автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка сетевого адаптера технологических компьютерных сетей на базе энергетической среды передачи

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ НА БАЗЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПЕРЕДАЧИ.

1.1. Каналы с энергетической средой передачи.

1.1.1. Технология подключения аппаратуры ВЧ-связи к ЛЭП.

1.1.2. Затухание линии передачи на основе ЭСП.

1.1.3. Помехи в тракте ЭСП.

1.1.4. Организация тракта передачи сигнала.

1.2. Источники информации в ТКС.

1 1.3. Анализ характеристик современной аппаратуры для организации каналов по ЭСП.

1.4. Анализ требований к цифровому мультиплексному каналу при построении ТКС.

1.4.1. Варианты топологии сети.

1.4.2. Многоканальная передача данных.

1.5. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ ПРИЕМНОГО И ПЕРЕДАЮЩЕГО ТРАКТОВ СЕТЕВОГО АДАПТЕРА.

2.1. Общая структура построения участка ТКС на ЭСП.

2.2. Общая структура построения сетевого адаптера.

2.3. Варианты построения передающего тракта СА.

2.3.1. Построение тракта передачи на базе метода двойного преобразования частоты.

2.3.2. Построение тракта передачи на базе метода квадратурного преобразования спектра.

2.3.3. Построение тракта передачи методом прямого цифрового синтеза

2.3.4. Разработка способа преобразования сигналов при прямом цифровом синтезе.

2.3.5. Моделирование тракта передачи.

2.4. Варианты построения приемного тракта С А.

2.4.1. Построение приемного тракта СА методом одинарного преобразования частоты.

2.4.2. Построение приемного тракта СА на базе метода прямого цифрового ввода.

2.4.3. Моделирование разрядности приемного тракта СА.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СЕТЕВОГО АДАПТЕРА.

3.1. Функциональная схема сетевого адаптера.

3.2. Описание магистрального интерфейса.

3.2.1. Физический уровень.

3.2.2. Логический уровень.

3.2.3. Включение питания.

3.2.4. Оценка пропускной способности интерфейса.

3.2.5. Пример работы интерфейса.

3.2.6. Режимы работы интерфейса.

3.3. Разработка аппаратно-программной структуры передатчика.

3.3.1. Описание ПЛИС передачи.

3.3.2. Расчет фильтров при промежуточной частоте 40 кГц.

3.3.3. Требования к производительности интерполирующих ЦПОС.

3.3.4. Функционирование программно-аппаратной части передатчика.

3.4. Разработка аппаратно-программной структуры приемника.

3.4.1. Начальная загрузка трех процессоров в БПРМ.

3.5. Контроль работоспособности СА.

3.5.1. Контроль работоспособности интерфейса.

3.5.2. Подсчет коэффициента готовности системы.

3.6. Разработка протокола кодирования кодонезависимых источников данных.

3.6.1. Прием данных в условиях возможных «слипов».

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ , ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СА.

4.1. Реализация и внедрение С А.

4.2. Стендовые испытания.

4.2.1. Измерение работоспособности при воздействии помехи типа «белый» шум.

4.2.2. Измерение работоспособности при скачках затухания.

4.2.3. Электромагнитная совместимость устройств.

4.2.3.1. Методика измерений влияния устройств.

4.2.3.2. Оценка влияния при совпадающих частотах.

• 4.2.3.3. Оценка влияния при разносе частот рабочего и мешающего сигналов. выводы по четвертой главе.

Во многих отраслях промышленности используются распределенные компьютерные сети для контроля, функционирования и управления удаленными объектами. К данным отраслям относятся электроэнергетика, транспорт, нефте- и газодобыча, транспортировка нефти и газа. В некоторых областях исторически используется технологическая инфраструктура предприятия для передачи информационных сигналов, ее технологические связи, например, линии электропередачи, трубопроводы, грозозащитные тросы, т.е. линии с нетрадиционной средой распространения сигнала.

