Принципы преобразования и передачи информации средствами телемеханики

Носителями информации в системах телемеханики являются электрические сигналы. Поэтому любое передаваемое сообщение преобразуется в сигнал, наиболее удобный для передачи по каналу связи. Сообщения могут иметь или непрерывный, или дискретный характер. Они передаются соответственно аналоговыми (в частнос­ти, непрерывными) или дискретными сигналами. При этом непре­рывное сообщение также может передаваться дискретным сигна­лом после предварительного так называемого квантования, т. е. превращения в дискретное сообщение.

Сигнал состоит из элементов. Их называют импульсами, или единичными сигналами. Импульсы могут различаться между собой по следующим информационным признакам:

амплитудный — импульсы отличаются значениями постоянного или амплитудой переменного тока; обычно используют импульсы с двумя значениями; максималь­ным U _max — 1 и минимальным U _min (в частности, нулевым) — 0 (рис. 17.1, а);

полярный — импульсы разли­чаются направлением (знаком) постоянного тока, т.е. могут иметь два значения: 1 и —1 (рис. 17.1, б);

временной — импульсы отли­чаются продолжительностью t (рис. 17.1, б);

фазовый — момент появления (фаза ψ) импульсов различен от­носительно периодически повто­ряющегося момента времени Т (опорного сигнала) (рис. 17.1, г);

частотный — число импульсов п различно в пределах периоди­чески повторяющихся интервалов времени ΔТ (рис. 17.1, и).

Сигнал дискретный, если количество значений информационно­го признака конечно (представляет собой счетное множество). Ха­рактерными дискретными сигналами являются указанные импуль­сы только с двумя значениями информационного признака.

Сигнал аналоговый, если количество возможных значений информационного параметра представляет собой бесконечное мно­жество. Характерными аналоговыми сигналами являются непре­рывно изменяющийся постоянный ток и изменяющийся по ампли­туде U _m (рис. 17.1, ж), фазе или частоте f (рис. 17.1, е) перемен­ный ток.

В зависимости от конкретных условий при формировании сигна­лов может быть принят тот или иной информационный признак. При этом обычно используют импульсы, имеющие всего лишь два значения, т. е. два качественных признака, например положитель­ное и отрицательное значение импульса.

Сигналы могут состоять из одиночных импульсов или пред­ставлять собой комбинацию нескольких импульсов. Образование сигналов в виде одиночного импульса с определенным признаком называется одноэлементным кодированием. При комбинации им­пульсов осуществляется многоэлементное кодирование, преиму­ществом которого является увеличение числа единичных сигналов. Коды с двумя значениями импульсного признака называются дво­ичными. Максимальное число кодовых комбинаций N зависит от числа импульсов п в кодовой комбинации, числа импульсных при­знаков m и применяемого закона кодирования. Например, исполь­зуя закон сочетаний, из трех импульсов А, В, С, имеющих по два признака А, а — С, с, можно образовать 8 (2³) трехэлементных сиг­налов: АВС, АВс, аВС, аbС, аВс, аbс, АbС, Аbс.

При одноэлементном кодировании из указанных импульсов об­разуется только 6 (2*3) сигналов: А, В, С, а, b, с. Тем не менее од­ноэлементное кодирование применяется широко. Это объясняется тем, что управляемые и контролируемые объекты являются, как правило, двухпозиционными и поэтому требуют передачи только двух сигналов. Преимущества многоэлементного кодирования по сравнению с одноэлементным возрастают при увеличении числа им­пульсов в кодовой комбинации и числа импульсных признаков. На­пример, при этом же законе сочетаний из четырех импульсов, имеющих по три признака, можно получить 81 (З⁴) сигнал вместо 12(3*4) сигналов. Поэтому многоэлементное кодирование целесо-обратно использовать только в тех случаях, когда число управляе­мых и контролируемых объектов велико или когда эти объекты многопозиционные. В общем случае число кодовых комбинаций при многоэлементном кодировании относится к числу кодовых комби­наций при одноэлементном кодировании как m^n-1/n.

В телемеханике наибольшее распространение получили коды, в которых все кодовые комбинации содержат одинаковое число импульсов. В таких кодовых комбинациях легко обнаруживается пропадание одного импульса или появление лишнего импульса. Это особенно важно для обеспечения достоверности принятой информа­ции. Таким образом, для формирования сигналов необходимо иметь генератор импульсов, шифратор для кодирования и различные командные устройства, такие, например, как ключи и кнопочные выключатели.

