автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование системы управления электроэнергетической системой корабля с применением волоконно-оптических технологий

- На правах рукописи Кочетков Илья Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ КОРАБЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013

Санкт-Петербург 2013

005051468

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре Электротехники и электрооборудования судов

Научный руководитель: Червяков Виктор Викторович,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ОАО «СПО «Арктика», Руководитель представительства в СПб

Официальные оппонапы: Ясаков Ггннадий Серафимович,

доктор технических неук, профессор, ВУНЦВМФ «Военно-морская академия» кафедра энергетических установок (неядерных), профессор

Григорепко Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, ОАО «ЦКБМГ«Рубин», ведущий конструктор

Ведущая организация: ОАО «Концерн «НПО «Аврора»,

г. Санкт-Петербург

Защита состоится «22» апреля 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.228.03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.З, ауд. А-313.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан « 'А/» М&рТ<?1 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, —^ Сенъков Алексей Петрович

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Энерговооруженность кораблей значительно возросла, по этой причине электротехническая часть, а именно совокупность устройств, генерирующих, потребляющих и преобразующих электрическую энергию, является одним из основных компонентов корабля. Этот компонент в значительной степени определяет не только стоимость корабля, но и его эксплуатационные качества, а процесс формирования каналов передачи информации в значительной степени определяет и длительность его постройки.

В связи с ужесточением требований к электропитанию, связанных с совершенствованием оборудования, заказчиками ставятся задачи по оптимальному управлению электроэнергетической системой (ЭЭС) и поддержанию необходимого качества электроэнергии.

При анализе современных систем управления (СУ) ЭЭС подводных лодок (ПЛ) было выявлено, что основными проблемами, с которыми сталкиваются разработчики, являются слабая помехозащищенность каналов передачи информации, их узкая полоса пропускания, децентрализация элементов ЭЭС по герметичным помещениям ПЛ, а также необходимость согласования различных интерфейсов.

Выходом из данного положения может быть внедрение альтернативы электрическим линиям связи — волоконно-оптических линий связи (BOJIC) и применение в качестве источников информации (ИИ) — оптоволоконных датчиков. Использование оптоволоконных линий связи и датчиков сократит количество применяемых в настоящее время средств вычислительной техники (СВТ), а также расширит спектр информации об объекте управления, повысит скорость и надежность информационных каналов СУ ЭЭС.

Решению различных аспектов вопроса повышения эксплуатационных характеристик корабельных СУ ЭЭС, а также применению волоконно-оптических технологий в корабельных условиях посвящены работы авторов: Червякова В.В., Ларина Ю.Т., Губанова Ю.А, Сурина С.Н., Рябинина И.А., Константинова В.Н., Баранова А.П., ВилесоваД.В., КирееваЮ.Н., СобакинаВ.А. и академиков Гуляева Ю.В., Дианова Е.М. и др.

Большой вклад в развитие волоконно-оптической техники в современном кораблестроении внесли такие организации как ФГУП «ЦНИИ «СЭТ», ЗАО НПО «ВОЛС», ОАО «СПМБМ «Малахит», ОАО «Концерн «НПО «Аврора», ОАО «СПО «Арктика», Научный центр волоконной оптики при ИОФ РАН, ОАО «Концерн «Моринформсистема-Агат», ОАО «ВНИИКП», ОАО «Концерн «Океанприбор».

Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности системы управления корабельной ЭЭС за счет внедрения средств волоконно-оптической техники.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие частные задачи:

- исследовать особенности и перспективы применения волоконно-оптических технологий в корабельных условиях;

- разработать типовой внутрисистемный канал связи между корабельной СУ ЭЭС и оборудованием ЭЭС с применением волоконно-оптических технологий;

- разработать структуру СУ ЭЭС, построенную с применением волоконно-оптических технологий;

- разработать алгоритм проектирования корабельных СУ ЭЭС с применением волоконно-оптических технологий;

- определить основные оптические параметры ВОЛС, контролируемые при производстве и сдаче на корабле.

Новизна научных результатов

- разработана методология построения каналов передачи информации и контроля основных параметров оборудования ЭЭС на базе волоконно-оптических технологий;

- разработана структура корабельной СУ ЭЭС, построенная на базе волоконно-оптических технологий;

- получен патент РФ на разработанный волоконно-оптический трансформатор тока для применения в качестве конечного устройства в корабельной СУ ЭЭС;

- предложена структура канала контроля тока, построенного на базе волоконно-оптических технологий;

- создан алгоритм проектирования систем управления с применением ВОЛС.

Практическая ценность работы

В результате проведенных исследований:

- выполнен анализ структур СУ ЭЭС на различных принципах передачи информации. Определены особенности и возможность функционирования СУ с передачей информации по ВОЛС в корабельных условиях;

- определены основные требования к элементам и структурам СУ ЭЭС, построенных на базе средств волоконно-оптической техники;

- предложена оригинальная компактная конструкция волоконно-оптического трансформатора тока для применения в электроэнергетических системах;

- определены эксплуатационные особенности работы ВОЛС в корабельных условиях;

- разработана методология формирования типового канала контроля параметров корабельной ЭЭС.

Методы исследования

При выполнении работы использованы методы системного анализа, методы теории передачи информации по волоконно-оптическим каналам связи, теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах, теории анализа, теории надежности, теории автоматизированного проектирования, статистического моделирования, методы булевой логики. Исследования проводились с применением компьютерных технологий, языков программирования (Фортран, Паскаль), графических систем (AutoCAD, Компас, ProEngineer), системы визуального проектирования (Делфи), в среде автоматизации математических расчетов (Mathcad).

Положения, выносимые на защиту

- особенности функционирования СУ ЭЭС с передачей информации по ВОЛС в корабельных условиях;

- конструкция волоконно-оптического трансформатора тока и способ его подключения к СУ ЭЭС;

- структура канала контроля тока, построенного на базе средств волоконно-оптических технологий;

- структура корабельной СУ ЭЭС, построенная на базе средств волоконно-оптических технологий.

Достоверность положений, результатов и выводов подтверждается:

- использованием классических методов и теорий, достаточно полно отражающих исследуемые явления - теории информации, методов оптической теории связи;

- соответствием результатов расчетов экспериментальным данным, полученным как в процессе данной работы, так и ранее другими исследователями;

- соответствием общих концепций, полученных в работе, направлениям развития СУ других технологических объектов и систем.

Объектом исследования в данной диссертации являются структура, перечень контролируемых параметров, конечные ИИ и исполнительные органы (ИО), а также особенности прокладки информационных линий корабельных СУ ЭЭС.

Реализация результатов работы

- разработаны комплекты конструкторской документации на волоконно-оптические линии связи для применения в корабельных системах управления на заказах ОАО «СПМБМ «Малахит»;

- получен патент на конструкцию волоконно-оптического трансформатора тока;

- материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Электротехники и электрооборудования судов» СПбГМТУ в курсе лекций по дисциплине «Надежность электрических цепей».

Личный вклад автора

При непосредственном участии автора проводились: эксперименты, выполнялись расчетные исследования, производилась обработка и анализ данных, а также их интерпретация. Разработана методология формирования типового канала контроля параметров корабельной ЭЭС; структурная схема СУ ЭЭС, построенная на базе средств волоконно-оптической техники; принцип построения волоконно-оптического трансформатора тока и способ его подключения к преобразовательному блоку.

Апробация результатов работы

Основные положения работы докладывались на следующих научных семинарах и конференциях: VI молодежная научно-техническая конференция «Взгляд в будущее - 2008» (г. Санкт-Петербург, ОАО «ЦКБ МТ «Рубин» 15-17 октября 2008 г.); 2 научно-техническая конференция молодых специалистов «Старт в будущее», посвященная 50-летию полета Ю.А. Гагарина в космос (г. Санкт-Петербург, ОАО «КБСМ», 14 апреля 2011г.); научно-практический семинар по проблеме «Создание, боевое и повседневное использование электроэнергетики кораблей ВМФ» (г. Санкт-Петербург, ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова», 2008 г.); молодежная научно-техническая конференция «Инновации молодых» (г. Санкт-Петербург, ОАО «СПМБМ «Малахит», 2011г.); 1 молодежная научно-техническая конференция «Корабельные системы управления и обработки информации. Проектирование и изготовление» (г. Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «НПО «Аврора», 24-25 ноября 2011 г.); 7 общероссийская конференция по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех-2008» (г. Санкт-Петербург, ОАО "ЦТСС" 2008 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 статей, 3 доклада на научно-технических конференциях, 1 изобретение. В личном авторстве опубликовано 3 работы, доля авторства в остальных работах от 30 до 50%. В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 5 работ, в том числе 1 работа выполнена в личном авторстве, доля авторства в остальных работах составляет 50%.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 18 приложений. Основной материал изложен на 164 страницах текста и содержит 70 рисунков, 9 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 108 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, излагаются методы исследования, перечислены положения, выносимые на защиту, отражены достоверность положений, результатов и выводов, а также апробация и реализация результатов работы.

