Дипломная работа: Приемник цифровой системы передачи информации ВЧ-каналом связи по ВЛ

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.