Получение и движение информации

Необходимо различать непрерывную и дискретную информацию о параметрах объекта управления.

Непрерывная информация соответствует случаю, когда параметр может принимать любые значения на интервале наблюдения. В ЭЭС примерами могут служить токи, напряжения, мощности, частота, электроэнергия, температура и давление в котле или турбине и некоторые другие параметры.

Дискретная информация соответствует параметру, который принимает только определенные значения. Характерным примером может служить коэффициент трансформации трансформатора, имеющий разные значения на отпайках обмотки. Частным случаем дискретной информации можно считать телесигнализацию (ТС) о состоянии объекта наблюдения: включен/выключен. Такой параметр имеет только два значения, например, как в двоичной системе счисления — 1 и 0.

Датчик телеизмерений — преобразователь контролируемой физической величины X в другую, промежуточную величину Х_А, являющуюся аналогом измеряемого физического параметра и подаваемую на вход передатчика телеизмерения. Поэтому телеизмерения (ТИ) часто называют аналоговой информацией.

Выходными величинами Х_л чаще всего являются унифицированные величины постоянного напряжения или тока, пропорциональные исходному значению X. Например, аналогом температуры является электрический потенциал (термоЭДС) на термопаре (термоэлектрический преобразователь) — устройстве, применяемом для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Аналогом давления является пьезоЭДС, возникающая на пьезокристалле, имеющем от природы свойство при сжатии продуцировать электрический заряд. Пьезокристаллические датчики нужны не только для электронных весов, но и для измерения давления газов и жидкостей в различных технических системах.

Электрический режим ЭЭС характеризуется такими параметрами, как напряжение на шинах, ток и мощность в линии передачи или в обмотках генераторов и силовых трансформаторов. Для получения аналогов используются измерительные трансформаторы напряжения и тока, имеющие чаще всего невысокую точность.

Таким образом, Х_л есть аналог контролируемого физического параметра — температуры, давления, высокого напряжения, потока мощности в ЛЭП и т. д. Поэтому полученная в датчике информация Х_л называется аналоговой, она так же, как исходный параметр X, является непрерывной, т. е. может принимать любые значения в некотором контролируемом диапазоне.

На рис. 2 представлена упрощенная схема, отображающая движение и преобразование первичной (от объекта управления) информации, задаваемая датчиками (Д) и поступающая в комплекс вычислительных средств (КВС), обрабатывающий эту информацию вплоть до формирования советов диспетчеру.

Рис. 2. Движение и преобразование информации.

Датчики могут иметь несколько измерительных органов, присоединяемых либо непосредственно к объекту, либо через промежуточные устройства, например через трансформаторы тока или напряжения. В результате погрешность датчика определяется не только измерительными органами, но и этими промежуточными устройствами. К сожалению, в ЭЭС при измерении параметров для телеметрии часто результирующая погрешность бывает более 1%. О влиянии погрешности информации на принятие диспетчерских решений будет сказано ниже.

По своей природе, как это было отмечено выше, восприятие, передача и обработка информации могут осуществляться как в непрерывной (аналоговой), так и в дискретной форме. Однако существенным недостатком передачи непрерывной информации на большие расстояния является потеря точности, а иногда и принципиальная невозможность реализации передачи, например, в беспроводном варианте. Существенное влияние оказывают внешние воздействия (помехи) на канал связи. Поэтому реальные АСУ, в том числе в энергосистемах, имеющие протяженные каналы связи, имеют устройства аналого-цифрового преобразования (АЦП) непрерывной информации в дискретную. В связи с этим далее будут рассматриваться вопросы, относящиеся только к дискретной информации.

Передача сообщений по КС осуществляется специально выбранным способом записи сведений на основе той или иной комбинации двоичных символов 1 и 0.

В системах управления следует различать количественную информацию о параметрах объекта (например, напряжение на шинах подстанции составляет 503,5 кВ) и смысловую информацию, характеризующую некоторые сведения об объекте, а также о поведении системы и людей (приказы, характеристики, запросы, например: «Просим разрешения на вывод в ремонт оборудования».).

Смысловая информация, представляемая в виде текстового (приказы, команды, описания, алгоритмы, таблицы и т. д.) или графического (чертежи, схемы, фотокопии и др.) материала, также переводится в дискретную форму через соответствующие системы кодирования.

Рассмотрим восприятие и передачу количественной информации о непрерывно изменяющихся параметрах объекта управления. Сбор исходной информации с контролируемых точек осуществляется с помощью опрашивающих устройств, в которых подключение датчиков к каналу связи осуществляется либо циклически, либо посредством специальных программно-управляемых систем. Структура и порядок опроса определяются спецификой управляемого технологического процесса, характером изменения контролируемых параметров и требованиями их измерения.

