Приемник цифровой системы передачи информации ВЧ-каналом связи по ВЛ

РЕФЕРАТ

Целью дипломной работы является разработка функциональной схемы блока приемника цифровой системы передачи информации высокочастотным каналом связи по высоковольтным линиям электропередачи.

Работа посвящена вопросу перехода от аналоговой к цифровой форме обработки сигнала, в уже существующих образцах ВЧ аппаратуры релейной защиты и противоаварийой автоматики (РЗ и ПА), используемой в энергетических системах России. В техническом задании требуется разработать функциональную схему цифрового приёмника ВЧ сигнала с сохранением преемственности параметров с прежней аппаратурой, т. е. конструктивно блок приемника сопрягается с остальными блоками аппаратуры РЗ и ПА, но обладает рядом достоинств присущих цифровой аппаратуре, выгодно отличающих её от аналоговой.

На данном этапе создан экспериментальный образец, который проходит лабораторные испытания.

Внедрение разработанного приемника позволит унифицировать блок аппаратуры релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗ и ПА). Что повысит удобство и эффективность работы с ней при изменении конфигурации линии электропередачи.

В пояснительной записке содержится 75 страниц.

РЕФЕРАТ ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ГРАФИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ

1. ОРГАНИЗАЦИЯ ВЧ — КАНАЛА СВЯЗИ ПО ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ЛИНИЯМ

1.1 Конструктивные особенности линий электропередачи

1.2 Структура канала связи

1.3 Особенности ВЧ связи по ВЛ

1.4 Характеристики каналов ВЧ связи

1.5 Уровни помех и линейных затуханий

1.5.1 Электрические помехи в каналах ВЧ связи по ВЛ

1.5.2 Линейные затухания в ВЧ тракте.

1.5.3 Минимальный уровень принимаемого сигнала

2. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ПРИЕМНИКА

2.1 Общие сведения

2.2 Структурная схема цифрового приемника аппаратуры АКА-16 ПРМ

2.3 Линейный тракт приемника

2.4 Функциональная схема аппаратуры каналов автоматики АКА-16 ПРМ

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И ПРОВЕРКА РАБОТЫ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИЕМНИКА

3.1 Оценка разрядности входного и выходного сигналов

3.2 Выбор элементов

3.3 Проверка работы модели на аппаратуре

4. ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЛОКА ПРИЕМНИКА

4.1 Возможные неисправности и действия при их возникновении…

5. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

5.1 Краткая характеристика проекта

5.2 Безопасность проекта

5.2.1 Электробезопасность

5.2.2 Пожарная безопасность

5.2.3 Микроклимат на рабочем месте

5.2.4 Освещенность на рабочем месте

5.2.5 Шумы и вибрации

5.3 Эргономичность проекта

5.3.1 Эргономические требования к рабочему месту

5.4 Экологичность проекта

5.4.1 Ионизационное излучение

5.4.2 Электромагнитное излучение

5.4.3 Статическое электричество

5.5 Черезвычайные ситуации

5.6 Вывод о безопасности и экологичности проекта

6. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

6.1 Расчетное обоснование проекта

6.2 Расчет материальных затрат

6.3 Расчет основной заработной платы

6.4 Расчет дополнительной заработной платы

6.5 Затраты на социальные выплаты

6.6 Затраты на электроэнергию

6.7 Амортизационные отчисления

6.8 Накладные расходы

6.9 Калькуляция затрат ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Структурная схема цифрового приемника ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Функциональная схема АКА-16 ПРМ ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Функциональная схема управления реле команд ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Фрагмент программного обеспечения ADSP-2191M

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ГРАФИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ

Таблица 1

Список условных сокращений

АЦП — аналого-цифровой преобразователь БВ1 — блок вспомогательных устройств БП — блок питания ВЛ — высоковольтная линия ВЧ — высокая частота ГЕН — блок синтезаторов частот ЖКИ — жидкокристаллический индикатор ЗИП — комплект запасных частей, инструментов и принадлежностей КЧ — контрольная частота ЛФ — линейный фильтр НЧ — низкая частота ПА — противоаварийная автоматика ПДПА — блок управления выходными реле ПЗУ — постоянное запоминающее устройство ПРВЧ — блок высокочастотного приемника ПРТЧ — блок приемника тональных частот ПРЦ — блок процессора ПЭВМ — персональная электронно-вычислительная машина РЭ — руководство по эксплуатации ТО — техническое обслуживание ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика УВЧ — усилитель высокой частоты ФНЧ — фильтр низкой частоты ШОУ — широкополосный операционный усилитель ОБП — одна боковая полоса с подавлением несущей АТП — аналоговый тракт приемника БДК — блок дискретизации и квантования

Введение

Актуальность перевода приемной части аппаратуры релейных защит и противоаварийной автоматики на цифровую форму обработки вызвана несколькими причинами:

1. Заводом изготовителем прекращены поставки кварцевых фильтров 16-порядка ФП 204 с полосой пропускания 3.1 кГц, ввиду экономической нецелесообразности штучного производства дорогих и не технологичных приборов.

2. Современные цифровые технологии позволяют создавать на основе существующих линий дополнительные каналы управления, связи и диспетчерской сети.

3. Технологичность изготовления, компактность, малые габариты и снижение себестоимости при переходе на цифровые технологии, вот основные критерии, заставляющие вести работы в этом направлении.

