Методы увеличения скорости передачи информации в синхронных тональных каналах связи в распределительных электрических сетях среднего и низкого напряжения

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) распредсетей среднего и низкого напряжения 0.4−35 кВ.

В России на фоне слабо развитой инфраструктуры связи именно широкая распространенность электрических сетей, отсутствие затрат на приобретение кабелей и необходимости проведения дорогостоящих работ, связанных с созданием траншей и колодцев, пробивкой стен и прокладкой кабелей стимулируют повышенный интерес к электрическим сетям как среде передачи данных.

Основная проблема при организации каналов связи по ЛЭП распредсетей 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 распредсетей 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 технологии передачи информации по ЛЭП рас-предсетей и на их основе реализована аппаратура передачи информации.

Основная проблема реализации систем передачи данных по ЛЭП распредсетей в России связана с тем, что отечественные электрические сети отличаются от зарубежных. В частности они, как правило, обладают большей протяженностью и разветвленностью, что приводит к увеличению затухания в них ВЧ сигналов и появлению большого числа резонансных явлений. Кроме того, из-за большой протяженности и разветв-ленности увеличиваются потери ВЧ сигналов за счет излучения в радиоэфир, в результате чего могут возникнуть проблемы с ЭМС. Поэтому не все технологии передачи информации, предлагаемые зарубежными и отечественными производителями, могут обеспечить организацию каналов связи по ЛЭП распредсетей с требуемой помехозащищенностью.

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 полностью 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 СТКС является низкая скорость передачи информации 2.5 бит/с, что ограничивает их использование для сбора технологической информации из глубины распредсети. Поэтому актуальной является проблема увеличения скорости передачи информации СТКС.

Цель работы заключается в разработке методов и средств увеличения скорости передачи информации в СТКС по распредсетям среднего и низкого напряжений.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать требования, предъявляемые к системам телемеханики в распредсетях среднего и низкого напряжений для определения требований к скорости передачи информации.

2. Исследовать помехи ЛЭП распредсетей среднего и низкого напряжений в диапазоне частот между гармониками сети.

3. Проанализировать сигналы и методы их приема, используемые в СТКС.

4. Предложить пути повышения скорости передачи информации в.

СТКС.

5. Определить, как влияют погрешности привязки частот опорных сигналов к промышленной частоте сети на подавление помех приему сигналов СТКС.

6. Рассмотреть основные особенности реализации приемных устройств СТКС на микропроцессорной элементной базе и провести испытания в реальных электрических сетях.

Научная новизна работы.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Предложено использование в СТКС сигналов с фазовой манипуляцией 8ФМ и разработан алгоритм приема этих сигналов, в котором частота дискретизации кратна меняющейся частоте сети.

2. Обоснована возможность повышения скорости передачи информации путем построения многоканальных систем с частотным разделением каналов.

3. 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.

4. Предложено для увеличения степени подавления боковых спектральных составляющих модулированных гармоник сети использовать весовое интегрирование. Показана целесообразность использования окна Ханна.

Практическая ценность результатов.

1. 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.

2. 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 АМ.

3. 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 2.8−10″ 2 до 3-Ю" 5). Кроме того, снижается уровень межканальной интерференции на 3.6 — 9.3 дБ (в зависимости от модуляционных скоростей в каналах).

4. 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.

5. С использованием цифрового сигнального процессора и микроконтроллера реализовано приемное устройство 8ФМ сигналов СТКС, одновременно осуществляющее прием сигналов в трех частотных каналах 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 и одной научно-исследовательской работе 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.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Проведенный анализ (с точки зрения простоты реализации, стоимости и ЭМС) различных видов передачи информации применительно к передаче технологической информации из глубины распредсе-тей среднего и низкого напряжения показал, что использование СТКС является наиболее эффективным решением.

2. Степень подавления боковых спектральных составляющих гармоник сети увеличивается при использовании весового интегрирования при квадратурной обработке сигналов. В качестве весовой функции целесообразно использовать окно Ханна.

3. Метод приема сигналов СТКС с фазовой манипуляцией на базе цифровой обработки сигналов, в котором частота дискретизации кратна частоте сети.

4. Возможность практического использования в СТКС сигналов с восьмипозиционной фазовой манипуляцией для увеличения скорости передачи информации.

5. Возможность организации в полосе пропускания устройств присоединения к ЛЭП нескольких частотных каналов с различными амплитудами и модуляционными скоростями сигналов от источников информации с различной производительностью. Использование интегрирования с окном Ханна при квадратурной обработке сигналов уменьшает уровень межканальной интерференции по сравнению с простым интегрированием.

