автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Методы увеличения скорости передачи информации в синхронных тональных каналах связи в распределительных электрических сетях среднего и низкого напряжения

На правах рукописи

РГК од

1 7 КЮЛ 2000

ХАРЛАМОВ Василий Анатольевич

МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В

СИНХРОННЫХ ТОНАЛЬНЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО И НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Специальности 05.12.17 - «Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства» 05.12.13 - «Системы и устройства радиотехники и связи»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2000

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических систем Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель -

кандидат технических наук доцент Борисов В.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Карташев В.Г., кандидат технических наук Измайлова Э.И.

Ведущая организация -

Открытое акционерное общество Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского

Защита состоится " 29 " июня 2000 г. в Л§_ ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета К-053.16.13 в Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17, аудитория А-402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу:

111250, Москва, Красноказарменная улица, 14. Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан МОЯ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент, кандидат технических наук

Курочкина Т.И.

Общая характеристика работы.

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 стимулирует 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 ВЧ технологии передачи информации по ЛЭП распредсетей и на их основе реализована аппаратура передачи информации.

Основная проблема реализации ВЧ систем передачи данных по ЛЭП распредсетей в России связана с тем, что отечественные электри-

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:

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.

Методы исследования. В работе использованы методы статистического анализа, спектральный анализ сигналов, моделирование и расчеты на ЭВМ, программирование микропроцессорных устройств.

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-Ю"2 до 3-10"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 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.

Содержание работы.

Во введении обусловлена актуальность выбранной темы. Дан краткий обзор известных результатов, сформулированы цели и задачи исследования.

В первом разделе рассмотрены 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 (единицы бит/с) между диспетчерским пунктом (ДП) и контролируемыми пунктами (КП). В то же время, существующие каналы телемеханики в электросетях среднего и низкого напряжений реализованы прокладкой или арендой кабельных линий связи

между ДП и каждым КП. В качестве альтернативного решения приведены преимущества использования ЛЭП.

В зависимости от диапазона частот, используемого для передачи сигналов, каналы связи по ЛЭП распредсетей разделяют на ВЧ каналы, использующие частоты от 3 кГц и выше, и тональные каналы в диапазоне 0.2-3 кГц.

ВЧ каналы связи по ЛЭП позволяют обеспечить передачу информации со скоростью от нескольких кбит/с до Мбит/с в зависимости от используемой полосы частот. В распредсетях среднего и низкого напряжения ЛЭП обладают неравномерными частотными характеристиками затухания и спектральными характеристиками шума, которые могут существенно изменяться в зависимости от изменений схемы энергетических связей и нагрузки электросети. Для обеспечения требуемой помехозащищенности приема, модемы должны адаптироваться к быстрым изменениям указанных характеристик. Кроме того, устройства присоединения должны содержать высоковольтные элементы, рассчитанные на напряжение линии. Таким образом, использование высокоскоростных ВЧ каналов связи в качестве каналов телемеханики далеко не всегда экономически оправдано из-за высокой стоимости каналообразующего оборудования.

Это делает привлекательным в распредсетях среднего и низкого напряжения тональных частот для каналов телемеханики. Сигналы в диапазоне частот до 500 Гц имеют стабильные коэффициенты передачи в распределительных сетях среднего и низкого напряжения при изменениях нагрузки и изменениях схем энергетических связей. Возможен ввод и съем сигналов в цепях низкого напряжения, которые имеются на всех КП, что обуславливает невысокую стоимость устройств присоединения.

Основными помехами приему в данном диапазоне частот являются гармоники электрической сети. СТКС, в которых частоты сигналов привязаны к промышленной частоте сети, позволяют полностью подавить гармоники электрической распределительной сети в приемном устройстве. Например, при рабочей частоте fs=б.5Гc, где /с - промышленная частота сети можно полностью подавить гармоники, умножив входной

сигнал на опорные квадратурные сигналы е и проинтегрировав за

два периода сети (2ГС). Для одной из близлежащих гармоник с частотой 7/Ь, амплитудой иы и фазой <ры

2тс

иоьт = / и, со5(2/г7/г/-^.у2"^'гЛ =

о

= и у (Л2пП^рк) с,(-?ч)\ Цх I .(2*-*ч) -.<-»\.Л=0 т

54/л^Л 1 2,4с ()

Для полезного сигнала с частотой 6.5/Ь, амплитудой и и фазой <р

сигналы на выходе интеграторов

2/(.