В первой главе отмечено, что применение волоконно-оптических датчиков в корабельном оборудовании, а также построение информационных сетей на базе волоконно-оптических кабелей позволит решить важнейшие проблемы, возникающие при проектировании, постройке и эксплуатации СУ ЭЭС: обеспечение электромагнитной совместимости; повышение помехозащищенности каналов передачи информации; увеличение пропускной способности линий связи; переход на унифицированную среду передачи информации; сокращение массогабаритных характеристик кабельных трасс и корабельного оборудования. Также повысится структурная надежность системы; общая прочность корпуса корабля; пожаростойкость каналов передачи информации; снизится трудоемкость монтажа и регулировочно-сдаточных работ; сократится время модернизации, либо продления срока службы корабля за счет уменьшения перемонтажа кабелей.

Далее выявлены характерные особенности, присущие современной корабельной ЭЭС, с отражением ее основных элементов, а также существенная разветвленность кабельных связей. Оценена ее роль в обеспечении деятельности корабля в различных режимах. Произведен анализ требований, предъявляемых к основному корабельному электрооборудованию, к линиям связи и к элементам СУ ЭЭС. Дано пояснение способов обеспечения таких требований.

Указаны недостатки организации современной СУ ЭЭС. В качестве примера рассмотрена применяемая в ОАО «СПМБМ «Малахит» и поставляемая на современные проекты ГШ СУ ЭЭС, которая предназначена для управления генерированием и распределением электроэнергии, измерения, сигнализации и контроля параметров оборудования ЭЭС на всех режимах функционирования, включая основные эксплуатационные и аварийные режимы с выдачей соответствующих сигналов в другие СУ корабля, такие как СУ ГЭУ или в общую шинуКСУТС.

На примере существующей СУ ЭЭС отражено количество кабельных жил, внутрисистемных связей, сложность схемных решений. Также, отмечена существенная децентрализация оборудования по помещениям корабля и необходимость применения промежуточного оборудования перед «доставкой»

полезного сигнала в ЦПУ СУ ЭЭС. Управление конечными абонентами нередко осуществляется из смежного помещения, поэтому помимо обширных местных связей возникает необходимость «прохода» через прочные переборки.

Предлагаемые интеграционные тенденции развития корабельных систем управления подтверждают свою состоятельность. В первую очередь это связано с требованиями по уменьшению личного состава, удобству управления кораблем, контролю действий оператора с возможностью ведения электронных вахтенных журналов. Постоянное ужесточение требований по массогабаритным показателям оборудования, экономии временных и материальных ресурсов на постройке, эксплуатации, ремонте и последующей модернизации корабля, также подтверждают выбранное решение в части интеграции СУ ЭЭС в КСУ ТС.

Например, при автоматизации взаимопереходов ходовых режимов, в системе управления ЭЭС выполняются функции по автоматизации изменений структуры ЭЭС, соответствующих форсажному и малошумному режимам для оптимизации акустической характеристики ПЛ.

«I Полный над I A, ManouiyMHfe* «ад

Рисунок I. Функционирование оборудования в зависимости от режима хода ПЛ (функционирует— закрашено, остановлен — не закрашено)

В результате проведенного анализа современных СУ, а также публикаций Российских и зарубежных научных и инженерных кругов выделены основные проблемы, сопутствующие разработке и эксплуатации корабельного электрооборудования и его дальнейшей интеграции в системы управления:

- корабельные ЭЭС как объект управления должны удовлетворять ряду строгих требований, достичь которые без современной, простой в управлении, надежной, безопасной, точной, эргономичной СУ невозможно;

- количество ИИ и ИО корабельного электрооборудования требует сведения к одному унифицированному каналу передачи его параметров;

- узкая полоса информационных каналов, а также их недостаточная надежность;

- современные СУ ЭЭС строятся по принципу связи «от прибора до прибора», что влечет за собой большое количество внутрисистемных связей;

- большое количество преобразующих и управляющих потоками информации устройств;

- слабая помехозащищенность электрических линий связи;

- медные кабели, применяемые в СУ ЭЭС, помимо электромагнитных наводок, являются источником пожаров ввиду природы прохождения электроэнергии по медным трассам и ее коммутации;

- требования Заказчика к уменьшению личного состава на кораблях ВМФ и расширение перечня решаемых задач в части обеспечения диагностики сложных ситуаций, а также оперативности управления электрооборудованием ЭЭС.

Об актуальности постановки исследований с целью повышения эффективности системы управления корабельной ЭЭС за счет внедрения средств волоконно-оптической техники свидетельствует отсутствие на время настоящей работы методологии проектирования таких систем, а также отсутствие требуемых конечных устройств, построенных на базе волоконно-оптических технологий.

Из приведенного в первой главе анализа могут быть уточнены следующие задачи и направления исследований, принятые в настоящей работе:

- исследовать особенности и перспективы применения волоконно-оптических технологий в корабельных условиях;

- разработать типовой внутрисистемный канал связи между корабельной СУ ЭЭС и оборудованием ЭЭС с применением волоконно-оптических технологий;

- разработать структуру СУ ЭЭС, построенную с применением волоконно-оптических технологий;

- разработать алгоритм проектирования корабельных СУ ЭЭС с применением волоконно-оптических технологий;

- определить основные оптические параметры ВОЛС, контролируемые при производстве и сдаче на корабле.

Во второй главе проведена теоретическая оценка возможности применения оптического волокна в качестве передающей среды для корабельных систем управления. Раскрыты основные достоинства и недостатки применения оптического волокна. Отмечено, что основополагающее достоинство оптоволокна - широкополосность, для СУ ЭЭС имеет второстепенное значение, на первый план выходят другие - неподверженность электромагнитным воздействиям, электро- и пожаробезопасность, а также уменьшение массогабаритных показателей информационных линий и оборудования. Проблемы, возникающие при применении волоконно-оптических технологий в кораблестроении, связаны с достаточно большими радиусами погиба и необходимостью точного расчета длины

линий оптических кабельных судовых (ЛОКС). Однако и они решаются при обеспечении соответствующей культуры производства и эксплуатации.

Далее рассматривается эволюция структуры современной СУ ЭЭС в сторону повышения эффективности, которую можно отразить этапами, проиллюстрированными на Рисунке 2.

Современный этап, где оборудование иерархической структуры соединено с ЦПУ СУ ЭЭС посредством медных кабелей через соединительные ящики. Информационные тракты такой системы имеют сотни информационных жил. Резервирование связей осуществлено посредством соединения оборудования между собой по принципу «от прибора до прибора».

Промежуточный этап, здесь предлагается применить структуру с топологией «кольцо», которая приведет к уменьшению количества проходов кабеля

через водонепроницаемые переборки, уменьшит длину магистральных и местных информационных связей. А вследствие

Рисунок 2. Структурная эволюция СУ ЭЭС

уменьшения количества кабельных трасс уменьшится трудоемкость и время монтажа кабельной сети.

Если в качестве среды передачи информации главного приемо-передающего тракта использовать ВОЛС, то потребуются модули согласования существующих входных и выходных стандартов оборудования ЭЭС. По причине невозможности доработки существующего оборудования ЭЭС для непосредственного подключения к оптической сети, приборы должны подключаться к тракту через внешние электро-оптические модули. Количество и структура таких модулей может варьироваться в зависимости от ЭЭС. Таким образом, приборы подключаются к преобразующим модулям посредством существующих связей, без необходимости какой бы то ни было доработки.

Минусом промежуточного этапа является увеличение затрат на установку преобразующих модулей, которых может быть несколько десятков. Однако данный недостаток нивелируется уменьшением использования суммарной длины медного кабеля, а следовательно, и стоимости общего монтажа.

