18.08.2009

Это будет длинный пост с продолжениями

Не совсем точно представляю себе целевую аудиторию данных материалов: проектировщики, разработчики, эксплуатация? Первоначально хотелось помочь эксплуатации разобраться с некоторыми «необъяснимыми», и, как мне кажется, происходящими все чаще и чаще, случаями ложного или излишнего срабатывания УПАСК. Причина которых, на мой взгляд, кроется в не совсем четком понимании особенностей построения и функционирования современных систем передачи сигналов команд, а, следовательно, в пренебрежении очевидными, но мало известными или редко учитываемыми проектными и эксплуатационными факторами среди которых есть факторы, зависящие только от принципов построения УПАСК или только от свойств ВЧ каналов, от технических характеристик (реализации) УПАСК или его настроек, и т.д. Попробуем не открывая америк рассмотреть хотя бы некоторые из них.

Одночастотная помеха (ОЧП)

Не берусь утверждать, что в недавнем прошлом такой проблемы не существовало. Скорее в современном мире ВЧ связи появилось больше источников таких помех, например, ЦВЧ каналы, или возникли условия их проявления – из-за возрастающей плотности ВЧ каналов, роста мощности УПАСК и ВЧ аппаратуры в целом, по указанным выше причинам падения уровней проектирования и эксплуатации.

Принципиальное отличие ОЧП от широкополосных и импульсных помех типа шума короны заключается в том, что против них практически бессильны фильтровые методы обработки. И сколь угодно устойчивая к импульсным помехам ВЧ аппаратура может быть уязвима к действию малых по амплитуде (по сравнению с привычными видами шумов и помех) ОЧП – гармонических сигналов (на самом деле не только одночастотных, но и многочастотных).

Действие ОЧП:

• В УПАСК с одночастотной передачей сигналов команд ОЧП, совпадающая с частотой сигнала команды, при соответсвующей ее амплитуде вызывает ложное срабатывание.

До недавнего времени вся ВЧ аппаратура УПАСК строилась именно по такому принципу передачи не зависимо от способа приема сигналов. Единственными способами защиты от ОЧП являлись "оконная" функция - выключение приемника при отсутствии сигнала контрольной, и амплитудная селекция - установка порога чувствительности выше уровня возможных помех. Оба способа мало помогают при возникновении ОЧП в период выдержки "оконной" функции, или значительных по амплитуде, например, коммутационных или разрядов молний помех.

• В УАПСК с двухчастотной параллельной передачей команд ОЧП, совпадающая с частотой сигнала команды, вызвать ложное срабатывание не может. Однако при соответсвующей ее амплитуде может вызвать замедление передачи, или трансформацию передаваемых команд (передаем одно, принимаем другое).

Техническая возможность реализации подобного метода передачи появилась не так давно, хотя его теория была разработана более 45 лет назад. В силу двухчастотности передачи ОЧП не может вызвать ложного срабатывания. Однако действие ОЧП стандартно проявляется в другом: появлении замедления приема команд или их трансформации, когда на входе приемника кроме двух положенных частот действует еще и ОЧП, и какой из сигналов приемник примет за истинный - вопрос вероятностей. Традиционными способами защиты от ОЧП являются "оконная" функция - выключение приемника при отсутствии сигнала контрольной, и амплитудная селекция - установка порога чувствительности выше уровня возможных помех. Оба способа мало помогают при возникновении ОЧП в период выдержки "оконной" функции, или значительных по амплитуде, например, коммутационных или разрядов молний помех. Кроме того, при работе приемника без фиксированного порога чувствительности - по отношению сигнал/шум - динамический диапазон действия ОЧП значительно расширяется - до предела чувствительности приемника как такового.

Тем не менее при данном способе передачи возможны варианты реализации: если с замедлением приема сигналов команд бороться трудно, то методы приема/передачи исключающие трансформацию команд известны.

К сожалению от многочастотных помех данный способ передачи не защищает.

Теоритически необходимо требовать от производителей УПАСК данные измерений устойчивости аппаратуры к подобным помехам и ошибкам приема.

• В УАПСК с двухчастотной последовательной передачей команд ОЧП, совпадающая с частотой сигнала команды, вызывать ложное срабатывание не должна. Однако, если в обоих посылках используются одни и те же частоты, ложное срабатывание более чем вероятно. К тому же в зависимости от реализации УПАСК при соответсвующей амплитуде ОЧП может вызвать замедление передачи, или трансформацию передаваемых команд (передаем одно, принимаем другое).