Сигналы передаются по линиям связи с ограниченным числом проводов. По одним и тем же проводам требуется передавать не­сколько сигналов. Чтобы отличить при этом один сигнал от друго­го, применяют следующие способы разделения сигналов: провод­ной, временной и частотный. Структура передающих и приемных устройств, реализующих эти способы, зависит от того, о каких ве-

личинах должна передаваться информация - о дискретных или непрерывных.

В системах телеуправления (ТУ) и телесигнализации (ТС) используются дискретные сигналы. Так как эти системы по характеру функционирования аналогичны, их обычно объединяют в одну группу (ТУ—ТС). Иногда они имеют общие элементы. На рис. 17.2 показаны упрошенные структурные схемы ТУ—ТС, соответствую­щие трем перечисленным способам разделения сигналов.

При проводном разделении (рис. 17.2, а) используется многопроводная линия связи, имеющая k самостоятельных проводов и один общий провод. В отличие от дистанционного управления здесь по одному проводу можно передавать несколько сигналов с им­пульсными признаками т. При этом общее число сигналов равно произведению k и m. Источником импульсов постоянного тока яв­ляется генератор G. Для придания импульсу необходимого призна­ка и формирования сигнала служит шифратор СD, число входов которого равно числу управляемых или контролируемых объектов. Управление цепями входов осуществляется или кнопочными вы­ключателями SB (при ТУ), или вспомогательными контактами контролируемых аппаратов, особенно выключателей Q(при ТС). На приемном пункте сигнал поступает на соответствующий вход дешифратора DC, который определяет принадлежность сигнала. Его получателями являются электромагниты включения и отклю­чения приводов выключателей (при ТУ) или сигнальные лампы HL., управляемые символы контролируемых объектов и другие сигнальные элементы (при ТС).

К достоинствам проводного способа разделения сигналов мож­но отнести возможность одновременной передачи нескольких сиг­налов, а к недостаткам — мпогопроводность. Этот способ экономи­чески оправдан лишь при относительно небольших расстояниях между ДП и КП, поэтому системы ТУ—ТС с использованием многопроводных линий можно назвать системами ближнего действия.

Способ временного разделения сигналов (рис. 17.2,б) облада­ет существенным преимуществом, так как позволяет использовать одну двухпроводную линию. Способ находит широкое применение для передачи сигналов на значительные расстояния. Системы ТУ— ТС с временным разделением сигналов относят к системам дальне­го действия. Здесь сигналы по линии передаются последовательно. При этом линия с помощью распределителей импульсов SЕ1 и SЕ2 поочередно подключается к каждому из п выходов дешифратора DС на пункте приема.

 Распределители импульсов SE имеют один вход движения R, один пусковой вход Q и n выходов. На вход движения от генераторов GA непрерывно поступают импульсы движения. При этом на выходах распределителей появляются поочерёдно выходные сигнальные импульсы. На ДП в схемах эти импульсы подаются на входы соответствующих логических элементов И, другие входы которых связаны с выходами шифратора СD. Таким образом, с помощью распределителя импульсов SЕ1 через элементы И1—Ип обеспечивается поочередное подключение выходов шифратора СD к линии связи. На КП действие распределителя импульсов SЕ2 сопровождается подключением к линии связи входов дешифратора DС. Распределители SЕ1 и SE2 действуют синхронно-синфазно, т.е. каждый раз они подключают линию связи к одноименным выходам шифра-тора CD к входам дешифратора DС. Генератор импульсов G, шифратор СD дешифратор DС н кнопочные выключатели SB предназначены для тех же целей, что и в схеме (рис. 17.2, а).

Для передачи сигнала управления с ДП на КП необходимо замкнуть соответствующий кнопочный выключатель, например SB1. При этом на первом выходе шифратора СD и на одном из входов элемента И1 появляется сигнал. Он передаётся в линию при поступлении на другой вход элемента И1 распределителя SЕ1. На КП в это время к линии связи подключается первый вход дешифратора DС. При замыкании кнопочного выключатели SB2 сигнал управления передаётся во время подключения линии связи ко второму выходу шифратора и второму входу дешифратора.

