Особенности построения аппаратуры для передачи сигналов противоаварийной автоматики по вч – каналам

Вид материала

Документы

Содержание Общее в заявленных характеристиках Особенности производственного процесса, испытательное оборудование. Настройка аппаратуры на ВЧ – канал. Подготовка специалистов и опыт эксплуатации.

Подобный материал:

• Удк 621. 311 Разработка координированной системы противоаварийной автоматики на уровне, 63.22kb.
• Компьютерные сети и телекоммуникации, 122.28kb.
• Введение в предмет основы телекоммуникационного бизнеса, 31.52kb.
• Моу парабельская гимназия Реферат, 633.61kb.
• Контрольная работа №1 Цифровые микросхемы Дата сдачи работы: 2005г. Работу, 322.63kb.
• Цифровая обработка сигналов, 25.15kb.
• Тема пространство и метрология сигналов физическая величина более точно определяется, 595.48kb.
• Смирнов В. А., Лангборт Т. М., Корженко А. Н., Кудашев, 109.98kb.
• Содержание: Введение, 278.06kb.
• Узловой комплекс противоаварийной автоматики электропередачи Братск-Иркутск А. Б. Осак,, 79.01kb.

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ

СИГНАЛОВ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ АВТОМАТИКИ

ПО ВЧ – КАНАЛАМ


а.л. Горохов (ООО «Уралэнергосервис»)


В настоящее время рядом различных отечественных и зарубежных производителей предлагается аппаратура для передачи сигналов – команд противоаварийной автоматики энергосистем по ВЧ – каналам связи.

Вопросы выбора наиболее подходящего типа аппаратуры для служб эксплуатации предприятий электроэнергетики становятся всё более актуальными, поскольку каждый из существующих типов аппаратуры обладает определёнными достоинствами, которыми хочется воспользоваться, и недостатками, с которыми придётся мириться.

Аппаратура отечественных производителей традиционно, в силу разных причин, строится как узко специализированное устройство. Аппаратура зарубежных производителей, как правило, многофункциональна, что находит своё отражение в ценовых показателях. Сравнение их технических параметров по передаче команд ПА (и только) не будет корректным, поскольку при разработке специализированного устройства всегда можно достичь определённых преимуществ в сравнении с устройством многофункциональным.

В ряду производителей специализированных устройств передачи сигналов – команд ПА можно назвать завод ''НЕПТУН'' г. Одесса (АКПА - В), БСКБ ''ВОСТОК'' г. Барнаул (АКАП - В, АКАП - М), ''Уралэнергосервис'' г. Екатеринбург (АКА ''КЕДР''). Сообщалось, что аппаратура УПК-Ц (производитель ''Прософт - Е'') также прошла стадию испытаний и принята межведомственной комиссией. Появляется информация о новых устройствах, находящихся в разных стадиях разработки.

Поскольку высока мера ответственности потери команды или формирования ложной, разработчикам аппаратуры передачи сигналов теле отключения необходимо принимать взвешенные решения по реализации каждого функционального узла, применяя апробированные в эксплуатации (решения) или тщательно обосновывая соответствующими расчётами и целевыми испытаниями новые.

Сравнительный анализ важнейших параметров устройств, разработка которых выполнена в самое последнее время, каковыми являются АКА ''КЕДР'' и УПК-Ц, поможет высветить основные проблемы выбора и реализации технических решений, а также достоинства и недостатки аппаратуры.

^

Общее в заявленных характеристиках:

• Диапазон рабочих частот 24-1000 кГц
  
• Количество передаваемых команд 32 (с возможностью расширения до 64)
  
• Цифровая обработка сигнала
  
• Источники вторичного электропитания - DC/DC преобразователи TRACO
  
• Конструктив 19'' корпус стандарта Евромеханики
  

Реализация основных функциональных узлов.

1. Усилитель мощности и линейный фильтр

Передатчик АКА ''КЕДР'' является полностью цифровым устройством. Аналоговый сигнал присутствует только в выходном трансформаторе и контурах линейного фильтра.