В России использование линий электропередачи для связи началось почти одновременно с появлением самих ЛЭП. Этот вид связи является основным средством дальней межобъектной связи в энергетике. 1]

Низкие затраты на сооружение и эксплуатацию каналов ВЧ связи по ВЛ и высокая надёжность обусловили их широкое распространение в энергосистемах многих стран мира. Высокочастотная связь по ВЛ является разновидностью техники дальней связи и имеет много общего со связью по специальным воздушным, кабельным и радиорелейным линиям связи. Однако ВЧ связь по ВЛ обладает рядом особенностей, отличающих её от всех других видов дальней связи. В первую очередь это специфические условия распространения сигналов по многороводным неоднородным линиям больших габаритов, большие уровни электрических помех, вызванных наличием на проводах высокого напряжения промышленной частоты, необходимость в специальных устройствах для присоединения ВЧ аппаратуры к проводам ВЛ. и др. В силу этих особенностей ВЧ связь по ВЛ сформировалась как самостоятельная область техники. [1]

Высокочастотный канал связи используется, как правило, для сигналов релейных защит и противоаварийной автоматики и служебной телефонии. Релейная защита ВЛ предназначена для быстрого отключения линии при возникновении на ней повреждения, что необходимо для обеспечения нормальной работы остальной (неповреждённой) части сети. Повреждённая линия должна быть отключена с обеих сторон. Потребители обычно получают электроснабжение не менее чем по двум линиям электропередачи. Поэтому при возникновении повреждения на одной ВЛ электроснабжение потребителя не нарушится, если повреждённая линия будет быстро отключена от остальной сети. При коротком замыкании между проводами или проводов на землю к месту КЗ течёт ток короткого замыкания. Чем больше мощность энергосистемы, тем больше ток КЗ и тем быстрее необходимо изолировать повреждённую линию от остальной сети высокого напряжения.

Устройства релейной защиты должны отличать повреждения на защищаемой линии, т. е. в зоне действия защиты, от повреждения на других линиях. Такие повреждения называются внешними. Применяемые в настоящее время устройства релейной защиты реагируют на изменения токов и напряжений промышленной частоты на концах защищаемой линии, т. е. в местах захода линии на шины подстанции. Трудности создания таких защит обусловлены тем, что токи при КЗ в различных точках сети могут изменяться в широких пределах в зависимости от режима работы сети в целом. В некоторых слуаях при внешних КЗ ток данной линии может быть больше, чем при КЗ на этой линии. На некоторых линиях минимальные токи КЗ могут быть меньше максимальновозможных токов нагрузки. Поэтому на одном из концов линии нельзя найти однозначных критериев, позволяющих отличить КЗ на защищаемой линии от внешних КЗ или от нормального режима. 1]

Задача выявления КЗ на защищаемой линии успешно решается, если обеспечен обмен информацией между двумя полукомплектами защиты, установленными по концам защищаемой линии. Информация между этими полукомплектами передаётся по каналу ВЧ связи создаваемого по фазным проводам той же линии. Релейные защиты линии, использующие канал ВЧ связи по ВЛ, называются высокочастотными.

Данная дипломная работа посвящена вопросу перехода от аналоговой к цифровой форме обработки сигнала, в уже существующих образцах ВЧ аппаратуры релейной защиты и противоаварийной автоматики, используемой в энергетических системах России, от аналоговой к цифровой форме обработки сигнала. В техническом задании требуется разработать функциональную схему цифрового приёмника ВЧ сигнала с сохранением преемственности параметров с прежней аппаратурой, т. е. конструктивно он сопрягается с остальными блоками аппаратуры РЗ и ПА, но обладает рядом достоинств присущих цифровой аппаратуре, выгодно отличающих её от аналоговой.

1. Организация ВЧ канала связи по высоковольтным линиям, основные характеристики канала

1.1 Конструктивные особенности линии электропередачи

Воздушная линия электропередачи представляет собой систему проводов, подвешенных на опорах с помощью изоляторов. По части проводов ВЛ осуществляется передача электроэнергии промышленной частоты. Эти провода называются фазными проводами или фазами, потому что каждый из них закреплён за одной из фаз трёхфазной системы передачи токов промышленной частоты. Кроме фазных проводов на ВЛ напряжением 110 кВ и выше имеются ещё тросы для защиты фазных проводов от ударов молнии при грозах. Тросы представляют собой стальные или сталеалюминевые провода, натянутые над фазными проводами. Тросы крепятся на специальных тросостойках, установленных на вершинах опор. Линии электропередачи напряжением ниже 110 кВ выполняются без тросов.[1]

ЛЭП различают по следующим основным признакам:

По классам линейного напряжения. Линии с линейным напряжением 110 кВ и ниже считаются линиями низких классов напряжения, линии 220 — 500 кВ относятся к категории линий высоких классов напряжения, а линии 750 — 1150 кВ — к категориилиний сверхвысокого напряжения.

По назначению. ЛЭП подразделяют на магистральные и распределительные. Магистральные линии служат для транспортирования электроэнергии от мест её производства к районам потребления и для связи между энергосистемами и энергообъединениями. Распределительные линии служат для передачи энергии потребителям. Эти линии отходят от узловых подстанций, куда заходят магистральные линии, и образуют распределительную сеть. Распределительная сеть выполняется в основном на напряжение до 220 кВ включительно, хотя иногда линии220 кВ выполняют роль магистральных линий, а линии 330 — 500 кВ могут использоваться непосредственно для питания крупных потребителей.

По количеству цепей, провода которых подвешены на общих опорах, ВЛ подразделяются на одноцепные и многоцепные. Одноцепные ВЛ образуют одну систему передачи электроэнергии трёхфазным переменным током и потому имеют три фазных провода. Многоцепные линии представляют собой несколько независимых трёхфазных цепей, фазные провода которых подвешены на общих опорах. Большинство многоцепных линий являются двухцепными. Рис. 1.1 в.

По конфигурации расположения проводов. У одноцепных линий расположение проводов может быть либо треугольным рис. 1.1б, либо горизонтальным рис 1.1а. Наиболее распространённым видом двухцепной ВЛ является линия с расположением проводов типа «бочка». У двухцепной линии фазные провода каждой из цепей расположены почти в вертикальной плоскости, вследствие чего такие линии часто называются линиями с вертикальным расположением проводов. 2]

а) б) в)

Рис. 1.1

Для симметрирования ВЛ на промышленной частоте применяется транспозиция фазных проводов. В каждом пункте транспозиции местоположение проводов изменяется.

Необходимость в транспозиции проводов возникает только на линиях протяжённостью более 100 км. На линиях высоких и сверхвысоких напряжений большой протяжённости обычно выполняется полный цикл транспозиции с двумя пунктами, делящими линию на три приблизительно равные участка рис. 1.2.