0,„л = ¡исо4Ъгв.5/(.Г-<р)е'2'"'>/''(1г = иТ(.е,г = иТссо$<р+1иТс%\п<р (2)

о

В уже эксплуатируемом оборудовании СТКС в сеть вводятся сигналы напряжением 0.05% от напряжения сети.

Проведенный анализ различных способов передачи технологической информации в распредсетях среднего и низкого напряжения с точки зрения простоты реализации, стоимости и ЭМС показал, что использование СТКС по ЛЭП является одним из наиболее эффективных решений по сравнению с другими видами передачи информации.

Недостатком эксплуатируемого оборудования СТКС является низкая скорость передачи информации 2.5 бит/с, что не всегда достаточно для телемеханизации распредсетей.

Во втором разделе рассмотрены специфические особенности СТКС, помехи приему, предложены сигналы и методы их приема для повышения скорости передачи информации и проанализирована 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. Использование обладающих высокой надежностью и КПД ключевых тиристорных схем в выходном каскаде передающего устройства, формирующего в существующей аппаратуре сигналы АМ с паузами между сигналами, не позволяет реализовать сигналы, в которых одновременно осуществляется манипуляция амплитудой и фазой.

Для анализа возможности увеличения модуляционной скорости сигналов и соответственно скорости передачи информации проведены экспериментальные исследования в реальной распределительной сети 10/0.4 кВ. При проведении эксперимента для получения статистических характеристик помех производилась регистрация превышения сигналами на выходе интеграторов заданного порога в отсутствии сигналов с КП. Отмечено, что уровень помех в ночные часы и нерабочие дни недели невысок. Однако в дневное время суток зафиксированы периоды, когда помехи практически постоянно превышали пороговый уровень. Так как гармоники сети в СТКС подавляются полностью, данный факт можно объяснить наличием модуляции у гармоник сети, Поэтому для увеличения скорости передачи информации:

1. нежелательно увеличивать модуляционную скорость, т.к. это

приведет к необходимости увеличения полосы пропускания приемного устройства и, следовательно, ухудшит подавление помех в областях гармоник сети;

2. необходимо обеспечить высокое подавление спектральных составляющих в областях гармоник сети.

Для увеличения скорости передачи информации предложено использовать сигналы 8ФМ с паузами между сигналами. Передача информации осуществляется пакетами. Амплитуда сигналов СТКС с фазовой манипуляцией показана на рис.1. Передатчик КП формирует стартовый сигнал, относительно которого задаются фазы сигналов.

40Т,- ХТ,- 16Т,- ХТ,- 16Т,- ХТ,- 16Т,- хт, к.т,

-!- .1 -

Стартовый сигнал ф* Ф? Ф1 Ф<

Рис.1

На рис.2 приведена предложенная структурная схема цифрового приемного устройства СТКС сигналов с фазовой манипуляцией с использованием квадратурной обработки.

Рис.2

Анализ приемного устройства производится при следующих условиях:

1. частоты сигналов, формируемых передающим устройством, идеально привязаны к частоте сети;

2. частоты квадратурных опорных сигналов равны частоте принимаемого сигнала и, следовательно, таюке привязаны к частоте сети;

3. частота дискретизации привязана к частоте сети, и, кроме того, кратна ей ./„ = К-

Если в качестве ФНЧ используется скользящее интегрирование со сбросом с временем накопления 87с (периодов сети), что при цифровой обработке сигналов соответствует суммированию по 8К, то для полезного сигнала с частотой амплитудой и и фазой (р выходной сигнал

КА~|

приЛ =(//16) /;., где /- целое число, и /ч((а/2)- /;.

При воздействии т-ной гармоники сети с амплитудой 1)ы и фазой <Ри выходной сигнал при накоплении по 8К отсчетам

о 01.7 = со5(2ЛТп/гТ„П - СП, У1™» = 0 (4)

и-«

для Л = (//8)./,., где / -целое число, и всех гармоник сети.

Показано, что при этом отсчеты квадратурных опорных сигналов можно формировать считыванием из заранее заданной таблицы при выполнении условия кратности частоты дискретизации частоте сети, что уменьшает требования к производительности вычислительного устройства.