Конечный этап характеризуется интеграцией волоконно-оптических устройств непосредственно в оборудование взамен существующих. Основная сложность осуществления этого этапа заключается в необходимости существенной доработки корабельного оборудования. Результатами подобных работ будет: уменьшение массо-габаритных показателей оборудования; повышение унификации оборудования в части подключения к различным СУ ЭЭС; повышение надежности измерительно-управляющих каналов; повышение метрологических характеристик каналов измерения.

Предлагаемая кольцевая структура построения СУ ЭЭС на базе средств волоконно-оптической техники представлена на Рисунке 3.

I ШГ1 i

| щггг |

Рисунок 3. Предлагаемая кольцевая структура построения СУ ЭЭС на базе средств волоконно-оптической техники

Далее в главе решена проблема выбора сетевой технологии, для применения в СУ ЭЭС. Отражено, что самым перспективным стандартом автору видится современная сетевая технология - ATM (Asynchronous Transfer Mode). Серьезным подтверждением перспективности использования технологии ATM являются результаты проработок Российских конструкторских организаций по созданию современных корабельных СУ.

Отмечено, что созданные технологии контроля качества основных оптических параметров на разных стадиях жизни BOJ1C дополняют полученные за последние годы научные и практические наработки в области волоконно-оптической техники.

В третьей главе произведена оценка номенклатуры информационных потоков корабельного электрооборудования. При анализе перечня

контролируемых параметров основного оборудования ЭЭС было обнаружено два обстоятельства:

1. Непосредственная передача электроэнергии электрооборудованием осуществляется всего по 82 линиям связи, а различные информационные сигналы к СУ ЭЭС не менее чем по 1700 линиям связи (см. Рисунок 4).

1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

1020

6121

82

6 9

1 Управление реле

■ Блок контакты

■ Измерение Виз

и Измерение напряжения

I Измерение силы тока

Рисунок 4. Информационные жилы между СУ ЭЭС и основным электрооборудованием корабля

2. Подавляющим объемом абонентов являются НО и ИИ. Источники информации: блок-контакты реле; трансформатор тока; трансформатор напряжения; шины нагрузки (измерение частоты, сопротивления изоляции участков ЭЭС и т.п.).

Исполнительные органы: реле различного типа; привода автоматических выключателей; независимые расцепители автоматического выключателя; устройства подгонки частоты.

Далее в главе отмечено, что помимо СУ ЭЭС на современном корабле масса других информационно - управляющих систем, общая номенклатура связей

которых приводит к росту количества кабельных коробок (ЮС) (см. Рисунок 5).

Общая площадь сечения всех кабелей на переборке, представленной на Рисунке 5, равна 264293,3 мм2 (0,264 и2). Необходимо отметить, что анализу подвергалась площадь кабелей, заданная по ТУ, без учета запасов на затяжку через КК, в связи с чем это значение может вырасти на 40 %. Помимо этого, большое количество КК влечет за собой сложность в прокладке, Рисунок 5. Герметичная переборка с кабельными увеличивает время

коробками, где: КК1-КК13-кабельные коробки трассировки И Другие проблемы, связанные с монтажом кабельной сети на корабле.

Насыщение КК складывается из кабелей всех корабельных систем и зависит от расположения оборудования заказа, а также от степени их автоматизации. Например, через приведенную на Рисунке 5, герметичную переборку одного из заказов ОАО «СПМБМ «Малахит» проходят около 500 кабелей различной марки и жильности.

Кабельные коробки делятся на силовые и слаботочные с током не более 10 А. Это связано с возможными наводками силовых трасс на информационные, которые могут привести к помехам или ложным срабатываниям конечного оборудования (см. Рисунок 6).

КК7

[ШШ ш

Л рШЩ 1 ЩШ !

Рисунок 6. Кабетьные коробки КК7 (силовая) и КК8 (слаботочная с током до 10 А)

Исходя из широкополосное™ волокна, можно представить сокращение существующих магистральных линий СУ ЭЭС в среднем на 50 %. В натуральном выражении получается, что проходящие через переборку (см. Рисунок 5) 13 кабелей СУ ЭЭС можно заменить на один 4-волоконный кабель.

При сокращении кабельных связей всех корабельных систем (см. Рисунок 7) по аналогии с СУ ЭЭС, ожидаемое сокращение количества кабельных коробок можно продемонстрировать следующим образом (см. Рисунок 8).

Помимо раздельной прокладки и размещения в силовых, либо слаботочных КК на сегодняшний день проблема защиты от помех решается двумя путями: путем использования витых пар проводников, а также путем ослабления синфазной составляющей сигнала помехи благодаря дифференциальной форме передачи и приема сигналов (алгоритмическая обработка информации).

Узкая полоса пропускания медных линий связи создает трудности для передачи все возрастающих объемов информащш об объекте управления, что обуславливает увеличение общего числа кабелей.

Схемные и элементные решения современной СУ ЭЭС не могут обеспечить возросшие требования по скорости обмена данными.

Для доказательства приведенного тезиса найдем ширину полосы пропускания электрического кабеля ДР\ для чего рассмотрим зависимость затухания сигнала в электрическом кабеле/? от частоты /% которая определяется выражением:

/?=-7= л[КР • I (1)

V п>

Рисунок7. Распределение информационных кабелей по системам

где I - длина линии, м; Д, - значение затухания электрического кабеля, дБ, на единицу длины на частоте Fu, Гц. Из формулы (1) найдем ДF:

AF =

Рисунок 8. Герметичная переборка с кабельными коробками (при использовании BOJIC)

Весь частотный диапазон судовых информационных линий условно разбит на три области: низкочастотный диапазон с максимальной граничной частотой аналогового сигнала Fe=25 Гц; среднечастотный с Fe=10 кГц; высокочастотный с F=100 кГц и более.

Для передачи аналогового сигнала с частотой F„ требуемая скорость передачи цифрового сигнала Vn составит:

Vn = 2FB-S, бит/с (3)

где 2Fe - число отсчетов по теореме Котельникова, S - количество информации, передающейся за один запрос:

S = 1од2п (4)

Зная полосу пропускания АF кабеля данной длины, находим, что число параллельных каналов информации Nnulx, которые можно уплотнить и передать в цифровом виде по одному каналу:

Д F

Nmax = -TT <5)

п

Оценка возможности функционирования приведена для примера структуры и номенклатуры сигналов современного этапа СУ ЭЭС, где /.=23 м, Fe=25 Гц, число отсчетов в импульсе «=2237, используемый кабель - СМПВЭГ-60: F„ - 500 Гц, ß„ -3 дБ на 100 м.

Из формул (1-5) получим: ß ~ 15,4 дБ; ДF « 220,4 Гц; S ~ 11бит/имп.; V„ = 550 бит/с; Nmax = 0,4.

Из расчета Мтах< / можно сделать вывод о том, что передать информацию в 2237 бит (для СУ ЭЭС современного этапа) по одной жиле кабеля СМПВЭГ-60 на длину 23 м с частотой 25 Гц невозможно.

Для рационального представления способа передачи полезной информации в СУ ЭЭС рассмотрен канал измерения тока на шинах ШДГ.

На Рисунке 9 представлен принцип функционирования канала контроля тока на шинах ШДГ в условиях одного из проектов ОАО «СПМБМ «Малахит». Здесь видны 3 ступени преобразования полезного сигнала, что накладывает серьезные метрологические и временные ограничения, а также способствует усложнению, и падению надежности и безопасности представленных каналов контроля.

На соответствующих шинах расположены трансформаторы тока ТШС с коэффициентом трансформации 3000/5 А. На их выводах, в свою очередь, расположены трансформаторы ТРС с коэффициентом трансформации 5/1 А. Представленная на Рисунке 9 структура функционирования канала контроля тока совместно с измерением мгновенных значений напряжений используется для измерения значений основных параметров на участке ЭЭС «до ВДГ». Непосредственному измерению подлежат мгновенные значения двух фазных

ТОКОВ И двух линейных напряжений, при Рисунок?. Функционирование каналов

контроля тока на шинах ШДГ

этом, мгновенные значения «недостающих» токов и напряжений, а также значение мгновенной мощности, вычисляются процессором модуля СУ ЭЭС по правилам работы трехфазных цепей с изолированной нейтралью.