Рис. 1.2

В качестве фазных проводов применяются алюминиевые или сталеалюминиевые провода с сечением по алюминию 95 — 1000 мм.кв. Сталеалюминиевый провод представляет собой сердечник из нескольких свитых стальных проволок. Сечение стальной части провода определяется требованиями к его механической прочности, так как провод в период подвески и во время эксплуатации испытывает большие тяговые усилия. Сечение алюминиевой части провода определяется требованиями, связанными с потерями энергии промышленной частоты от нагрева провода токами нагрузки линии.

Вследствие наличия на проводах по отношению к земле высокого напряжения промышленной частоты эти провода коронируют. Коронированием проводов или просто короной называются электрические разряды с поверхности провода в окружающее пространство при большой напряжённости поля на поверхности проводов.

1.2 Структура канала связи

Структурная схема организации канала связи между источником сообщения и приемником показаны на рис. 1.3. В этой схеме присутствует аппаратура присоединения (АП) и аппаратура обработки (АО). Аппаратура присоединения служит для передачи ВЧ сигналов от аппаратуры уплотнения на передающем конце в провода линии электропередачи и для передачи сигналов от проводов к аппаратуре уплотнения на приемном конце. Аппаратура обработки служит для отделения по высокой частоте проводов ВЛ, к которым подключается аппаратура присоединения, от остальной сети высокого напряжения. Аппаратура обработки и присоединения в некоторых случаях образует единую электрическую схему. Участок канала связи от выхода передатчика аппаратуры уплотнения на одном конце канала до входа приемника этой аппаратуры на другом конце называется высокочастотным трактом. Участок ВЧ тракта между точками подключения апппаратуры присоединения к проводам ВЛ называется линейным трактом. 1]

(ИС) — источник сигнала. Преобразователи сигналов (ПС) на передающей и (ПС2) на приемной стороне. Преобразование низкочастотных сигналов в высокочастотные на передающем конце и обратное преобразование на приемном конце осуществляется в аппаратуре ВЧ уплотнения (АУ).

Рис. 1.3 Структурная схема организации канала связи.

1.3 Особенности ВЧ связи по ВЛ

Надежность линии электропередачи значительно выше надежности воздушных и кабельных линий связи благодаря высокой прочности линейных проводов и поддерживающих конструкций (опор). Линии электропередачи повреждаются только при мощных природных воздействиях, таких как ураган, гроза или очень сильный гололёд, в то время как воздушные линии связи повреждаются при сильном ветре, сравнительно небольших гололёдных образованиях, а кабели повреждаются землеройными механизмами, при оползнях, половодьях, вибрациях почвы от автотранспорта и других причинах. Во многих случаях линия электропередачи (ЛЭП) является кратчайшим путем, связывающим энергетические предприятия (например, подстанции), между которыми нужны каналы связи. При этом отпадает необходимость в строительстве линии проводной связи, а также, и это очень важно, в организации их эксплуатации. Эксплуатация ВЛ, требующая специальной линейной службы с большим количеством персонала, ведется независимо от организации по ней каналов связи. По этим причинам затраты на сооружение и эксплуатацию каналов связи по проводам ВЛ значительно меньше аналогичных затрат на каналы по специальным воздушным, кабельным или радиорелейным линиям связи. В то же время использование для связи проводов ВЛ сопряжено с рядом трудностей, которые приходится учитывать при конструировании аппаратуры и проектировании каналов связи.

Повода ВЛ нормально находятся под высоким напряжением промышленной частоты. Вследствие этого по ВЛ возможна только ВЧ связь с использованием таких частот, которые сравнительно простыми средствами могут быть отделены от промышленной частоты.

Для подключения передатчика и приемника аппаратуры уплотнения к проводам ВЛ необходима специальная аппаратура присоединения, не применяемая ни в каких других областях техники связи. 1]

На станциях и подстанциях фазные провода ВЛ подключаются к специальным шинам. К ним также подключено оборудование высокого напряжения (выключатели, трансформаторы, разъединители), которое может иметь низкое сопротивление для токов рабочей частоты каналов связи. В этом сопротивлении поглощается часть энергии сигналов высокой частоты. Кроме того, бывают случаи отключения ВЛ с обеих сторон от шин подстанции и заземления на подстанции её проводов. Работа каналов ВЧ связи в этих случаях также не должна нарушаться. По этим причинам в провода ВЛ у подходов к шинам включается последовательно аппаратура обработки (высокочастотные заградители), имеющая низкое сопротивление для токов промышленной частоты и высокое сопротивление для токов высокой частоты.

Конфигурация сети высокого напряжения не остаётся неизменной. С появлением новых потребителей энергии в линии врезаются новые подстанции, что часто приводит к необходимости реконструировать каналы связи, идущие по этим линиям. Эта реконструкция бывает связана со сложной перестройкой или даже заменой аппаратуры связи, установкой дополнительных устройств обработки и присоединения.

Некоторые трудности в создании и проектировании каналов ВЧ связи по ВЛ обусловлены конструктивными особенностями ВЛ. Линии электропередачи являются многопроводными системами с числом проводов от трех до нескольких десятков (двухцепне линии с тросами и расщеплёнными фазами). При присоединении к одному или двум проводам остальные провода и нагрузочные сопротивления этих проводов по отношению к земле оказывают существенное влияние на параметры каналов связи.

Расстояния между проводами соизмеримо с высотой подвеса проводов над землей, а в некоторых случаях (для ЛЭП свыше 500 кВ) даже больше средней высоты подвеса проводов. При этом земля оказывает большое влияние на ВЧ параметры линии. Влияние земли сказывается главным образом на увеличении затухания линейных трактов каналов ВЧ связи по ВЛ.

Транспозиция линейных проводов симметрирует линию только на низкой частоте, когда расстояние между пунктами транспозиции намного меньше длины волны. На высокой частоте между соседними пунктами транспозиции укладывается несколько десятков длин волн, поэтому пункты транспозиции не симметрируют линию, а являются, местами нарушения её однородности, вызывающими увеличение потерь энергии высокочастотных сигналов. 1]

Наличие на проводах линии высокого напряжения промышленной частоты вызывает электрические разряды в воздухе вблизи поверхности проводов (коронирование) и разряды по поверхности изоляторов. Эти разряды создают электрические помехи во всем спектре высоких частот, который может быть использован для ВЧ связи по ВЛ. Поэтому каналы связи по этим линиям характеризуются высоким уровнем электрических помех. К помехам от коронирования проводов и разрядов по поверхности изоляторов добавляются ещё помехи, возникающие при оперативных переключениях (коммутациях) силового оборудования, а также помехи при аварийных режимах линии, например при КЗ.

