Содержание к диссертации
Введение 4
1. Помехи в канале телемеханики распределительных сетей 17
Источники помех в ВЧ канале связи 17
Структура математической модели помех 32
Модели для различных типов помех 36
Выводы 49
2. Анализ подсистемы синхронизации канала телемеханики 51
Влиние нестабильности шкалы синхронизации на надежность передачи информации 51
Влияние нестабильностей опорных генераторов на эффективность синхронизации 61
Модель процесса ухода шкалы синхронизации 65
Оценка параметров и эффективности прогнозирования ухода шкалы синхронизации , 73
Выводы 80
3. Разработка алгоритмов выделения сообщения 82
3.1 Постановка задачи на разработку оптимального алгоритма выделения
сообщения 82
Разработка оптимального алгоритма выделения сообщения 85
Квазиоптимальный алгоритм выделения сообщения 90
Реализация и сравнительный анализ оптимального и квазиоптимального алгоритмов выделения сообщения , 95
Выводы 107
4. Применение разработаных алгоритмов для систем телемеханики 108
4.1 Базовый комплект аппаратуры диспетчерской связи и контроля АДСК _108
Система телемеханики подстанции Детскосельской Павловского района ЛВС Ленэнерго (Система "Телеканал") 112
Система телемеханики сети уличного освещения Петродворцового ПЭС (Система "Свет") 116
Система телемеханики Восточного района ЛКС Ленэнерго (Система "Энергия") 122
Радиоканал автоматизированной системы управления дорожным движением (Система "Магистраль") 127
4.6 Радиоканал полигонных измерений (Система "Защита") 131
4.5 Выводы 133
Заключение 135
Список литературы 137
Приложения 145
Приложение 1. Результаты эксперимента по измерению сосредоточенных
помех в ЛЭП 6 кВ 146
Приложение 2. Результаты эксперимента по измерению импульсных
помех в ЛЭП 6 кВ 152
Введение к работе
В настоящее время одним из основных направлений технического прогресса в нашей стране является совершенствование сетей электрификации народного хозяйства и, в первую очередь, повышение качества электроэнергии и надежности энергоснабжения [1]. Важнейшую роль в решении этой задачи играют средства диспетчерского управления - связь и телемеханика. При этом экономический эффект достигается в результате следующего [1,2,3,4]:
- обеспечения возможности текущего контроля и телеуправления диспетчером
непосредственно с диспетчерского пункта (без выезда аварийных бригад),
существенного ускорения отработки аварийных и предаварийных ситуаций;
оптимизации энергетических потоков в системах электроснабжения;
- использования каналов диспетчерского и технологического управления для
выполнения дополнительных функций (охранная и противопожарная сигнализация,
контроль температурного режима на объекте и т.д.).
Традиционно для организации каналов телемеханики используется УКВ радиосвязь, воздушные проводные линии, многоканальная связь по специальным (коаксиальным и световодным) линиям , а также ВЧ каналы по высоковольтным ЛЭП, причем выбор между ними осуществляется в каждом конкретном случае исходя из технических соображений и условий экономической целесообразности. При этом при сооружении воздушных и кабельных линий связи основная доля капитальных затрат приходится на линейные сооружения [3]. Для ВЧ каналов по ЛЭП этот вид затрат отсутствует, поскольку строительство и эксплуатационное обслуживание ЛЭП не зависит от наличия либо отсутствия ВЧ связи. Сравнительный анализ показывает [5], что сооружение каналов диспетчерского и технологического управления по линиям энергопередач обходится в 3-8 раз дешевле, использования любых других средств как по
капитальным (рис. В.1 а), так и по эксплуатационным расходам (рис.В.1 б). Все это привело к тому, что связь по магистральным высоковольтным линиям стала основным видом связи в энергосистемах как в нашей стране, так и за рубежом [6].
100 l.km
а) б)
Рис. В.1. Приблизительная сравнительная оценка капитальных (а) и эксплуатационных (б) расходов в зависимости от протяженности канала для различных видов связи (1 - каналы уплотнения проводных линий;2 - воздушные проводные линии связи ; 3 - УКВ-радиосвязь;4 - ВЧ каналы по ЛЭП).