По причине большого количества преобразований перед доставкой полезного сигнала в блок сканирования СУ ЭЭС еще в 1999 г. метрологическая экспертиза заказа «Ясень», проведенная Межрегиональной конференцией Ростеста, оценила метрологическое обеспечение оценкой «неудовлетворительно».

Далее в третьей главе определены факторы, влияющие на передачу информации по волоконно-оптическим линиям связи, которые можно разделить на две группы: факторы, связанные с изготовлением, и факторы, связанные с применением в корабельных условиях.

Ввиду специфичности последних факторов, их оценке в главе уделялось особое внимание. Выяснилось, что общие потери оптической мощности ЛОКС, проложенных в корабельных условиях, возникают по трем основным причинам: а) суммарные потери оптической мощности составных частей; б) суммарные потери оптической мощности в крепежных и уплотнительных конструкциях оптического кабеля; в) потери оптической мощности от модуляции оптической несущей частоты при вибрации корпуса корабля.

Алгоритм расчета потерь оптической мощности в ЛОКС, вызванных этими факторами, должен выполняться аналогично приведенному ниже.

А = Р + ит + М (6)

где А - общие потери оптической мощности в ЛОКС, дБ; Р - суммарные потери оптической мощности составных частей ЛОКС, дБ; и„, - суммарные потери оптической мощности в крепежных и уплотнительных конструкциях оптического

3-я стулеьа*

г-я ст»г*еиь

3-« стзпемь

кабеля, дБ; М - потери оптической мощности от модуляции оптической несущей частоты при вибрации корпуса корабля.

Отличительной особенностью корабельных оптических линий от наземных

является их незначительная длина, то есть линии являются «короткими», в то же время в силу специфики расположения аппаратуры в линиях имеется значительное количество

которые приводят к потерям мощности

си

Рисунок 10. Основные причины возникновения потерь при сращивании световодов

разъемных и неразъемных соединений, оптического сигнала (см. Рисунок 10).

Суммарные потери оптической определяются по формуле:

мощности составных частей ЛОКС

Р =

I

аи ■ + ас ■ пс + 2а ■ п + ар

О)

где а/, - коэффициент затухания оптической мощности в /'-ом отрезке кабеля, дБ/км; ¿, - длина отрезков кабеля, км; ас - потери оптической мощности в узле сварки, дБ; пс - количество сварных соединений; а - потери оптической мощности в ответной части соединителя, дБ; п - число соединителей; ак - потери оптической мощности в оптических соединительных устройствах распределительных устройств, дБ; п№ -количество распределительных устройств.

Причины появления потерь при проходе волокна через уплотнительные конструкции представлены на Рисунке 11. Иллюстрация появления потерь при изгибах волокна представлена на Рисунке 12.

Внешнее воздействие

«г

Рисунок 11. Возникновение потерь при проходе Рисунок 12. Возникновение потерь на

через уплотнение изгибе

Суммарные потери оптической мощности, вызванные крепежными и ушютнительными конструкциями, а также при изгибах волокна определяются по формуле:

и„ = а„ - п„ + а„

+ а.

£¿=1 ак

Чн

(8)

где а„ - коэффициент затухания при крепеже на подвесках, дБ; п„ - количество подвесок; ат - коэффициент затухания в кабельной коробке, дБ; иж — количество проходов через кабельные коробки; ас„ - коэффициент затухания при проходе ЛОКС через сальник, дБ; псч - количество проходов через сальник; ак -коэффициент затухания кабеля с радиусом Ю, дБ; пк - количество изгибов с радиусом /?/.

При оценке влияния вибрационных воздействий на ОК предполагается, что уложенный в трассу и закрепленный в кабельных подвесках кабель можно

рассматривать как однородный стержень длины Ь, подвергаемый воздействию распределенной нагрузки у/ (х, €) с нулевыми граничными условиями и(0д) = и(1,0 = 0; 0 < х < I, 1/(0,О=^М=0; 0<£<+оо.

Тогда выражение для дополнительных потерь в кабеле при одновременном действии на кабель изгибающих и растягивающих усилий, связанных с вибрацией корпуса корабля, может быть записано через нормированные разности показателей преломления в следующем виде:

{(% - ^ (щУп^е)2 - (п2 - ^ (п2)3и12Е2£ )2] п{

М = -1д-

1 Г

["1 - 2 Оч)3»^^\ (п\ - п22)

(9)

где п1 - показатель преломления сердцевины; п2 - показатель преломления

оболочки световода; п12 - улругооптические постоянные световода; Ег=Ег -модуль Юнга световода; г - относительная деформация.

и(х; О

I

(10)

где / - расстояние между точками подвеса кабеля; II (х; С) - амплитуда смещения, которая определяется из уравнения:

и {х\ 0 =

• [ х2 — I ■

(П)

2рС2 1

где - амплитуда вибрационной нагрузки; р - плотность материала световой жилы; С - скорость звука в световоде.

Далее в главе предложена структура функционирования канала контроля тока с выбором его составных частей: передающая среда -ЛОКС (см. Рисунок 13);

чувствительный элемент волоконно-оптический трансформатор тока (ВОТТ по Патенту №2438138, см. Рисунок 14); модуль СУ ЭЭС со встроенной приемо-передающей аппаратурой, предположительно разработки ОАО «НИИП».

Для реализации построения СУ с выбранным каналом контроля тока необходимо произвести оценку возможности ее функционирования. В связи с чем требуется произвести ряд расчетов:

- произвести энергетический расчет канала контроля тока;

- определить возможность функционирования СУ ЭЭС на основе ВОЛС;

- рассчитать информационную емкость оптического кабеля.

Рисунок 13. ЛОКС

ДГ

вотт

К генераторному автомату

Приемник

Модуль контроля и гГ

Передатчик к

а> ¥

Модуль контроля токе к о.

Передатчик о

Приемник л с;

Модуль контроля напряжения >. 4 о 5

Передатчик

О ГО

ГО

>

О

Рисунок 14. Кима ! контроля тока на шинах ШДГ с применением волоконно-оптических технологий

Из-за структурной сложности и разобщенности основного оборудования ЭЭС целесообразно произвести энергетический расчет всех элементов структуры СУ ЭЭС (см. Рисунок 3). В качестве рассчитываемого примера выбран канал контроля тока до ВДГ, его эквивалентная схема приведена на Рисунке 15.

1

^ *'-£=□>] *Г-@-! *Га>1

а I___I 1___I 1_____1

6

8

1___I

■ Г—®- I * Г-сз >1 Ж !

I_____) 1_____I

Рисунок 15. Эквивалентная схема канала контроля тока на шинах ШДГ дня расчета энергетического баланса

где 1 — уровень мощности на выходе из источника, примем равным минус 14дБм (соответствует мощности современных аналогов, применяемых в кораблестроении); 2 - потери в соединителе №1; 3 - затухание в световоде №1 (50 см); 4 - потери в соединителе №2; 5 - потери в ВОТТ; 6 - потери в соединителе №3; 7 - затухание в световоде №2 (50 см); 8 - потери в соединителе №4; 9 - уровень на входе приемника

|п«р«&и> —тмЛ ооаЦ

Рисунок 16. Расчет энергетического бюджета

нкхини»™*-сх^ам

В нашем случае для обеспечения величины отношения сигнал/шум, соответствующую вероятности появления ошибок, не хуже 10"9 соответствует величина отношения сигнал/шум минус 16,701 дБм (см. Рисунок 16). Взяв запас на ухудшение характеристик световода во времени минус 3 дБ, согласованная пара передатчик — приемник должна обеспечивать мощность сигнала в минус 19,701 дБм.

Для определения возможности функционирования СУЭЭС на расчетной скорости Уп требуется определить время нарастания интенсивности света в канале с ЛОКС - Время нарастания - это время, требуемое для роста интенсивности света от 0,1 до 0,9 номинального значения. Оно может быть определено по следующей формуле:

ТГ 7'сиу "1" ^ВОК ^фпу С

где Тап - время нарастания интенсивности света для передающего устройства, не (примем 6 не), время нарастания интенсивности света для оптического кабеля, не, Тф- время нарастания интенсивности света для приемного устройства, не.