6. Наличие искажений АЧХ цифровой реализации приемного устройства СТКС при невыполнении условия кратности частоты дискретизации частоте сети и наличии у сигнала дискретизации искажений, имеющих место в предложенном цифровом устройстве синхронизации. Предложены модификации алгоритма синхронизации, которые уменьшают указанные искажения.

Обзор литературы по теме диссертации.

В отечественных и зарубежных публикациях широко рассматриваются вопросы передачи технологической информации в энергопредприятиях с использованием ЛЭП в качестве среды распространения сигналов.

В [1,2] приведена терминология, которая используется в электроэнергетике для описания систем телемеханики.

В [3,4] описаны традиционные каналы ВЧ связи по ЛЭП высокого напряжения, которые давно уже используются для связи в энергетических предприятиях.

В [5] показано, что по ВЧ каналам связи по ЛЭП высокого напряжения, обладающими более стабильными характеристиками трактов распространения сигналов, чем ЛЭП среднего и низкого напряжений, затруднительно организовать высокоскоростные каналы связи с использованием KAM сигналов.

В [27, 32, 34, 35, 40, 41, 42, 43] приведены перспективы развития каналов связи по ЛЭП распредсетей.

В публикациях [20, 45, 46, 49, 52, 53] рассмотрены характеристики ЛЭП распредсетей среднего и низкого напряжений как среды распространения ВЧ сигналов.

Методы передачи информации по ВЧ каналам связи по ЛЭП распредсетей приведены в [28, 30, 44, 46, 47, 50, 51]. Устройства ВЧ связи по ЛЭП распредсетей описаны в [36, 37, 38, 39]. Результаты эксплуатации системы ВЧ связи по ЛЭП распредсетей низкого напряжения приведены в [29, 31].

Вопросы ЭМС ВЧ каналов связи и перспективы принятия соответствующих стандартов рассмотрены в [32, 33, 48].

Характеристики ЛЭП как среды распространения тональных сигналов и устройства присоединения рассмотрены в [8, 9, 10, 11, 16, 23]. Методы приема сигналов и описание оборудования тональных каналов связи приведены в [6, 7, 12, 13,14,15].

Приемное устройство СТКС описано в [17]. Результаты работы по повышению скорости передачи информации СТКС и использованию частотного разделения каналов СТКС описаны в [21, 24, 25].

Вопросы ЭМС микропроцессорных устройств обработки сигналов рассматриваются в [54, 55].

Анализ опубликованных материалов показал, на их базе можно провести сравнение тонального и высокочастотного диапазонов частот с точки зрения эффективности их использования для передачи информации по ЛЭП распредсетей среднего и низкого напряжения.

Отсутствуют публикации о моделировании помех приему сигналов СТКС в диапазоне частот между гармониками сети, использовании сигналов с фазовой манипуляцией и соответственно методов их приема в СТКС и использовании частотного разделения в СТКС в полосе частот не более 50 Гц. Это и определило круг вопросов, которые рассматриваются в диссертационной работе.

Содержание работы.

В первой главе приведены общие особенности построения электрических сетей среднего и низкого напряжения, сформулированы основные задачи, для решения которых необходима организация каналов передачи технологической информации. Приведены требования к каналам связи систем телемеханики в распредсетях среднего и низкого напряжения. Показано, что для телемеханизации необходимо большое число низкоскоростных каналов связи между КП и ДП.

Организация ВЧ каналов связи позволяет обеспечить передачу информации со скоростями от нескольких кбит/с до Мбит/с в зависимости от используемой полосы частот. Отмечено, что модемы должны адаптироваться к быстрым изменениям характеристик линии (частотная зависимость затухания и спектральная характеристика шума), а устройства присоединения должны содержать высоковольтные элементы, рассчитанные на напряжение линии. Таким образом, использование высокоскоростных ВЧ каналов связи не всегда экономически оправдано из-за высокой стоимости каналообразующего оборудования.

Сигналы тональной частоты до 500 Гц имеют стабильные коэффициенты передачи по ЛЭП распредсетей и проходят через трансформаторные устройства. Кроме того, они могут вводиться в цепи низкого напряжения на всех КП распредсети, что позволяет избежать использования дорогостоящих высоковольтных элементов в устройствах присоединения. В приемных устройствах СТКС можно практически полностью подавить гармонические составляющие промышленной частоты сети, уровень которых намного превышает уровень вводимых в сеть сигналов. Поэтому уровень вводимых в электросеть сигналов не может существенно повлиять на показатели качества электроснабжения. Область использования существующего оборудования СТКС ограничивается низкой скоростью передачи информации — 2.5 бит/с. Поставлена задача увеличить скорость передачи информации в СТКС.

