Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование возможности применения технологии передачи данных по силовым сетям в системах различного назначения 17
1.1. Построение автоматизированных систем управления транспортом 17
1.2. Адаптивная система передачи телеметрической информации о техническом состоянии рефрижераторных контейнеров в пути их следования 22
1.3. Автоматизированная система телемеханики 27
1.4. Автоматизированные системы контроля и учета энергопотребления 33
Выводы к главе № 1 35
2. Исследование проблем, связанных с использование силовых линий электропередачи в качестве составной части канала связи и пути их преодоления 36
2.1. Помехи в линии связи 36
2.2. Требования к системе передачи данных по сетям электропитания 39
2.3. Проблемы сопряжения силовой и информационной частей системы энергоснабжения 42
2.4. Волновой характер процесса распространения сигнала в линии связи 47
2.5. Проблема преодоления шунтирующего действия ответвлений 55
Выводы к главе № 2 63
3. Разработка математической модели линии связи на основе отрезка высоковольтного силового кабеля 64
3.1. Дифференциальные уравнения цепи и их общее решение 64
3.2. Входное сопротивление линии связи на основе отрезка силового кабеля 68
3.3. Передаточная функция по току линии связи, реализованной на основе отрезка высоковольтного силового кабеля 73
3.4. Передаточная функция по току линии связи, реализованной на основе каскадно-соединенных отрезков высоковольтного силового кабеля 83
3.5. Передаточная функция по напряжению отрезка кабельной линии 91
3.6. Зависимость напряжения на входе отрезка кабельной линии от входного тока 93
Выводы к главе № 3 97
4. Исследование влияния проводимости земли на процесс распространения сигнала в силовых распределительных сетях 98
4.1. Моделирование процесса распространения высокочастотного сигнала по высоковольтному силовому кабелю с учетом влияния земли 98
4.2. Оценка влияния земли на передаточную функцию по току отрезка силового кабеля 103
4.3. Передаточная функция по току и амплитуда напряжения на выходе отрезка кабельной линии, обесточенного со стороны входа 108
4.4. Передаточная функция по току и амплитуда напряжения на входе отрезка кабельной линии, обесточенного со стороны выхода 112
4.5. Влияние ответвлений на передаточную функцию отрезка кабельной линии 116
Выводы к главе № 4 121
5. Разработка модели канала связи, реализованного на основе использования силовых распределительных сетей 122
5.1. Структура канала связи 122
5.2. Модель линии связи между соседними объектами в информационной сети 127
5.3. Выбор формы сигнала для реализации системы связи 129
5.4. Исследование помехоустойчивости некогерентного приема сигналов амплитудной телеграфии со следящим порогом регистрации 134
5.5. Разработка адаптивной системы поиска оптимальной частоты сигнала для произвольного участка канала связи 13 9
Выводы к главе № 5 142
6. Техническая реализация приемопередающей аппаратуры связи 143
6.1. Регистрирующий прием сигналов амплитудной телеграфии 143
6.2. Дискретная система посимвольной синхронизации 150
6.3. Техническая реализация приемопередатчика с использованием микро-ЭВМ 153
6.4. Разработка алгоритма формирования информационного сигнала с заданной частотой несущего колебания 15 7
6.5 Реализации приемопередатчика с использованием сигналов фазовой телеграфии 163
6.5.1. Алгоритм работы системы формирования опорного колебания 168
6.5.2. Цифровая система посимвольной синхронизации 173
6.5.3. Алгоритм работы системы кадровой синхронизации 178
6.5.4. Реализация приема информационного блока данных 182
6.6. Реализация цепей согласования приемопередатчика с воздушной линией электропередачи 186
Выводы к главе № 6 190
7. Результаты испытаний системы связи в реальных условиях городских электрических сетей 191
7.1. Цель проведения испытаний средств связи в составе системы телемеханики городских электрических сетей 191
7.2. Протокол испытаний системы связи при использовании сигналов амплитудной телеграфии 192
7.3. Протокол связи при использовании сигналов фазовой телеграфии 202
Заключение 210
Список литературы
- Адаптивная система передачи телеметрической информации о техническом состоянии рефрижераторных контейнеров в пути их следования
- Проблемы сопряжения силовой и информационной частей системы энергоснабжения
- Передаточная функция по току линии связи, реализованной на основе отрезка высоковольтного силового кабеля
- Передаточная функция по току и амплитуда напряжения на выходе отрезка кабельной линии, обесточенного со стороны входа
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях современного технического прогресса потребности в различных системах связи необыкновенно возрастают. В любой системе телекоммуникации можно выделить три группы относительно самостоятельных устройств: оконечные устройства, преобразующие сообщения в код, и наоборот; модулирующие и демодулирующие устройства (модемы), преобразующие код в сигнал и сигнал в код; канальные устройства (передатчик и приемник с соответствующими антенными и соединительными линиями). В последние десятилетия основное внимание уделялось развитию устройств первой и второй групп. В настоящее время все возрастающую роль приобретают устройства третьей группы. Повсеместное внедрение оптоволоконных линий связи является лишним тому подтверждением. Связано это со стремительным ростом и развитием телекоммуникационных сетей, систем, технологий и услуг.