Время нарастания интенсивности света в канале Тг и полоса пропускания линии связи Д/'' связаны соотношением:

2,2 0,35

Г =-= —— (13)

г 2тгДР ДР

Время нарастания интенсивности света в кабеле можно определить следующим образом:

Гвок « О • I ■ ДЯ (14)

где О - дисперсионный параметр, пс/(нмкм), ДА - ширина спектра оптического источника на уровне половины от максимума, нм, - длина линии связи, км.

Соотношение между скоростью передачи Уп и шириной пропускания зависит от формата цифрового потока. Для формата N112 для обработки битовой скорости Уп ширина пропускания системы будет достаточной при соблюдении следующего соотношения:

0,7

Тг < -тг «5)

Если соотношение (15) выполняется, то это говорит о том, что принятые технические решения для реализации ВОЛС обеспечат требуемую скорость передачи информации.

Далее приведены расчеты для проверки функционирования системы на заданной скорости с использованием оптоволоконного кабеля на участках главной магистрали (см. Рисунок 3). Для примера взят участок кабеля: ЦПУ СУ ЭЭС -Концентратор К3.1 (длиной ¿=10 м).

При В = 20 пс/(нм км), АХ = 20 нм получается, согласно формуле (14),

Твок -0.004 не. Принимая значение для минимальной полосы пропускания приемника ДРфпу =2 ГГц, время нарастания интенсивности света приемного устройства можно определить по формуле (13)-Гфпу = 0,175 не.

Общее время нарастания интенсивности света в линии связи в соответствии с формулой (12) составит-Тг = 6,0025 нс.

Из выражения (15) получаем, что допустимое время нарастания должно быть:

Тг « 1272 мс.

Таким образом, расчеты подтверждают, что данный отрезок линии связи обеспечит требуемую скорость передачи информации.

Дальнейшие расчеты для отрезков магистрали были выполнены аналогичным способом, и каждый результат удовлетворял условию (15).

Далее в главе представлен алгоритм расчета информационной емкости ЛОКС (числа параллельных каналов, которые можно уплотнить и передать в цифровом виде по одному волокну), расчет произведем по формуле (16).

Ширина пропускания оптического кабеля АГо,т задается в МГц км, поэтому, зная длину реальной линии связи I в километрах, ширина полосы пропускания определяется из соотношения:

Д ^

АР = (16)

Такая линейная аппроксимация оправдана для магистральных линий связи, и несколько несправедлива для «коротких» межприборных линий, где велико влияние мод оболочки световода. Зависимость АР от длины может быть нелинейной. Однако, как показывают расчеты, погрешность не превышает 10%.

Принимая ЛРопт оптического кабеля равной 40 МГц'км (один из самых худших вариантов), рассчитаем число каналов участков главной магистрали (см.Рисунок 3).

Для примера возьмем участок кабеля: Центральная панель управления -Концентратор К3.1 (длиной Юм), тогда, учитывая уравнение (16) получим: ДF = 4000 МГц

Учитывая уравнение (5), (16) и принимая Уи = 550 бит/с, имеем: Н-тах ~ ^ ■ Ю6 каналов.

По такому же принципу число каналов рассчитывается для остальных участков главной магистрали. В заключении, произведя данные расчеты, можно с уверенностью сказать, что система, построенная на базе средств волоконно-оптических технологий, способна функционировать, а также имеет существенный запас пропускной способности на случай расширения системы и увеличения количества информации при передаче в одном запросе.

Далее в главе приведен алгоритм оценки потерь оптической мощности в канале контроля тока от модуляции оптической несущей. В качестве кабеля выбран многомодовый оптоволоконный герметизированный кабель ОКНС со следующими параметрами: показатель преломления сердцевины, п г = 1,45; показатель преломления оболочки световода, п2 ~ 1,44; упругооптические постоянные световода, я = 2,95 ■ Ю-12 м2/Н ; модуль Юнга кварцевого световода (до и после деформации), Е1 = Е2~ 75 МПа; амплитуда вибрационной нагрузки, у/0 = 200 Н; плотность материала световой жилы (кварцевого стекла), р = 2201 кг/м3; скорость звука в световоде, С = 4,5-103 м/с; частота вибрации, ш = 30 Гц; расстояние между точками подвеса кабеля, /=0,5 м.

В качестве худшего варианта примем: х = 1/2, а г = п/2ы, тогда из уравнений (10) и (11) найдем относительную деформацию,

В конечном итоге при подставлении значений в уравнение (9) потери оптической мощности будут составлять - М = —5,585027 ■ Ю-14 дБ.

В связи с полученным значением необходимо отметить, что вибрационные воздействия на герметизированные кабели являются незначительными, однако, ими не следует пренебрегать при расчетах протяженных трасс, так как суммарные

потери могут достигать 1 -2 %. Необходимо отметить, что для негерметизированных кабелей эти значения вырастают на порядок.

Далее в третьей главе предложена технологическая последовательность разработки и внедрения ЛОКС на заказ.

Первый этап - анализ топологии размещения оборудования. Он связан с определением уровня интеграции ИИ и ИО в электрооборудование.

Второй этап - формирование структуры ЛОКС с учетом особенностей прохождения

оптических трасс на заказе. Этот этап связан с оценкой необходимого числа проходов через герметичные переборки и палубы, количеством линий связи.

Третий этап - выбор компонентов ЛОКС, разработка коммутационного оборудования в зависимости от требований.

Четвертый этап - связан с расчетом энергобюджета и временных параметров ЛОКС. Математическое подтверждение работоспособности системы на заданных скоростях.

Пятый этап - разработка технологических процессов разделки и армирования оптических кабелей, методов монтажа на заказе, так как основные сложности применения оптических кабелей в корабельных условиях связаны с их не высокими механическими свойствами в отличии от традиционных электрических.

Шестой этап - разработка и изготовление нестандартных средств технологического оснащения.

Седьмой этап - изготовление ЛОКС, контроль параметров в цеховых условиях.

Восьмой этап квалификационных

Рисунок 17. Блок-схема алгор1ггма разработки и внедрения ЛОКС на закат

- проведение испытаний

ЛОКС по разработанной проектантом заказа программе для постановки в серийное производство.

Девятый этап - монтаж ЛОКС на заказе, контроль параметров после крепления и уплотнения кабелей.

Резюмируя все выше сказанное можно построить следующую блок схему алгоритма разработки и внедрения ЛОКС на заказ (см. Рисунок 17).

Данный алгоритм применяется для создания систем управления одного из проектов ОАО «СПМБМ «Малахит».

В четвертой главе представлены результаты проведенных испытаний ЛОКС в условиях стенда ОАО «Концерн «НПО «Аврора». Объектом испытаний являлась линия оптоволоконной связи ЛОКСМ2 НКФП.203729.018.

Цель испытаний - измерение параметров ЛОКСМ2 в сборе и проверка качества передачи информации по линии оптоволоконной связи ЛОКСМ2 между приборами КСУ ТС.

Испытания проводились в четыре этапа:

- проверка параметров 8-волоконного оптоволоконного кабеля длиной 100 м;

- измерение параметров ЛОКСМ2 в сборе;

- измерение параметров ЛОКСМ2 в сборе, подключенной к приборам КСУ ТС;

- проверка качества передачи тестовых пакетов информации.

В результате проведенных испытаний установлено следующее:

Измеренная величина затухания сигнала по каждому из 8 волокон ЛОКСМ2

соответствует требованиям и не превышает 0,63 дБ/км.

Уровень ошибок при передаче пакетов информации не превышает 10 ю.

Далее в главе представлены основные сравнительные показатели существующей СУЭЭС и построенной на базе средств волоконно-оптической техники (см. Таблицу 1).

Таблица 1.

