Системи дистанційного керування перетворювачами в умовах завад

Размещено на http://www.allbest.ru

Національний технічний університет України

“Київський Політехнічний Інститут”

ХОХЛОВ Юрій Віталійович

УДК 621.314.58

Системи дистанційного керування перетворювачами в умовах завад

Спеціальність 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислової електроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Терещенко Тетяна Олександрівна,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри промислової електроніки

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор

Сенько Віталій Іванович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри теоретичної електротехніки

- кандидат технічних наук, доцент

Денисов Юрій Олександрович,

Чернігівський державний технологічний університет,

доцент кафедри промислової електроніки

Провідна установа - Інститут електродинаміки Національної академії наук України,м. Київ

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ”.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої Ради Шостак В.О.

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання пристроїв силової електроніки з мікропроцесорними системами керування забезпечує виконання невпинно зростаючих вимог до сучасного рівня автоматизації процесів перетворення електричної енергії в електротехнічних системах. Для вирішення задач керування цими системами необхідно забезпечити узгоджене керування перетворювачами електроенергії, що входять до цих систем.

В теперішній час широке застосування отримали електротехнічні системи з великою кількістю перетворювачів електроенергії, розташованих на деякій відстані один від одного, наприклад, автоматизована система керування теплової електростанції, апаратура енергокомплексу електронно-променевого зварювання та локальних енергетичних систем, таких, як електрообладнання шахт, висотних будівель, залізничного транспорту та суден. Зростання обсягу та функцій електрообладнання призводить до зростання ймовірності виникнення аварійних ситуацій з катастрофічними наслідками. Такі ситуації виникають як внаслідок невірно розпізнаних команд, так і внаслідок дії завад від перетворювачів при передаванні та розшифруванні команд. Для нормальної та безаварійної роботи електротехнічних систем необхідно здійснювати узгоджене керування перетворювачами з високою завадостійкістю. електромережа завадостійкий перетворювач дистанційний

Узгоджене керування перетворювачами, що розташовані на деякій відстані, реалізується шляхом дистанційного передавання керуючих сигналів. З метою зменшення витрат коштів та часу, що необхідні для побудови системи, доцільно використовувати існуючі лінії електроживлення для передавання сигналів дистанційного керування, оскільки в цьому випадку для організації дистанційного керування не потрібно прокладати додаткові кабелі. Однак перетворювачі генерують в електромережу завади, тому для надійного керування необхідно вирішувати задачу підвищення завадостійкості систем передавання сигналів дистанційного керування.

Отже, задача розробки завадостійких способів передавання сигналів дистанційного керування по лініях електроживлення при наявності завад від перетворювачів є актуальною.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” відповідно до Закону України „Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки” за пріоритетним напрямком 5 “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” (п. 5.1.4) на 2003-2004 р.р. в рамках науково-дослідної роботи “Створення апаратних засобів та алгоритмів підвищення енергоефективності накопичення та перетворення сонячної енергії у складі електротехнічного комплексу на базі сучасних інтелектуальних систем керування та теорії економічної рівноваги” (договір №ДЗ/11-2003), а також державних бюджетних тем: „Розробка математичних основ алгоритмів мікропроцесорного керування силовими перетворювачами в автономних системах електроживлення” (№2518, ДР 0102U002214); “Наукові основи та алгоритми інтелектуального керування електротехнічним комплексом локального об`єкта з фотогенераторами” (№2724, ДР 0104U000130).

Мета і задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка способів та систем завадостійкого дистанційного керування перетворювачами електроенергії по лініях електроживлення в умовах завад, що створюються цими перетворювачами.

Поставлена мета вимагає вирішення таких наукових задач:

аналіз існуючих завад від перетворювачів в електромережі та способів підвищення завадостійкості систем дистанційного керування і передавання даних;

розробка способу підвищення завадостійкості системи передавання сигналів дистанційного керування по лініях електроживлення;

розробка методики оцінки впливу сигналу завади від перетворювача на систему передавання сигналів дистанційного керування;

побудова математичної моделі системи передавання сигналів дистанційного керування та оцінка ступеня завадостійкості;

розробка та практичне використання системи дистанційного керування та алгоритмів передавання сигналів дистанційного керування з підвищеною завадостійкістю.

Об'єкт дослідження -- передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами електроенергії по лініях електроживлення в умовах завад.

Предмет дослідження -- способи підвищення завадостійкості систем передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами електроенергії.