Оконечный каскад усилителя мощности (УМ) управляется специализированным драйвером, обеспечивающим оптимальный режим коммутации силовых ключей, что обеспечивает работу УМ на рабочих частотах до 1000 кГц с уровнем 45 дБ в режиме передачи команд и уровнем передачи сигнала контрольной частоты до 39 дБ.

При работе на более низких рабочих частотах облегчается режим работы силовых ключей, и это становится резервом повышения долговечности блока УМ (его надёжности).

Питание оконечного каскада УМ выполнено на модульном DC/DC преобразователе с возможностью плавной регулировки выходного напряжения (с лицевой панели блока), а значит и выходной мощности, как для режима передачи команды, так и для режима передачи контрольного сигнала.

Линейный фильтр имеет два LC контура включенных по дифференциально - мостовой схеме. Элементы контуров имеют высокую стабильность параметров во времени, что освобождает эксплуатирующий персонал от необходимости подстройки ЛФ при очередных проверках аппаратуры. В случае если входное сопротивление канала (Z вх) существенно отличается от номинального значения 75 Ом возможно использование простейшего устройства - согласующего трансформатора (ТС - принадлежность ЗИП), позволяющего привести Z вх канала от 20 до 280 Ом к номинальному значению (75 Ом), выбрав по таблице соответствующий коэффициент трансформации. Это полностью освобождает от необходимости подстройки параметров ЛФ при включении аппаратуры на канал или в процессе эксплуатации, если Z вх канала изменило своё значение.

В передатчике УПК-Ц усилитель мощности работает в линейном режиме (т.е. является чисто аналоговым устройством). Использование такого режима является настоятельной необходимостью для получения нужного уровня группового сигнала многофункциональной (каналообразующей) аппаратуры, поскольку по целому ряду параметров линейный усилитель проигрывает усилителю, работающему в ключевом режиме. А именно:

- источник питания линейного усилителя должен быть минимум на 40  мощнее т. к. его потребление выше,

- транзисторам требуются габаритные радиаторы,

- значительно более крутая зависимость полезной мощности на выходе от частоты,

-гораздо большее влияние оказывают на него и изменения нагрузки (Z вх канала), возможные, например, при повреждениях в элементах обработки ВЧ - тракта,

- регулировка уровня и настройка оптимального режима линейного усилителя при включении на реальный канал не является элементарной процедурой, что признают и сами разработчики УПК-Ц настаивая на необходимости своего участия в этой операции (И2).

Единственным оправданием применения линейного режима УМ служит попытка реализовать кодирование команд параллельным двухчастотным кодом (насколько это обоснованно - см. раздел ''Способы кодирования'').

Линейный фильтр передатчика УПК-Ц выполнен одноконтурным. Совершенно не требует доказательств, что такой ЛФ по сравнению с двухконтурным:

- проще в разработке, изготовлении, настройке и, как следствие, дешевле,

- имеет меньшее рабочее затухание, что улучшает показатели усилителя по уровню мощности на выходе передатчика.

Однако у этих ''преимуществ'' есть одна особенность: их плодами в полной мере пользуется только изготовитель аппаратуры. Для служб эксплуатации может представлять интерес простота настройки ЛФ, хотя предпочтительнее будет вариант, когда подстройка фильтра вообще не требуется, но этот путь требует значительно больших затрат времени и усилий от разработчика чем простейший одноконтурный фильтр.

Успешные зарубежные производители (в том числе и АВВ) давно не применяют одноконтурных схем линейных фильтров, (он доживает свой век лишь в отечественной аппаратуре связи), т. к. считают что, следуя принципу минимальной достаточности не сделать аппаратуру конкурентоспособной.