Работы по организации этого вида связи начались в СССР практически одновременно с появлением магистральных ЛЭП. Первый телефонный канал был создан на линии 110 кВ Кашира - Москва в 1922,там же в 1936 г. был организован первый канал защиты [6]. Массовое внедрение ВЧ связи началось в середине 50 годов в связи с освоением нового класса напряжения 400-500 кВ. С тех пор аппаратура уплотнения претерпела существенные изменения, в основном за счет применения новой элементной базы и современных конструкторских решений, однако основные принципы организации связи практически не изменились. При этом в качестве носителя используется AM сигнал с одной боковой полосой, а много канальность достигается путем частотного разделения по сетке с шагом 4 кГц. Получаемые таким образом телефонные каналы с полосой
пропускания 300 Гц - 2,85...3,22 кГц используются для передачи речи (в полосе 0,3 -2,3..2,4 кГц) и телемеханики (в полосе 2,4 кГц - 3,2 кГц)[7].
Несмотря на некоторые недостатки ( необходимость применения большого количества прецезионных частотно-избирательных цепей и т.д.) подобная методика организации связи позволила в основном решить проблему передачи информации по магистральным линиям высокого (НО кВ и выше) напряжения , что и обусловило ее широкое применение во всем мире. Возникающие при этом вопросы электромагнитной совместимости решаются путем освоения новых, более высокочастотных, диапазонов, а помехоустойчивость повышают путем увеличения вносимой в ЛЭП мощности, что для высоковольтных линий вполне допустимо.В целом можно считать, что в ближайшие 12-15 лет этот метод останется ведущим на магистральных линиях энергопередач [6].
Успешный опыт эксплуатации ВЧ каналов и необходимость интегральной телемеханизации всей энергетической сети определили в качестве первоочередной задачи сегодняшнего дня внедрение систем передачи данных по проводам ЛЭП на всех иных объектах энергетики - от подстанций 6/0,4 кВ до сверхвысоковольтных линий энергопередач. Однако при попытке механического переноса вышеописаных методов для создания каналов телемеханики по линиям распределительных сетей 6-35 кВ разработчики столкнулись с рядом принципиальных проблем, связаных с особенностями этих сетей. Они заключаются в следующем [1,8,9,10,11]:
В отличие от линий ПО кВ и выше, имеющих как правило большую протяженность (сотни километров и более) и линейную структуру с незначительным числом ответвлений , сети 6-35 кв являются разветвленной структурой со сложной конфигурацией и большим числом энергообъектов, расположенных в различных точках сети, что приводит к существенным отличиям с точки зрения распостранения электромагнитной энергии и ставит задачу поиска необходимых носителей сообщения и определения параметров каналов связи.
Требования к объемам информации в питающих и распределительных подсистемах различны. Если для ПО кВ линий характерно незначительное количество
больших по объему телемеханики объектов, картина в сетях 6-35 кВ прямо противоположная объектов много, а объемы информации, передаваемые на диспетчерский пункт с каждого из них, невелики. Это делает создание независимых каналов связи для каждого из контролируемых пунктов нерентабельным, а зачастую и невозможным из-за ограничений по электромагнитной совместимости.
3. Помехи в ЛЭП 110 кВ и выше обусловлены, в основном, высоким напряжением
на проводах и, как следствие, их коронированием [1]. Порождаемые коронным разрядом
помехи имеют гауссовский характер и хорошо изучены. Для линий распределительных
сетей стриммерная корона несвойственна [1 и др.], зато у них наблюдается существенные
по уровню негауссовские процессы, связанные с приближенностью к конечному
потребителю. Эти процессы создают помеховую обстановку, которая не характерна для
высоковольтных ЛЭП и часто делают невозможным достоверную передачу данных с
использованием амплитудной модуляции. Таким образом, возникает задача определения
носителя сообщения, соответствующего этому типу помех.
4. С конструктивной точки зрения питающие ЛЭП однородны и, как правило, не
имеют в своем составе кабельных участков и иных вставок, а нагрузка их сравнительно
стабильна [1,3,5,6]. Как следствие, стабильны и вносимые при передаче по проводам
затухания и фазовые сдвиги. Распределительные сети неоднородны, а их нагрузка может
существенно меняться в течении нескольких часов. В результате, с точки зрения
вносимых линией искажений, имеются существенные отличия, обуславливающие кроме
нестационарности линий передач так же и неизвестные помехи. Следствия этого подобны
описанным в п. 1.