Техническая реализация подобного метода передачи появилась уже в этом веке, как результат стремления увеличения числа передаваемых команд при ограниченном числе частот передачи. Первая частотная посылка определяет номер банка из которого извлекаются номера команд соответствующие частотам второй посылки. Это неизбежно влечет за собой увеличение времени передачи команд. Но самое главное абсолютно не влияет на устойчивость системы к ОЧП - здесь действуют те же и так же механизмы, как и при одночастотной передаче. Хотя при определенном выборе частот ОЧП может и не приводить к ложным срабатываниям (но я о таких реализациях не слышал)

Техническая возможность реализации подобного метода передачи появилась в конце прошлого века, хотя возможность его существования была описана более 45 лет назад, а теория была разработана в начале 90-х. В силу двухчастотности передачи и дополнительного временного кодирования ОЧП не может вызвать ложного срабатывания. Однако действие ОЧП проявляется в другом: появлении замедления приема команд или их трансформации, когда на входе приемника кроме двух положенных частот действует еще и ОЧП, и какой из сигналов приемник примет за истинный - вопрос вероятностей. Традиционными способами защиты от ОЧП являются "оконная" функция - выключение приемника при отсутствии сигнала контрольной, и амплитудная селекция - установка порога чувствительности выше уровня возможных помех. Оба способа мало помогают при возникновении ОЧП в период выдержки "оконной" функции, или значительных по амплитуде, например, коммутационных или разрядов молний помех. Кроме того, при работе приемника без фиксированного порога чувствительности - по отношению сигнал/шум - динамический диапазон действия ОЧП значительно расширяется - до предела чувствительности приемника как такового.

Тем не менее при данном способе передачи возможны варианты реализации: если с замедлением приема сигналов команд бороться трудно, то методы приема/передачи исключающие трансформацию команд известны.

Особо следует отметить, что такой способ передачи защищает и от случайных многочастотных помех.

Единственной канальной причиной ложного срабатывания здесь может быть только полная имитация сигнала команды на входе приемника как по частотам, так и временной кодовой комбинации - случаи появления таких сигналов будут рассмотрены позднее. 

Теоритически необходимо требовать от производителей УПАСК данные измерений устойчивости аппаратуры к подобным помехам и ошибкам приема.

В традиционной практике проектирования ОЧП учитывается только при расчете переходных помех для определения возможности повторения частот ВЧ каналов на различных ВЛ. Это не правильно. Есть, как минимум, еще три причины возникновения ОЧП: ближние и дальние переходные затухания, а так же переходные затухания передатчик/приемник внутри ВЧ аппаратуры или УПАСК.

Рассмотрим обобщенный бюджет (по мощности, сверху - вниз) функционирования УПАСК в России (необходимо для понимания дальнейшего изложения).

Кстати, сразу прошу прощения за некоторую вольность формулировок - здесь большего и не требуется.

Рлин. - выходная мощность УПАСК (более точно необходимо рассматривать мощность сигнала в линии). До недавнего времени это 40-43 дБм, сейчас 45-46-49 дБм, объявлено о 47-50 дБм

Атр. - затухание ВЧ тракта, дБ. Из моего опыта выполнения проектов/расчетов: 15-45 дБ. Бывает меньше (до 5 дБ), но "испортить" всегда можно. Больше - практической ценности не имеет. Должно включать в себя все коммутационные состояния ВЛ.

Агол. - дополнительное затухание, обусловленное климатическими факторами (чаще всего: гололед). Меньше 9 дБ быть не может (по проектным нормам) по температуре-давлению-влажности-высотности, погрешности определения уровня шумов. Больше 15 дБ для РЗА по ограничению на допустимые рабочие частоты быть не должно, хотя встречались случаи и 25-30 дБ приростов затуханий.

Перечисленные параметры формируют Рпрм.норм. - мощность сигнала на входе приемника УПАСК в нормальном режиме (на самом деле я предпочитаю использовать значение мощности на входе системы ВЧ обработки и присоединения, так как при нормально выполненном проекте имеено здесь "фиксируется" отношение сигнал/шум)

Атреб. - дополнительный прирост затухания, обусловленый аварийными режимами работы ВЛ/УПАСК. Конечно, можно было бы использовать значения для ДФЗ, ВЧ блокировки и т.д., но в данный момент меня интересуют максимальные значения, а это - 22 дБ. Ошибочно полагать, что это прирост затухания на КЗ. Формально сюда входят любые причины, способные вызвать уменьшение сигнала на входе приемника, например, просадка опертока и соответствующее снижение выходной мощности УПАСК. Что же касается КЗ, то прирост затухания по этой причине может быть и нулевым и бесконечным в зависимости от конструкции ВЛ, места КЗ, структуры ВЧ тракта и еще ряда обстоятельств.

Фактически на данном этапе формируется минимально возможный уровень сигнала на входе УПАСК.

СШтреб. - отношение сигнал/шум, требуемое для функционирования приемника УПАСК. Для приемников на основе системы ШОУ (90% присутствующей на рынке ВЧ аппаратуры) должно составлять 4 дБ. В более общем случае может составлять 0-9 дБ. Кстати эта цифра является предметом манипуляций среди производителей УПАСК, так как не существует общепринятой методики определения параметра. Если считать относительно пиковой мощности сигнала команды получится одна цифра, если относительно среднеквадратичной - другая, если относительно сигнала контрольной - третья, если относительно одной частоты при двухчастотной передаче - четвертая, и т.д. Однако для систем ШОУ 4 дБ при заданных безопасности и надежности передачи можно считать фундаментальным параметром, вариации которого допустимы только при изменении ширины У - узкополосного приемника. К чему это приводит будет показано позднее...