Для эффективного управления распределенным технологическим предприятием в условиях постоянного увеличения передаваемого трафика создаются компьютерные сети. Компьютерные сети, используемые для технологического управления пространственно распределенного предприятия, будем называть технологическими (ТКС). К данным предприятиям не относятся, например, банковские компьютерные сети или сети связанные с документооборотом. Одним из основных требований, предъявляемым к ТКС, является устойчивость и надежность функционирования. Это особенно актуально для необслуживаемых объектов в течение продолжительного времени (расчетный срок службы оборудования 10 лет, реальный составляет 20-30 лет).

В электроэнергетике для передачи информации, необходимой для оперативно-диспетчерского, технологического управления, контроля производства и распределения электроэнергии, широко используются высокочастотные каналы связи (ВЧ-связь) по проводам высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) и грозозащитным тросам. В дальнейшем нетрадиционную среду передачи сигналов по ЛЭП и грозозащитным тросам будем называть энергетической средой передачи (ЭСП).

К задачам технологического управления относятся организация прямой диспетчерской и коммутируемой телефонной связи, организация каналов передачи технологической дискретной информации от различных источников: аппаратура телемеханики (ГМ), аппаратура автоматизированного сбора, контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ), аппаратура регистрации аварийных событий, передачи команд телеуправления и сигналов видеонаблюдения. Для административного управления требуется передача сообщений электронной почты и факсов.

Решение этих задач требуется для обеспечения устойчивости системы электроэнергетики, для предотвращения системных аварий вследствие повреждений на отдельных участках и последующего лавинообразного отключения потребителей с возможными авариями на генерирующих и промежуточных подстанциях.

В рамках данной работы не рассматриваются системы релейной защиты и противоаварийной автоматики. Также не затрагиваются вопросы, связанные передачей данных по сетям низкого (220, 380 В) и среднего напряжения (6-И 0 кВ). При некоторых допущениях возможно использование результатов работы применительно и к сетям данных классов напряжения.

В последние годы значительно выросли скорость и объемы передаваем ых данных, необходимых для функционирования энергетических объектов. Например, требуется проводить учет потребленной электроэнергии и параметров сети в реальном времени. Существующая аппаратура в электроэнергетике во многом морально и технически устарела, поэтому для увеличения пропускной способности требуется провести переход от отдельных каналов связи к технологическим компьютерным сетям. Такие каналы могут быть образованы но традиционным средам передачи (BOJ1C, медные и коаксиальные кабели, использование радиоволн). Кроме того, представляется интересным использование нетрадиционной среды передачи (линии электропередачи) при необходимости обмена относительно небольшими объемами информации на немагистральных участках.

Основной задачей диссертации является разработка новых и адаптация существующих методов и моделей преобразования сигналов для построения сетевого адаптера (СА) распределенной ТКС, учитывающего особенности ЭСП. Предлагаемый сетевой адаптер состоит из каналообразующей аппаратуры, цифрового модема на базе КАМ-модуляции, мультиплексора и кодеров различных потоков данных. Предложенный метод проектирования СА, совмещающий аппаратуру каналообразования и цифровой модем, повышает помехоустойчивость системы за счет использования общей системы пилот-сигналов.

Для реализации всех функций СА предложена гибкая многопроцессорная аппаратно-программная архитектура на современной элементной базе, основой которой является шинный интерфейс с блочной реализацией отдельных функций системы

В работе обосновано применение прямого цифрового синтеза и прямого цифрового ввода для построения передающего и приемного трактов. СА строится на базе методов цифровой обработки сигналов (ЦОС) и современной элементной базе.

Предлагаемые способы построения аппаратно-программных средств сетевого адаптера для ЭСП создают основу для разработки каналообразующей аппаратуры систем данного класса, т.к. методы и модели, заложенные в способы построения системы, достаточно универсальны и определяются применением методов ЦОС.

Предложенные и реализованные способы построения аппаратно-программных средств сетевого адаптера и заложенные в них вычислительные модели подтвердили свою эффективность и апробированы в составе аппаратуры ВЧ-связи на реальных каналах связи. Аппаратура связи получила необходимые сертификаты и заключения для эксплуатации в сетях РАО ЕЭС России и стран СНГ.