Кроме технических проблем, при разработке каналообразующей аппаратуры для линий 6-35 кв возникает ряд трудностей, связанных с экономическими особенностями распределительных сетей. Так, поскольку большинство объектов этих сетей являются необслуживаемыми, создание телефонных каналов для передачи речи нецелесообразно; применение большого количества прецезионных частотозадающих и частотоизбиратель-ных цепей недопустимо из-за удорожания системы в целом; размещение аппаратуры на
неотапливаемых объектах требует введения дополнительных конструкторских и схемотехнических решений и т.д.
Неизбежным результатом всех вышеперичесленных факторов явился тот факт, что в нашей стране начиная с конца 60-х годов процесс внедрения телемеханики по проводам ЛЭП распределительных сетей на базе традиционных принципов замедлился и вскоре полностью остановился. А между тем, в настоящее время телемеханизация энергообъектов низкого уровня особенно важна, так как из-за аварий на них происходит большинство незапланированных отключений потребителя. Особенно остро эта проблема проявилась в связи с развитием рыночных отношений и появлением экономической ответственности за низкое качество энергоснабжения.
За рубежом для выполнения подобных задач используют альтернативные виды связи. Наиболее распостраненными являются УКВ-радиосвязь и воздушные проводные линии, однако в последнее время стали применяться и иные методы, например, широко применяют вплетение в грозозащитные и токоведущие провода стекловолокна[6]. Как уже говорилось, с экономической точки зрения это менее целесообразно, чем использование ВЧ связи, однако при высокой плотности энергообъектов и малой протяженности линий допустимо.
В нашей стране, с учетом особенностей географического характера и современной экономической ситуации, внедрение альтернативных каналов связи связано со значительными трудностями, а каналы по ЛЭП остаются практически единственным доступным видом связи для средств диспетчерского управления и аварийной сигнализации[1,6]. Поэтому с начала семидесятых годов в СССР проводились работы по созданию каналообразующей аппаратуры, ориентированной на работу в распределительных сетях. В результате были созданы такие комплексы , как КТРС (разработка ЦПРП Ленэнерго,проходил опытную эксплуатацию в Ленинградской области в конце 70-х - начале 80-х годов), УВТС ( разработка НИПТИЭМ, г. Владимир, эксплуатировался в Узбекской, Одесской и Свердловской энергосистемах) и некоторые другие [12,13] . Однако широкого применения они не нашли, в первую очередь из-за
низкой помехоустойчивости и высокого уровня мешающих воздействий [13]. Причины этого следующие :
неоптимальный выбор носителя информации (амплитудная и импульсно-кодовая модуляция), обусловивший малую пропускную способность канала и низкое качество связи ;
алгоритмы выделения сообщения не учитывали структуру и уровень помех в линии связи и оказались неадекватными реальной помеховой ситуации;
традиционная ориентация на жесткую логику сделала невозможным внедрение адаптивных методов обработки, следствием чего явилась необходимость повышения вносимой в линию мощности излучения до недопустимых пределов;
жесткая структурная организация сетей связи, затрудняющая их расширение в случае необходимости.
В то же время, в процессе разработки и опытной эксплуатации систем телемеханики объектов распределительных сетей был успешно решен целый ряд практических и технических вопросов , а именно : разработан целый ряд устройств подключения к высоковольтным линиям, устранены трудности, связанные с устройством обходов на трассе, развернута аппаратура согласования с пользователем (устройства отображения информации на диспетчерских пунктах и исполнительные привода и датчики-преобразователи на контролируемых) и т.д. Так, например, в процессе доводки комплекса КТРС до 70% (по приближенным оценкам СП СДТУ Ленэнерго) энергообъектов низшего и среднего звена были оборудованы высоковольтными вводами в линию и датчиками-преобразователями и около 50 % (источник тот же) исполнительными приводами телеуправления; схожее положение сложилось и в ряде иных областных энергосистем. Иными словами, во многих регионах России и стран СНГ создана и готова к использованию инфраструктура сквозной телемеханизации распределительных сетей, но ее использование невозможно из-за отсутствия надежных каналов связи между диспетчерским и контролируемыми пунктами.