Выше уже отмечалось, что можно считать вполне вероятным изменение (увеличение) Zвх канала, когда линейный режим нарушается, усилитель переходит в режим ограничений и уровень гармонических составляющих на выходе одноконтурного фильтра существенно превысит показатели, которые имеет передатчик с двухконтурным линейным фильтром (учитывая, что последний изначально работает в импульсном режиме). Не следует сбрасывать со счетов и демпфирующее действие рабочего затухания двухконтурного фильтра для УМ при скачкообразном изменении Zвх канала (работа разрядников в устройствах обработки), а также двукратное, по сравнению с одноконтурным, подавление импульсной помехи высокой энергии.


2. Синтезатор опорных частот

Синтезатор рабочих частот АКА ''КЕДР'' - полностью цифровое устройство. Программными и аппаратными средствами выполнена стабилизация частоты с точностью не хуже 2ppm как в передающем, так и в приёмном устройствах, что исключает любую возможность потери команды или приёма ложной вследствие расстройки частот относительно номинальных значений.

Разработчики УПК-Ц применили в качестве процессора цифровой обработки сигналов готовое изделие (модуль отладки процессоров ЦОС) опорные генераторы которого имеют стабильность не лучше 50ppm и были вынуждены (по результатам климатических испытаний) выполнить автоматическую подстройку приёмного устройства по частоте контрольного сигнала на входе.

Использование индивидуальных систем стабилизации частоты тактовых генераторов АКА ''КЕДР'' освобождает от необходимости применения автоматической подстройки частоты (АПЧ) тактового генератора приёмника по сигналу контрольной частоты передатчика, что является важным преимуществом, поскольку повышает надёжность приёма сигналов – команд по сравнению с системой АПЧ.

Например, при использовании АПЧ, такие воздействия как: перерыв питания приёмника, перерыв питания передатчика, помехи на входе приёмника с уровнем, превышающим его динамический диапазон, приводят к потере контрольного сигнала приёмником и отклонение частоты его тактового генератора. По окончании воздействий, в течение времени достаточного для захвата системой АПЧ частоты контрольного сигнала, возможны потери сигналов - команд и приём ложных.

Выбор постоянной времени системы АПЧ сталкивается с противоречием: для сокращения времени захвата системой АПЧ частоты контрольного сигнала желательно использовать как можно меньшую постоянную времени, а для перекрытия времени воздействия просечек по питанию и всплесков помех - как можно большую. Следует учитывать, что такие воздействия часто создаются при аварийных ситуациях в электрической сети, когда наиболее вероятно формирование команд.

Данный пример демонстрирует отрицательные стороны применения любых автоматических регулировок в тракте приёма аппаратуры для передачи команд ПА, как - то: автоматическая регулировка усиления (АРУ), автоматическая подстройка амплитуд и сдвига фаз в каналах квадратур. Подобные системы регулировок давно и успешно применяются в аппаратуре связи, но для неё действуют менее жёсткие требования в отношении потери или приёма ложных сообщений.

Разнообразие шумовых всплесков реального ВЧ-канала по ВЛ не позволяют однозначно определить постоянные времени автоматических регулировок.

Поскольку сбои в тракте приёма неизбежны, а это для аппаратуры передачи команд - потеря или приём ложной команды (если приёмник не блокировать на время восстановления автоматических регулировок в канале связи), необходимо улучшать параметры приёмного устройства, чтобы снизить вероятность их возникновения.


3. Динамический диапазон приёмника

Усилия разработчиков, направленные на расширение динамического диапазона приёмного устройства позволяют отказаться от применения системы АРУ.

В приёмных устройствах АКА ''КЕДР'' и УПК-Ц цифровая обработка сигналов производится уже в низкочастотном спектре. Для преобразования канальных частот в НЧ спектр в АКА ''КЕДР'' используется блок ВЧ, который обеспечивает динамический диапазон приёмника на уровне 75 дБ. Это значит, что помеха с уровнем 200 В (ампл.) вне рабочей полосы, но в полосе пропускания входного фильтра не препятствует приёму полезного сигнала, т.е. не блокирует работу приёмника.