Перспективной целью данной работы является масштабное внедрение аппаратуры для построения ТКС в электроэнергетике России и стран СНГ, которое обеспечит серьезную альтернативу аппаратуре мировых производителей в этой области: ABB (аппаратура ETL-500 + АМХ (АМХР), Швейцария), Siemens (ESB2000i и Power Link, Германия), Areva (PLC 5000, Франция), Dimat (OPD-2, Испания), Ensico (PLC-42, Словения), TEAMCOM (A.C.E.32, Норвегия), Pulsar Technologies, Inc. (TC-10B, США), BPL Telecom (9505 V3 Power Line Carrier System, Индия), Hiteker Telecom (ZDD-2000D4, Китай).

Основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, создали необходимые теоретические и практические предпосылки для модернизации существующих сетей связи до технологических компьютерных сетей на базе разработанного сетевого адаптера, по своим характеристикам значительно превосходящем известные мировые аналоги.

В диссертационной работе разработан новый способ построения сетевого адаптера для работы по ЭСП, отличающийся от существующих совмещением функций каналообразования, КАМ-модема и мультиплексора на базе многопроцессорной вычислительной системы в диапазоне частот до 1000 кГц согласно рекомендации МЭК 60495. Преимуществами данного способа построения СА являются более высокая тактовая частота модема и совмещенная синхронизация всех функций системы повышающая работоспособность в условиях ЭСП. Разработанный способ базируется на выделенном частотном канале синхронизации и обеспечивает скорость передачи до 19.2 кбит/с в полосе 4 кГц высокочастотного канала связи.

Предложенный способ построения передающего тракта базируется на прямом цифровом синтезе и предложен способ ее реализации на базе трех ЦПОС с интерполяцией в 625 раз до частоты 5 МГц на базе двухэтапной интерполяции. Существующее оборудование построено по принципу фильтрации на промежуточной частоте на аналоговых элементах, что приводит к нестабильности характеристик и отсутствию повторяемости.

Полностью цифровой способ построения приемного тракта и демодуляции сигналов в полосе до 1 МГц обеспечивает динамический диапазон в 105 д!> за счет последовательной трехэтапной децимации с высокой разрядностью обработки, а также уникальные характеристики избирательности и повторяемости, значительно превышающая характеристики существующих аналогов. Кроме того, исключение аналоговых элементов приемно-передающего трактов повышает технологичность производства аппаратуры.

Произведен анализ ошибки вычислений при цифровой обработке сигналов в зависимости от разрядности фильтров в передающем и приемном трактах для оптимизации аппаратной и программной сложности алгоритмов обработки.

Предложенный способ построения сетевого адаптера для ЭСН минимизирует время задержки в тракте, что очень важно для речевых телефонных каналов.

В результате анализа существующего способа построения сетевого адаптера предложена новая архитектура на базе гибкого шинного интерфейса, позволяющего создавать масштабируемую аппаратуру с наращиванием рабочей полосы частот, а значит и увеличением объема передаваемых данных в ТКС. Кроме того, данный способ упрощает поиск и локализацию неисправностей при производстве и эксплуатации.

Разработан универсальный способ кодирования асинхронных кодонезависимых источников данных со скоростями от 100 до 1200 бит/с для передачи в синхронном формате мультиплексора.

Предложенные и разработанные модели преобразования сигналов в сетевом адаптере, а также способ построения проверены на базе опытных образцов аппаратуры ВЧ-связи «АВС-ЦМ» как на стендовых испытаниях, так и па реальных линиях.

В настоящее время успешно эксплуатируется несколько участков ТКС на базе сетевого адаптера в ОАО «Колэнерго» (ГЭС-2 - ГЭС-3), в ОАО «Чуваш-энерго» (канал Шумерля - Абашево- Батырево - Канаш), в ОАО «Вологдаэпср-го» (канал Великий Устюг - Полдарса). Подготовлен и начат серийный выпуск аппаратуры для внедрения на энергетических объектах России и стран СНГ.