Рассмотрим циклический метод опроса источников информации. Если обозначить через т длительность шага переключающего устройства, Т — интервал времени полного цикла обегания (время, через которое замеряют один и тот же параметр), то количество точек контроля на одном опрашивающем устройстве М = Т/т, или М = vT, где v — быстродействие опрашивающего устройства, показывающее число измерений в единицу времени, v = 1/т.

Цикловой интервал Тне может быть выбран произвольно, так как он, с одной стороны, определяется скоростью изменения контролируемых величин, а с другой — зависит от точности их измерения.

Пусть некоторый параметр изменяется во времени, т. е. х =/(Г). Если скорость изменения параметра х характеризовать наибольшим значением первой производной х'_тах, то при разрешающей способности датчика 6 наименьший интервал Т для циклического измерения контролируемой величины у может быть определен как Т < (6/х'_1ШХ).

Поскольку физический параметр необходимо измерить и представить в форме, удобной для последующего использования его в ПВК, то общепринятые меры и единицы измерения (кг, м, с и др.) нс могут быть применены при определении объемов информации. Поэтому вводится некоторая информационная единица — квант информации, который ставится в соответствие некоторому заранее избранному количеству (числу) измеряемой физической величины. Процесс дискретизации получаемой информации называется квантованием измеряемой физической величины. Информация о параметре х есть целое число К, показывающее число квантов (принятых единиц измерения), содержащихся в величине х.

Определение числа К, соответствующего величине х, называется квантованием по уровню и осуществляется исходя из точности измерительного устройства (датчика информации). Процесс квантования х (?) представлен на рис. 3. Первичный аналоговый параметр х_А (t) всегда получается с некоторым приближением, обусловленным погрешностью соответствующего датчика. Конечно, измерение контролируемой величины с точностью, большей, чем это позволяет разрешающая способность датчика, невозможно. Следовательно, в качестве единицы измерения необходимо принять величину Ах > б.

Рис. 3. Квантование непрерывной информации.

Количество информации К в квантах при измерении параметра х есть целая часть отношения х/Ах. Например, если при измерении напряжения U = 6,18 кВ в качестве кванта информации принять 0,1 кВ, то К = 61 квант. Носителем информации об одном кванте может быть сигнал в виде импульса. Однако в этом случае длина сообщения о квантах станет равной К импульсам. Для сокращения длины сообщения используется двоичная система счисления, в которой импульс (1) или его отсутствие (0) несут информацию о соответствующем разряде двоичного числа. Например, вместо последовательности из 61 импульса для К= 61 формируется последовательность импульсов 111 101, соответствующая числу 61 в двоичной системе. Для получения числа К, характеризующего информацию в двоичной системе счисления, используются различные способы аналого-цифрового преобразования, принцип которых будет далее рассмотрен. В ходе непрерывного наблюдения за объектом управления необходимо учитывать время получения дискретной информации, поэтому замеры проводятся через интервалы Т. Таким образом, можно говорить не только о квантовании по уровню, но и о квантовании по времени. Процесс как бы накладывается на сетку с размером ячеек Ах и Т. Чем выше скорость изменения х, тем меньше должно быть Т, так как в противном случае дискретное временное отображение параметра К = ф (г) будет существенно отличаться от х =/(Г).

На этапе АЦП появляется погрешность обработки ТИ ввиду необходимости квантования информации по уровню и времени. Точность АЦП определяется числом разрядов двоичного отображения ТИ. Например, четырехразрядные числа 0000, 0001, 0010, …, 1111 охватывают диапазон измеряемой величины от 0 до 15; восьмиразрядные — от 0 до 255. Максимальное число квантов равно (2″  — 1), где п — число разрядов. Таким образом, в системе телеметрии с п разрядами невозможно представить ТИ меньше, чем один квант, равный х,/2″ . Например, пусть максимальная мощность электростанции составляет 3000 МВт. При восьмиразрядном квантовании погрешность 6₍. = 3000/256, что приближенно соответствует 12 МВт.

Восстановление процесса по квантованной информации осуществляется чаще всего при помощи ступенчатой или линейной интерполяции. Из известной теоремы Котельникова следует, что любая непрерывная функция х (/), спектр которой ограничен частотой/_тах, может быть полностью восстановлена по ее дискретным значениям, взятым через интервалы времени Т, если Т < —|—. На практике руководствуются формулой.

^Jmax.