Децимация на выходе ФНЧ производится для уменьшения требований к производительности вычислительного устройства.

Амплитуда сигнала на выходе квадратурных интеграторов приведена на рис.3.

40ТС 8Тс 16ТС 8ТС 16ТС 8ТС 16ТС 8ТС 16ТС 8ТС

Если амплитуда сигнала превышает заданный порог, то пороговое устройство выдает сигнал, по которому вычислительное устройство считывает квадратурные составляющие сигнала. Дальнейшая обработка зависит от того, принят ли стартовый сигнал или нет.

Как видно из рис.3, на выходе скользящего интегратора между всеми сигналами присутствует пауза. Критерием, по которому осуществляется принятие решения о приеме стартового сигнала, является превышение порога в течение заранее заданного времени.

После приема стартового сигнала при каждом сигнале превышения порога от порогового устройства считается, что принимаются ФМ сигналы и их квадратурные составляющие запоминаются. Если с периодом, равным длительности сигналов не наблюдается наличия минимумов в выходном сигнале скользящих интеграторов, то прием ФМ сигна-

лов прекращается и приемное устройство переходит к обнаружению стартового сигнала.

Таким образом, в вычислительном устройстве содержатся квадратурные составляющие стартового сигнала (Ре^ и 1т3() и ФМ сигнала (Яе и 1т). Вычислительное устройство осуществляет поворот вектора ФМ сигнала на угол соответствующий вектору стартового сигнала, т.е. для ФМ сигналов формируется своя система координат, отличная от системы координат опорных напряжений, основой для которой служит вектор стартового сигнала. Таким образом, в новой системе координат фаза стартового сигнала равна нулю. В новой системе координат квадратурные составляющие ФМ сигнала:

г> - г> 1*е*, , 1т

Ие = Яе- -====¿2===== + 1т- . ^ Л/

л.,"+ 1тЛ("

1т =-Ие- , •' ^ + 1т- , ^ л' (5)

Решение, какой сигнал из ансамбля принимается, осуществляется поиском минимального евклидова расстояния между полученными координатами Яе' и 1т' и исходными координатами всех сигналов.

Для увеличения степени подавления боковых составляющих модулированных гармоник сети предложено использовать интегрирование со взвешиванием. Критерии, по которым производился выбор оконной функции из уже известных, следующие:

1. эквидистантное расположение нулей АЧХ интеграторов;

2. минимальный уровень боковых лепестков и быстрый их спад;

3. максимальная полоса подавления в областях нулей АЧХ;

4. наличие ярко выраженного минимума в выходном сигнале интеграторов для контроля наличия паузы между сигналами.

Показано, что приведенным критериям удовлетворяет окно Ханна, которое описывается выражением

( (1 "И

и(/)= 1 + с<Ц - к (6)

Ч V 11 ))

где Г,-время интегрирования.

Использование весового интегрирования с окном Ханна приводит к расширению основного лепестка АЧХ, что делает необходимым увеличение длительности накопления. На рис.4 приведены АЧХ интегратора без взвешивания с временем накопления 87"с (темная линия) и интегратора с окном Ханна с временем накопления 16ТС (светлая линия), где Тс - период сети, Рс - частота сети. Амплитуда сигнала на выходе квадра-

турных интеграторов с окном Ханна с временем накопления 167"с при воздействии сигналов, показанных на рис.2, приведена на рис.5.

При интегрировании с окном Ханна кроме эквидистантности нулей АЧХ, снижения уровня боковых лепестков и увеличения скорости их спада наблюдается значительное увеличение полосы подавления в областях нулей АЧХ, и сохраняются ярко выраженные минимумы амплитуде выходного сигнала квадратурных интеграторов.

О гсю ?с!а ЗРс/8 Рс/2 ъгс!4

Рис.4

401,. XI, ЮТ,- КГ,- ЮГ, «Г,- ЮГ,- XI'. 1 (> I. кг,

Проведенные экспериментальные исследования, показали, что при использовании весового интегрирования с окном Ханна вероятность превышения помехами на выходе интегратора порога (0.3 амплитуды сигнала) уменьшилась на три порядка за все время наблюдения (с 2.8-10"2 до 3-10"5). В дневные часы максимальная вероятность превышения порога за час уменьшилась с 8.5-10"1 до 7-10"4. Этот результат можно объяснить только тем, что использование окна Ханна приводит к более эффективному подавлению боковых спектральных составляющих модулированных гармоник сети, что позволило увеличить помехозащищенность приема сигналов 8ФМ по сравнению с АМ при интегрировании без взвешивания. При этом скорость передачи информации увеличилась с 2.5 бит/с до 6.25 бит/с, а вероятность правильного приема пакета возросла с 0.928 (12 бит в пакете) до 0.964 (60 бит в пакете).