Схема преобразования частот приёмника УПК-Ц также выполнена аппаратно (аналоговыми цепями), но максимально упрощена и обеспечивает динамический диапазон только на уровне 50 дБ. А это значит, что импульсы помехи амплитудой 5 В уже способны ''оглушить'' приёмник, т.е. хотя бы кратковременно подавить контрольный сигнал и нарушить работу систем АПЧ и АРУ.

Pмеш, дБ

Рис.1


4. График разноса частот

Высокие показатели по избирательности и динамическому диапазону приёмника АКА ''КЕДР'' демонстрирует график (Рис.1) необходимой отстройки по частоте (f) в зависимости от уровня мешающего сигнала (Рмеш.), в сравнении с аналогичным для аппаратуры АВПА (АКПА-В).

Все графики построены с учетом запаса по уровню чувствительности -10 дБ. Отсчет по оси частот начинается от края номинальной рабочей полосы (F = 4 кГц) ВЧ-канала. График характеризует также способность приемника противостоять помехам, приходящим с ВЧ линии связи (принимать полезный сигнал при воздействии помех).

Графики по устройству УПК-Ц отсутствуют, однако по данным И1, И2 можно прогнозировать, что для мешающего сигнала с уровнем от 20 до 50 дБ, характеристики УПК-Ц будут уступать показателям АВПА - аппаратуре разработки 80^х гг.


5. Испытания приёмника сигналом помехи типа ”белый шум”

Условия испытаний АКА “Кедр”

С помощью передатчика АКА “Кедр” формировались частотные посылки длительностью 50 (2,5*Т0) или 26 (1,3*Т0) мсек, где Т0 = 20 мс - время задержки сигнала в тракте приема в отсутствие шума, (без учёта времени срабатывания выходных реле команд).

Уровень сигналов - команд на входе приемника составлял +6 дБ относительно чувствительности приемника (-22 дБ).

Генератором шума Г2-59 и широкополосным усилителем формировался сигнал помехи с возможностью регулировки уровня (приведённого к полосе приёма) выше полезного сигнала.

Вероятности потери команды от величины отношения С/Ш для двух значений длительности передачи команд (50 и 26 мсек.) показаны на графике (рис. 2).




Рис. 2.

Рекомендациями МЭК60834-1 допускается возможность потери одной команды из 1000, переданных с длительностью 1,3 Т0, при величине соотношения сигнал/шум равном +1,5 дБ. Как видно из графика (Рис.2) АКА ''КЕДР'' превосходит требования МЭК на 8 дБ и на 6дБ результаты испытаний УПК-Ц.

Следует отметить, что испытания АКА ''КЕДР'' выполнены в строгом соответствии требованиям МЭК60834-1. Под тестом находилась реальная рабочая система - передатчик и приёмник. Инжекция помехи (всплесков ''белого шума'') осуществлялась по ВЧ - входу приёмного устройства.

Испытания устройства УПК-Ц заключались в проверке работы программы цифровой фильтрации НЧ спектра имитацией потока данных с выхода АЦП искаженного сигналом помехи. В такой схеме тестирования реальные устройства не участвуют, тем более, вне зоны эксперимента остались самые проблемные участки тракта приёма: аналоговые цепи преобразования частоты канала в НЧ спектр и аналого-цифровой преобразователь. При испытаниях УПК-Ц в полном соответствии рекомендациям МЭК вполне возможно получить результаты, хуже представленных в И2.


6. Особенности кодирования команд

В АКА ''КЕДР'' для кодирования команд используется стандартный набор частот тональной телеграфии, что позволяет работать в одном ВЧ – канале или выполнить трансляцию сигналов на промежуточном пункте на аппаратуру других производителей (в ОАО Ростовэнерго включен в работу ВЧ - канал с передатчиком АКА ''КЕДР'' и приёмником АКАП - В).