Наличие на лини высокого напряжения осложняет эксплуатацию аппаратуры каналов ВЧ связи. Плановая или послеаварийная ревизия аппаратуры обработки связана с необходимостью отключения ВЛ, а это в свою очередь связано с ослаблением надежности электроснабжения. Часто по условиям режима работы энергосистемы отключение линии не возможно осуществить в течении длительного времени. Испытания и ревизии устройств присоединения должны производиться в непосредственой близости от проводов линии высокого напряжения. Поэтому работа эта регламентирована жёсткими правилами техники безопасности. Волны перенапряжений, которые возникают на ВЛ при грозовых перекрытиях и коммутационных операциях, через устройства присоединения частично попадают на вход ВЧ аппаратуры и могут вызвать её повреждение. Особенно велики перенапряжения, возникающие на элементах аппаратуры обработки. Приходится применять специальные меры по защите этих элементов аппаратуры от перенапряжений.

Несмотря на отмеченные трудности ВЧ связь стала в России основным средством дальней межобъектной связи в энергетике. [1]

1.4 Характеристики каналов ВЧ связи

Возможность использования каналов ВЧ связи для передачи того или иного вида информации определяется его характеристиками. Эти характеристики можно разделить на четыре основные категории, связанные: с искажениями передаваемых сигналов, с дальностью действия канала связи, с электромагнитной совместимостью с другими системами связи и с надежностью канала связи. 1]

Характеристики, связанные с искажениями передаваемых сигналов.

Полоса эффективно передаваемых частотширина спектра низких частот, в пределах которого обеспечивается передача первичных сигналов.

Частотная характеристика — зависимость напряжения на выходе приемника от частоты передаваемого сигнала при неизменном напряжении этого сигнала на входе аппаратуры уплотнения. Частотная характеристика главным образом определяется характеристиками фильтров аппаратуры уплотнения и частично — характеристиками аппаратуры обработки и присоединения, а также линейного тракта.

Расхождение частот в канале — разность частот сигналов на входе и выходе канала связи. Этот вид искажений характерен для систем ОБП.

Амплитудная характеристика — зависимость напряжения на выходе канала от напряжения на его входе. От линейности амплитудной характеристики зависит степень нелинейных искажений.

Коэффициент нелинейных искаженийэто отношение действующего напряжения всех гармоник сигнала на выходе канала связи к действующему значению суммарного сигналав тех же точках при подаче на вход канала напряжения первичного сигнала синусоидальной формы.

Уровень собственных шумов аппаратуры — уровень помех на выходе приемника, когда на вход передатчика канала не подается напряжение первичного сигнала и нет помех, обусловленных линейным трактом. [1]

Характеоистики, связанные с дальностью действия канала связи. Минимально допустимое отношение сигнал / помеха на входе ВЧ приемника — в полосе частот, занимаемой данным каналом в линейном тракте. Перекрываемое затухание - максимально допустимое затухание линейного тракта, при котором на выходе канала связи (на выходе приемника) обеспечивается необходимое для данного назначения канала связи отношение сигнал/помеха. Определяется как:

Аперекр = Рпер — Рпр, min (1.1)

где Рпер — уровень передачи ВЧ сигнала данного канала ;

Рпр, min — минимально допустимый уровень приема, определяемый уровнем линейных помех, помехоустойчивостью приемника и отношением с/п на входе приемника, необходимым для передачи данного вида информации с требуемым качеством.

Чувствительность приемника - минимальное значение уровняпринимаемого сигнала, при котором на выходе приемника обеспечивается нормальная мощность низкочастотного сигнала.

Электромагнитная совместимость с другими каналами ВЧ связи по ВЛ определяется защищенностью от влияния со стороны других каналов связи и уровень влияния данного канала на другие каналы связи. [1]

1.4.1 Технические характеристики каналов аппаратуры команд автоматики АКА-16 ПРМ

АКА-16 ПРМ, в зависимости от исполнения, предназначен для приема сигналов автоматики, переданных:

по ВЧ-каналу высоковольтных линий (ВЛ) электропередач;

по опто-волоконной линии;

по телефонному каналу;

по каналу расширения (с другого АКА-16 ПРМ).

Первые три канала являются магистральными. АКА-16 ПРМ, работающие по каналу расширения не имеют в своем составе блоков, обеспечивающих работу по магистральным каналам.

Кроме того АКА-16 ПРМ имеет 6 модификаций по диапазонам рабочих частот. Нижнее значение базовой (начальной) частоты диапазона определяется потребителем.

В зависимости от диапазона, АКА-16 ПРМ различаются между собой только исполнением блока ЛФ и значением частоты первого гетеродина блока ГЕН, которая устанавливается программно. 3]

Характеристики ВЧ — канала :

1) АКА-16 ПРМ работает в диапазоне частот (24−1000) кГц.

2) Шаг изменения базовой (начальной) частоты диапазона АКА-16 ПРМ составляет 1 кГц.

3) Чувствительность АКА-16 ПРМ (номинальный уровень входного сигнала, при котором гарантируется надежный прием команд) равна (221) дБ. Обеспечиваться возможность дополнительного снижения чувствительности на (152) дБ и (302) дБ и плавная регулировка в диапазоне 15 дБ.

4) Номинальное значение входного сопротивления АКА-16 ПРМ (7515) Ом.

5) Затухание несогласованности в номинальной полосе канала не менее 10 дБ.

6) Затухание, вносимое АКА-16 ПРМ в 75-омный ВЧ тракт при параллельном соединении на частотах, отстоящих от краев номинальной полосы частот приема более чем на 10%, но не менее 12 кГц, не более 1 дБ.

7) Избирательность АКА-16 ПРМ не менее 80 дБ при отстройке от ближнего края номинальной полосы частот на 1.5 кГц и более.

8) Избирательность по зеркальному каналу не менее 80 дБ.