Одним из вариантов развития устройств третьей группы является использование распределительных силовых сетей для передачи информации. Свидетельством тому является огромный резонанс, вызванный в 1998 г. сообщением английской фирмы Norweb Communication и канадской Northen Telecom о разработке технологии передачи данных, включая трафик Интернет, по линиям электросетей со скоростью выше 1 Мбит/с. В соответствии с этой технологией, связь между сервером или маршрутизатором, подключенным к Интернет, и стандартными средствами связи, расположенными на электроподстанции, осуществляется с помощью волоконно-оптической линии. А для транспортировки данных между подстанцией и домашним компьютером используется соответствующий участок электроосветительной сети. Первым публичным пользователем данной технологии стала начальная школа в Траффорде, пригороде Манчестера. Установленные в ней 12 персональных компьютеров подключены к Интернет через линии электросети.
О возможности передачи информации с использованием силовых линий электропередачи (ЛЭП) в составе канала связи известно уже более 80 лет. Несколько позже они получили название систем высокочастотной связи (в. ч. связи). В России первый канал высокочастотной связи на линии напряжением 110 кВ был организован академиком А.А. Чернышевым в 1922 г [1].
В подобных системах аппаратура в. ч. связи присоединяется к ЛЭП через фильтры присоединения и конденсаторы связи. Для успешного функционирования системы в. ч. связи в ЛЭП включают высокочастотные заградители, которые предотвращают растекание тока высокой частоты в стороны от направления передачи. При этом, как правило, системы в. ч. связи реализуются на основе использования участка ЛЭП достаточно большой протяженности, но не имеющего отводов
Широко распространены различные варианты подключения аппаратуры связи через конденсаторы связи к однофазной или трехфазной сети напряжением 220/380 вольт. В этой связи во многих источниках отмечается, что обычная электрическая розетка стоит на пороге второго рождения. Являясь завершающим звеном в цепи энергоснабжения, она с наступлением информационной эпохи готова принять на себя новые функции по обеспечению пользователя "инфопитанием".
Очевидно, что "из розетки" пойдет не только Интернет, по тем же линиям электропередачи возможно вести и телефонные переговоры. На очереди развертывание нового и перспективного рынка услуг по контролю за системами и приборами и управлению ими через специальные сервис-центры, как на промышленном, так и на бытовом уровне. Да и в сфере энергетики ожидается существенное упрощение многих функций, например автоматизация снятия данных об энергопотреблении с каждого отдельного счетчика, сегодня осуществляемого специальными работниками [2].
Тем не менее, следует отметить, что каналы связи, образованные на основе распределительных силовых сетей (РСС), характеризуются трудностью их образования и достаточно высоким уровнем помех. Связано это с тем, что к РСС присоединяется большое количество изменяющихся во времени нагрузок, места присоединения которых, также изменяются. Оснащение каждой такой нагрузки соответствующими фильтрами и высокочастотными заградителями, как это делается на ЛЭП, требует значительных материальных затрат.
К первым работам в области создания каналов высокочастотной связи по линиям электропередачи можно отнести работы отечественных исследователей: Быховского Я. Л., Смирнова Б. В., Ильина А. А., Костенко М. В., Сидельнокова В. В., Ефремова В. Е., Микуцкого Г. В., Перельмана Л. С, Скитальцева В. С, Калюжного В. Ф., Шкарина Ю. П. и др. За рубежом подобные вопросы освещены в работах: Carson J. R., Hoyt R. S., Perz M. C, Kuhn K. H., Jones D. E., JagodaN. H. и др.