Для повышения скорости передачи информации предложено использовать многоканальную систему с частотным разделением каналов в полосе пропускания устройств присоединения. Предложена методика, использующая временную область, для анализа межканальной интерференции. При выборе частот каналов и уровней сигналов учитывалось, что информационная производительность КП трансформаторных подстанций (КП-ТП) ниже, чем у КП распределительных подстанций (КП-РП). Число КП-ТП в распредсети на порядок превышает число КП-РП. Поэтому уменьшение мощности передающих устройств КП-ТП с увеличением длительности их сигналов снижает стоимость системы в целом. Предложенная расстановка частот каналов и уровни сигналов в них приведены на рис.6 (/с - частота сети). Длительности сигналов КП-РП составляют 16ГС, пауз между ними 8Гс, сигналов КП-ТП - 80ТС, пауз между ними 40ТС-и.

мВ "

1(Х> - т -г т

-

(if.- 49f,/X 50Г,/Х 51 Г, /Я 52f,/8 53f, /X 54Г./X 54, /X 7Г,

Рис.6

При квадратурной обработке сигналов КП-РП с окном Ханна и времени интегрирования 16ГС, а сигналов КП-ТП - 80ТС минимальные отношения сигнал/помеха, обусловленные межканальной интерференцией, составляют:

1. 25.2 дБ в канале КП-РП от сигналов соседнего канала КП-РП;

2. 27.5 дБ в канале КП-РП от сигналов соседнего канала КП-ТП;

3. 29.9 дБ в канале КП-ТП от сигналов соседнего канала КП-ТП;

4. 13.3 дБ в канале КП-ТП от сигналов соседнего канала КП-РП.

Полученные результаты были проверены в лабораторных условиях на опытном образце приемного устройства СТКС. Таким образом, использование в приемном устройстве интегрирования с окном Ханна позволят уменьшить уровень межканальной интерференции.

В третьем разделе предложены структурная схема цифровой системы синхронизации частоты дискретизации с частотой сети при приеме

сигналов СТКС и алгоритмы синхронизации. Рассмотрены искажения АЧХ приемного устройства, которые возникают при этом. Под АЧХ приемного устройства подразумевается нормированная к 1 зависимость отношения амплитуды сигналов на выходе квадратурных интеграторов к амплитуде входного сигнала от частоты.

Предложена структурная схема привязки частоты дискретизации к частоте сети, показанная на рис.7, которая реализуется на базе микропроцессорных устройств. В указанной схеме осуществляется обработка не мгновенных значений напряжения сети, а моментов его перехода через ноль.

В предложенной схеме таймер-счетчик 1 осуществляет измерение периода сети, вычислитель делением на коэффициент пропорциональности между частотой дискретизации и частотой сети К вычисляет период дискретизации, загружаемый в таймер-счетчик 0, который формирует сигнал дискретизации. Исходя из предложенного метода приема сигналов СТКС необходимо, чтобы частота дискретизации была кратной частоте сети, т.е. коэффициент К являлся целым числом, и в периоде сети укладывалось К периодов дискретизации.

Рис.7

Каждый период сети осуществляется запись нового значения периода дискретизации. Таймер-счетчик является целочисленным устройством. В результате деления у вычисленного периода дискретизации появляется дробная часть. Таким образом, за счет округления образуется ошибка в определении периода дискретизации (частоты). При округлении до ближайшего целого, максимальная ошибка определения периода дискретизации составляет

где ^-тактовая частота таймера.

В предложенном алгоритме ошибка в определении момента выборки отсчета линейно нарастает в течение периода сети

Д/;, - Д/я (8)

где п=0...(К-1), К-число отсчетов за период. На рис.8 в качестве иллюстрации толстыми метками показаны отсчеты входного сигнала при номинальной частоте дискретизации То=4Тс, а тонкими - реальные с учетом погрешности ДГ. Так как момент выборки нулевого отсчета в каждом периоде сети определен точно, то кроме отличия от требуемой частоты у сигнала дискретизации возникают искажения, периодически повторяющиеся через период сети.

