Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в российской электроэнергетике в распределительных сетях среднего и низкого напряжения 0.4-35 кВ существует проблема организации каналов связи для передачи информации, необходимой для управления распределением электроэнергии, контролем за ее качеством и потреблением. Передача технологической информации повышает эффективность работы энергопредприятий. Каналы связи, использующие традиционные физические среды распространения сигналов, не позволяют в полной мере решить данную проблему из-за высоких материальных затрат, необходимых на их организацию и эксплуатацию. Поэтому постоянно ведется поиск альтернативных решений.
В последние годы появилось большое число сообщений о разработках систем передачи информации, использующих в качестве среды распространения сигналов линий электропередачи (ЛЭП) распредсетеи среднего и низкого напряжения 0.4-35 кВ. В России на фоне слабо развитой инфраструктуры связи стимулирует повышенный интерес к электрическим сетям как среде передачи данных.
Основная проблема при организации каналов связи по ЛЭП распредсетеи заключается в том, что существующие электросети изначально не предназначались для передачи высокочастотных (ВЧ) сигналов. ВЧ сигналами здесь считаются сигналы с частотами выше 3 кГц. Для ЛЭП распредсетеи среднего и низкого напряжения характерны высокий уровень шума, высокое затухание ВЧ сигналов, а также существенные неравномерности частотной характеристики затухания и спектра шума. Кроме того, частотная характеристика затухания и спектр шума, по сравнению с традиционными физическими средами, используемыми для передачи сигналов, меняются во времени в зависимости от изменений нагрузки и схемы энергетических связей электросети. Это усложняет реализацию каналообразующего оборудования с требуемой помехозащищенностью. При организации систем передачи информации по ЛЭП должна быть обеспечена не только их высокая надежность, но и электромагнитная совместимость (ЭМС) с уже эксплуатируемым радиооборудованием.
Несмотря на очевидные трудности, рядом зарубежных производителей были разработаны ВЧ технологии передачи информации по ЛЭП распредсетеи и на их основе реализована аппаратура передачи информации.
Основная проблема реализации ВЧ систем передачи данных по ЛЭП распредсетеи в России связана с тем, что отечественные электри-
4 ческие сети отличаются от зарубежных. В частности они, как правило, обладают большей протяженностью и разветвленностью, что приводит к увеличению затухания в них ВЧ сигналов, появлению большого числа резонансных явлений и увеличению излучения ВЧ сигналов в радиоэфир, в результате чего могут возникнуть проблемы с ЭМС.
В то же время в энергосистемах уже давно эксплуатируются каналы связи, использующие тональный частотный диапазон (до 3 кГц), в котором характеристики затухания более стабильны и предсказуемы. Наиболее стабильны характеристики затухания в диапазоне частот до 500 Гц. В указанном диапазоне основными помехами приему являются гармоники электрической распределительной сети, частота которых меняется вместе с промышленной частотой сети. Поэтому эффективно подавить гармоники сети можно только в синхронных тональных каналах связи (СТКС), в которых несущие частоты сигналов и амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) приемных устройств привязаны к промышленной частоте сети. Недостатком существующих СТКС является низкая скорость передачи информации 2.5 бит/с, что ограничивает их использование для сбора технологической информации из глубины рас-предсети. Поэтому актуальной является проблема увеличения скорости передачи информации СТКС.
Цель работы заключается в увеличении скорости передачи информации в СТКС в распредсетях среднего и низкого напряжений.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать требования, предъявляемые к системам телемеханики в распредсетях среднего и низкого напряжений для определения требований к скорости передачи информации.
-
Исследовать помехи ЛЭП распредсетей среднего и низкого напряжений в диапазоне частот между гармониками сети.
-
Проанализировать сигналы и методы их приема, используемые в СТКС.
-
Предложить пути повышения скорости передачи информации в СТКС.
-
Определить, как влияют погрешности привязки частот опорных сигналов к промышленной частоте сети на подавление помех приему сигналов СТКС.
-
Рассмотреть основные особенности реализации приемных устройств СТКС на микропроцессорной элементной базе и провести испытания в реальных электрических сетях.
Методы исследования. В работе использованы методы статистического анализа, спектральный анализ сигналов, моделирование и расчеты на ЭВМ, программирование микропроцессорных устройств.
5 Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие результаты:
-
Предложено использование в СТКС сигналов с фазовой манипуляцией 8ФМ и разработан алгоритм приема этих сигналов, в котором частота дискретизации кратна меняющейся частоте сети.
-
Обоснована возможность повышения скорости передачи информации путем построения многоканальных систем с частотным разделением каналов.
-
Проанализированы искажения АЧХ приемного устройства при невыполнении условия кратности частоты дискретизации частоте сети и наличии у сигнала дискретизации искажений, имеющих место в предложенном цифровом устройстве синхронизации.
-
Предложено для увеличения степени подавления боковых спектральных составляющих модулированных гармоник сети использовать весовое интегрирование. Показана целесообразность использования окна Ханна.
Практическая ценность результатов.
-
Показано, что для передачи технологической информации в.. распределительных электрических сетях среднего и низкого напряжения с точки зрения простоты реализации, стоимости и ЭМС эффективным является использование СТКС по сравнению с другими видами передачи информации.
-
Показано, что в СТКС при использовании сигналов 8ФМ стоимость как передающего, так и приемного устройства увеличивается незначительно при их реализации на современной микропроцессорной элементной базе по сравнению с ранее используемыми сигналами AM.
-
Показано, что при использовании интегрирования с окном Ханна при приеме сигналов СТКС вероятность превышения помехой заданного порога (0.3 амплитуды сигнала) на выходе интеграторов уменьшается почти на три порядка по сравнению с интегрированием без взвешивания (с 2.8-Ю"2 до 3-Ю"5). Кроме того, снижается уровень межканальной интерференции на 3.6 - 9.3 дБ (в зависимости от модуляционных скоростей в каналах).
-
Предложена цифровая реализация устройства привязки частоты дискретизации к частоте сети. Предложены алгоритмы синхронизации, которые позволяют уменьшить искажения АЧХ приемного устройства при невыполнении условия кратности частоты дискретизации частоте сети.
-
С использованием цифрового сигнального процессора и микроконтроллера реализовано приемное устройство 8ФМ сигналов СТКС, одновременно осуществляющее прием сигналов в трех частотных кана-
лах со скоростями 6.25 бит/с и в четырех частотных каналах со скоростями 1.25 бит/с, которые расположены в полосе пропускания устройства присоединения.
Реализация научно-технических результатов работы
Результаты диссертационной работы были использованы при практической реализации приемного устройства СТКС на базе цифрового сигнального процессора и микроконтроллера. Под руководством ЭНИН им. Г.М. Кржижановского проведены его эксплуатационные испытания в 3-ем сетевом районе МКС ОАО Мосэнерго на ЦП №179. Автор диссертации участвовал в выполнении двух научно-исследовательских работ ЭНИН, одной научно-исследовательской работы кафедры РТС МЭИ.
Апробация работы
Основные теоретические и практические результаты доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях: «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве», Москва, МЭИ, 1997, «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве», Москва, МЭИ, 1998.
Публикации
По теме диссертации опубликовано четыре работы.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем работы - 160 страниц, из них 120 страниц - текст, 26 страниц - рисунки и 10 страниц - приложения. Библиография включает 56 наименований на 4 страницах.