Аппаратура ВЧ-связи «АВС-ЦМ» неоднократно экспонировалась международных выставках «Ведомственные и корпоративные сети связи» 2000-2005 гг. и «Энерогосвязь» 2000-2003 гг. Аппаратура прошла межведомственную комиссию на базе ВНИИЭ, получила экспертное заключение ФСК «ЕЭС России» и рекомендована для применения в энергосистемах России.

Заключение

1. Брауде, Л.И. Исследование передачи дискретной информации по ВЧ каналам по ЛЭП / Л.И. Браудэ, В.А. Харламов, Ю.П. Шкарин // Аппаратура ВЧ-связи по ЛЭП 35-750 кВ: информ. материалы Международ, науч.-тсхн. семинара, г. Москва, 19-23 февр. 2001 г. М., 2001.

2. Брауде, Л.И. Аппаратура ВЧ связи, поступающая в энергосистемы РАО "ЕЭС России" / Л.И. Браудэ, Ю.П. Шкарин // Аппаратура ВЧ-связи по ЛЭП 35-750 кВ: информ. материалы Международ, науч.-техн. семинара, г. Москва, 19-23 февр. 2001 г.-М., 2001.

3. Брауде, Л.И. Концепция развития ВЧ связи в электроэнергетике России / Л.И. Браудэ, С.И. Глушко, B.C. Скитальцев// Аппаратура ВЧ-связи по ЛЭП 35-750 кВ: информ. материалы Международ, науч.-техн. семинара, г. Москва, 19-23 февр. 2001 г. М., 2001.

4. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. М.: Наука, 1981. - 718 с.

5. Вершков, С.А. Оценка необходимой точности коэффициентов адаптивного фильтра / С.А. Вершков, Ю.В. Назаров // Изв. ТЭТУ. Сер. Информатика, управление и компьютер, технологии. СПб., 2004 .- Вып.1. - С.40-43.

6. Вершков, С. А. Реализация эхокомпенсатора в аппаратуре специальной связи АЦВС-1000 / С.А. Вершков, Ю.В. Назаров // Изв. ГЭТУ. Сер. Информатика, управление и компьютер, технологии. -СПб., 2004. Вып.2. - С.54-58.

7. Вершков, С. А. Способы построения эхокомпенсатора речевого телефонного сигнала / С.А. Вершков, Ю.В. Назаров // Изв. ГЭТУ. Сер. Информатика, управление и компьютер, технологии. -СПб., 2003-Вып.4.-С.34-37.

8. Верещагин, А.В. Цифровая сотовая система подвижной радиосвязи стандарта GSM / А.В. Верещагин: учеб. пособие СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2000 г. - 158 с.-Библиогр.: 71 назв.

9. Горохов, С.С. Разработка способов построения аппаратно-программных средств модемов телемеханики и цифровой связи промышленного назначения: дис. . канд. техн. наук: 05.13.05 / Горохов, Станислв Сергеевич. -СПб., 2001.-203 с.

10. Горохов, С.С. Многоуровневая синхронизация в системах ВЧ-связи / С.С. Горохов, А.С. Гудков, Ю.В. Назаров// Регионал. информатика. РИ2000: тез. докл. VII Санкт-Петербур. междунар. конф., г. Санкт-Петербург, 5-8 дек. 2000 г. СПб., 2000. - Ч. 1. - С. 51.

11. Гудков А.С. Методы и модели построения цифровых систем передачи интегрального потока данных в сетях связи промышленного назначения: Дис. . канд. техн. наук : 05.13.13 / СПб., 2002.- 173 с.

12. Золотарев, В.В. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы: Справочник / В.В. Золотарев, Г.В. Овечкин; под ред. чл.-кор. РАН Зубарева Ю.Б. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 123 с. - Библиогр: 62 назв.

13. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы / Г. Корн, Т. Корн. М: Наука, 1974. -831 с.

14. Котельников, В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости /

15. B.А. Котельников; -М.: Радио и связь, 1998. 151 с.

16. Малышев, А.И. Специальные измерения высокочастотных каналов по линиям электропередачи : Учеб. для энерг. и энергостроит, техникумов. / А.И. Малышев, Ю.П. Шкарин -М.: Энергоатомиздат, 1990 334 с.

