автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование линейных трактов передачи высокочастотных сигналов по высоковольтным кабелям

Введение

1. Анализ состояния вопроса и задачи научного исследования.

1.1.Общая характеристика электроэнергетических сетей.

1.2.Сущность проблемы. Постановка задачи научного исследования.

2. Математическое моделирование модальных каналов.

2.1.Исследование условий распространения электромагнитных волн по кабельным линиям (на основе применения модальной теории).

2.2.Разработка общей модели канала одномодального распространения.

2.3.Модель одномодального канала с учетом спиральности жилы и градирования изоляции.

2.4.Учет полупроводящих, металлических экранов и спиральности оболочки.

2.5.Модель двухмодального канала распространения.

2.6.Учет полупроводящих экранов при двухмодальном распространении волн.

Выводы.

3. Разработка методов расчета параметров ВЧ-тракта передачи информации по высоковольтным кабельным линиям.

3.1. Исходные положения.

3.2. Матричный метод расчета параметров ВЧ-тракта.

3.3. Упрощенный метод расчета параметров однородной кабельной линии с одно- и двухмодальным распространением волн.

3.4. Расчет параметров линейного ВЧ-тракта передачи по неоднородным кабельным линиям и сопоставление с результатами измерения.

Выводы.

4. Практическая реализация инженерной методики расчета волновых параметров высоковольтных кабелей.

4.1. Расчет волновых параметров кабелей 6 кВ с поясной изоляцией.

4.2. Расчет волновых параметров маслонаполненных кабелей

110, 220 кВ среднего и высокого давления.

4.3. Сопоставление расчетных значений волновых параметров высоковольтных кабелей с результатами эксперимента.

Выводы.

Актуальность работы. Уровень развития систем передачи информации в значительной степени определяет надежность и эффективность работы любой отрасли народного хозяйства. Особую актуальность вопросы оперативного управления и передачи телеметрических сигналов имеют для действующих в стране систем электроснабжения. Наиболее распространенным видом связи в отечественных энергосистемах является в настоящее время высокочастотная (ВЧ) связь по воздушным линиям электропередач [8, 9, 10].

Менее исследованной остается область использования высоковольтных кабельных линий для каналов ВЧ-связи. Это обусловлено как недостаточной изученностью особенностей структуры и конструкции кабельных сетей для распространения ВЧ-сигналов, несущих информацию, так и отсутствием достаточно простых инженерных методов аналитического расчета параметров ВЧ-трактов передачи телеметрических сигналов по кабельным высоковольтным линиям. Вместе с тем большая распространенность кабельных линий представляет наибольший интерес для организации новых ВЧ-каналов передачи информации разного назначения. С появлением современных автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии это применение получает значительный экономический вес.

В связи с этим актуальна задача исследования условий распространения электромагнитных волн высокой частоты по кабельным линиям напряжением 6-500 кВ и научное обоснование методики расчета параметров линейных трактов передачи телеметрических сигналов по этим линиям.

Данная задача имеет важное технико-экономическое значение, определяемое снижением затрат на прокладку специальных линий связи, совершенствованием систем диспетчерского управления, телемеханики и автоматизации технологических процессов.

Целью работы явились исследования и разработка методов математического моделирования и расчета параметров высокочастотных трактов передачи информации по высоковольтным кабельным линиям.

Основными задачами научного исследования, решенными в работе, для достижения поставленной цели, явились:

1. Анализ современного состояния вопросов применения кабельных высоковольтных линий для передачи информации на уровне распределительных сетей.

2. Исследование условий распространения электромагнитных волн высокой частоты по кабельным линиям 6 — 500 кВ.

3. Разработка математических моделей каналов распространения электромагнитных волн по высоковольтным кабелям для расчета первичных и волновых параметров.

4. Обоснование алгоритмов и методов расчета параметров линейного ВЧ-тракта передачи информации по кабельным линиям.

5. Разработка инженерной методики определения параметров ВЧ-тракта передачи по однородным и неоднородным высоковольтным кабельным системам различной конфигурации.

Методика исследований основывалась на использовании методов теории линейных электрических цепей и электромагнитного поля, теории многополюсников, методов матричной алгебры, практики конформных отображений, теории подобия и моделирования.

Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и алгоритмов, реализованных в «Универсальной программе расчета волновых параметров модели высоковольтных кабелей», разработанной с участием автора. Сопоставление расчетных данных с результатами эксперимента произведено с использованием методов математической систематики и теории вероятностей.

Научная новизна работы:

Разработаны математические модели одно- и двухмодальных линейных трактов передачи информации по высоковольтным кабелям.