Период сети

Период сети

Рис.8

При входном сигнале

ы(0= ¿/сое (2^7 + (р) (9)

на выходе АЦП формируются отсчеты входного сигнала и„ = 1/ со$(2^Т„п + (р + Д„) (10)

где и - амплитуда сигнала, /« - частота сигнала, Т0 - точное значение периода дискретизации, <р - фаза сигнала, д„=2л/л/Д7"л. - ошибка.

При приеме сигналов производится умножение отсчетов входного сигнала на значения отсчетов квадратурных опорных сигналов е'24"1"", которые заданы в виде таблицы

Проведен аналитический анализ искажений АЧХ, которые возникают как при интегрировании без взвешивания, так и при интегрировании с окном Ханна. АЧХ приемного устройства имеет зависимость от соотношения между фазами входного сигнала и опорных сигналов. При времени накопления I периодов сети и интегрировании с окном Ханна максимальное значение АЧХ описывается

'мГтах ~ М»1г|

-\л

-II | .

ят К(а\ + (о,) Й1П 1Ж(о, + <г>,)

= V 4

ятЛ'йг

(11) (12)

(13)

(14)

] Бт К{(о_ - со,.) Б1п ЬК(о..

А = — и------ ------------

А.. = -•</

и

-и 8

Л =-и

хт(<г» - ' ) ятАо) '

+ Щ, + (о,.) ят /,А.'(л»4

+ ш„ + (о,.) ьтА'^м, + «„) '

А'(<-1) ' \ - - ык - со, ) БШ 1Ж(со - "««)

ят(<г> -л»,.) 5тА'(<и_ - «>»)

г ят К (со - су, ) 5т !.К(со

-со г) $тА.'(<у_ + Л>„ )

( бш К {(о > - + со, ) 51П 1Ж(со ч -<У(г)

(16)

(17)

(18) (19)

8 -со,, +«,. ) 5т/С(о>,-со„ ) '

где со, = /г(/, + )/'„ , <о_ =лсо, - л/чД/ ,шп =л/М .

При определенном соотношении фаз входного и опорных сигналов АЧХ приемного устройства принимает минимальное значение, описываемое при интегрировании при интегрировании с окном Ханна

К|г„ш=К»-|~И-1»| (20)

где А^у и Алу описываются соотношениями 12-19.

На рис.9 представлены максимальные значения АЧХ при приеме сигнала с частотой 6.5/с (/с - частота сети), частоте дискретизации 52/Ь и времени интегрировании с окном Ханна 16 периодов сети: темная линия - ЛТ=0, светлая линия - Д7=10мкс, пунктирная линия - Д7=-10мкс.

7 25Рс 7 5Рс

Из представленных графиков можно отметить, что наличие погрешности приводит:

1. к «перекосу» АЧХ относительно центральной частоты;

2. к «пропаданию» нулей АЧХ и появлению боковых лепестков большого уровня на частотах, разностная частота которых с центральной кратна частоте сети.

Данные искажения не могут повлиять на степень подавления гармоник электросети, т.к. частоты сигналов СТКС не выбирают равными частотам гармоник сети. Однако искажения АЧХ могут ухудшить степень подавления боковых составляющих гармоник электросети и увеличить межканальную интерференцию при частотном разделении каналов.

В результате анализа полученных соотношений показано:

1. уровень боковых лепестков, появившихся в результате неточной синхронизации, нельзя уменьшить увеличением длительности интегрирования;

2. при увеличении частоты дискретизации входного сигнала и заданной тактовой частоте работы таймера-счетчика искажения АЧХ увеличиваются;

3. уровень полезного сигнала на выходе интеграторов в результате неточной синхронизации снижается;

4. при увеличении тактовой частоты таймера-счетчика искажения АЧХ уменьшаются.

Увеличение тактовой частоты устройства приводит к увеличению его стоимости. Поэтому предложено уменьшить степень искажений АЧХ увеличением сложности алгоритма синхронизации, в котором коррекция ошибок осуществляется чаще, чем один раз в течение периода сети. Такую коррекцию можно осуществлять на базе анализа дробной части вычисленного периода дискретизации. При этом отличие частоты формируемых квадратурных опорных сигналов от идеальной остается тем же, но период повторения искажений сигнала дискретизации уменьшается. В процессе работы были получены аналитические соотношения для двух и четырех компенсаций ошибок в течение периода сети.