9) Время задержки на передачу команды с момента поступления сигнала на ВЧ-вход АКА-16 ПРМ до момента замыкания соответствующего выходного контакта, при отключенном устройстве задержки на срабатывание, не более 16 мс. Характеристики телефонного — канала:

1) Чувствительность АКА-16 ПРМ (номинальный уровень входного сигнала, при котором гарантируется надежный прием команд) равна (261) дБ. Обеспечиваться возможность дополнительного снижения чувствительности на 20 дБ ступенями по 5 дБ.

2) Номинальное значение входного сопротивления АКА-16 ПРМ (60 030) Ом.

3) Затухание несогласованности в номинальной полосе канала не менее 14 дБ.

4) Цепи входа уравновешены относительно земли.

5) Время задержки на передачу команды с момента поступления сигнала на НЧ-вход АКА-16 ПРМ до момента замыкания соответствующего выходного контакта, при отключенном устройстве задержки на срабатывание, не более 15 мс. 3]

Характеристики оптоволоконной линии:

1) АКА-16 ПРМ предназначен для работы в канале связи «точка-точка» по выделенной волоконно — оптической линии связи (ВОЛС). Тип оптического волокна — одномодовое 9/125 мкм., с окном прозрачности, включающим длину волны 1310 нм.

2) Приемный оптический модуль АКА-16 ПРМ, построенный на основе PIN фотодиода, имеет следующие параметры:

максимальная детектируемая мощность (при = 1310 нм) + 3 дБм;

чувствительность при вероятности ошибки 10^-9 (в условиях 2 Мбод, 1310 нм) -41 дБм; тип оптического разъема FC.

3) Время задержки на передачу команды с момента поступления сигнала на вход приемника до момента замыкания соответствующего выходного контакта, при отключенном устройстве задержки на срабатывание, не более 2 мс. 3]

Характеристики канала расширения/ретрансляции команд:

1) Скоростной канал расширения/ретрансляции предназначен для:

приема команд от другого АКА-16 ПРМ при работе по каналу расширения (канал расширения не является магистральным каналом);

ретрансляции команд на передатчик АКА-16 ПРД.

2) Физические параметры канала расширения/ретрансляции соответствуют стандарту интерфейса RS-485. Задержка передачи информации по каналу не более 1 мс. [3]

Характеристики НЧ-канала ретрансляции команд:

1) НЧ-канал ретрансляции предназначен для ретрансляции команд на передатчики аппаратуры каналов автоматики.

2) Контрольные частоты (соответствуют значениям КЧ для НЧ-канала) имеют следующие значения :

контрольная частота 1 (КЧ1) 3060 Гц;

контрольная частота 2 (КЧ2) 3180 Гц.

3) Уровеннь передачи НЧ-сигнала составляет:

— (0 ± 1.0) дБ во всём диапазоне частот и при нормальных климатических условиях,

— (0 ± 2.0) дБ при воздействии предельных температур окружающей среды (от 1 до 45 С) и изменении напряжения электропитания от +10% до -20% номинального значения.

4) Предусмотрена возможность снижения уровня передачи на 15 дБ ступенями по 3 дБ.

5) Номинальное значение выходного сопротивления приёмника 600 Ом.

6) Затухание несогласованности в номинальной полосе частот канала должно быть не менее 14 дБ.

7) Цепи выхода уравновешены относительно земли.

8) Задержка установления частоты в канале не более 0,3 мс.

1.5 Уровни помех и линейных затуханий

1.5.1 Электрические помехи в каналах ВЧ связи по ВЛ

Электрические помехи имеются в любом канале связи. Они являются основным фактором, ограничивающим дальность передачи информации из-за того, что сигналы, принимаемые приемником, искажаются помехами. Для того чтобы искажения не выходили за пределы, допустимые для данного вида информации, должно быть обеспечено определенное превышение напряжения принимаемого сигнала над напряжением помехи на выходе приемника. 1]

В каналах ВЧ связи по ВЛ сама линия является источником сильных помех. Поэтому уровень помех на выходе приемников этих каналов обусловлен в основном помехами, поступающими на вход приемника с линейного тракта. Эти помехи можно разделить на две основные категории — помехи нормального эксплуатационного режима и помехи, возникающие при авариях и коммутационных операциях энергетического оборудования.

При нормальном эксплуатационном режиме ВЛ помехи обусловлены в основном явлением коронирования проводов, а также распорок на расщепленных фазах и арматуры аппаратов высокого напряжения. Помехи возникают также в результате электрических разрядов в гирляндах изоляторов. На ВЛ напряжением 220 кВ и выше основным источником помех нормального режима является коронирование проводов.

При аварийных режимах и коммутационных операциях возникают следующие виды помех: от электрической дуги между ножами выключателей, от искровых разрядов при работе разъединителей и от электрической дуги в местах коротких замыканий. Эти помехи оказывают влияние на работу каналов ВЧ связи для релейной защиты и противоаварийнй автоматики. [1]

Физическая природа помех от коронирования проводов. При наличии напряжения на проводах линии в пространстве между проводами существует электрическое поле. Интенсивность его определяется напряженностью электрического поля. Напряженность поля максимальна у поверхности провода и уменьшается обратно пропорционально расстоянию до оси провода для одиночных проводов и по несколько более сложному закону для расщепленных проводов. На линиях напряжением 220 — 750 кВ и выше напряженность поля на проводах при нормальном режиме работы линии составляет 22 — 29 кВ/см.

При достаточно, большой напряженность поля у поверхности проводов происходят электрические разряды с провода в окружающее пространство. Каждый такой разряд называется коронным разрядом, а явление в целом — коронированием проводов или просто короной.

Возникновение коронного разряда объясняется тем, что при большой напряженности поля, имеющиеся в воздухе свободные электроны разгоняются под действием сил электрического поля до большой скорости и при столкновении с молекулами воздуха ионизируют их. При ионизации высвобождаются новые электроны, которые тоже разгоняются полем и ионизируют другие молекулы, и т. д. Этот процесс приводит к образованию электронной лавины. С удалением от провода напряженность поля уменьшается и лавина затухает. Видимая корона связана с большим количеством таких лавин. Ионизация воздуха вызывает свечение и треск, а движение заряда в поле — электрический ток.