Выявлена зависимость параметров ВЧ-трактов по однородным и неоднородным кабельным линиям от особенностей их конструктивного исполнения. Обоснован алгоритм и предложены вычислительная схема и программа расчёта параметров передачи линейных ВЧ-трактов. Знание параметров позволит правильно выбрать диапазон рабочих частот при проектировании и организации ВЧ-каналов в каждом конкретном случае.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов расчета параметров ВЧ-трактов передачи информации с учетом конструктивных особенностей кабельных линий; универсальной программы расчета первичных и волновых параметров высоковольтных кабелей, позволяющей достаточно полно учесть конструкцию кабелей; инженерной методики определения параметров ВЧ-трактов кабельных линий ориентированной на использование ЭВМ и позволяющей создавать эффективные системы передачи информации без дополнительных материально-технических затрат на организацию линий связи.

Реализация полученных результатов. Работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР №№ государственной регистрации 01.9.20.000022, 01.86.0013280, 01.86.0013750, 01.940009028 «Автоматизация и электрификация процессов и установок металлургической и горнодобывающей промышленности» и в соответствии с договором о творческом содружестве с рудником «Заполярный» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» по теме: «Исследование способов образования каналов передачи информации по кабельным сетям электроснабжения промышленных предприятий и рудников». Опытная реализация систем ВЧ-связи по кабельным распределительным сетям 6-10 кВ промышленных предприятий (на заводе «Электросила» в Санкт-Петербурге, на Котласском ЦБК, на руднике «Заполярный» в г. Норильске) подтвердила их пригодность для организации достаточно надежных каналов передачи информации.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 22 печатных работах. Результаты научно-исследовательских работ разработаны и изложены в 4 отчетах по НИР, в которых автор являлся ответственным исполнителем, получено 1 авторское свидетельство.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс исследований по теории распространения высокочастотных электромагнитных волн по кабельным линиям.

2. Математические модели модальных каналов распространения электромагнитных волн напряжения (тока) по высоковольтным кабелям.

3. Алгоритм и методы расчета параметров линейного ВЧ-тракта передачи информации.

4. Инженерную методику определения параметров ВЧ-тракта по однородным и неоднородным кабельным линиям различной конструкции.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы из 106 наименований и 5 приложений. Общий объем 172 страницы, 32 рисунка и18 таблиц.

Выводы

1. С целью практической реализации разработанной инженерной методики выполнены расчеты волновых параметров высоковольтных кабелей и сопоставлены с результатами экспериментальных исследований.

2. Установлено, что для кабеля 6 кВ с поясной изоляцией полупроводящий экран существенно влияет на волновые параметры, особенно на коэффициент затухания передачи. Возможно его увеличение на 50-^60%.

3. Определено, что для маслонаполненных кабелей 110 кВ среднего давления полупроводящие экраны увеличивают коэффициент затухания на 50%. При учете спиральности жилы волновое сопротивление увеличивается на 1,5%, а затухание от 25 до 40% в диапазоне частот от 50 до 500 кГц. Градирование изоляции уменьшает емкость и проводимость кабеля на 7%, фазовый коэффициент на 3,5%, а волновое сопротивление увеличивается на 3,5%.

4. Найдено, что для маслонаполненных кабелей 220 кВ высокого давления волновое сопротивление имеет активную составляющую. Учет спиральности оболочки увеличивает волновое сопротивление и фазовый коэффициент на 20%, а коэффициент затухания в 3,8 раза в частотном диапазоне 50-f-500 кГц.

5. Разработана методика экспериментального определения волновых параметров, определен диапазон рабочих частот, предложены измерительные схемы.

6. Сопоставление расчетных значений волновых параметров высоковольтных кабелей с результатами эксперимента показало:

- для кабелей СБ 3x70 6 кВ расчетные и экспериментальные значения расходятся в пределах 7%;

- для маслонаполненных кабелей 110 кВ МССА с сечением жилы 270 мм2 удовлетворительная сходимость результатов (8%);

- для маслонаполненных кабелей МВДТ 220 кВ высокого давления расхождение не превышает 5%, что подтверждает приемлемость предложенного метода расчета.

Заключение

Форсированное развитие энергетической промышленности обуславливает необходимость проведения всесторонних исследований по обеспечению надежной работы электроустановок. Одним из важнейших вопросов, стоящих перед исследователями, является вопрос разработки эффективных методов расчета параметров высокочастотных трактов передачи информации по высоковольтным кабельным системам. Данная задача имеет важное технико-экономическое значение.

Целью работы явились исследования и разработка методов математического моделирования и расчета параметров высокочастотных трактов передачи информации по высоковольтным кабельным линиям.