К недостаткам временного способа разделения сигналов относится необходимость синхронно-синфазной работы распределителей и недостаточное быстродействие в связи с невозможностью одновременной передачи нескольких сигналов.

Преимуществом частотного разделения сигналов является возможность одновременной передачи нескольких сигналов по двух проводной линии и создания систем дальнего действия. Импульсы синусоидальных токов с дискретно отличающимися частотами вырабатываются генераторами G (рис. 17.2, в). Для распознания им­пульсов на приемных пунктах установлены полосовые частотные фильтры ZF, настроенные на соответствующие частоты. При по­сылке сигнала определенной частоты, сформированного соответствующим шифратором CD, он сначала усиливается усилителями A, а затем через соответствующий полосовой фильтр ZF подается на вход дешифратора DC, который направляет его соответствующему исполнительному управляющему или сигнальному элементу. Недостатком частотного способа разделения сигналов является трудность размещения достаточного числа сигналов в полосе частот, отводимой для телемеханической передачи по каналам связи других систем.

Современные телемеханические системы выполняются на основе бесконтактных элементов. Имеются также устройства, использующие релейно-контактные электромеханические элементы. В системах ТУ—ТС применяют два метода передачи телесигнализации о положении контролируемых объектов: спорадический и циклический. При спорадическом методе, который используется во всех релейно-контактных системах ТУ—ТС, передача ТС начинается при изменении состояния одного из контролируемых объектов. Передача содержит информацию о состоянии всех объектов ТС, входящих в одну группу с объектом, положение которого изменяется. Во всех бесконтактных системах ТУ—ТС для сосредоточенных объектов используется циклический метод передачи ТС, при котором информация о положении объектов передается на ДП непрерывно цикл за циклом, подтверждая уже переданное состояние контролируемых объектов.

Упрощенная структурная схема телеизмерения (ТИ) показана на рис. 17.3, а. Контролируемый параметр, например мощность Р, с помощью измерительного преобразователя UW преобразуется в непрерывную электрическую величину Х (ток или напряжение, изменяющееся пропорционально мощности). Это и есть входной аналоговый, а именно непрерывный сигнал передающего устройства AEG. Сигнал Х преобразуется в выходной сигнал Y, предназначенный для передачи по каналу связи КС. На ДП сигнал Y вновь преобразуется приемником AЕЕ в электрическую величину Z, которая отображается выходным измерительным прибором, в ча­стности миллиамперметром РА, проградуированным в единицах мощности.

Характер зависимости Y=f(X) делит системы ТИ на аналоговые и дискретные [7.] В аналоговых системах имеет место не­прерывная зависимость между Х и Y (рис. 17.3,6). В дискретных системах она носит ступенчатый характер (рис. 17.3, в). В зависи­мости от того, какой из признаков сигнала Y несет информацию об измеряемой величине, различают аналоговые системы интенсивности, частотные и время-импульсные.

В системах интенсивности измеряемый параметр преобразуется в значения постоянного тока или напряжения, которые пропорцио­нальны измеряемому параметру. Системы интенсивности являются системами ближнего действия, так как при значительных расстояниях между КП и ДП погрешности измерений становятся недопустимо большими.

Другие аналоговые системы ТИ являются устройствами дальнего действия. В частотных системах по каналу связи передается преобразованный параметр или в виде переменного тока (частотные системы переменного тока) или в виде прямоугольных импульсов (частотно-импульсные системы). Частота переменного тока и частота прямоугольных импульсов изменяется в зависимости от измеряемого параметра.

Во времяимпульсных системах по каналу связи передается преобразованный параметр в виде времяимпульсного сигнала, длительность которого изменяется в зависимости от измеряемого параметра.

Дискретные системы ТИ являются устройствами дальнего действия; в них используются различные методы преобразования входного сигнала. Распространение получил кодо-импульсный метод.

Сущность его заключается в том, что в канал связи посылаются кодовые комбинации, каждая из которых соответствует определенной доле измеряемой величины; показание прибора определяется сум­мой всех полученных в данный момент кодовых комбинаций.