Передача команд осуществляется одночастотной или последовательной двухчастотной посылкой. Для каждой команды, с панели управления блока ПРЦ, можно задать способ передачи (одной частотой или комбинацией из двух).

При использовании 16 команд, все команды могут передаваться одночастотными посылками.

При использовании 24 команд – 8 и 16, соответственно. Последняя по приоритету команда может передаваться одночастотной посылкой в течение времени существования управляющего воздействия на вход передатчика.

При использовании 32 команд, одночастотной посылкой передаются пять команд, а остальные – двухчастотной.

Двухчастотные посылки объединяются в группы с общей кодирующей частотой, которая передаётся однократно для всей группы. Это сокращает время передачи. Например: при залповой передаче 32 команд потребуется

5*50+(50+6*50)*4+(50+3*50)=1850 мсек,

или, в среднем, по 58 мсек на команду.

В настоящее время проходят испытания нового блока цифровой обработки сигналов (ЦОС), который обеспечит работу АКА ''КЕДР'' в режиме одночастотных посылок для 32 команд. Это сократит время передачи каждой команды до 50 мсек (поскольку нет необходимости использовать последовательное кодирование) и улучшит основное рабочее соотношение системы ШОУ - Fш/fу, что дополнительно повысит помехозащищённость приёмника.

В устройстве УПК-Ц реализован двухчастотный параллельный код. Это позволило не применять последовательного кодирования, но усложнило передатчик, поскольку необходима работа усилителя мощности в линейном режиме. При уровне пиковой мощности на выходе передатчика 45 дБм (30 Вт), каждая из составляющих сигнала команды имеет уровень 39 дБм (7,5 Вт). Компенсировать потери по перекрываемому затуханию предполагается повышением чувствительности приёмника, однако для каналов с повышенным уровнем шумов такая возможность вряд ли представится. Кроме того, установка высокого уровня чувствительности при узком динамическом диапазоне увеличивает вероятность ''забития'' приёмника помехой и потери сигнала команды.

Существующее предположение о ''более высокой помехозащищённости'' параллельного двухчастотного кода не подтверждается ни расчётом, ни опытом (см. раздел 5, ''Испытания приёмника помехой типа белый шум'').

Остаётся рассмотреть защищённость от воздействия сигнала помехи на частоте команды при подаче на вход приёмника сигнала от ГСС в процессе наладочных работ (по ошибке) или от аппаратуры связи (включенной по ошибке с полным или частичным повтором рабочей полосы частот). Для снижения вероятности прохождения ложных команд в этих ситуациях более эффективной, по сравнению с параллельным двухчастотным кодированием, будет система обнаружения сигнала помехи в полосе рабочих частот с действием на сигнализацию и блокировку приёмника. В АКА ''КЕДР'' такая система уже реализована, а с появлением нового блока ЦОС получит дальнейшее развитие.


7. Исполнение входов управления передачей команд

В передатчике АКА ''КЕДР'' выполняется автоматическая проверка (с периодом повторений 2 мсек) цепей управления передачей команд, включая оптроны гальванической развязки, что исключает необходимость планового вывода аппаратуры для опробования работоспособности цепей управления ''вручную'' (для исключения возможности потери команды из-за неисправности оптрона).


8. Исполнение выходных цепей приёмника

Сигналы команд в приёмнике АКА ''КЕДР'' реализуются замыканием контактов электромеханических реле, прочность изоляции контактного промежутка (в разомкнутом состоянии) которых составляет 1 кВ, что значительно превышает соответствующий параметр для твердотельных реле, используемых в УПК-Ц. Кроме того, в отличие от твердотельного, контакт электромеханического реле не может остаться замкнутым (что равнозначно приёму и исполнению ложной команды) после воздействия кратковременной импульсной помехи высокой энергии в сети оперативного тока.