Методи дослідження -- в роботі використані спектральні перетворення дискретних сигналів та положення теорії кодування, теорії зв'язку, теорії електромагнітної сумісності та методи математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

вперше застосовано перетворення дискретних функцій в орієнтованому базисі (ОБ-перетворення) для забезпечення завадостійкого передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення, що дозволяє підвищити завадостійкість та збільшити кількість каналів передавання у порівнянні з існуючими системами;

розроблено нову методику оцінки впливу завад від перетворювачів на якість передавання сигналів дистанційного керування по лініях електроживлення;

вперше запропоновано метод автоматичної синхронізації системи передавання сигналів дистанційного керування, який не потребує використання центрального синхронізуючого сигналу;

запропоновано нові системи передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення для синхронного та асинхронного керування за одноканальною, багатоканальною та комбінованою схемами;

запропоновано раніше невідомий метод адаптивного передавання сигналів дистанційного керування, який дозволяє підвищити якість передавання.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що наукові положення доведені до ступеню, придатного для практичного використання при розробці способів та систем завадостійкого дистанційного керування перетворювачами електроенергії в умовах завад, що створюються цими перетворювачами; розроблено алгоритм передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення з використанням технології передавання з розширенням спектру на основі базисних функцій ОБ-перетворення. Розроблений алгоритм характеризується підвищеною швидкодією і завадостійкістю у порівнянні з існуючими рішеннями. Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при створенні експериментальних зразків мікропроцесорних систем передавання сигналів дистанційного керування, які використовують лінії електроживлення у якості середовища передавання (НДІ „Харківський електромеханічний завод”). Теоретичні результати роботи використовуються в навчальному процесі Національного технічного університету України "КПІ" та Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова (м. Миколаїв).

Особистий внесок автора. Автор самостійно виконав аналіз існуючих способів підвищення завадостійкості систем передавання сигналів дистанційного керування. Розробив алгоритми передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електромережі з використанням технології передавання з розширенням спектру на основі базисних функцій перетворення в орієнтованому базисі з підвищеної швидкодією і завадостійкістю, а також здійснив їх практичну реалізацію. Автором було проведено моделювання запропонованої системи дистанційного керування для різних варіантів її структурної побудови.

Роботи [8, 9] написані особисто; в працях, опублікованих в співавторстві, дисертанту належить: в роботі [4] - розробка структурної схеми системи керування пристроями по лініях електроживлення; в роботі [5] - порівняння спектрів окремих функцій-оригіналів у базисах перетворень Уолша, СКІ та перетворення в орієнтованому базисі, дисертантом були зроблені відповідні висновки; в роботі [6] - розробка моделі одноканальної системи передавання сигналів керування по лініях електроживлення з використанням узгоджених фільтрів на основі базисних функцій перетворення в орієнтованому базисі; в роботі [7] - розробка та опис структурної схеми пристрою для завадостійкого передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення; роботи [1,2,3,10,11,12] написані разом з рівним особистим внеском.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на семінарах наукової Ради НАН України по комплексній проблемі “Наукові основи електроенергетики” (жовтень 2002 р., травень 2003 р., березень 2004р, вересень 2004 р., жовтень 2004 р., лютий 2005 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка та енергоефективність” (2001, 2002, 2004, м. Алушта); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки” (2002, 2004, м. Київ); Міжнародній науково-технічній конференції “Compatibility in Power Electronics” (2003, 2005, Польща).

Публікація результатів наукових досліджень. За темою дисертації опубліковано 12 наукових робіт, у тому числі 10 статей у фахових наукових виданнях (з них 2 самостійно), 1 доповідь на конференції, отримано 2 деклараційних патенти України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 248 сторінок, у тому числі на 69 сторінках розміщені 83 рисунка, 13 таблиць, список літератури з 74 найменувань та 10 додатків.

Автор висловлює подяку науковому консультанту, доценту кафедри промислової електроніки Національного технічного університету України, к.т.н. Петергері Ю.С.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено сутність і стан наукової проблеми дистанційного керування перетворювачами. Шляхом критичного аналізу та порівняння з відомими методами обгрунтовано актуальність проблеми і необхідність проведення дослідження; викладено зв'язок роботи з державними пріоритетними напрямками та бюджетними темами; сформульовано мету та задачі наукового дослідження; надано коротку анотацію нових наукових положень, запропонованих здобувачем особисто; наведено відомості про наукове використання результатів досліджень; зазначено особистий внесок здобувача у наукових працях; вказано апробацію результатів досліджень та публікації.

У першому розділі розглянуто принципи дистанційного керування перетворювачами в сучасних електротехнічних системах, досліджуються електромагнітні завади від перетворювачів та способи зменшення їх впливу на систему передавання сигналів дистанційного керування, сформульовано задачу дослідження.

Приведено приклади електротехнічних систем з дистанційним керуванням перетворювачами.

Огляд методів боротьби з завадоутворенням показав, що навіть з використанням загальноприйнятих методів зменшення завад від перетворювачів, їх рівень залишається істотним, що негативно впливає на роботу системи дистанційного керування. Тому основну увагу слід приділити підвищенню завадостійкості систем передавання. Аналіз методів підвищення завадостійкості відомих технічних рішень, які пов'язані з передаванням даних, показав, що одним з найефективніших методів підвищення завадостійкості є метод передавання сигналів з розширенням спектру.

Показано варіанти використання базисних функцій відомих ортогональних спектральних перетворень, зокрема, перетворення Уолша, для надання сигналам дистанційного керування шумоподібної форми.