На рис.10 представлены АЧХ приемного устройства для сигналов с частотой 6.5/с (/с - частота сети) при частоте дискретизации 52/Ь, погрешности определения периода дискретизации ±1 мкс, четырех компенсациях ошибок в течение периода сети и интегрировании с окном Ханна по 16 периодам сети: темная линия - ДТ=0, светлая линия -Д7=1мкс, пунктирная линия - Л7=-1мкс.

К,дБ

3.5Рс 4Яс 4.5Яс 5Рс 5.5Рс 6Рс 6 5Рс 7Рс 7.5Рс ВЯс 8 5Рс ЭЯс 9.5Яс

Рис.10

Предложенная коррекция ошибок позволяет уменьшить не только уровень, но и число возникших из-за неточной синхронизации боковых лепестков АЧХ приемного устройства.

Применительно к СТКС критерии допустимого уровня боковых лепестков, возникающих в результате неточной синхронизации, зависят от расположения частот каналов относительно гармоник сети, взаимного расположения несущих частот и уровня сигналов при частотном разделении каналов.

При четырехкратной коррекции ошибок в течение периода сети, несущей частоте 6.5/Ь, частоте дискретизации 52/Ь, максимальной погрешности формирования периода дискретизации ±1 мкс (тактовая частота таймера 0.5 МГц) уровень возникающих паразитных боковых лепестков АЧХ приемного устройства не превышает -50 дБ.

Основные результаты работы

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 помехозащищен-

ность 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 межканальной 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.

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, уров-

ней напряжения, а также других показателей количества и качества электроэнергии на ТП и РП.

Публикации по теме диссертации.

1. Борисов В.А., Харламов В.А., Здоровцев И.В. Многочастотные синхронные тональные каналы связи в электрических распределительных сетях // Радиотехнические тетради. - 1996. - №12. - С. 47-50.

2. Брауде Л.И., Филиппов A.A., Харламов В.А., Шкарин Ю.П. Исследование передачи дискретной информации по ВЧ-каналам ЛЭП II Электричество. -1999. - №8. - С. 8-11.

3. Харламов В.А. Особенности передачи дискретных сообщений по тональным каналам в электрических распределительных сетях II Радиотехника и электротехника в народном хозяйстве: Тез. докл. ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов вузов России. - М., 1997. - С. 85.

4. Харламов В.А. Синхронизация в синхронных тональных каналах связи в электрических распределительных сетях // Радиотехника и электротехника в народном хозяйстве: Тез. докл. ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов вузов России, Т. 1. -М„ 1998. -С.121.

Псч- л- i ?? ■ _ ______Заказу __

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

/

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Анализ требований, предъявляемых к каналам телемеханики в распределительных электрических сетях среднего и низкого напряжения.

1.2 Каналы телемеханики по линиям электропередачи электрических распределительных сетей среднего и низкого напряжения.

1.3 Основные результаты главы.

2. СИГНАЛЫ СТКС И МЕТОДЫ ИХ ПРИЕМА.

2.1 Специфические особенности сигналов СТКС и методов их приема.

2.2 Критерии выбора сигналов в СТКС.

2.3 Методы формирования и приема сигналов с фазовой манипуляцией в СТКС.

2.4 Использование весового интегрирования при приеме сигналов в СТКС.

2.5 Прием сигналов СТКС в системах с частотным разделением каналов.

2.6 Межканальная интерференция в СТКС с частотным разделением каналов при квадратурной обработке сигналов и интегрировании с окном Ханна.

2.7 Основные результаты главы.

3. СИНХРОНИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ С ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТОЙ СЕТИ ПРИ ПРИЕМЕ СИГНАЛОВ В СТКС.

3.1 Общие требования к устройствам синхронизации с промышленной частотой сети в СТКС.

3.2 Цифровое устройство привязки частоты дискретизации к частоте сети в СТКС.

3.3 Анализ влияния ошибок в определении моментов выборки отсчетов на АЧХ приемного устройства при интегрировании без взвешивания.