17. Микуцкий, Г. В. Высокочастотная связь по линиям электропередач / Г.В. Микуцкий, B.C. Скитальцев М.: Энергия, 1987 - 447 с. - Библиогр: 49 назв.

18. Назаров, Ю.В. Способы преобразования сигналов и структура приемопередающего тракта сетевого элемента промышленных сетей связи на базе физической среды линий электропередачи. / Ю.В. Назаров, В.К. Шмидт;

19. C.-Петерб. гос. электротехн. ун-т им. В.И. Ульянова (Ленина) "ЛЭТИ". -СПб, 2002. 30 е.: ил. - Библиогр.: 3 назв. - Деп. в ВИНИТИ 19.07.2002, № 1362-В2002.

20. Отчет по расследованию аварии в ЕЭС России, произошедшей 25.05.2005, открытое акционерное общество энергетики и электрификации РАО "ЕЭС РОССИИ" // http://www.rao-ees.ru.

21. Романов, С.Б. Цифровые речевые ВЧ каналы // http://www.etl500.ru.

22. Руководство пользователя по сигнальным микропроцессорам семейства ADSP-2100 / М-во общ. и проф. образования РФ. Санкт-Петербурге, гос. электротехн. ун-т; Пер. с англ. О.В. Луневой. СПб. : СПбГЭТУ, 1997. - 518 с.

23. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Б.Скляр 2-е изд, испр.: пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2004.-1104 с.

24. Помехоустойчивость и эффиективность систем передачи информации / под ред. А.Г. Зюко, М.: Радио и связь, 1985 272 с. - Библиогр: 201 назв.

25. Статистическая теория связи и ее практические приложения / под ред. Б. Р. Левина, М.: Связь, 1979.-288 с. -Библиогр: 510 назв.

26. Теория информации и кодирование / Б.Б. Самсонов и др. Ростов н/Д: Феникс, 2002.-288 с.

27. Харкевич, А.А. Очерки общей теории связи / А.А. Харкевич М.: Гос. изд. техн.-теоретической литературы, 1955. - 266 с.

28. Шатт, С. Мир компьютерных сетей / С. Шатт: пер. с англ. Киев: BHV, 1996.-288 с.

29. Шкарин, Ю.П. Высокочастотные тракты каналов связи по линиям электропередач / Ю.П. Шкарин М.: Энергопрогресс, 2001.

30. ADSP -2100 Family user's manual Norwood: PRENTICE HALL, 1994.

31. Digital signal processing application using the ADSP-2100 family by The Application Engineering Staff of Analog Devices, DSP Division / Edited by Amy Mar Norwood: PRENTICE HALL, 1992.

32. IEC Publication 60495, second edition, Sept. 1993, Single sideband power-line carrier terminals

33. ITU-T Recommendation G.729: Coding of Speech at 8 kbit/s Using Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction Geneva : ITU-T, 1996.

34. Kester, W. High Speed Design Techniques / W. Kester Norwood: Prenticc Hall, 1996.

35. Kester, W System Application Guide / W. Kester Norwood: Prentice Hall, 1993

36. Massey, T. DSP Solutions for Telephony and Data/Facsimile Modems. Application Book / Tim Massey Ramesh Iyer, 1997.

37. PLC5000 универсальное устройство ВЧ-связи по проводам ЛЭП. Общие спецификации PLC. PTC-PLC5K-E-TS-001: Версия Е. Документация фирмы Areva // www.areva-td.com.

38. Report on digital power line carrier, CIGRE, Technical Brochure Ref. No: 164, WG 35.09, 2000.

39. Sanders, Miriam P. Power Line Carrier Channel & Application Considerations For Transmission Line Relaying / Miriam P. Sanders, Roger E. Ray Pulsar Document Number C045-P0597,1997.

40. Smith, Steven W. The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, Second Edition / Steven W. Smith San Diego: California Technical Publishing, 1999-650 c.

41. Mujcic A, Suljanovic N, Zajc M, Tasic J.F. Corona noise on the 400 kV overhead power line measurements and computer modeling, University of Ljubljana, Faculty of Electrical Engineering, Digital Signal Processing Laboratory.