Полученное в результате значения уровня сигнала есть ничто иное, как максимально допустимый уровень шума ВЛ.

Последний параметр - 1част.помеха - допустимый относительный уровня шума ВЛ уровень одночастотной гармонической помехи, а результирующее значение Ур.ОЧП - максимально допустимый абсолютный уровень ОЧП.

Почему 10 дБ? С точки зрения приемника большинства УПАСК (ШОУ) гармоническая помеха ОЧП ничем не отличается от сигнала команды. Следовательно, единственным маскирующим фактором для нее является уровень "естественного" шума, например, короны в полосе У - узкополосного приемника. Так пересчитанное из шумовой полосы 4 кГц (для РЗА систем именно в этой полосе вычисляется ОСШ - отношение сигнал/шум) в шумовую полосу У-фильтра 160 Гц допустимое значение уровня шума уменьшается на 10*log(4000/160) = 14 дБ. Минус требуемое СШтреб. = 4 дБ, получаем 1част.помеха = 10 дБ.

Из этого следует простой вывод: уменьшение СШтреб. с помощью уменьшения полосы У-фильтра (популярное в России решение) влечет за собой:

• как правило, увеличение времени передачи (уменьшение полосы У-фильтра приводит к увеличению длительности переходных процессов в приемнике - "звону", требующих дополнительного времени на обработку)
• увеличение чувствительности УПАСК к ОЧП. Вот почему некоторые УПАСК так реагируют на изменения коммутационных состояний ВЛ или работу первичного оборудования. И чем уже полоса У-фильтра, тем хуже... И никакие интеграторы и т.п. здесь не помогут... разве что время передачи команды будет превышать длительность ОЧП, а это не 20-30 мс.

Для примера на рисунке приведена диаграмма бюджета (по мощности) ВЛ 500 кВ (зеленое). Правда вычисления велись от уровня шума ВЛ 500 кВ к Атр.доп. - допустимому затуханию ВЧ тракта (очень приближенно).

С помощью указанной диаграммы можно определить требования к величине мешающих сигналов в полосе приема сигнала команд, а так же требования к УПАСК.

Здесь:

голубым выделено - Апб. - ближние переходные, величина зависящая от конструкции ВЛ, режима ее работы, а так же конструкции ОРУ. Позволяет определить максимально допустимую величину внеполосных излучений параллельно работающей ВЧ аппаратуры Авп. 40-93 дБ. Речь идет об аппаратуре на параллельном ВЧ присоединении. Если рассматривать одно и тоже ВЧ присоединение, то Апб. надо брать равным нулю (тоже часто происходит и при вычислении переходных с соседней ВЛ. Причем, при малых переходных через ПС или если ВЛ заходят на ПС в одном коридоре можно получить ложное и при расположении на ПС двух приемников с короткой и с длинной ВЛ). При этом Авп может составлять 45-113 дБ - цифры совсем не тривиальные....

зеленым выделено - Атр.меш. - дальние переходные, которые в принципе могут включать в себя не только мешающие сигналы от ВЧ аппаратуры данной ВЛ, но и сигналы с параллельных ВЛ (настоятельно рекомендую изучить данные материалы от falcon).

Механизм возникновения таких помех очень прост: сигнал по ВЛ распространяется не так, как мы ему "назначаем" по присоединениям, а  так, как "удобней" ему - по пути наименьшего сопротивления. В результате, если для РЗА выделяется ВЧ присоединение фаза-земля Б-Б, то на входе приемника УПАСК будут действовать сигналы со всех, установленных на противоположном конце ВЛ (и на параллельных ВЛ) передатчиков.

В таблице ниже показаны затухания (первых попавшихся) ВЧ каналов на ВЛ 110 и 330 кВ.

110кВ, треугольник, 50 км, АС-240/39 (учет влияния опор)
110 кВ, бочка, 50 км, АС-240/39
110 кВ, бочка, 100 км, АС-240/39
330 кВ, горизонт., транспон., 150 км, 2*АС-330/43

На приведенных графиках можно найти максимум -3 дБ затухание мешающего сигнала, но мне встречались случаи, когда оно составляло -15 дБ!

красным выделено Адифф. - переходное затухание между собственными приемником и передатчиком. Особенно критично для аппаратуры, чей производитель заявляет о допустимости функционирования на совмещенных диапазонах частот. Более подробно об этом можно прочитать здесь или здесь (Частотное планирование). Для традиционного построения ВЧ тракта с использованием диффсистем Адифф. не должно быть меньше 15-20 дБ. Для современных "оптимизированных" и "дешевых" ВЧ аппаратов или аппаратов с электронной компенсацией может составлять 0-5 дБ. Соответственно требования по величине внеполосных, а особенно интермодуляционных искажений для них могут превышать 110 дБ.

Продолжение...