3.4 Влияние ошибок в определении моментов выборки отсчетов на АЧХ приемного устройства СТКС при использовании весового интегрировании.

3.5 Анализ алгоритмов работы систем синхронизации, использующих компенсацию накопления ошибки определения моментов выборки отсчетов.

3.6 Основные результаты главы.

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 четырех -КПБ. 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.

1. Митюшкин К.Г., Телемеханика в энергосистемах. М: Энергия, 1975

2. Бурденков Г.В., Малышев А.И., Лурье Я.В., Автоматика, телемеханика и передача данных в энергосистемах. М: Энергоатомиздат, 1988

3. Микуцкий Г.В., Шкарин Ю.П., Линейные тракты каналов высокочастотной связи по линиям электропередачи. М: Энергоатомиздат, 1986

4. Микуцкий Г.В., Скитальцев B.C., Высокочастотная связь по линиям электропередачи. -М: Энергатомиздат, 1987

5. Брауде Л.И., Филиппов A.A., Харламов В.А., Шкарин Ю.П. Исследование передачи дискретной информации по ВЧ-каналам ЛЭП. Электричество, 1999, №8

6. Пономарев А.М. О выборе способа приема сигналов тональной частоты, передаваемых по электрической сети. Электричество, 1974, №4

7. Новелла Л.А., Пономарев A.M., Попов И.Н. Толкачева Е.С., Устюков В.М. Система телесигнализации в распределительных сетях с использованием частот тонального диапазона, Электрические станции, 1975, №5

8. Попов И.Н. Соотношения и закономерности при передаче сигналов тональной частоты по электрическим распределительным сетям. -Электричество, 1973 №11

9. Пономарев A.M. Устройства присоединения для систем телемеханики. Электрические станции, 1978, №7

10. Пономарев А.М. Анализ параметров передачи сигналов тональной частоты по электрическим сетям. Электричество, 1975, №4

11. Бондаренко Л.Г., Стасенко Р.Ф. Характеристики распределительных сетей 10 кВ как канала связи в тональном диапазоне частот. -Электрические станции, 1989, №7

12. Берлин Н.С., Пономарев A.M., Толкачева Е.С., Устюков В.Н. Телемеханический комплекс КТМ-50 для распределительных сетей 6-10 кВ. Электрические станции, 1985, №4

13. Бондаренко Л.Г., Стасенко Р.Ф. Устройство телесигнализации ТСК-10. Энергетика и электрификация, 1989, №2

14. Берлин Н.С., Пономарев A.M., Торбан М.Н., -Асинхронные телеинформационные системы для распределительных электрических сетей, Электричество, 1989, №12

15. Пономарев A.M. О применении циркулярного телеуправления для выравнивания графика электропотребления. Энергетик, 1992, №2.

16. Пономарев A.M., Торбан M.H. Результаты экспериментальных исследований параметров тональных каналов связи с помощью телемеханического комплекса КТМ-50. Электрические станции, 1993, №10.

17. Пономарев А.М., Толкачева Е.С. Фильтр для синхронных тональных каналов связи по электрическим сетям. Электричество, 1994, №6

18. Борисов В.А., Харламов В.А., Здоровцев И.В. Многочастотные синхронные тональные каналы связи в электрических распределительных сетях. Радиотехнические тетради, 1996, №12

19. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатом издат, 1990

20. Кадомская К.П., Карпова Ж.А. Характеристика линейных трактов передачи информации по силовым кабелям распределительных сетей 10 кВ. Электричество, 1998, №3

21. Телеинформационный комплекс для распределительных сетей среднего напряжения. Информационный листок №36-99. Московский городской центр научно-технической информации (МГЦНТИ), 1999

22. Методические материалы по устройству тональных каналов связи в электрических сетях 0.4-110 кВ. ЭНИН, М., 1992.

23. Разработка телеинформационного комплекса для Московской кабельной сети ОАО Мосэнерго. (Этап 1. Исследование области применения передачи информации по электрической сети на тональных частотах в Московской кабельной сети ОАО Мосэнерго). ЭНИН, М., 1996.

24. Разработка телеинформационного комплекса для Московской кабельной сети ОАО Мосэнерго. (Этап 2). ЭНИН, М., 1998.

25. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. -М.: Наука. 1981.

26. Hans Akkermans*, David Healey**, Hans Ottosson***, Report on The Transmission of Data over the Electricity Power Lines. *AKMC, Netherlands; **Spectrum, U K; ***EnerSearch, Sweden, 1998.