Системы ТИ используют рассмотренные выше способы разделения сигналов. При этом телеизмерения передаются непрерывно или по вызову диспетчера. Для уменьшения общего числа телеизмерительных устройств и измерительных приборов на ДП информация, поступающая по вызову с разных КП от однородных измерительных преобразователей, может подаваться на общее при­емное устройство. С этой целью при непрерывной передаче теле­измерений диспетчер выбирает определенный параметр для ото­бражения его на общем измерительном приборе, осуществляя так называемое телеизмерение по выбору.

 

Каналы связи

В устройствах телемеханики каналы связи являются средства­ми, осуществляющими телемеханическую связь между диспетчерским и контролируемым пунктами. Различают симплексные и дуп­лексные каналы связи. В симплексных каналах информация может быть передана только в одну сторону, а в дуплексных каналах имеется возможность одновременной передачи сообщений в обе стороны. В настоящее время в системах электроснабжения исполь­зуются следующие виды связи: каналы по кабельным и воздушным линиям связи; высокочастотные (в. ч.) каналы по проводам воздушных линий; радиоканалы в ультракоротковолновом (УКВ) и коротковолновом (KB) диапазонах; телефонные каналы общегосударственной связи, арендуемые у Министерства связи и других ведомств.

Наибольшее распространение в электрических системах получи­ли каналы в. ч. связи, на долю которых приходится более половины общей протяженности каналов связи. Столь широкое распростране­ние этого вида связи обусловливается, во-первых, относительно низ­кими капитальными вложениями на его сооружение и минимальны­ми затратами на эксплуатацию, а во-вторых, тем, что линии элек­тропередачи связывают между собой ДП и телемеханизированные объекты, представляя, таким образом, оптимальный вариант трас­сы; кроме того, их надежность значительно выше, чем надежность воздушных и кабельных линий связи. И хотя дальнейшее развитие каналов в. ч. связи затруднено из-за занятости частотного диапа­зона, помех в линиях высокого напряжения и усложнения схемы электрических сетей, предполагается дальнейший рост количества каналов в. ч. связи.

Наиболее распространенным в настоящее время является вы­полнение канала в. ч. связи по схеме фаза—земля (рис. 17.4). В та­кой схеме в. ч. аппаратура присоеди­няется к одному из проводов линии высокого напряжения и к земле. Вы­сокочастотная обработка линии про­изводится с помощью высокочастот­ных заградителей (LR1, CI; LR2, С2), включаемых в один из фазных проводов по концам линии, и кон­денсаторов С8, С4 связи. Между нижними обкладками конденсато­ров СЗ, С4 и землей включаются так называемые фильтры-присоеди­нения ФП1, ФП2, которые высоко­частотными кабелями ВК соединя­ются с в. ч. аппаратурой ВЧА. Высо­кочастотные заградители состоят из реакторов LR1, LR2 и конден­саторов C1, C2, подключенных параллельно реакторам.Они настра­иваются таким образом, что при частоте 50 Гц имеют незначительное сопротивление и не влияют на передачу электроэнергии, а для высоких частот, на которых ведется передача информации, пред­ставляют собой заградительные фильтры, не пропускающие сигна­лы в. ч.

Таким образом, сигналы в. ч. не выходят за пределы провода линии электропередачи. Они через конденсаторы, имеющие боль­шое сопротивление при частоте 50 Гц и малое сопротивление при высоких частотах, поступают в ФП. Вместе с ФП конденсатор свя­зи образует полосовой частотный фильтр, пропускающий только частоты передачи данного тракта. Разрядники FV1, FV2 защища­ют ФП от перенапряжений.

Иногда для уменьшения затухания сигнала используют схему присоединения аппаратуры в. ч. фаза—фаза одной или разных ли­ний, но при этом требуется больше аппаратуры в. ч. и труднее осу­ществляется разделение каналов, если их организуется на одной линии несколько. Следует отметить, что на линиях 500 и 750 кВ успешно применяется схема присоединения к проводящим грозозащитным тросам. Каналы по грозозащитным тросам имеют во мно­гом более высокие показатели, чем каналы, по фазным проводам, так как уровень помех в них ниже. Каналы в. ч. связи по прово­дам линий используются одновременно для телефонной связи меж­ду объектами и для передачи телемеханической информации.