Сравнительные показатели существующей СУ ЭЭС и построенной на базе средств волоконно-оптической техники

Параметр Существующая СУ ЭЭС Предлагаемая СУ ЭЭС

Общее количество кабельных связей (жил) между СУ и основным оборудованием ЭЭС =1700 =138

Метрология Имеет несколько стадий преобразования исходного сигнала Оцифровка и передача происходит в одном модуле

Исходная информация от оборудования Ограничена пропускной способностью меди Ограничений нет

Необходимость зашиты от внешних или внутренних воздействий Эмалирование, гальваническая развязка, заземление экранов, прокладка в слаботочных КК Строгие требования к прокладке, высокая культура монтажа на заказе

В продолжении четвертой главы рассматриваются технико-экономические показатели применения волоконно-оптических линий связи в различных сферах жизнедеятельности:

- технологии COTS - использование гражданских стандартов позволит использовать новое программное обеспечение, микропроцессоры и т. п. по мере их появления на рынке;

- нефтегазовый сектор - эксплуатационные испытания системы ВОСППИС, предназначенной для постоянного нахождения в скважине и трансляции на поверхность в режиме реального времени эксплуатационных геофизических данных в условиях сероводорода на протяжении года доказали надежность, долговечность и информативность;

- электроэнергетика - подстанция Форт Томпсон. Применение оптоволоконного кабеля взамен экранированных кабелей марки 12/С позволило сэкономить $29000 за счет сокращения общей длины кабелей с 5100 м до 820 м;

- гражданское судостроение - на японском судне «Сенхо Маару» за счет применения оптоволоконных петель связи численность команды судна сократилась с 30-35 человек до 22-23;

- военное кораблестроение - в результате применения волоконно-оптических технологий в радиолокационной станции типа SPS-48C было заменено 374 электрических линии связи с общей длиной 228,6 м на волоконно-оптические кабели с 7-ю волокнами, что сократило расходы на монтаж, включая расходы на изготовление кабельных подвесок, кабельных вводов и т.д., с 1 млн. долларов до 30 тысяч долларов.

Далее в четвертой главе отражены современные наработки российской промышленности и конструкторских организаций в области волоконно-оптической техники:

- в 1993 году выполнена разработка на уровне технического проекта комплекса технических средств в обеспечение создания оптических линий транспортных и промысловых судов (шифр темы «Старт»), однако продолжения работ не последовало из-за отсутствия финансирования;

- в 2003 году ЗАО НПО «ВОЛС» выполнена работа по технико-экономическому обоснованию предложений по созданию интегрированной телекоммуникационной сети на базе волоконно-оптической техники для НК пр. 20380;

- разработаны и внедрены на заказе «Аксон-2» волоконно-оптические линии в составе ГАС «Иртыш-Амфора», эксплуатация которых подтвердила высокую эффективность принятых технических решений. Здесь при использовании волоконно-оптического кабеля в гидроакустических системах экономия массы составила в соотношении 80 к одному в сравнении с вариантом применения экранированных скрученных пар жил кабеля;

- на разработанные по договору с ОАО СПМБМ «Малахит» ЛОКС для изделия «Иртыш-Амфора» утверждены Технические условия НКФП.203729.001 ТУ;

- испытания возможного построения сети верхнего уровня КСУТС с использованием кабеля КВСФ-75 показали, что при длине магистрали более 50-ти метров ослабление сигнала превышает допустимый уровень стандарта Ethernet 10

Ваве-Т и приводит к потере передаваемой информации. Испытания с применением оптического кабеля с продольной и радиальной герметизацией по ТУ 16.К71-289-01 дали положительные результаты;

- в настоящее время российской промышленностью освоено производство пожаростойких оптоволоконных кабелей, не выделяющих галогенов в процессе воздействия на него огня;

- российской промышленностью освоено производство продольно герметизированных оптоволоконных кабелей, прошедших все необходимые испытания;

- на сегодняшний день подписано Решение между ОАО «СПМБМ «Малахит», Заказчиком и представителями промышленности об определении структуры волоконно-оптического тракта для КСУТС новейших проектов.

Далее в главе отражен перечень разработанных автором в результате выполнения диссертации комплектов рабочей документации на ЛОКС, используемых на заказах ОАО «СПМБМ «Малахит». Их краткий перечень представлен в Таблице 2.

Таблица 2.

Разработанные автором комплекты КД на ЛОКС

Обозначение документа Наименование документа Применяемость на заказе

НКФП-203729.001 Линия оптическая кабельная судовая ЛОКСО Внутри отсеков

НКФП.203729.002 Линия оптическая кабельная судовая ЛОКСМ Магистральные линии связи

НКФП.203729.003 Линия оптическая кабельная судовая ЛОКСЗ КСУ ТС Булат-Я

НКФП.203729.024 Линия оптическая кабельная судовая ЛОКСМ-3 КСУТС «Фауна»

НКФП.203729.025 Комплект кабельных сборок. КСУ ТС Булат-Я

НКФП.203729.022 Линия оптическая кабельная судовая ЛОКСМ2 КСУ ТС Булат-Я

НКФП.203729.006 СБ НКФП.203729.007 СБ НКФП.203729.008 СБ НКФП.203729.011 СБ НКФП.203729.020 СБ НКФП.203729.021 СБ Сборочные чертежи ЛОКСМ, ЛОКСО, ЛОКСЗ различных длин и способов оконцевания Межсистемные линии связи

Далее отражены основные технологические аспекты применения ЛОКС в корабельных условиях:

- технологичность ЛОКС - значительно обеспечена за счет применения вновь разработанного соединителя НКФП.434622.002 ТУ (вместо ранее используемого соединителя типа Лист-Х). Проблемы прокладки хрупкого оптоволоконного кабеля совместно с громоздкими и прочными медными кабелями

решаются путем их разделения на уровни. Герметичность групп соединений решается путем применения распределительных устройств. Также перечислены другие технологические тонкости;

- средства технологического оснащения и оснастка - сформирован комплект конструкторской документации из вновь разработанных, а также ранее разработанных средств технологического оснащения (приспособлений) и оснастки для изготовления ЛОКС в цеховых условиях и для монтажа ЛОКС на заказе;

- ремонт ЛОКС - при выходе из строя узла ЛОКС дефект может бьггь устранен повторным армированием волокна оптическим соединителем. При выходе из строя кабеля отсечной или капсульной кабельной сборки, последняя может быть заменена полностью резервной или, при отсутствии резерва, отремонтирована ремонтной вставкой. При повреждении наружных оболочек кабелей восстановительный ремонт может быть произведен разработанным НПО «ВОЛС» вулканизатором.

В заключении подведены итоги и результаты проведенных исследований.

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

- в результате анализа современного состояния вопроса создания и реализации систем управления электроэнергетической системой выявлено, что развитием электроэнергетики корабля является модернизация ее управления. В современных ЭЭС информационных кабелей используется в 20 раз больше, чем силовых. Подавляющим объемом абонентов являются ИИ и ИО электрооборудования ЭЭС. Отмечено, что примените существующих способов контроля основных параметров ЭЭС приводит к увеличению габаритов оборудования, расходованию вычислительных ресурсов СУ ЭЭС; накладывает серьезные метрологические ограничения, вызывает усложнение и снижение надежности;

- раскрыто, что при построении СУ ЭЭС по принципу кольцевой топологии на базе средств волоконно-оптической техники сократятся объемы кабельных связей и массогабаритные показатели оборудования, а также уменьшится количество кабельных коробок (до 50%);

- исследованы и определены факторы, влияющие на передачу информации по волоконно-оптическим линиям связи, которые можно разделить на две группы: факторы, связанные с изготовлением, и факторы, связанные с применением в корабельных условиях;

- разработана структура функционирования канала контроля тока с применением инновационного ИИ для СУ ЭЭС - волоконно-оптического трансформатора тока, на который получен Патент РФ;

- разработана методология оценки возможности построения СУ на базе средств волоконно-оптической техники. Доказано, что СУ ЭЭС, построенная на ЛОКС, имеет существенный запас пропускной способности на случай расширения системы и увеличения количества информации при передаче в одном запросе

(порядка 8 млн. существующих каналов). Это доказывает, что переход с медных линий связи на ВОЛС приведет к повышению быстродействия СУ ЭЭС, обеспечит обмен информацией в реальном масштабе времени и обеспечит дальнейшую интеграцию в общекорабельную систему обмена данными. По результатам разработанной методологии и опьггу внедрения ЛОКС на заказах ОАО «СПМБМ «Малахит» предложен апробированный алгоритм технологической последовательности разработки и внедрения ЛОКС на заказ;

- проведены испытания разработанных ЛОКС, в результате которых получены высокие показатели надежности выбранных способов построения каналов передачи информации в современных СУ. Отмечено, что культура монтажа ЛОКС требует строгих требований по чистоте окружающего пространства и необходимости контроля чистоты разъемов перед их подключением;

- наработки российской промышленности и конструкторских организаций обеспечивают переход СУ ЭЭС на новый этап качественного управления и контроля оборудованием ЭЭС. Полученный опыт позволяет спроектировать, изготовить и внедрить структуру СУ ЭЭС, построенную на базе средств волоконно-оптической техники, без существенных технических трудностей.