27. CELENEC, Signalling on low-voltage electrical installations in the frequency range 3 kHz to 148.5 kHz, EN50065-1 .January 1991

28. Lars Seiander*, Tonny I. Mortensen**, Goran Lindeir, Load Profile and Communication Channel Characteristics of the Low Voltage Power Grid, -*Lund University, Sweden; **NESA A/S, Denmark, 1998

29. Goran Lindell, On Frequency-Hopping and Non-Coherent Reception in PLC Application, Lund University, Sweden 1997

30. Lars Selander*, Tonny I. Mortensen**, Technical and Commercial Evaluation of IDAM System in Ronneby, Sweden, *Lund University, Sweden; **NESAA/S, Denmark 1998

31. Dr. Paul A. Brown, Strategy for the development of DPL Regulation & Standards, NOR.WEB.DPL Ltd, 1998

32. Dr. H.P. Widmer, On the Global EMC Aspect of Broadband Power Line Communications Using the H F Frequency Band Proceedings of On-Line 99 Conference, Düsseldorf, Germany, 2 February 1999

33. John Newbury, William Miller, Potential Communication Services Using Power Line Carriers and Broadband Integrated Services Digital Network, -IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 14, No. 4, October 1999

34. John E. Newbury, Kerry J. Morris Power Line Carrier Systems For Industrial Control Appplications, IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 14, No. 4, October 1999

35. SGS-Thomson Microelectronics, ST7537HST Home Automation Modem Data Sheet, June 1996

36. HTH, PLM-24 Power Line Modem, 1998

37. Philips Semiconductors, TDA5051 Home Automation Modem, Preliminary Specification, March 1997

38. National Semiconductor, LM1893/LM2893 Carrier Current Transceiver Data Sheet, April 1995

39. David Clark, Powerline Communications: Finally Ready for Prime Time?, IEEE Internet Computing, January, February 1998

40. P.A. Brown, Power Line Communication Past Present and Future, -NOR.WEB DPL Ltd, 1999

41. Paul A. Brown, Telecommunication Services and Local Access Provision, IEE Colloquium, 12 January 1996

42. Nigel Linge, Paul Brown, A Multi-Media Architecture Facilitating Advanced Inter-Active Customer Services, Proceedings of 18 Biennial Symposium on Communications, Queen's University, Kingston, Ontario, Canada 1996

43. John Newbury, Technical Developments in Power Line Communications, Open University Manchester, England 1999

44. David Launder, Modelling and Measurement of Radiated Emission Characteristics of Power Line Communications Systems for Standards Development, University of Hertfordshire, Hatfield, Herts, UK 1999

45. Dan Raphaeli*, Evegeni Bassin**, A Comparison Between OFDM, Single Carrier, and Spread Spectrum for high Data Rate PLC, *Tel Aviv University, Israel; **ltran Communicafion, Israel 1999

46. Bernard Goffard, Corinne Boscand, An integrated PLC modem for S-FSK modulation, Alcatel Microelectronics, Belgium 1999

47. Martin Harris, Power Line Communication A Regulatory Perspective, -OTELUK, 1999

48. Holger Philipps, Modelling of Powerline Communication Channels, -Braunschweig Technical University 1999

49. Frederic Petre, Marc Engels, Bert Gyselinckx, Hugo De Man, DMT-based Power Line Communication for The CELENEC A-band, Interuni-versity Micro Electronics Centre (IMEC), Belgium 1999

50. M. Deinzer, M. Stöger, Integrated PLC-Modem based on OFDM, iAd GmbH, Grobhabersdorf, Germany 1999

51. J. Yazdani*, P. Brown**, B. Honary*, Powerline in-house near and far field propagation Measurements, Lancaster University, UK; **NOR.WEB DPL Ltd, UK 1999

52. Walt Kester, James Bryant, Grounding in High Speed Systems, Section 7: High Speed Hardware Design Techniques, High Speed Design Techniques, Analog Devices 1996

53. Adolfo A. Carcia, EMI/RFI Considerations, Section 7: High Speed Hardware Design Techniques, High Speed Design Techniques, Analog Devices 1996

54. Steven W. Smith, The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, Second Edition, California Technical Publishing, San Diego, California 1999