По мере увеличения напряженности поля число точек коронирования возрастает. Когда напряженность поля достигает определенного для линии данной конструкции значения, отдельные импульсы сливаются в общий разряд, называемый общей короной. Общая корона на линии вызывает очень большие потери электроэнергии. Поэтому при проектировании ВЛ расстояния между проводами и тип проводов выбирают так, чтобы максимальная напряженность поля на проводах Еmax была меньше напряженности поля Ео, при которой возникает общая корона.

Отдельные импульсы местной короны называются стримерами, и потому такая корона часто называется стримерной. Стримерные импульсы являются генераторами ВЧ и радиопомех, создаваемых линией электропередачи. Источники стримерных разрядов обычно находятся на расстоянии нескольких метров один от другого (до десяти). Каждый источник создает один — три стримерных импульса за период промышленной частоты, т. е. 50 — 150 импульсов в секунду. Каждый стримерный разряд наводит в проводах импульсы тока, распространяющиеся в обе стороны от точки коронирования. Попадая на вход на вход приеиника ВЧ канала, они создают высокочастотные помехи. На вход приемника поступают импульсы помех от всех источников короны вдоль линии. По мере распространения импульсы претерпевают затухание, которое для высокочастотных составляющих тока больше, чем для низкочастотных. Поэтому в области низких частот помехи на входе приемника собираются с большей длины, чем в области высоких частот. Вследствие этого уровень помех несколько уменьшается с увеличением рабочей частоты.

Общее количество импульсов короны, поступающих на вход приемника канала связи, весьма велико. Для линии длиной 10 км оно превышает 3*10⁵ импульсов в секунду. При такой частоте импульсов на выходе приемного фильтра помехи от короны являются флуктуационными практически в любой полосе частот, используемой отдельными каналами в системах ВЧ связи по ВЛ. 1]

Влияние атмосферных условий. Уровень помех в силиной мере зависит от атмосфеоного давления, влажности воздуха и его загрязнённости, наличия осадков, температуры и других факторов. Наиболее сильно уровень помех увеличивается при интенсивности дождя до 1 — 2 мм/ч. Дальнейший рост интенсивности дождя не приводит к увеличению уровня помех. При гололёде и изморози увеличивается генерация помех, но их уровень на входе ВЧ приёмника растет незначительно, а для трактов по тросам может даже уменьшиться из-за увеличения затухания модальных каналов. Поэтому при проектировании каналов ВЧ связи по ВЛ возможность увеличения уровня помех при гололёде или изморози не учитывается.

Помехи при коротких замыканиях на ВЛ. Большинство коротких замыканий на ВЛ сопровождается горением дуги в месте КЗ. Эта дуга горит до тех пор, пока поврежденная линия не будет отключена с обеих сторон устройствами релейной защиты. Процесс КЗ можно разбить на три периода, каждый из которых характеризуется своим видом генерируемых помех: период установления КЗ, стационарная фаза КЗ, когда горит устойчивая электрическая дуга, и период отключения линии.

В период установления дуги в месте КЗ возникают импульсы тока, вызывающие импульсы напряжения во всех проводах линии. Амплитуда этих импульсов ограничивается разрядником в фильтре присоединения. На выходе фильтра присоединения помехи имеют вид коротких импульсов с интервалами 0,05 — 0,1 мс с амплитудой более 100 В. На выходе приёмного фильтра с шириной полосы до 3,4 кГц эти помехи имеют характер гауссовых с уровнем действующего значения в полосе 1 кГц в пределах 0 — 15 дБ.

В стационарной фазе КЗ помехи резко уменьшаются. Они представляют собой последовательность отдельных импульсов, повторяющихся 1 — 2 раза в период промышленной частоты. Характер помех в установившейся фазе КЗ практически не зависит от длины дуги и значения тока КЗ.

В период отключения линии помехи обусловлены разрывом дуги в выключателе. Помехи на линии в этом случае представляют собой последовательность коротких импульсовсо средней частотой более 20 импульсов в 1 мс. На выходе фильтра с полосой до 4 кГц помехи по характеру близки к гауссовым и имеют в среднем уровень действующего значения около 12 дБ в полосе 1 кГц. Длительность одного КЗ равна длительности разрыва дуги в выключателях.

Помехи при коммутационных операциях. При работе выключателей с разрывом дуги рабочего тока линии помехи имеют такой же характер, как и при отключении тока КЗ.

Уровень этих помех при работе выключателей на данной подстанции на 3 — 4 дБ больше, чем при его работе на дальнем конце линии. В начале операции отключения или в конце операции включения, когда расстояние между ножами разъединителя мало, возникают частые импульсы помех со сравнительно небольшой амплитудой — несколько десятков вольт на входе ВЧ приемника.

В конце операции отключения или в начале операции включения, когда расстояние между ножами разъединителя велико, помехи имеют вид больших импульсов, появляющиеся 2 раза за период промышленной частоты. Эти помехи обычно имеют характер импульсных. Амплитуда импульсных помех на выходе фильтра присоединения тем больше, чем выше пробивное напряжение разрядника в фильтре присоединения, шире его полоса пропускания и больше ёмкость конденсатора связи.

1.5.2 Линейные затухания в ВЧ тракте

Для ВЧ связи при длине линии более 20 км наиболеьшее практическое значение имеют волны междупроводных мод. Эти волны, распространяясь вдоль ВЛ, налагаются одна на другую с соответствующими изменениями амплитуды и смещениями по фазе, преломляются и отражаются (в том числе и переходят одна в другую) в местах нарушения однородности линии и определяют значение затухания линейного тракта и неравномерность его изменения при изменении частоты.

Так, если длина нетранспонированной линии с горизонтальным расположением проводов L и рабочая частота f таковы, что сдвиг фаз между напряжениями модальных составляющих 1 и 2 в конце линии, обусловленный разницей в их скоростях распространения V1 и V2, равен р, т. е. если

(1.2)

то при присоединении к ВЛ по схеме крайняя фаза-земля наблюдается резкое увеличение затухания линейного тракта (полюс затухания) и неравномерности затухания, обусловленного многократными отражениями волн. При переходе на присоединение по схеме средняя фаза-земля мода 2 в передаче сигнала не участвует и затухание линейного тракта и неравномерность этого затухания существенно уменьшается. 2] Аналогичные явления в той или иной степени наблюдается и для ВЛ с другим расположением проводов и для транспонированных ВЛ.