Поставленные задачи диссертационного исследования успешно решены и цель достигнута. Разработанные алгоритмы оценки СУ ЭЭС, построенной на базе средств волоконно-оптической техники, позволяют производить более качественный анализ перспективных СУ. Применение ВОЛС и оптоволоконных датчиков приведет к повышению эффективности СУ, повышению точности и скорости получения исходных данных.

Публикации по теме диссертации

а) Публикации в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

1. Кочетков И.В., Червяков В.В. Пути повышения эффективности системы управления и контроля корабельной ЭЭС за счет внедрения средств волоконно-оптической техники. // Судостроение. 2009. №1. С37-41. (автор - 50%).

2. Кочетков И.В., Фоломеев А.Н. Современные разработки в области волоконно-оптической техники для КСУ ТС ПЛ. // Судостроение. 2010. №2. С.34-36. (автор-50%).

3. Кочетков И.В. Волоконно-оптический трансформатор тока. // Изобретательство. 2011. №1. С.29-34. (автор -100%).

4. Кочетков И.В., Червяков В.В. Внедрение волоконно-оптических технологий в корабельных системах управления, контроля и связи. // Изобретательство. 2011. № 12. С.28-34. (автор - 50%).

5. Кочетков И.В., Мокеев И.А. Способ оценки возможности функционирования систем управления на основе волоконно-оптических линий связи // Изобретательство. 2012. №6. С.25-29 (автор - 50%).

б) Прочие публикации:

6. Кочетков И.В. Повышение эффективности электроэнергетической системы подводной лодки. // Материалы конференции «Моринтех-2008», Санкт-Петербург, сентябрь. 18-19,2008, с.79-81. (автор-100%).

7. Кочетков И.В., Макаров В.В., Мокеев И.А. Перспективные направления в построении систем управления // Труды второй научно-технической конференции молодых специалистов, посвященной 50-летию полета ЮЛ. Гагарина в космос «Старт в будущее», ОАО «КБСМ», Санкт-Петербург, апрель, 14, 2011, с. 79-83. (автор - 34%).

8. Кочетков И.В. Корабельная электроэнергетическая система как объект управления. // Сборник тезисов докладов Научно-технической конференции молодых специалистов «Корабельные системы управления и обработки информации. Проектирование и изготовление», ОАО «Концерн «НПО «Аврора», Санкт-Петербург, ноябрь, 24,2011, с.21 -22. (автор -100%).

9. Патент РФ №2438138 Волоконно-оптический трансформатор тока / Кочетков И.В., Червяков В.В., Александров И.И. - Опубл. в Бюл., 2011, №36.

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, Ю Подписано в печать 22.02.2013. Зак. 4468. Тир.80. 1,2 печ. л.

Минобрнауки России федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический

университет»

На правах рукописи

Кочетков Илья Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ КОРАБЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени СО кандидата технических наук

см

со „

£ й

" С\1

^ Научный руководитель -

® ^ доктор технических наук, профессор,

О

^ заслуженный деятель науки РФ,

Червяков Виктор Викторович

Санкт-Петербург - 2013 год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СОЗДАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ.............................................15

1.1 Перспективы использования оптоволоконных технологий в кораблестроении....................................................................................................15

1.2 Особенности корабельных ЭЭС и ее основного электрооборудования. 18

1.3 Анализ технических требований, предъявляемых к основному корабельному электрооборудованию, линиям связи и элементам СУ ЭЭС....24

1.4 Анализ информационных связей современной СУ ЭЭС.........................27

1.5 Проблемы, сопутствующие разработке и эксплуатации корабельного

электрооборудования и перспективы его развития............................................37

Выводы по 1 главе..................................................................................................40

2 РАЗРАБОТКА И ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ.......................41

2.1 Оценка возможности применения оптического волокна в качестве передающей среды для корабельных линий связи.............................................41

2.2 Обоснование выбора структуры функционирования системы управления электроэнергетической системой с применением волоконно-оптических технологий.........................................................................................45

2.3 Обзор современных стандартов передачи информации...........................48

2.4 Контроль основных оптических параметров ВОЛС при производстве и

сдаче на корабле.....................................................................................................51

Выводы по 2 главе..................................................................................................58

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ КОРАБЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ...61

3.1 Анализ среды передачи информации в системе управления электроэнергетической системой корабля..........................................................61

3.2 Факторы, влияющие на передачу информации по волоконно-оптическим линиям связи.....................................................................................76

3.3 Создание канала контроля тока с применением волоконно-оптических технологий..............................................................................................................94

3.4 Оценка возможности построения системы управления ЭЭС с применением средств волоконно-оптической техники...................................120

3.5 Алгоритм технологической последовательности разработки и внедрения

ЛОКСна заказ......................................................................................................128

Выводы по 3 главе................................................................................................133

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОЗДАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЭС НА БАЗЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ..................................................................................................136

4.1 Испытания ЛОКС в условиях стенда ОАО «Концерн «НПО «Аврора» 136

4.2 Сравнительные показатели существующей СУ ЭЭС и построенной на базе средств волоконно-оптической техники...................................................137

4.3 Технико-экономические показатели применения волоконно-оптических линий связи в различных сферах жизнедеятельности.....................................138

4.4 Наработки российской промышленности и конструкторских организаций в области волоконно-оптической техники..................................144

4.5 Разработанная автором документация.....................................................146

4.6 Технологичность ЛОКС............................................................................155

4.7 Средства технологического оснащения и оснастка................................160

4.8 Ремонт ЛОКС..............................................................................................161

Выводы по 4 главе................................................................................................162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................163

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.........................................165

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................................................................181

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..............................................................................................182

ПРИЛОЖЕНИЕ В.............................................................................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ Г..............................................................................................184

ПРИЛОЖЕНИЕ Д.............................................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ Е.............................................................................................187

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж............................................................................................196

ПРИЛОЖЕНИЕ И.............................................................................................197

ПРИЛОЖЕНИЕ К.............................................................................................208

ПРИЛОЖЕНИЕ Л.............................................................................................211

ПРИЛОЖЕНИЕ M............................................................................................213

ПРИЛОЖЕНИЕ H.............................................................................................214

ПРИЛОЖЕНИЕ П.............................................................................................215

ПРИЛОЖЕНИЕ Р..............................................................................................216

ПРИЛОЖЕНИЕ С.............................................................................................217

ПРИЛОЖЕНИЕ Т.............................................................................................219

ПРИЛОЖЕНИЕ У.............................................................................................224

ПРИЛОЖЕНИЕ Ф.............................................................................................228

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Энерговооруженность кораблей значительно возросла, по этой причине электротехническая часть, а именно совокупность устройств, генерирующих, потребляющих и преобразующих электрическую энергию, является одним из основных компонентов корабля. Этот компонент в значительной степени определяет не только стоимость корабля, но и его эксплуатационные качества, а процесс формирования каналов передачи информации в значительной степени определяет и длительность его постройки.

С начала практического внедрения электроэнергии на военных кораблях прошло уже почти 140 лет [1]. Применение в качестве источников энергии поршневых машин с генераторами постоянного тока не требовало больших усилий по управлению и автоматизации. С развитием науки и техники на кораблях внедрялись все более сложные механизмы и системы с возрастающей ролью управления их работой. Темпы развития корабельных электроэнергетических систем менялись в зависимости от экономических, политических и военных позиций страны в конкретный промежуток времени.

Современные корабли вобрали в себя многие отрасли науки и техники, к которым можно отнести: энергомашиностроение, металлостроение, развитую электроэнергетику, системы автоматизации и защиты, управления и мониторинга, и многое другое.

Электроэнергетическая система корабля с ее различными структурными решениями является одной из сложнейших систем на корабле. Это связано с большими техническими трудностями применения электроэнергии в закрытых помещениях, со сложнейшими переходными процессами [2], с высокими требованиями к безопасности и надежности [3].

Из задач, которые требуется решить при проектировании ЭЭС, можно выделить основные: определение количества и типов электростанций и

источников электроэнергии, структурных связей между ними, выбор параметров тока и напряжения, единичных мощностей генераторов, решение проблемы расположения элементов в ограниченном объеме, развитие, а также реализация централизованного управления ЭЭС.

