k – число взаимосвязанных оцениваемых переменных; r – число уравнений связи.

«Жесткие» уравнения связи соответствуют случаю, когда описание функциональных связей практически не содержит ошибок и невязки уравнений связи равны нулю при подстановке в них истинных значений переменных.

Отличие невязок «мягких» уравнений связи от нуля объясняется:

1)неучтенными потерями мощности и энергии;

2)неточным заданием тех коэффициентов при переменных, которые учитывают физическую неоднородность измеряемых переменных (например, токи напряжения);

3)ошибками при определении свободных членов.

123

8.4. Общая характеристика методов обеспечения эксплуатационной надежности измерительной информации

Необходимым условием контроля достоверности и повышения точности измерений является избыточность информации о значениях измеряемых переменных. Основу информационной базы составляют результаты прямых (непосредственных) измерений и сигнализация о положении коммутационных аппаратов.

Дополнительная информация, обеспечивающая избыточность, может быть априорная и апостериорная.

Априорная информация представляет собой статистические ретроспективные данные, накопленные в процессе прошлой работы контролируемого объекта, а также других аналогичных объектов, работающих примерно в тех же условиях, что и рассматриваемый. К таким данным относятся верхняя и нижняя границы, в пределах которых могут находиться в нормальных режимах работы значения контролируемых переменных и их первые приращения, а также вероятностные характеристики, описывающие случайный характер измерений контролируемых переменных.

Апостериорную информацию можно разделить:

1)на структурную (аппаратную);

2)временную;

3)функциональную (топологическую).

Под структурной информационной избыточностью понимают включение в измерительную систему дополнительных технических средств, обеспечивающих дублирование, а для особо ответственных и важных переменных – троирование результатов измерений.

Временная избыточность предполагает допустимой возможность запаздывания информации и обеспечивается повторным измерением контролируемой переменной с небольшим интервалом времени. Этот способ получения избыточности применим для относительно медленно изменяющихся переменных, т. е. в первую очередь для теплоэнергетических и во вторую – для электрических физических величин.

Под функциональной избыточностью понимают наличие тех или иных связей между измеряемыми величинами, обусловленных свойствами объекта измерений. Эти связи могут быть использованы как для исключения анормальных ошибок (промахов, или гру-

124

бых ошибок) при измерении отдельных величин, так и для повышения точности измерений всей совокупности измеряемых величин. В отличие от структурной избыточности функциональная позволяет повысить точность измерений без дополнительных материальных затрат, связанных с приобретением и метрологическим обслуживанием средств измерений.

Функциональная, или топологическая избыточность может обеспечиваться за счет использования «жестких» (8.4) или «мягких» (8.5) уравнений связи между контролируемыми технологическими переменными.

Количественно информационная избыточность измерений взаимосвязанных аналоговых переменных может характеризоваться величиной показателя

где т – число практически одновременных измерений контролируемых переменных;

р – численный показатель, соответствующий имеющейся априорной информации о контролируемых переменных.

Величина q = 0 соответствует отсутствию информационной избыточности. Увеличение этого показателя до определенной величины дает потенциальную возможность повысить эффективность контроля достоверности и точность получаемых оценок переменных.

При статистическом оценивании, когда нет грубых и систематических ошибок измерений и если число измерений равно числу оцениваемых переменных (m = k) при отсутствии дублированных и троированных измерений, показатель избыточности равен числу уравнений связи, т. е. q = r.

При неравномерном размещении датчиков часть переменных может измеряться двумя или тремя датчиками, а часть может вообще не измеряться. Возникает проблема топологической наблюдаемости. Показатель q в этом случае характеризует информационную избыточность отдельных наблюдаемых подсистем, отделенных друг от друга «темными пятнами». Повышение эффективности контроля достоверности и повышение точности измерений в одной наблюдаемой подсистеме не скажется на достоверности и точности

125

оценок другой наблюдаемой подсистемы. Оптимальное размещение датчиков представляет собой проектную задачу. Ниже рассматривается контроль достоверности в условиях эксплуатации объектов при известном размещении измерительной аппаратуры.

Контроль достоверности измерений дискретных переменных, характеризующих состояние коммутационной и запорной аппаратуры, необходимо осуществлять вместе с контролем достоверности измерений аналоговых переменных, функционально связанных с дискретными. При этом могут быть выявлены наряду с ошибками сигнализации о положении коммутационных аппаратов те грубые ошибки, которые бинарно характеризуют недостоверность результатов измерений аналоговых переменных (логический нуль соответствует отсутствию измеряемой переменной, логическая единица – ее присутствию).

Применительно к контролю сигнализации одного коммутационного аппарата информационная избыточность характеризуется величиной показателя

где п – число каналов сигнализации о положении данного коммутационного аппарата (при п = 2 имеет место аппаратурная избыточность);

f – число каналов сигнализации о положении других коммутационных аппаратов, функционально связанных с рассматриваемыми аналоговыми переменными (при f >1 имеет место топологическая избыточность).

При контроле достоверности измерений имеют место следующие стадии:

1)обнаружение грубой ошибки;

2)локализация грубой ошибки;

3)исправление грубой ошибки, т. е. выбор и назначение достоверного замещающего значения.

Степени избыточности информации для выполнения различных стадий существенно различаются. При этом для обнаружения ошибки нужна избыточность меньшая, чем для ее локализации, а для локализации – меньшая, чем для исправления.

126

Наиболее распространенной апостериорной информацией в системах электроснабжения промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства является функциональная избыточная информация, обусловленная взаимными связями между переменными. Уравнения связи между аналоговыми переменными позволяют наряду с контролем достоверности повысить расчетным путем точность измерений при одной и той же установленной аппаратуре. Последняя задача решается методами статистического оценивания, в результате которого определяются оптимальные оценки переменных с дисперсиями, меньшими дисперсий ошибок измерений. На рис. 8.1 представлена схема информационных потоков в системе электроснабжения.

На рис. 8.2 представлена общая структура организации контроля достоверности и повышения точности измерений взаимосвязанных аналоговых переменных.

Исходной информацией для контроля достоверности служат априорно известные дисперсии ошибок измерений технологических переменных и дисперсии изменений этих переменных относительно их средних значений (блок 1). Априорно известные дисперсии обусловлены точностью информационно-измерительных каналов. Дисперсии изменений переменных в нормальных (т. е. неаварийных) режимах работы определяются путем предварительного статистического анализа работы станционного оборудования и уточняются в процессе эксплуатации (блок 4).

Точность определения оценок зависит от правильного задания весовых коэффициентов в критерии оценивания. Весовые коэффициенты характеризуют степень доверия к результатам измерений и принимаются в большинстве алгоритмов оценивания обратно пропорциональными дисперсиям ошибок измерений. Априорные дисперсии ошибок измерений могут значительно отличаться от истинных значений из-за неточного знания характеристик информаци- онно-измерительных каналов и их практически неизбежных изменений в процессе эксплуатации. Поэтому предусматривается возможность автоматической коррекции весовых коэффициентов, основанная на статистической теории проверки гипотез о равенстве дисперсий (блок 2).

127