В результате проведенных исследований:

1. На основе математического моделирования выполнен анализ способов образования ВЧ-трактов передачи сигналов на основе математического моделирования модальных каналов с учетом особенностей кабельных сетей.

2. Поставлены и решены задачи математического моделирования одно- и двухмодальных каналов распространения электромагнитных волн по высоковольтным кабелям. Выявлена зависимость параметров ВЧ-трактов по однородным и неоднородным высоковольтным кабельным линиям от особенностей конструкции кабеля.

3. Предложена инженерная методика расчета входного сопротивления и затухания передачи по однородным и неоднородным кабельным линиям, реализованная на ЭВМ с применением универсальной программы.

4. Усовершенствованы математическая модель высоковольтных кабелей, вычислительная схема, предложена программная реализация алгоритма расчета.

5. Сопоставление полученных расчетных значений волновых параметров высоковольтных кабелей с результатами эксперимента показало хорошую

149 сходимость сравниваемых результатов, что подтверждает достоверность выводов.

6. Полученные результаты (коэффициент затухания а, модуль ZB и аргумент фв волнового сопротивления, коэффициент фазы (3) содержат конкретный материал для проектирования высоковольтных каналов передачи информации по магистральным ЛЭП с кабельными вставками и по кабельным распределительным сетям электроэнергетики и электроснабжения городов, промышленных предприятий и рудников.

7. Разработана с участием автора универсальная программа расчета параметров, которая позволяет учитывать различные конструктивные факторы кабельных линий.

8. Результаты внедрены и опробованы на кабельных распределительных сетях 6-10 кВ промышленных предприятий (на заводе «Электросила», г. Санкт-Петербург, на Котласском ЦБК, на руднике «Заполярный», г. Норильск). При рациональном выборе рабочих частот можно организовать достаточно надежные и сравнительно недорогие каналы передачи служебной и телемеханической информации.

1. Электротехнический справочник. Производство, передача и распределение электрической энергии. Т.З.кн.1 / Под ред. В.Г.Герасимова, П.Г. Грудин-ского и др. - М.: Энергоиздат, 1982. - 656 с.

2. Уиди Б.М. Кабельные линии высокого напряжения: Пер. с англ. М.: Энергоиздат, 1983.-232 с.

3. Белоруссов Н.И. и др. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник / Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева. -М.: Энергоатомиздат, 1987.-536 с.

4. Справочник по проектированию электроснабжения/ Под ред. Ю.Г. Барыкина и др. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.

5. Кудрин Б.И., Прокопчик В.В. Электроснабжение промышленных предприятий. Мн.: ВШ, 1988. - 357 с.

6. Справочник по проектированию электросетей в сельской местности/ Под ред. П.А. Каткова и В.И. Франгуляна. М.: Энергия, 1980. - 352 с.

7. Справочник по проектированию систем передачи информации в энергетике / Под ред. В.Х. Ишкина. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 264 с.

8. Костенко М.В. и др. Волновые процессы и электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения/ М.В. Костенко, JI.C. Перельман, Ю.П. Шкарин. М.: Энергия, 1973. - 272 с.

9. Микуцкий Г.В., Шкарин Ю.П. Линейные тракты каналов ВЧ связи по ЛЭП. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 200 с.

10. Ишкин В.Х., Шкарин Ю.П. Расчет параметров высокочастотных трактов по линиям электропередач/ Под ред. А.И.Перова М.: Издательство МЭИ, 1999 г.-122 с.

11. Андреев В.А. Релейная защита, автоматика и телемеханика в системах электроснабжения. М.: ВШ, 1985.-391 с.

12. Владимирова Г.И., Сиделъников В.В. Высокочастотная связь в энергосистемах/ Серия энергетика за рубежом. М.-Л.: Энергия, 1965. - 85 с.

13. Костенко М.В. Распространение синусоидальных колебаний по трехпро-водной линии с горизонтальным расположением проводов// Электричество. 1953. - №8. - С.1-8.

14. Быховский Я.Л. Экспериментальное исследование ВЧ параметров линий электропередачи 750 кВ/ Я.Л. Быховский, Г.В. Микуцкий и др. // Электричество. 1968. - №12. - С.9-15.

15. Микуцкий Г.В. Экспериментальное исследование ВЧ параметров ЛЭП 750 кВ Днепр Донбасс/ Микуцкий Г.В., Шкарин Ю.П.// Электрические станции. - 1975. - №5. - С.60-65.

16. Костенко М.В. Параметры трехфазных не транспонированных линий электропередачи/ Костенко М.В., Сидельников В.В., Шкарин Ю.П.// Электрические станции. 1964. - №7. - С.67-71.

17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1967. - 575 с.18