Эти работы касаются, в основном, вопросов построения систем передачи информации по неразветвленным каналам дальней связи. В них рассмотрены свойства и методы расчета линейных трактов в. ч. каналов, условия работы и характеристики аппаратуры обработки и присоединения, а также принципы построения каналообразующей аппаратуры. При этом решается задача, связанная, как правило, с созданием каналов в. ч. связи для релейной защиты линий электропередачи и противоавариинои автоматики.
В некоторых из работ решается проблема организации связи по силовым распределительным сетям. Однако в рамках предлагаемых решений связь возможно осуществить лишь между теми объектами сети, которые располагаются на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. Связано это с тем, что наличие ответвлений в подобных сетях приводит к большому затуханию сигнала. Поэтому невозможно сформировать сигнал в какой либо точке сети, который был бы доступен во всех остальных узлах системы. Да и стоимость реализации подобных решений весьма высока.
Для организации систем телекоммуникации с использованием РСС в составе канала связи требуется решение целого комплекса принципиально новых задач. Связаны они как с построением каналообразующей аппаратуры и устройств присоединения, так и с созданием новых протоколов обмена данными, позволяющих решить вопросы маршрутизации потока данных в непрерывно изменяющихся условиях распространения сигнала в канале связи. Решение этих задач возможно за счет наращивания «интеллекта» телекоммуникационных систем и построения на этой основе интеллектуальных сетей связи. Во всем мире в создание цифровых сетей связи за последние три десятилетия были инвестированы колоссальные средства и этот процесс еще далек от завершения [3].
Целью исследований является решение фундаментальной научной проблемы - разработка новых моделей и методов, позволяющих дать оценку качества связи в силовых распределительных сетях, оптимизировать параметры отдельных элементов информационной сети, а также применение полученных методов для решения практических задач, имеющих важное народно-хозяйственное значение:
- исследование и разработка теоретических и практических основ и методов построения цифровых телекоммуникационных систем, распределенных в значительном пространственном объеме, и использующих в качестве среды распространения сигнала силовые линии электропередачи;
- разработка модели распределенной системы связи, математических моделей отдельных фрагментов информационной сети, и их использование для приближенного анализа и расчета вероятностных характеристик, позволяющих оценить качество связи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Исследовать факторы, затрудняющие использование силовых распределительных сетей для передачи информации.
2. Наметить пути решения проблем, связанных с использованием силовых распределительных сетей в составе канала связи.
3. Разработать математическую модель линии связи на основе отрезка высоковольтного силового кабеля.
4. На основе математической модели исследовать свойства линий связи, реализованных на основе использования силовых распределительных сетей.
5. Обобщить опыт организации распределенных вычислительных и мультисервисных сетей для его использования при построении протокола обмена данными в системе телекоммуникации.
6. Осуществить выбор формы сигнала для реализации системы связи.
7. Решить вопросы построения канал о образующей аппаратуры с возможностью ее адаптации к изменяющимся условиям распространения сигнала в канале связи.
Теоретической базой проведенных исследований являются результаты теории направляющих систем связи, теории информации, статистической радиотехники, теории радиотехнических цепей и сигналов, теории вероятностей, информатики, теории вычислительных систем.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. На примерах телекоммуникационных систем различного назначения показана возможность и целесообразность использования силовых распределительных сетей в составе канала связи.
2. Предложен способ возбуждения сигнала в силовом кабеле через его токопроводящую оболочку и запатентовано соответствующее этому способу устройство присоединения.
3. Разработана математическая модель линии связи на основе отрезка высоковольтного силового кабеля, соответствующая предложенному способу возбуждения сигнала.
4. На основе математической модели проанализировано влияние отдельных факторов на качество связи по силовым распределительным сетям, определены варианты оптимизации отдельных параметров сигналов с целью повышения надежности связи.
5. Предложена модифицированная версия протокола TCP/IP для обмена данными в системе телекоммуникации с возможностью адаптации к изменяющимся условиям.
6. Разработан алгоритм нелинейной цифровой фильтрации сигналов амплитудной телеграфии и реализующие его устройства, в том числе и с применением микро-ЭВМ.
7. Проведен анализ помехоустойчивости приема сигналов и определен энергетический выигрыш, обусловленный применением разработанного алгоритма нелинейной цифровой фильтрации сигналов.
8. Предложен вариант адаптивной системы поиска оптимальной частоты сигнала для произвольного участка канала связи.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается математическими выкладками, результатами практического внедрения, апробацией на международных, всероссийских и региональных конференциях.