Во второй главе рассмотрены специфические особенности СТКС, пути повышения скорости передачи информации и возможность организации по одной ЛЭП нескольких каналов связи при частотном разделении каналов в полосе пропускания устройств присоединения (порядка 50 Гц). Исходя из особенностей построения схем выходных каскадов передающих устройств ограничен круг сигналов, которые могут быть использованы в СТКС. В результате проведенных экспериментальных исследований показано, что скорость передачи информации затруднительно увеличить увеличением модуляционной скорости, и сделано предположение, что на помехозащищенность большее влияние оказывает не уровень гармоник сети, а наличие у них из-за модуляции боковых спектральных составляющих. Предложено использовать сигналы 8 ФМ для увеличения скорости передачи информации. Предложен метод приема сигналов с фазовой манипуляцией в СТКС на базе цифровой обработки сигналов, в котором частота дискретизации кратна частоте сети. Предложено использовать весовое интегрирование при квадратурной обработке сигналов СТКС в приемном устройстве, что позволяет увеличить степень подавления боковых спектральных составляющих модулированных гармоник электросети. Показано, что в качестве весовой функции целесообразно использовать окно Ханна. Для увеличения числа каналов по одной ЛЭП, преложено использовать частотное разделение СТКС в полосе пропускания устройств присоединения. При этом в различных частотных каналах используются сигналы с различными амплитудами и модуляционными скоростями. Произведена оценка уровня межканальной интерференции. Показано, что использование окна Ханна при квадратурной обработке сигналов позволяет уменьшить уровень межканальной интерференции по сравнению с простым интегрированием. В результате проведенных экспериментальных исследований подтверждена правильность принятых решений. Достигнута скорость передачи информации 6.25 бит/с при улучшении помехозащищенности приема. В полосе пропускания устройств присоединения организованы три частотных канала со скоростью 6.25 бит/с и четыре частотных канала 1.25 бит/с.

В третьей главе рассмотрена синхронизация частоты дискретизации с промышленной частотой сети при предложенном методе приема. Показано, что в приемном устройстве необходимы два тракта: обработки информационных сигналов и обработки синхросигнала, которым является напряжение с промышленной частотой сети. Основное внимание уделяется цифровым системам, реализованным на микропроцессорной элементной базе.

Предложена структурная схема устройства привязки частоты дискретизации к частоте сети, которая предъявляет наименьшие требования к производительности микропроцессорной системы. В предложенной процедуре синхронизации таймер-счетчик измеряет период напряжения сети, а величина периода дискретизации вычисляется в результате деления на коэффициент пропорциональности между частотой дискретизации и частотой электросети. В результате деления целого числа получается результат, имеющий дробную составляющую. Таймер-счетчик может сформировать только целочисленный период дискретизации. В результате округления образуются ошибки в определении моментов выборки отсчетов входного сигнала, которые приводят к отличию частоты дискретизации от номинальной и наличию у сигнала дискретизации паразитной фазовой манипуляции. Это приводит к искажению АЧХ приемного устройства.

Предложены различные процедуры синхронизации, в которых осуществляется коррекция. Произведены оценки влияния указанной вы.

14 ше погрешности на искажения АЧХ приемных устройств, как при использовании весового интегрирования, так и без него.

В заключении перечислены основные результаты исследований.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Проведенный анализ (с учетом сложности реализации, стоимостных показателей и ЭМС) различных способов передачи технологической информации из глубины распредсетей среднего и низкого напряжения показал, что использование СТКС является наиболее эффективным решением по сравнению с другими видами передачи информации.

2. По результатам экспериментальных исследований помех приему сигналов СТКС сделано предположение, что помехозащищенность приема сигналов СТКС определяет не уровень гармоник сети, а наличие у них боковых спектральных составляющих, являющихся результатом модуляции.

3. Для увеличения скорости передачи информации в СТКС предложено использовать сигналы с фазовой манипуляцией. Аппаратные затраты на реализацию передающего и приемного устройств ФМ сигналов не увеличиваются при использовании современной микропроцессорной элементной базы по сравнению с АМ сигналами. Предложен метод приема сигналов СТКС с фазовой манипуляцией при неизвестной начальной фазе сигнала, который просто реализуется методами ЦОС кратности частоты дискретизации частоте сети.

4. Предложено для увеличения числа СТКС на одной ЛЭП использовать частотное разделение каналов с различными уровнями и модуляционными скоростями сигналов в полосе пропускания устройства присоединения. Предложена методика, использующая временную область, для оценки уровня межканапьной интерференции. Произведена оценка уровня межканальной интерференции.