Запас по перекрываемому затуханию зависит от назначения канала и гололёдности района, в которомпроходит ВЛ. Для кааналов релейной защиты и противоаварийной автоматики значение этого запаса определяется как:

Азап = Азапо + ?Ьгол, (1.3)

Где Азапо — запас на случай увеличения затухания линейного тракта, кроме тех случаев, которые обусловлены гололёдом и изморозью, а также на случай уменьшения мощности передатчика; ДЬгол — увеличение запаса, необходимое для покрытия возрастания затухания из-за гололёда и изморози. Рекомендуемые МУ 34−70−186−86 значения Азапо в децибелах для каналов различного назначения даны в Таблице 1.2

Таблица 1.2

*В тех случаях, когда выполнение этого требования затруднительно, допускается принимать Азапо = 10 дБ.

Максимально допустимое затухание ВЧ тракта Атр, доп определяется как :

Атр, доп = Рпер — Рпр, min — Азап (1.4)

где Рпер — уровень передачи ВЧ сигнала данного канала ;

Рпр, min — минимально допустимый уровень приема, определяемый уровнем линейных помех, помехоустойчивостью приемника и отношением с/п на входе приемника, необходимым для передачи данного вида информации с требуемым качеством.

Для выбора числа усилительных участков выполняются расчеты затухания всех ВЧ трактов, входящих в трассу канала связи. Если трасса проходит транзитно через промежуточную подстанцию, то проверяется возможность выполнения ВЧ обхода этой подстанции. Выполнение возможно, если затухание цепочки линий вместе с обходами меньше Атр, доп. В противном случае на промежуточных подстанциях вместо обходов нужно устанавливать промежуточные усилители.

Уровни передачи и приёма. В технике связи принято выражать мощности передаваемых и принимаемых сигналов в относительных мерах — уровнях. При этом различают относительный и абсолютный уровни сигналов.

Относительным уровнем сигнала называется величина, равная десяти логарифмам отношения мощности Р данного сигнала к мощности Ро, уровень которой принимается за нулевой:

. (1.5)

Единицей измерения уровней является децибел (дБ). Один децибел соответствует отношению мощностей Р/Ро = 1,26.

В технике связи мощность, соответствующая нулевому уровню, принята равной 1 мВт. Уровень сигнала определенный по отношению к мощности в 1 мВт, называется абсолютным.

Уровни передачи и приема могут также определяться по напряжениям или токам соответствующих сигналов. При этом необходимо оговаривать не только мощность, соответствующую нулевому уровню, но и сопротивление цепи, на которой измеряется напряжение. Абсолютный уровень по напряжению определяется по формуле:

(1,6)

где Uo — напряжение нулевого уровня, т. е. напряжение при котором в данном сопротивлении выделяется мощность 1 мВт.

В технике дальней связи за номинальные значения сопротивлений обычно принимают 600 и 75 Ом. Напряжения нулевого уровня соответственно составляют 0.775 и 0.274 В.

Минимально допустимый уровень принимаемого сигнала определяется уровнем помех в линйном тракте, числом усилительных участков и пунктов переприёма и требуемым превышением уровня сигнала над уровнем помех на выходе приемника.

Для аппаратуры ОБП можно записать:

Рпр, min = Рс/п + РпомДf + ДРпром, (1.7)

Где Рс/п — минимально допустимое превышение уровня сигнала на выходе приемника над уровнем помех; РпомДf — уроверь помех в рабочей полосе канала; ДРпром — поправка, учитывающая наличие в канале промежуточных усилителей и пунктов переприема.

Минимально допустимыое превышение уровня сигнала над уровнем помехи т. е. Рс/п для каналов различного назначения даны в Таблице1.3.

Таблица 1.3

2. Разработка и обоснование функциональной схемы блока приёмника

2.1 Общие сведения

Т.к. прием сигнала аппаратурой команд автоматики осуществляется по высоковольтной линии электропередачи, то желательно чтобы цифровой части приемника предшествовал аналоговый тракт, который защитит остальную часть от помех высокого уровня. Общая структурная схема цифрового приемника бес привязки к конкретной аппаратуре приведена на рис. 2.1 [6]

Рис. 2.1 Структурная схема цифрового приемника

АТП — аналоговый тракт приемника

БДК — блок дискретизации и квантования

ЦТП — цифровой тракт приемника

БОЧ — блок опорных частот

БР — блок регулировок

ЦАП — цифроаналоговый преобразователь

Аналоговый тракт приемника выполняет предварительную селекцию и усиление принимаемых сигналов. Его структура и характеристики определяются видом сигнала, уровнем и характеристиками помех, требованиями к качеству приема.

Наиболее полно используются преимущества цифровой обработки, если дискретизация и квантование сигнала осуществляются на радиочастоте. В этом случае АТП представляет перестраиваемый преселектор. Но более высокие требования предъявляются при этом к частоте дискретизации и разрядности АЦП, а также к блоку ЦТП.

Усиление АТП выбирается таким образом, чтобы собственные шумы приемника на входе БДК превышали шумы квантования. Следует обратить внимание на то, что при достаточно высокой частоте дискретизации уровень сигнала на входе БДК может быть меньше шага квантования. Необходимо лишь, чтобы эффективное значение напряжения смеси сигнала и помех на входе АЦП превышало шаг квантования.

Блок дискретизации и квантования представляет собой сложное устройство. Входное аналоговое колебание подвергается в нем двум операциям: дискретизации по времени и квантованию по уровню.

Дискретизатор реализуется в виде устройства выборки и хранения (УВХ), состоящего из аналогового ключа (АК) и накопительного элемента (НЭ). Для представления отсчетов сигнала в цифровой форме применяют АЦП. Общий вид БДК представлен на рис. 2.2

Рис. 2.2 Общая схема БДК

Импульсы U1 — стробирующие, U2 — стирающие.