Практическая ценность полученных автором результатов состоит в следующем.
Разработанные методы организации систем телекоммуникации явились основой для создания различных информационно-измерительных систем. При этом использовано 10 изобретений автора. Два из них защищены патентами, а восемь - авторскими свидетельствами.
Эффективность предложенных методов и алгоритмов доказана при практическом проектировании систем телеметрии и телеуправления технологическими процессами в системах электроснабжения промышленных предприятий и городов различных регионов России. Они ориентированы на реальное повышение надежности и эффективности этих систем в процессе технической эксплуатации.
Результаты проведенной работы позволили повысить эффективность управления объектами, применять качественно новые подходы к решению традиционных задач. Это подтверждается актами о внедрении результатов работы.
Внедрение результатов проведенных исследований выполнено в ряде разработок под научным руководством и личном участи автора. Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий и организаций, в том числе:
- на Новороссийском предприятии городских электрических сетей;
- в ОАО «Новороссийский морской торговый порт»;
в ЗАО «Предприятие городских электрических сетей» "Краснодарэлектро" г. Краснодара;
- на муниципальном унитарном предприятии «Щелковские электрические сети» г. Щелково, Московской области;
в ОАО «Электросеть» производственного объединения «Муниципальное унитарное предприятие, объединение коммунального хозяйства» города Тольятти, Саратовской обл.;
на государственном предприятии Ростовской области «ДОНЭНЕРГО» в филиале «Азовские межрайонные электрические сети»;
- в ОАО «Красногорская электросеть», города Красногорска, Московской области;
на муниципальном унитарном предприятии «Клинские электрические сети», г. Клин, Московской области;
- на муниципальном предприятии «Электросеть» города Мытищи, Московской области.
Результаты выполненных исследований используются в учебном процессе НГМА в курсах лекций по технической эксплуатации транспортного радиооборудования и цифровой обработке сигналов, а также при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация результатов работы. Научные результаты и основные положения работы докладывались и обсуждались на:
Десятом региональном семинаре "Элементы приемно-усилительных устройств". - Таганрог, 1985.
- Республиканском семинаре "Информационное обслуживание задач управления техническим состоянием сложных систем", Киев, 1986 г.
Региональном семинаре "Перспективные направления автоматизации контрольно-измерительных и настроечно-регулировочных работ в приборостроительном производстве", Севастополь, 1987.
- XIII научно-технической конференции "Автоматизация береговых и судовых систем радиосвязи и радионавигации на водном транспорте". -Ленинград, 1987.
- XVI всесоюзной школе-семинаре по технической диагностике. -Новороссийск, 1991.
- Всероссийской конференции энергетиков и электротехников городов России. Краснодар, 1999 г.
- Всероссийской и региональных научно-технических конференциях, проводимых в НГМА в период 1996-2001гг.
- Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии». - Таганрог: ТРТУ, 2005 г.
Третьем международном научно-техническом семинаре "Аппаратура ВЧ связи по ЛЭП 0,4 - 750 кВ». - М.: ОАО «ФСК ЕЭС», ОАО «СО-ЦДУ ЕЭС России», ОАО «ВНИИЭ», 2005 г.
По теме диссертации опубликованы 42 работы, из них 16 статей, 10 изобретений, 13 докладов на конференциях. Некоторые результаты исследований отражены в отчетах по хоздоговорным НИР, выполненным под руководством автора. Без соавторов опубликовано 14 работ.
Работу можно классифицировать как развитие перспективного научного направления в области проектирования, а результаты проведенных исследований представляют комплекс научно-технических разработок, направленных на решение крупных социально-экономических и хозяйственных проблем.
Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и приложения. Общий объемом 332 страницы, в том числе 225 страниц основного текста, 97 рисунков, 14 страниц библиографического списка (140 наименований). В приложении приведены материалы, связанные с использованием и внедрением результатов диссертации.
Краткое содержание работы. Во введении сформулированы цели и задачи исследования, приводятся данные о научной новизне и практической ценности работы, приведена структура изложения материала.
В первой главе приведены примеры различных автоматизированных систем управления, в которых использована технология передачи данных по силовым распределительным сетям. На примере этих систем сделано теоретическое обобщение методов организации и функционирования различных систем телекоммуникации с использованием распределительных силовых сетей в составе канала связи.