Т = ——-—, где коэффициент р принимается равным 0,75л/б при линей;

^2г1Лпа* ной интерполяции и Зл/8 при ступенчатой интерполяции (здесь 6 — относительная погрешность квантования по уровню).

Для медленных процессов, которые обычно рассматриваются в АСДУ энергосистемами, используется другой подход к определению шага квантования Т, исходя из допустимой погрешности. Если для восстановления x (t) используется ступенчатая интерполяция, то получается формула Т < (б/х'_тах), упомянутая ранее при обсуждении системы циклического опроса источников информации.

Дискретная информация о количестве квантов в числовом выражении поступает в канал связи. Следует различать понятия «канал» и «линия связи».

Канал — это тракт движения сигнала от источника к приемнику, включающий в себя совокупность технических средства, обеспечивающих независимую передачу сообщений по линии связи. Канал характеризуется способом передачи информации — в аналоговом или дискретном виде, технической реализацией — телеграфный или телефонный и т. д.

Линин связи — физическая среда, по которой сигнал распространяется на расстояние. Для передачи телемеханической информации используются линии связи: проводные, высоковольтные ЛЭП, оптоволоконные, радиорелейные.

Повышение достоверности ТИ и ТС осуществляется несколькими способами. Одним из наиболее распространенных является отбраковка ТИ при достижении контролируемого параметра предельного значения (верхний или нижний), а также при получении сигнала о неисправности устройства телеметрии. Применяется также дублирование ТИ, например, в ЭЭС при помощи сравнения значения перетоков мощности по концам контролируемой ЛЭП или через сопоставление ТИ и ТС — показание ТИ о перетоке мощности может быть не равно нулю только при включенных выключателях линии; при отключенном выключателе ненулевое показание ТИ отвергается как неверное. Выявленная недостоверная информация заменяется псевдоизмерениями, получаемыми в каждом конкретном случае по специальному алгоритму на основе как предшествующих замеров, так и дополнительных расчетов режимов на ПВК.

Наряду с оперативной информацией ТУ, ТС и ТИ передается производственно-статистическая информация о составе и состоянии оборудования, наличии энергоресурсов, о заявках на ремонт и т. д.; команды по обработке и отображению циркулирующей информации.

Носителем информации в канале связи является сигнал. В качестве сигнала рассматривается физический процесс, параметры которого содержат информацию и в соответствии с ней могут изменяться. Для образования сигналов чаще всего используются постоянные состояния потенциала.

(t/(/) =const), колебания, импульсы. Изменение этих состояний называется модуляцией; обратная операция по восстановлению величин, вызвавших изменение параметров при модуляции, называется демодуляцией.

Модуляция состоит в том, что в соответствии с передаваемой информацией происходит изменение одного или нескольких параметров состояния. Если обозначить через U (l) исходный смодулированный сигнал, не содержащий информации, то сигнал (U{t) + ДU) можно назвать модулированным. В нем содержится добавка Д U = кХ, пропорциональная информационной функции X и связанная с ней через некоторый коэффициент пропорциональности к.

Если постоянный потенциал можно модулировать только по значению и знаку, то колебание позволяет модулировать по трем параметрам: амплитуде, фазе и частоте. Соответствующие им виды модуляции называются амплитудной, фазовой и частотной. Еще большие возможности по модуляции имеют импульсные передачи, в которых возможны модуляции импульсов: амплитудная, фазовая, частотная, широтно-импульсная (по длительности импульсов и пауз), счетно-импульсная (по числу импульсов), кодовая (по комбинации импульсов и пауз).

На рис. 4 показана частотная модуляция прямоугольных импульсов, соответствующих I в двоичной системе счисления. Отсутствие импульса соответствует 0. В канале связи единице соответствует высокочастотный сигнал, нулю — его отсутствие.

Рис. 4. Модуляция и демодуляция.

Кодово-импульсные системы передачи телеинформации основываются на цифровых кодах, как правило двоичных, с использованием принципов повышения помехоустойчивости (коды Хэмминга, циклические и др.). На передающей стороне измеряемый параметр при помощи АЦП преобразуется в цифровой код, который дальше расширяется до длины слова, включая контрольные разряды. Если на приемной стороне необходимо отображение информации на аналоговом приборе, то при помощи цифроаналогового преобразования осуществляется восстановление информации в виде непрерывного электрического параметра (напряжения). Если же по каналу связи осуществляется ввод информации в ЭВМ для формирования соответствующих файлов, то обратного преобразования не требуется. Передаваемое двоичное слово декодируется, при необходимости ошибки устраняются и контрольные символы отбрасываются. В памяти ПВК записываются информационные символы.