В связи с этим было выбрано основное направление диссертационной работы-разработка алгоритмов, устройств и методов организации каналов телемеханики для распределительных сетей (6-35 кВ).
Актуальность диссертации обусловлена не телько назревшей необходимостью телемеханизации наиболее массового звена энергетики, но и недостаточной изученностью вопросов, связаных с разработкой оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов передачи дискретной информации по линиям с преобладающим уровнем негауссовых помех [14]. Кроме того, процессы, с феноменологической точки зрения подобные происходящим в ЛЭП 6-35 кВ, характерны для каналов связи многих систем, а следовательно, полученные в процессе работы решения могут найти применение и в иных отраслях народного хозяйства, в том числе и напрямую не связаных с энергоснабжением..
К числу потенциальных потребителей результатов работы принадлежит целый ряд разработчиков сетей контроля и управления пространственно разнесенными объектами. Так, нерешенность проблемы передачи малого количества информации с большого числа объектов в условиях преобладющих негауссовых шумов и ограниченного числа линий связи всерьез тормозит развитие систем телемеханики сетей тепло, водо и газоснабжения ; аналогичные вопросы возникли при разработке опытной системы автоматизированого управления дорожным движением, проводившейся в 1990-1993 годах Ленинградским УВД [15]; многие полигонные измерения связаны с большой интенсивностью импульсных и сосредоточенных помех и т.д. Проведенные в процессе работы над диссертацией изыскания показали применимость разработаных методов и устройств для решения этих задач.
Известно, что выбор носителя сообщения в существенной мере определяет достижимые параметры системы связи. Анализ современных требований к каналообразующей аппаратуре сетей телемеханики по проводам распределительных ЛЭП показал, что носитель и алгоритм его обработки должны обеспечивать следующее:
Устойчивую и достоверную передачу информации в условиях преобладающих негауссовых помех и широком диапазоне параметров среды распостранения электромагнитной энергии.
Возможность адаптации к помеховой обстановке и искажениям, вносимым линией.
Реализацию на базе микропроцессорной техники.
В связи с тем, что линии 6-35 кВ обладают выраженными избирательными свойствами с изменяющимися параметрами и вносимые ими в процессе распостранения ВЧ сигналов фазовые искажения и затухания сильно зависят от частоты [1,3,6 и др.], целесообразно использовать узкополосный носитель сообщения телемеханики . При этом выбор вида модуляции должен производиться исходя из условия обеспечения максимальной помехоустойчивости. Сравнительный анализ показывает [16 и др.], что из всех широкораспостраненных видов модуляции наибольшей устойчивостью к воздействию негауссовых помех обладает фазовая модуляция, что и определяет ее выбор в качестве носителя сообщения телемеханики.
Использование ФМ для передачи дискретных сообщений требует повышения стабильности опорных колебаний на приемном и передающем концах по сравнению с амплитудной модуляцией. При несоблюдении этого требования происходит значительное ухудшение качества передачи , а иногда и полная потеря работоспособности системы [17,18,19,20]. Традиционно стабильность повышают за счет совершенствования физических принципов формирования колебаний. Однако стоимость опорных генераторов практически экспоненциально зависит от величины требуемомой стабильности [21], что делает использование высокоточных осцилляторов в системе телемеханики нецелесообразным с экономической точки зрения.
Сущеествует иной путь повышения стабильности опорных формирователей, основаный на применении алгоритмов, компенсирующих нестабильность. При этом используется тот факт, что основная составляющая процесса ухода фазы имеет характер медленных флуктуации и поддается прогнозированию [20,22]. Этот способ повышения
точности формирования шкалы времени может быть реализован без усложнения и удорожания аппаратной части оборудования телемеханики, путем внедрения поцедуры компенсации нестабильности в алгоритм выделения сообщения телемеханики, что позволяет улучшить стоимостные характеристики каналообразующей аппаратуры.