Во второй главе проведен анализ проблем, связанных с возможностью использования силовых распределительных систем в качестве составной части канала связи. На основе выполненного анализа сформулированы основные требования к приемо-передающей аппаратуре связи. Предложен подход, позволяющий удовлетворить всем сформулированным требованиям. Предложен протокол обмена данными, являющийся модификацией протокола управления передачей данных TCP/IP, на использовании которого основана работа сети Internet. Данный вариант протокола позволяет решать задачу маршрутизации при изменениях конфигурации информационной сети, связанных с переключениями в системе энергоснабжения.
Третья глава посвящена построению исходной математической модели системы связи, реализованной с использованием силовых распределенных сетей. На основе математической модели отрезка высоковольтного силового кабеля вычислены передаточные функции отрезков распределительных силовых сетей при различных схемах включения, характерных для городских систем электроснабжения. Полученные результаты позволяют определить передаточную функцию любого участка силовой распределительной сети, при использовании его в составе канала связи. На основе проведенного анализа сделаны выводы об особенностях распространения сигнала в силовых линиях электропередачи.
В четвертой главе рассмотрена уточненная модель распространения высокочастотного сигнала в силовой сети. В результате сделана оценка влияния проводимости земли на передаточную функцию участка силовой сети. Проведен расчет передаточной функции обесточенного отрезка силового кабеля, находящегося под охранным напряжением. Проведен анализ влияния ответвлений на передаточную функцию цепи.
В пятой главе рассмотрены вопросы построения модели канала связи с использованием силовых распределительных сетей в его составе.
Приведена структура канала связи, модель участка линии связи между двумя соседними объектами в информационной сети. Изложена методика формирования информационных сетей для обмена данными между различными участками системы телекоммуникации. На основе анализа различных методов модуляции выбрана форма сигнала для реализации системы связи. Проведен анализ помехоустойчивости регистрирующего приема сигналов амплитудной телеграфии со следящим порогом регистрации. Определен энергетический выигрыш, обусловленный применением оптимального некогерентного приема сигналов AT со следящим порогом в канале с медленными рэлеевскими замираниями по сравнению с приемом с фиксированным порогом, равным половине значения огибающей сигнала посылки. Представлен вариант построения адаптивной системы поиска оптимальной частоты сигнала для произвольного участка канала связи.
В шестой главе решены вопросы, технической реализации приемопередающей аппаратуры связи. Разработана структура приемника, обеспечивающего близкий к оптимальному прием сигнала. На основе этого представлен вариант нелинейной цифровой обработки сигнала, позволяющий построить приемо-передающую аппаратуру связи, отвечающую всем сформулированным в работе требованиям. Приведен алгоритм формирования информационного сигнала с заданной частотой несущего колебания. Приведены результаты разработки цифровой системы связи, построенной на основе использования сигналов фазовой телеграфии, и ее отдельных узлов.
В седьмой главе приведены результаты технической эксплуатации системы передачи данных в реальных условиях городских электрических сетей. На основе полученных результатов даны рекомендации по оптимизации системы передачи данных с использованием распределительных силовых сетей в составе канала связи.
Адаптивная система передачи телеметрической информации о техническом состоянии рефрижераторных контейнеров в пути их следования
Назначение системы - обеспечить связь между отдельными объектами системы телеметрии и управления при изменяющихся внешних условиях. Подобное имеет место, например, при необходимости осуществления контроля за техническим состоянием рефрижераторных контейнеров в пути их следования.
Особенность таких систем в том, что они должны отвечать целому ряду противоречивых требований. Основные из них следующие: - высокая надежность функционирования в течение планируемого срока эксплуатации; - простота изменения конфигурации; - большой диапазон рабочих температур; - ограниченная возможность вмешательства в работу системы со стороны; - невысокая стоимость.
Обеспечить высокую надежность системы связи возможно на основе резервирования разнотипных каналов передачи данных. Простота изменения конфигурации может быть достигнута за счет использования отдельных элементов системы, связь между которыми может быть осуществлена в рамках единого стандарта (например, EIA RS-485). Возможность работы в большом диапазоне рабочих температур достигается использованием соответствующей элементной базы.
Что касается недоступности системы в плане вмешательства в ее работу со стороны, то это требование вызвано, прежде всего, необходимостью предотвращения возможности замены одного или нескольких объектов контроля на некоторое устройство, имитирующее их работу в системе телеметрии. Обеспечивается указанная недоступность различными методами, как организационного, так и технического характера. Некоторые из них основаны на применении специальных кодов и паролей, затрудняющих распознавание информации и создание сигналов, имитирующих работу объекта в рамках системы телеметрии.