Задачей УВХ является определение мгновенного значения напряжения в момент взятия отсчета и его фиксация на время, необходимое для преобразования аналогового значения в цифровую форму. После УВХ сохраняется счетное множество отсчетов колебания. Квантование в АЦП позволяет каждый непрерывный отсчет заменить цифровым значением, представляемым в унитарном или двоичном коде.

Цифровой тракт приемника осуществляет основную селекцию сигналов и их демодуляцию. Кроме цифровых фильтров и демодуляторов ЦТП может содержать устройства подавления или компенсации помех, трансмультиплексоры для обработки многоканальных сигналов, цифровые обнаружители и измерители параметров сигналов, цифровые спектроанализаторы и другие устройства выделения информации из принятого сигнала. К ЦТП можно также отнести цифровые системы синхронизации, фазовой и частотной автоподстройки, регулировки усиления, системы обеспечения отказоустойчивости и т. д.

Блок опорных частот вырабатывает колебания, необходимые для преобразования частот в приемнике и синхронизации его схем.

Блок регулировок БР содержит все необходимые для управления приемником устройсва: блок управления частотой настройки, блок регулировки усиления и чувсвительности, блок управления видами работ (при смене вида сигнала) и т. д.

Цифровой приемник часто имеет как цифровой выход, так и аналоговый. Для получения аналогового выхода сигнала используется цифроаналоговый преобразователь ЦАП. На рис. 2.1 не показаны цепи контроля, индикации и питания приемника. 6]

2.2 Структурная схема цифрового приемника аппаратуры АКА — 16 ПРМ

В структурную схему, изображенную на рис. 2.3 цифрового приемника (ЦПР) входят следующие блоки:

Входная цепь — предназначена для согласования блока ЦРП с линейным фильтром и его защиты от импульсной помехи в случае её прохождения через ЛФ. Содержит согласующее устройство и аттенюатор.

АЦП — предназначен для представления аналогового сигнала в цифровую форму для последующей его обработки в DSP.

Программная логика — обеспечивает алгоритм взаимодействия DSP процессора с портами обмена данными и аппаратной частью АКА-16 ПРМ.

RAM — обеспечивает хранение программ, задающих режим работы и алгоритмы обработки сигналов.

Селектор выбора частоты выполнен так, чтобы обеспечить ручной вариант задания рабочей частоты приема в зависимости от участка на котором установлена аппаратура АКА-16 ПРМ.

Блок индикации на плате ЦПР выполнен в виде светодиодной матрицы, а на панели АКА-16 ПРМ в виде ЖКИ на блоке ПРЦ.

DSP процессор выполняет основную селекцию и обработку цифрового сигнала,

Рис. 2.3 Структурная схема цифрового приемника.

2.3 Линейный тракт приемника

Приемник работает следующим образом.

Сигнал, с линейного ВЧ-входа поступает в блок ЛФ, имеющий полосу пропускания 7% от частоты настройки, но не менее 5,5 кГц, где происходит:

подавление зеркального канала до уровня минус 36 дБ;

подавление канала прямого прохождения до уровня минус 35 дБ;

отстройка от параллельно работающего устройства.

С выхода блока ЛФ сигнал поступает на блок БОВЧ, где дополнительно фильтруется ФНЧ с частотой среза 1,1 МГц, что позволяет дополнительно снизить уровень частот зеркального канала и канала прямого прохождения на 50 дБ.

Ограничение сигнала в БОВЧ происходит на уровне около 7 В амплитудного значения, что определяет верхний предел прошедшего без искажений входные цепи сигнала с линии. Для контроля уровня приходящего сигнала служит детектор ВЧ.

Для установки необходимого запаса по уровню входного сигнала служит аттенюатор. Аттенюатор имеет 3 ступенчатые регулировки (10, 20 и 30 дБ), и одну плавную (15 дБ).

Сигнал проходит через фильтр с полосой пропускания 3,2 кГц. Затухание фильтра при расстройке от края полосы на 6 кГц составляет 85 дБ.

Далее сигнал усиливается и ограничивается по амплитуде двухкаскадным усилителем. С первого каскада усилителя сигнал, кроме того, подается на детектор, формирующий сигнал для контроля уровня НЧ-сигнала.

2.4 Функциональная схема аппаратуры каналов автоматики АКА-16 ПРМ

Функциональная схема АКА-16 ПРМ приведена в Приложении 2. 4]

Функционально и конструктивно АКА-16 ПРМ состоит из следующих основных блоков:

А1 — блок входного фильтра (ЛФ);

А2 — блок питания (БП);

А3 — блок обработки высокочастотный (БОВЧ);

А4 — блок синтезаторов частот (ГЕН);

А5 — блок центрального процессора (ПРЦ);

А6 — блок приемника высокочастотный (ПРВЧ);

А7 — блок управления выходными реле (ПДПА);

А8 — блок вспомогательных устройств (БВ1);

А9 — кроссплата КП5;

А10 — кроссплата КП2.

Схема индикации предназначена для отображения информации о состоянии АКА-16 ПРМ:

прием КЧ;

предупреждение;

неисправность.

Блок ПРВЧ предназначен для выделения сигнала передатчика из спектра сигналов и помех, принимаемых по проводам воздушных линий электропередачи и преобразования его в частоты команд противоаварийной автоматики, а также для формирования контрольных уровней принимаемых сигналов.

Блок ГЕН предназначен для программно-аппаратной реализации генераторов частот, необходимых для работы блока ПРВЧ.

Блок ГЕН состоит из следующих основных функциональных узлов:

устройство управления и контроля синтезаторов частот;

блок синтезаторов частот;

формирователь несущей частоты;

формирователь системной шины.

В состав устройства управления и контроля синтезаторов частот входят:

управляющий контроллер, построенный на микросхеме AT90S4433, с задающим кварцевым резонатором 8 МГц и цепью сброса ;

генератор стабильной частоты 32 768 Гц со стабильностью 2*10^-6 в диапазоне температур от минус 40С до +70С;

триггер Шмидта ;

мультиплексор контроля каналов ;

развязывающие резисторы .

Блок ПРЦ предназначен для реализации алгоритма работы АКА-16 ПРМ.

В состав блока ПРЦ входят плата ПРЦ и Панель индикации.