В свете вышеизложенного цель работы следующая : Разработка помехоустойчивых алгоритмов выделения дискретных фазоманипули-рованных сообщений, учитывающих процессы помехообразования в ЛЭП и изменения фазы (частоты) опорных генераторов, а также построение на основе разработанных алгоритмов устройств для целей телемеханики.
В соответствии с поставленной целю в работе решались следующие задачи:
- анализ помех и разработка математических моделей процесса помехообразования
каналов связи по линиям электропередач 6-35 кВ;
- анализ процессов нестабильностей опорных генераторов и разработка
математической модели этих процессов для кварцевых резонаторов II-IV классов;
разработка оптимальных алгоритмов выделения дискретных фазоманипулирован-ных сообщений;
разработка устройств и систем телемеханики распределенных энер го объектов.
Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования:
- аппарат стохастических дифференциальных уравнений, теория оптимальной
нелинейной фильтрации, математическая статистика, машинное моделирование;
- математическая теория статистической обработки результатов измерений ;
Новые научные результаты:
выполнен анализ основных источников помех в линиях электропередач и их вклад в процесс шумообразования,
осуществлен синтез математической модели помех ЛЭП 6-3 5 кВ, которая может так же использоваться для иных каналов связи,
- показано, что для кварцевых резонаторов II-IV классов процесс изменения фазы
на интервале от долей секунды до наскольких минут апроксимируется комбинацией
полиномиального тренда порядка не выше второго и процесса авторегрессии порядка не
выше второго, предлжен способ определения параметров апроксимации;
-показана возможность повышения стабильности систем синхронизации на основе указаных резонаторов алгоритмическими способами в 50-100 раз ;
- проведен синтез оптимального алгоритма дискретного фазоманипулированого
сигнала с использованием предложенных моделей.
Основные практические результаты:
- разработан квазиоптимальный алгоритм выделения дискретного сообщения с
относительной фазовой манипуляцией и определены его характеристики,
разработаны принципиальные схемы и програмный продукт аппаратной и прграмно-аппаратной версий реализации квазиоптимального алгоритма на базе жесткой логики и микропроцессорного контроллера;
разработаны и внедрены в опытную эксплуатацию системы телемеханики распределительных сетей, кабельных сетей и управления уличным освещением;
разработаны программы, моделирующие процесс выделения фазоманипулиро-ванного сигнала в канале связи.
Предмет и степень внедрения:
В рамках проводимой работы внедрены: .
алгоритм выделения дискретного фазоманипулированого сообщения;
принципиальные схемы квазиоптимальных фильтров;
система телемеханики распределительных сетей подстанции Детскосельская Павловского района ЛВС ЛЕНЭНЕРГО (сдана в эксплуатацию в марте 1994 года);
система телемеханики распределительных сетей Восточного района ЛКС ЛЕНЭНЕРГО (сдача в опытную эксплуатацию в ноябре 1994 года);
система телемеханики подстанции 7420 Центрального Банка России (сдана в опытную эксплуатацию в августе 1994 года);
- система дистанционного управления уличным освещением Петродворцового
ПЭС ( сдана в эксплуатацию в августе 1994 года);
аппаратура передачи данных корабельного комплекса "Защита";
программы математического моделирования. Внедрение подтверждено соответствующими актами.
Эффективность внедрения.
Внедрение указанных устройств повышает надежность энергоснабжения и уличного освещения, позволяет производить аварийные отключения с пульта диспетчера и снижает эксплуатационные расходы за счет отказа от выезда аварийных бригад и повышения оперативности управления.
К защите представлены следующие тезисы :
- разработка алгоритмов и устройств телемеханики распределительных сетей
актуальна и своевременна;
- помехи в распределительных сетях ЛЭП существенно негауссовские и
описаваются при помощи математической модели на основе комбинации стохастических
дифференциальных уравнений порядка не выше второго;
характер процесса расхождения шкал опорных кварцевых генераторов II-IV класса описывается при помощи комбинации полиномиального тренда и процесса авторегрессии порядка не выше второго;
при прогнозировании расхождения шкал опорных кварцевых генераторов необходимо учитывать параметры кратковременной нестабильности;
- оптимальный алгоритм выделения сигналов телемеханики может быть
реализован в виде квадратурного приемника с цепями компенсации расхождения
опорных шкал и негауссовых помех канала связи;
- разработан квазиоптимальный алгоритм выделения сигналов телемеханики,
параметры которго максимально приближены к оптимальному.