Перспективным в этом отношении является применение линий связи, обладающих повышенной скрытностью передачи информации. Обеспечить указанную скрытность возможно путем использования шумоподобных сигналов, способных обеспечить работу системы связи под уровнем шума естественного происхождения [20, 21]. Использование таких сигналов возможно как в радио, так и в проводных линиях связи. Однако использование радиоканала делает систему более уязвимой с этой точки зрения, поскольку допускает дистанционное вмешательство в ее работу.
Но особенно эффективно применение шумоподобных сигналов при использовании линии передачи электроэнергии (ЛЭП) в качестве составной части канала передачи информации. Преимущество, связанное с использованием ЛЭП для передачи информации, заключается и в том, что исключается необходимость в прокладке специальной проводной линии передачи сигналов при построении системы связи. Этот факт облегчает удовлетворение требованию обеспечения невысокой стоимости системы передачи телеметрической информации. Кроме того, использование ЛЭП для передачи информации дает возможность оперативного контроля за исправностью ЛЭП и в случае ее нарушения быстрой локализации места повреждения.
Проблемы сопряжения силовой и информационной частей системы энергоснабжения
Известно большое число отечественных и зарубежных работ, в которых предлагается аппаратуру передачи данных подключать к силовой электросети [38-54]. В известных устройствах для согласования выхода передатчика и входа приемника с ЛЭП используются различные цепи, позволяющие реализовать или емкостную, или индуктивную связь с линией. Для реализации индуктивного присоединения (рис. 2.2) используют высокочастотный трансформатор ТІ, одна из обмоток которого соединена с выходом передатчика (входом приемника), а вторая обмотка включена в силовую высоковольтную цепь. Для реализации емкостной связи (рис. 2.3) в устройство присоединения вводят конденсатор Ссв, соединенный с выходной обмоткой согласующего трансформатора ТІ. И в том, и в другом случае класс изоляции цепей согласования должен соответствовать рабочему напряжению высоковольтной силовой линии электропередачи.
К недостаткам подобных цепей согласования следует отнести тот факт, что для их реализации требуются громоздкие устройства. Их применение в силовых распределительных сетях наталкивается на ряд проблем [55]. Одна из них связана с тем, что для размещения подобных устройств присоединения в ячейках трансформаторных подстанций и распределительных пунктов не предусмотрено места. Вторая проблема связана с тем, что применение конденсаторов связи в распределительных силовых сетях приводит к изменению фазовых соотношений токов и напряжений промышленной частоты, а это, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям электроэнергии при ее транспортировке. Третья проблема связана с опасностью воздействия высокого напряжения на приемопередающую аппаратуру связи и поражения электрическим током обслуживающего персонала. Следует отметить, что и стоимость подобных устройств согласования весьма высока.
Эти ограничения могут быть сняты при использовании в качестве линии электропередачи высоковольтного силового кабеля. Для обеспечения требований электробезопасности обслуживающего персонала при сопряжении приемопередающей аппаратуры с высоковольтным кабелем использован способ возбуждения сигнала в силовом кабеле со стороны токопроводящей оболочки.
Возможность возбуждения сигнала в кабеле со стороны токопроводящей оболочки непосредственно следует из [56], где рассмотрено влияние между двумя рядом расположенными коаксиальными цепями через третью, промежуточную цепь, образованную из внешних проводников этих цепей. В промежуточной цепи действует ЭДС, обусловленная током, протекающим по внешнему проводнику влияющего кабеля. В результате ток, протекающий во внешнем проводнике подверженного влиянию коаксиального кабеля, вызывает соответствующее падение напряжения в цепи его нагрузки.
Для реализации указанного способа в состав устройства согласования приемопередатчика с высоковольтным кабелем входит высокочастотный трансформатор, вторичная обмотка которого с одной стороны соединена с шиной нулевого потенциала, а с другой стороны через конденсатор связи с токоведущими проводниками силового кабеля [57]. Таким образом, схема устройства согласования не отличается от традиционно используемых в системах в. ч. связи, но реализуется оно несколько своеобразно.
Для пояснения ситуации на рис. 2.4 приведена схема организации канала связи с использованием трех отрезков силового кабеля. Токоведущие проводники первого отрезка Л1 соединены с соответствующими проводниками второго отрезка Л2. Токопроводящая оболочка на каждом из концов отрезка силового кабеля заземлена.