9. Контроль исправности аппаратуры и канала

Блок ПРЦ АКА ''КЕДР'' ведет автоматический контроль исправности аппаратуры и канала. Измеряются уровни передачи и приёма ВЧ – сигнала и, при отклонении от нормы, включается соответствующая сигнализация.

Количество различных сообщений о состояниях предупреждения и неисправности (говорит о глубине автоматического тестирования): для передатчика – 16, для приёмника - 19. Кроме того, на табло индикатора выводятся сообщения о прохождении команд.

Перерыв питания АКА ''КЕДР'' не приводит к сбросу светодиодной индикации прохождения команд, что освобождает дежурный персонал от необходимости оперировать клавиатурой, чтобы извлечь необходимую информацию из энергонезависимой памяти на табло ЖКИ.

Через меню блока ПРЦ возможно включение тестовых режимов позволяющих, пользуясь широко распространёнными измерительными приборами, выполнить проверку основных характеристик АКА ''КЕДР'' (точность установки частоты и уровень по каждой из тональных частот в передатчике, уровень чувствительности и полосы пропускания всех фильтров приёмника).


^ Особенности производственного процесса, испытательное оборудование.

Проверка (настройка) отдельных блоков и блочного каркаса аппаратуры выполняется с помощью персонального компьютера (РС) через специализированные адаптеры, что повышает производительность при поиске (выявлении) дефектов изготовления.

Изготовитель АКА ''КЕДР'' обеспечивает технологический прогон КАЖДОГО комплекта аппаратуры при температуре 45С в течение 48 часов.

Качество функционирования аппаратуры контролируется в процессе прогона автоматизированным стендовым оборудованием под управлением РС.


^ Настройка аппаратуры на ВЧ – канал.

Настройка рабочих параметров аппаратуры через меню блока ПРЦ, уровня чувствительности приёмника, а также изменение уровней передачи сигналов команд и контрольных достаточно простая процедура, не требующая обязательного участия разработчика или представителя завода изготовителя, и может быть выполнена самостоятельно, силами специалистов местных служб РЗА.


^ Подготовка специалистов и опыт эксплуатации.

С началом массового производства АКА ''КЕДР'' начато обучение специалистов служб РЗА. Для поддержки процесса обучения (изучения устройства АКА ''КЕДР'' и методик настройки) в течение последних двух лет для лаборатории РЗА ОДУ Урала предоставляется комплект аппаратуры, который обновляется при модификациях и в связи с появлением новых функциональных возможностей.


Аппаратура АКА «Кедр» принята межведомственной комиссией (МВК) РАО ЕЭС России в мае 2002г. и рекомендована к применению в энергосистемах.

В прошедшем году установлено и включено в работу свыше 50 комплектов аппаратуры в ОАО Свердловэнерго, Тюменьэнерго, Оренбургэнерго, Хабаровскэнерго, Ленэнерго, Ставропольэнерго, Ростовэнерго, Тулэнерго и на Украине.

В аппаратах АКА ''КЕДР'', установленных на объектах энергетики, работают следующие дополнительные устройства:

- устройство передачи сигналов устройств телемеханики (со скоростью 100 бод),

- устройство телепередачи фазы,

- интерфейс RS – 485 в локальной информационной сети энергообъекта по протоколу ГОСТ Р МЭК 870-5-101-2001.

Включены в работу АКА – 16 - ''КЕДР'' по схеме расширения до 32 команд посредством цифрового стыка (интерфейс RS – 485).

Четыре комплекта АКА ''КЕДР'' работают по НЧ – каналу, через НЧ – окончания аппаратуры уплотнения.


Литература и источники:


1. (И1) Система сбора и передачи информации для целей ЦСПУ локальных устройств ПА. ПЕ 1.400.001.

2. (И2) УПК-Ц, Руководство по эксплуатации. ПЕ 1.401.202 РЭ от 11.07.03, 18:33.

3. Микуцкий Г.В., Скитальцев В.С. «Высокочастотная связь по линиям электропередачи»

(Москва, Энергоатомиздат, 1987г.).