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЛЭТИ ежегодно с 1989 по 1996 г., на выставках "Интерэнергетика-1994", "Интерэнергетика-1995", "Энергоресурсосбережение в городском хозяйстве-1997", на конференции стран СНГ "Управление уличным освещением" в г. Санкт-Петербурге в 1997 г., на научно-практической конференции Военно-Медицинской Академии в 1996 г., на техническом семинаре производителей РАО "Норильский никель" "Состояние и перспектива создания автоматизированных систем оперативного диспетчерского управления энергообъектами и учета энергопотребления (АСО ДУЭ)" в 1997г. в г. Санкт-Петербурге.
Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях :
1. Дроздов А.В., Шашкин А.К. Оптимизация сигнала синхронизации системы передачи данных. - "Известия ЛЭТИ", вып. 445, С.-Пб. ЛЭТИ, 1992.
2 Балясников А.В., Дроздов А.В., Шашкин А.К. Радиотехническая система идентификации и определения местоположения излучателей. -."Известия ГЭТУ", вып. 460, С.-Пб., 1993.
Балясников А.В., Дроздов А.В., Шашкин А.К. Алгоритм передачи дискретных сообщений на основе анализа точек пересечения нулевого уровня. -."Известия ГЭТУ", вып. 484, С.-Пб., 1995.
Дроздов А.В., Шашкин А.К. Современные програмно-технические средства автоматизации, диспетчеризации и связи. - Технический семинар производителей РАО "Норильский никель" "Состояние и перспектива создания автоматизированных систем оперативного диспетчерского управления энергообъектами и учета энергопотребления (АСО ДУЭ)", С.-Пб., 10-14.11.1997 г. : Тезисы докладов. - С.-Пб., 1997 г.
5. Дроздов А.В., Шашкин А.К. Система управления уличным освещением
большого промышленного города. - Конференция стран СНГ "Управление уличным
освещением", ФПКИ АО "Ленсвет", 10-13.04.1997 г. : Материалы конференции. - С.-Пб, АО "Ленсвет", 1997.
Дроздов А.В. Субоптимальный цифровой фазовый фильтр. - "Программа научно-технической конференции ЛЭТИ ", С.-Пб, 1990.
Дроздов А.В. Принципы передачи дискретных сообщений по радиоканалам низовой связи. - "Программа научно-технической конференции ЛЭТИ ", С.-Пб, 1991.
7. Дроздов А.В. Построение локальной навигационной системы на основе
сигналов низовой радиосвязи. - "Программа научно-технической конференции
СПбГЭТУ, С.-Пб, 1992.
Дроздов А.В. Разработка помех линии электропередач. - "Программа научно-технической конференции СПбГЭТУ", С.-Пб, 1994.
Гордеев С.А., Гордеева Л.А., Дроздов А.В. Опыт использования рентгено-диагностического комплекса (РДК) для определения остеопороза у нефрологических больных. - Юбилейная научно-практическая конференция Военно-медицинской академии, С.-Пб., 1996 г. : Тезисы докладов. - С.-Пб., 1996.
Дроздов А.В. и другие. Комплекс телемеханики энергетических сетей. Информационный листок выставки "Интерэнергетика - 1994". - С.-Пб., СП СДТУ Ленэнерго, 1994.
Дроздов А.В. и другие. Аппаратура управления уличным освещением. Информационный листок выставки "Интерэнергетика - 1995". - С.-Пб., АО "Норильский никель", 1995.
12. Дроздов А.В. и другие. Система контроля и управления сетями уличного
освещения. Информационный листок выставки "Энергоресурсосбережение в городском
хозяйстве - 1997". - С.-Пб., ОАО "Петродворцовое предприятие электрических сетей",
1997.
13. Дроздов А.В., Шашкин А.К. Использование линий энергосетей для
построения систем телемеханики. - С.-Пб.: 51 НТК : Тез. докл., СПбГУТ, 1998