Передаточная функция по току линии связи, реализованной на основе отрезка высоковольтного силового кабеля
Отрезок кабельной линии можно рассматривать как многополюсник, у которого четыре входных (11, 21, 31, 41) и четыре выходных (12, 22, 32, 42) вывода. Способ соединения многополюсника с остальной частью цепи отображен рис. 3.4. На этом рисунке ZH]BX, Ztt2Bx, Z„3BX, Z„4BX И ZHIBUX, Z„2Bb,x, Z„3Bblx, Z„4BbIX - эквивалентные сопротивления внешних частей цепи со стороны входов и выходов многополюсника.
Рассмотрим случай симметричной нагрузки, когда Z„iEblx - 2нгш% -2„звых = - нвых и ZHlBX = ZH2BX = ZH3BX = Z„BX. В этом случае, как это следует из раздела 3.1, при возбуждении сигнала в силовом кабеле со стороны его оболочки выполняется следующее условие: /2вх = звх = Двх- При этом, очевидно, равны и комплексные амплитуды токов на выходе многополюсника, протекающих по токоведущим проводникам силового кабеля, т.е. /2вых звых = Двых- Следовательно, комплексные амплитуды напряжений, имеющих место на нагрузочных сопротивлениях многополюсника, также совпадают: U\BUX - /2ВЫХ = U\BUX - и?,шх = U]Bblx -Двых = UBtu. То же самое касается и комплексных амплитуд напряжений на входах многополюсника: U\BX - UiBX = U\BX- С/Звх = івх - Двх = Uw
Для определения передаточной функции по току К\ постоянные интегрирования А\ и Аг выразим через токи и напряжения на выходе линии [74]. Комплексные амплитуды напряжения и тока в конце линии соответственно ишх = С/, (0) - U2 (0) = Ul (х) - U2 (х) ,=0 и /,вых = /, (0) = /,(x)Lo. Полагая в выражениях (3.11), (3.15) х = 0, получаем систему уравнений для определения А і и Аг
Анализ (3.35) показывает, что на характер зависимости передаточной функции от параметров цепи в наибольшей степени влияет соотношение между сопротивлением нагрузки, подключенной со стороны выхода - ZHBblx и волновым сопротивлением кабеля - ZB. Кроме того, передаточная функция сложным образом зависит от длины отрезка кабельной линии и от частоты сигнала (произведения у-1).
Рассмотрим связь передаточной функции по току с параметрами цепи для линии без потерь. В этом случае ZB = RH = 7(31,, +22 +2М23 -6М12)/С12, является действительным числом, ch(/p/) = cos(p/), sh(/p/) = -/sin(p/), и выражение для передаточной функции по току при индуктивном характере сопротивления нагрузки (ZHBbIX =RHBblx +А нвых) принимает вид: К \ (3.36) 1L cos/H + (kLj3l-jqL)sin/3l где kL = 1„вых / (З/ іі +L22 +2М2І - 6M;2J/; Яь Кншх / Яв - отношение действительной части комплексного сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению линии.
При емкостном характере сопротивления нагрузки (//2Гнвых=7//?Нвых + УсоСнвых) выражение для передаточной функции по току преобразуется следующим образом: К 1 (3 37) IC cosfl+siafl/(kcfll-jqc)i где qc = RE I Rmux, kc = СНВых / ІСп - отношение эквивалентной емкости нагрузки к полной емкости между оболочкой и токоведущим проводником силового кабеля.
На рис. 3.5-3.8 приведены амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо частотные (ФЧХ) характеристики цепи. На рис. 3.5 построены графики при фиксированном значении kL = 0.5 и различных значениях qL, соответствующих индуктивному характеру сопротивления нагрузки. На рис. 3.6 приведены АЧХ и ФЧХ цепи при фиксированном значении кс =0,2 и различных значениях qc, соответствующих емкостному характеру сопротивления нагрузки. На рис. 3.7 построены графики при фиксированном значении qL = 1 и различных значениях kL, соответствующих индуктивному характеру сопротивления нагрузки. На рис. 3.8 приведены АЧХ и ФЧХ цепи при фиксированном значении qc =1 и различных значениях кс, соответствующих емкостному характеру сопротивления нагрузки.