В связи с ужесточением требований, относящихся к совершенствованию оборудования, заказчиками ставятся задачи по оптимальному управлению ЭЭС и поддержанию необходимого качества электроэнергии.

При анализе современных СУ ЭЭС ПЛ было выявлено, что основными проблемами, с которыми сталкиваются разработчики, являются слабая помехозащищенность каналов передачи информации, их узкая полоса пропускания [2, 4], децентрализация элементов ЭЭС по герметичным помещениям ПЛ. Эти недостатки связаны с физическими и электрическими свойствами применяемого материала проводника - меди, а также со структурным построением самой ЭЭС. Последнее связано с тем, что для таких систем как ЭЭС, оптимальной была признана [5] организация структуры СУ, повторяющей топологию объекта управления. Это привело к разработке структуры СУ ЭЭС (см. Приложение А) с количеством элементов, достигающим несколько десятков, а внутрисистемных линий связи - около 500.

В связи со сложившимся обликом современной ПЛ и отработанными структурными решениями ЭЭС, значительное изменение ее силового оборудования и силовых связей (трасс) в ближайшем будущем не предвидится.

Электрические информационные линии связи, обладающие слабой помехозащищенностью, подвержены влиянию общего электромагнитного фона, присущего ПЛ, что существенно влияет на достоверность обрабатываемой информации в целом по СУ.

На сегодняшний день проблема защиты от помех решается двумя путями: путем использования витых пар проводников, а также путем ослабления синфазной составляющей сигнала помехи благодаря дифференциальной форме передачи и приема сигналов (алгоритмическая обработка информации) [2].

Узкая полоса пропускания медных линий связи создает трудности для передачи все возрастающих объемов информации об объекте управления, что обуславливает увеличение общего числа кабелей.

Значительные недостатки алгоритмической обработки информации, к которым можно отнести расходование вычислительных и временных ресурсов системы, сдерживают дальнейшую интеграцию СУ ЭЭС. Программные методы повышения помехозащищенности имеют параметрические ограничения и не могут «обслужить» весь спектр помех по всей совокупности входных сигналов [2].

Выходом из данного положения может быть внедрение альтернативы электрическим линиям связи - волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и применение в качестве источников информации (ИИ) - оптоволоконных датчиков. Использование оптоволоконных линий связи и датчиков сократит количество применяемых в настоящее время СВТ, а также расширит спектр информации об объекте управления, повысит скорость и надежность информационных каналов СУ ЭЭС. В связи с этим расширятся функциональные возможности, а также появятся возможности внедрения новых, ранее не задействованных алгоритмов и способов контроля оборудования [6]. В совокупности с высокой помехозащищенностью это обеспечит растущие потребности в обмене информацией между СУ ЭЭС и отдельными ее элементами, а также с СУ другого назначения, что, в свою очередь, не только улучшит качество электроэнергии, но и повысит управляемость оборудованием корабля в целом [7].

В качестве примеров можно привести диагностирование режимных переходов ЭЭС в процессе управления; диагностирование аккумуляторных батарей с автоматизированным ведением электронного аккумуляторного журнала; автоматизированное ведение электронного вахтенного журнала; информационную поддержку действий личного состава корабля по выявлению, локализации и устранению КЗ и перегрузок. Упростятся обязанности оператора пульта СУ ЭЭС по руководству действиями личного состава по выявлению и локализации мест снижения сопротивления изоляции, ликвидации последствий аварий и восстановления работоспособности ЭЭС, а так же появится возможность реализации так называемого «черного ящика» [8]. Самый надежный и экономичный способ добиться поставленных задач возможен при внедрении оптоволоконных технологий на корабле.

Применение волоконно-оптических технологий решит массу других, не менее насущных, проблем при проектировании, постройке, эксплуатации, ремонте и модернизации будущих заказов. В том числе, сократится трудоемкость прокладки и монтажа кабеля, уменьшится количество отверстий в прочных переборках, снизятся общие затраты, связанные с применением медных кабелей.

Не менее важный положительный эффект при эксплуатации заключается в постоянном контроле за состоянием оборудования (интеграция с системами диагностирования), что предотвратит его неожиданный выход из строя и даст время на ввод резервного. При модернизации оборудования не будет необходимости замены волоконных кабелей, так как их полоса пропускания имеет большой запас на будущее.

При такой тенденции развития СУ ЭЭС будет использовать все возрастающий объем потоков информации, что позитивно повлияет на общую управляемость ЭЭС.

Для реализации всех вышеизложенных тезисов необходимо понимание инженерным сообществом неизбежности применения оптоволоконных технологий, а так же масштабные вложения в эту отрасль и ужесточение нормативов на создание оптоволоконных кабелей для использования на подводных лодках.

Решению различных аспектов вопроса повышения эксплуатационных характеристик корабельных СУ ЭЭС, а также применению волоконно-оптических технологий в корабельных условиях посвящены работы авторов: Червякова В.В., Ларина Ю.Т., Губанова Ю.А, Сурина С.Н., Рябинина И.А., Константинова В.Н., Баранова А.П., Вилесова Д.В., КирееваЮ.Н., Собакина В.А., академиков Гуляева Ю.В., Дианова Е.М. и др.

Большой вклад в развитие волоконно-оптической техники в современном кораблестроении внесли такие организации как ФГУП «ЦНИИ «СЭТ», ЗАО НПО «ВОЛС», ОАО «СПМБМ «Малахит», ОАО «Концерн «НПО «Аврора», ОАО «СПО «Арктика», Научный центр волоконной оптики при ИОФ РАН, ОАО «Концерн «Моринформсистема-Агат», ОАО «ВНИИКП», ОАО «Концерн «Океанприбор».

В настоящее время во всем мире работы по внедрению оптоволоконных технологий в кораблестроении являются приоритетными [9, 10, 11, 12]. В нашей же стране работы в этом направлении ведутся [13, 14], но, к сожалению, в недостаточном масштабе из-за ограниченного финансирования, а так же из-за недостаточной осведомленности инженерных кругов о достоинствах и возможностях оптоволокна.

Цели и задачи диссертационной работы

Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности системы управления корабельной ЭЭС за счет внедрения средств волоконно-оптической техники.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие частные задачи:

- исследовать особенности и перспективы применения волоконно-оптических технологий в корабельных условиях;

- разработать типовой внутрисистемный канал связи между корабельной СУ ЭЭС и оборудованием ЭЭС с применением волоконно-оптических технологий;

- разработать структуру СУ ЭЭС, построенную с применением волоконно-оптических технологий;

- разработать алгоритм проектирования корабельных СУ ЭЭС с применением волоконно-оптических технологий;

- определить основные оптические параметры ВОЛС, контролируемые при производстве и сдаче на корабле.

Новизна научных результатов

- разработана методология построения каналов передачи информации и контроля основных параметров оборудования ЭЭС на базе волоконно-оптических технологий;

- разработана структура корабельной СУ ЭЭС, построенная на базе волоконно-оптических технологий;

- получен патент РФ на разработанный волоконно-оптический трансформатор тока для применения в качестве конечного устройства в корабельной СУ ЭЭС;

- предложен канал контроля тока, построенный на базе средств волоконно-оптической техники;

- создан алгоритм проектирования систем управления с применением ВОЛС.

Практическая ценность работы

Предложен алгоритм проектирования СУ с применением BOJ1C, который используется при разработке ряда корабельных систем управления.

В результате проведенных исследований:

- выполнен анализ структур СУ ЭЭС на различных принципах передачи информации. Определены особенности и возможность функционирования СУ с передачей информации по BOJTC в корабельных условиях;

- определены основные требования к элементам и структурам СУ ЭЭС, построенным на базе средств волоконно-оптической техники;

- предложена оригинальная компактная конструкция волоконно-оптического трансформатора тока для применения в электроэнергетических системах;

- определены эксплуатационные особенности работы BOJ1C в корабельных условиях.

Методы исследования

При выполнении работы использованы методы системного анализа, методы теории передачи информации по волоконно-оптическим каналам связи, теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах, теории анализа, теории надежности, теории автоматизированного проектирования, статистического моделирования, методы булевой логики. Исследования проводились с примен