В системах диспетчерского управления (ДУ) электроснабжения промышленных предприятий наиболее часто используются в качестве линий связи специально выделенные жилы кабелей телефон­ной сети предприятия. По ним и передаются сигналы. Такой способ передачи информации на предприятиях обычно является наиболее экономичным, так как телефонная связь по технологической необ­ходимости выполняется со всеми контролируемыми пунктами. В но­вых кабельных телефонных линиях число пар жил большое (до 1200 пар), поэтому увеличение числа жил, связанное с телемеха­низацией, мало влияет на общие затраты. Эффективность исполь­зования таких линий связи увеличивается с применением времен­ного или частотного разделения сигналов ТМ, что позволяет пере­давать по одной линии несколько сообщений.

В отдельных случаях на промышленных предприятиях выгодно использовать и каналы, образованные путем высокочастотной об­работки проводов линий, проложенных на территории предприятия. При этом могут использоваться не только воздушные линии, схема образования каналов на которых показана на рис. 17.4, но и кабельные силовые распределительные линии, наиболее широко рас­пространенные на предприятиях. Такие линии имеют высокую ме­ханическую прочность, хорошую изоляцию, необходимую конфигу­рацию.

Городские электросети характеризуются большей протяжен­ностью, чем сети промышленных предприятий, и являются преиму­щественно кабельными. Это обусловливает разнообразие типов ка­налов связи, используемых для работы ТМ. Однако основным спо­собом передачи сообщений является использование прямых телефонных линий, абонируемых у городской телефонной сети. Кроме того, возможно применение специальных устройств, позволяющих создать канал через аппаратуру городских автоматических теле­фонных станций путем набора телефонного номера.

В городских сетях используют также линии электропередач для создания высокочастотных каналов ТМ. Однако в условиях развет­вленной городской телефонной сети телемеханизация с передачей сигналов по каналам в. ч. силовых сетей обходится примерно в два раза дороже, чем передача сигналов по линиям, абонируемым у го­родской телефонной сети [103]. В связи с этим следует отметить перспективность работ по созданию упрощенных элементов высоко­частотной обработки проводов линий, что ведет к снижению стои­мости систем высокочастотной передачи по кабельным и воздуш­ным линиям напряжением 6—10 кВ.

Значительные сложности в условиях интенсивных помех встре­чает передача сигналов ТМ по радио- и радиорелейным линиям, которая применяется в редких случаях, когда нет других возмож­ностей по созданию канала связи. Существенные трудности возни­кают при организации каналов связи в сельских распределитель­ных сетях напряжением 6—10 кВ, не имеющих высокочастотной обработки. Большая разветвленность и протяженность этих сетей, отсутствие достаточного количества телефонных каналов приводят к необходимости создания в. ч. каналов связи по проводам сельских линий напряжением 6—10 кВ. При этом создаваемые каналы и их аппаратура должны отличаться предельной простотой и низкой стоимостью ввиду условий их эксплуатации и большого числа тре­буемых комплектов. Одним из возможных вариантов решения этой задачи является упрощенное выполнение высокочастотной части канала связи: без ФП и заградителей с использованием конденса­тора С для присоединения передатчика ТС и индукционного пре­образователя UL для присоединения приемника [104]. Схема та­кой передачи приведена на рис. 17.5. На контролируемом пункте КП, с которого передается телеинформация, кодирующее устройст­во КУ управляет работой мощного генератора импульсов G, под­ключенного через конденсатор С к проводу линии. Мощность им­пульсного сигнала, выдаваемого в линию, достигает Р_И = 10 кВт при напряжении до 2 кВ, что необходимо для надежного приема на диспетчерском пунк­те ДП при значительной разветвленности, протяженности сети и возможности существен­ных помех. Сигнал ТС распро­страняется по всей сети, но вос­принимается только на ДП снимается через индукционный преобразователь UL, частотный фильтр ZF, усиливается и подаётся на декодирующее устройство ДУ, обеспечиваещее расшифровку и отображения поступающей информации.

В соответствии с другим способом каналы по проводам сельским линий напряжением 6 – 10 кВ организуются на постоянном тока [105]. При этом источником постоянного тока размещается или а аппаратуре ДП (последний вариант предпочтительней). Опыт использования подобного способа организации каналов имеется в ряде энергосистем, но широкого распространения этот способ не получил из-за его функциональной ограниченности [105].