Передаточная функция по току и амплитуда напряжения на выходе отрезка кабельной линии, обесточенного со стороны входа
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что влияние проводимости земли на передаточную функцию отрезка высоковольтного силового кабеля в наибольшей степени сказывается при сравнительно низких частотах сигнала. Влияние земли сводится к тому, что значения амплитудно-частотной характеристики цепи при различных частотах сигнала оказываются «разбросанными» относительно некоторой усредняющей функции, соответствующей амплитудно-частотной характеристике цепи без учета влияния земли. Степень разброса тем меньше, чем больше частота несущего колебания. Обусловлено это интерференцией между двумя составляющими тока, одна из которых протекает по контуру экран - токоведущие проводники, а вторая - по контуру экран - земля, причем скорость распространения волн, обусловленных каждой из этих составляющих разная. Уменьшение степени разброса с ростом частоты обусловлено тем, что затухание одной из составляющих происходит быстрее, чем ослабление второй составляющей.
Из полученных результатов следует, что при частоте сигнала в диапазоне от 60 до 200 кГц, пренебрежение влиянием земли на результат анализа прохождения сигнала в цепи приводит к существенной погрешности на отдельных частотах сигнала, однако в среднем - в пределах 15%, что вполне приемлемо для инженерных расчетов. Причем сказывается эта погрешность при значении удельной проводимости земли ую 0.03 См/км. Следует отметить, что рекомендуемое при расчетах значение удельного сопротивления земли составляет величину 100 Ом-м (для Подмосковья удельное сопротивление земли находится в пределах 30 Ом-м) [63], что соответствует гораздо меньшей величине удельной проводимости, чем принята при расчетах. Поэтому сделанный в разделе 3 вывод о том, что при переходе к системе уравнений (3.2 - 3.5) влиянием проводимости на изменение амплитуды тока токопроводящей оболочки на элементарном участке кабеля можно пренебречь, является обоснованным. Полученные в третьем разделе значения передаточных функций можно трактовать как результат усреднения зависимости коэффициента передачи цепи от частоты сигнала для случая, когда учитывается и влияние земли. Причем, чем больше длина отрезка кабельной линии, тем ярче выражен эффект усреднения амплитудно-частотной характеристики цепи при расчете по приближенной формуле без учета влияния земли.
Как было отмечено выше, структура городских электрических сетей такова, что обязательно имеются подстанции, на которых токоведущие проводники разомкнуты с одной стороны от общей электрической сети (обесточены, но находятся под охранным напряжением). В связи с этим, необходимо произвести расчет передаточных функций и подобных отрезков кабельных линий.
Последнее соотношение позволяет представить зависимость комплексной амплитуды напряжения на выходе цепи от амплитуды входного тока в следующем виде:
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что зависимости амплитуды напряжения и амплитуды тока на выходе отрезка кабеля, разомкнутого со стороны входа, от частоты при одинаковой амплитуде тока на входе носят противоположный характер. В частности при низкой частоте сигнала значение коэффициента преобразования близко к нулю. Это означает, что при каскадном соединении отрезков кабельной линии в указанных условиях обеспечить надежную связь при низкой частоте сигнала невозможно.
Анализ полученного результата позволяет сделать вывод о том, что отключение нагрузки на выходе силового кабеля может привести к существенному изменению амплитуды напряжения на входе приемника. Что касается связи между напряжением на входе отрезка кабельной линии, обесточенного со стороны выхода и током /івх, то из (4.30) непосредственно следует:
На рис. 4.10 приведена зависимость амплитуды напряжения на входе отрезка кабельной линии, обесточенного со стороны выхода, от частоты сигнала при амплитуде входного тока 0.1 А. При этом значения отдельных параметров цепи следующие: Гц = 20 Ом/км; L\\ = 2-Ю "4 Гн/км; П = 15 Ом/км; L2 = JO 4 Гн/км; gn = Ю 4 /Ом-км; С12 = 10 6 Ф/км; гнвх = 5 Ом; 1„вх = 7-Ю 5 Гн; gI0 = 0.03/Ом-км; Сю = 10 8 Ф/км; 1 = 2 км.
Из полученного результата следует, что амплитуда напряжения на входе отрезка кабельной линии, обесточенной со стороны выхода, при частоте сигнала более 40 кГц в среднем увеличивается с ростом частоты сигнала. Следовательно, если отрезок линии обесточен со стороны выхода, то это не препятствует прохождению сигнала по отрезку кабеля, являющимся ответвлением, подключенным со стороны входа линии.