5. Предложено использовать весовое интегрирование при квадратурной обработке сигналов. Сформулированы критерии выбора оконной функции. Показано, что в качестве весовой функции целесообразно использовать окно Ханна. Экспериментальные исследования показали, что использование интегрирования с окном Ханна позволяет уменьшить вероятность превышения помехой порога (0.3 амплитуды сигнала) на выходе квадратурных интеграторов почти на три порядка за счет лучшего подавления боковых спектральных составляющих модулированных гармоник сети. Это позволило использовать сигналы 8ФМ вместо АМ при уменьшении вероятности ошибки приема. Показано, что использование интегрирования с окном Ханна уменьшает уровень межканальной интерференции по сравнению с простым интегрированием на 3.6 — 9.3 дБ в зависимости от модуляционных скоростей сигналов в каналах.

6. Предложены структурная схема и алгоритм синхронизации опорных напряжений с промышленной частотой сети. Выявлены искажения АЧХ приемного устройства СТКС при отличии частоты дискретизации от номинальной и наличии у сигнала дискретизации искажений, которые имеют место в предложенной реализации системы синхронизации. Предложены модификации алгоритма синхронизации, которые уменьшают данные искажения.

Результаты данной работы имеют как прикладное научное, так и практическое значение. Произведена практическая реализация приемного устройства сигналов СТКС в системе с частотным разделением каналов с использованием цифровых сигнальных процессоров и однокристальной микроЭВМ. В процессе лабораторных и эксплуатационных испытаний были проверены выводы, которые были сделаны в результате аналитических исследований. Выявлено их хорошее соответствие действительности.

В результате проведенной работы в два с половиной раза повышена скорость передачи информации в СТКС за счет использования многопозиционных сигналов с фазовой манипуляции. Увеличено число каналов, которые можно организовать по одной ЛЭП с использованием одинаковых устройств присоединения, за счет частотного разделения каналов в полосе частот порядка 50 Гц. При этом в различных частотных каналах используются сигналы с разными амплитудами и модуляционными скоростями. За счет этого уменьшены мощности передающих устройств и модуляционная скорость сигналов на малопроизводительных с точки зрения требований к объемам передаваемой информации КП. Это позволяет существенно повысить экономическую эффективность внедрения СТКС, т.к. число малопроизводительных КП-ТП в распределительной электрической сети среднего и низкого напряжения намного превышает число относительно высокопроизводительных КП-РП.

На базе результатов данной работы был разработан телеинформационный комплекс ТК-РС для сетей среднего и низкого напряжения, предназначенный для диспетчерского контроля состояния элементов и объектов электрических сетей, контроля величины токов нагрузки, уровней напряжения, а также других показателей количества и качества электроэнергии на ТП и РП.

Телеинформационный комплекс ТК-РС имеет две модификации аппаратуры КП (КПА и КПБ). Модификация КПА предназначена для РП и имеет информационную емкость 40 ТС и 20 ТИ с возможностью расширения до 120 ТС и 15 ТИ. Передача полного объема информации обеспечивается с интервалом в 5 минут. Модификация КПБ, предназначенная для установки на ТП, обеспечивает передачу 8 ТС и 7 ТИ с временем обновления информации 10 минут. Все оборудование КП подключается со стороны низкого напряжения распредсети, что обуславливает невысокую стоимость устройств присоединения.

На ЦП аппаратура комплекса ТК-РС подключается к измерительным трансформаторам тока. Устройство обеспечивает одновременный прием сигналов в трех частотных каналах аппаратуры КПА и четырехКПБ. Таким образом, минимальное число контролируемых РП на каждой ЛЭП, отходящей от ЦП составляет 3, а ТП — 4 (по числу частотных каналов).

Очевидно, что с развитием распределительных сетей, требования к объемам передаваемой информации в распределительных сетях среднего и низкого напряжения будут увеличиваться. Используя концепцию частотного разделения каналов в СТКС можно повысить информационную емкость системы увеличением числа частотных каналов в диапазоне до 500 Гц.

Результаты данной работы могут быть использованы для решения и других задач, которые не связаны с передачей информации в СТКС. Например, для измерений одного из показателей качества электроснабжения — гармонического состава напряжения. В распредсетях уровень нечетных гармоник электрической распределительной сети существенно превышает уровень нечетных. Поэтому при измерениях четных гармонических напряжений электросети необходимо обеспечить подавление нечетных гармоник электросети и их боковых спектральных составляющих. Для этого может быть использовано интегрирование со взвешиванием. Кроме того, при измерениях гармоник сети необходимо обеспечивать синхронизацию с промышленной частотой сети, что необходимо для увеличения достоверности измерений. При цифровой реализации системы синхронизации должны учитываться те искажения АЧХ устройства, которые возникают из-за неточностей определения моментов выборки отсчетов входных сигналов. Эти искажения могут внести серьезные погрешности в измерения четных гармоник электрической сети за счет возникновения боковых максимумов АЧХ на частотах нечетных гармоник из-за неточной работы системы синхронизации.

Таким образом, результаты данной работы могут быть использованы не только для реализации приемных устройств сигналов в СТКС, но и для решения других прикладных задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.