Поставлено задачу застосування нових спектральних перетворень, що характеризуються малою трудомісткістю і простотою реалізації, та розробки систем передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення з підвищеними завадостійкістю та швидкодією.

У другому розділі запропоновано використання ОБ-перетворення для передавання сигналів дистанційного керування з використанням методу розширення спектру; доведено теореми спектрального аналізу, які використовуються при передаванні сигналів дистанційного керування; порівняно трудомісткість ОБ-перетворення з іншими відомими спектральним перетвореннями; наведено алгоритм розрахунку спектру завад від перетворювачів в базисі ОБ-перетворення; оцінено вплив завад на систему передавання для різних типів перетворювачів; запропоновано спрощений алгоритм розрахунку ОБ-спектру завади та спосіб врахування нерівномірності АЧХ лінії електромережі.

Передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами з використанням розширення спектру передбачає наявність у приймачі узгоджених фільтрів (УФ), які реалізують алгоритми ортогональних спектральних перетворень. Такі алгоритми повинні забезпечити якомога менший час обчислень. Аналіз результатів порівняльної оцінки трудомісткості відомих спектральних перетворень (рис.1) показав, що ОБ-перетворення на інтервалі визначення N=mⁿ, m=3, характеризується найменшою трудомісткістю. Відносна трудомісткість зворотного ОБ_перетворення складає 44,3-95% від відносної трудомісткості перетворення Уолша при порівняних значеннях довжин інтервалів визначення N. Саме цим обумовлюється вибір перетворення в орієнтованому базисі для використання у системі передачі сигналів дистанційного керування перетворювачами.

Кількість можливих видів ОБ-перетворень, які відрізняються значенням кута орієнтації б, складає 2(m-1). Показано, що найбільш доцільно для систем передавання використовувати ОБ-перетворення з б = 2р/2, m=3. В цьому разі матриці прямого та зворотного перетворень мають вигляд:

Елементи матриці F_d приймають лише два значення: 1 та -2. Ця обставина дозволяє передавати цифрові послідовності, які були отримані на основі рядків цих матриць, використовуючи існуюче обладнання для двійкової маніпуляції. Матрицю F_r доцільно використовувати для побудови УФ у приймачі, оскільки нульові елементи матриць виключають певну кількість операцій додавання та віднімання, тим самим спрощуючи алгоритм узгодженої фільтрації та підвищуючи швидкодію обробки прийнятого сигналу.

Для оцінки впливу завад від перетворювачів на роботу системи передавання сигналів дистанційного керування розроблено алгоритм аналізу спектрів цих завад у базисі ОБ-перетворення. Алгоритм складається з наступних кроків:

1) Дискретизація сигналу завади y_з(t):

2) Визначення Фур'є-спектра F_з () дискретного сигналу завади y_{з д}(x):

3) Отримання модифікованого спектру завади F_{з мод}() шляхом відкидання гармонік, що лежать за межами обраного для передавання сигналу дистанційного керування частотного діапазону:

4) Розрахунок часової залежності y_{з мод}(t) миттєвого рівня сигналу завади шляхом застосування зворотного перетворення Фур'є до модифікованого спектру завади F_{з мод}():

5) Проріджування модифікованого сигналу завади для досягнення рівності частот дискретизації сигналу завади та тактової частоти узгодженого фільтра (f_{д вх УФ})

6) Розрахунок ОБ-спектрів Y_з() отриманого сигналу завади y_{з мод dec}(x) для різних значень дискретного зсуву сигналу завади. ОБ-спектр розраховується за формулою:

7) Аналіз отриманих ОБ-спектрів -- визначення відліків ОБ-спектрів, що мають вагомі значення.

За наведеним алгоритмом розраховано ОБ-спектри типових завад від перетворювачів: синусоїдальної завади, які характерні для процесів ударного збудження; завади від напівперіодного випрямляча; мостового випрямляча, що працює на ємнісне навантаження; тиристорного регулятора змінної напруги та завади від інвертора.

Розрахунок ОБ-спектру завади дозволяє визначити амплітуди відгуків УФ на нормований вхідний сигнал завади. На рис. 2, як приклад, наведено ОБ-спектр завади від тиристорного регулятора.

Із рис.2 видно, що при дії на входах УФ сигналу завади з одиничною амплітудою, максимальне значення відгуку не перевищує 0,012 В, а найчутливішими є УФ, що налагоджені на прийом базисних функцій: 1, 2, 10, 11, 19, 20. Поточний аналіз впливу завад та використання для передавання базисних функцій, на які завади найменше впливають (наприклад, 3-9, 12-18, 21-27), дають можливість адаптувати систему передавання до діючих в лінії електроживлення завад.

З метою підвищення швидкодії аналізу впливу завад запропоновано спрощений алгоритм з заданою точністю розрахунку.

У третьому розділі запропоновано способи побудови узгоджених фільтрів на основі перетворення в орієнтованому базисі; запропоновано схеми передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами для синхронного та асинхронного керування за одноканальною, багатоканальною та комбінованою схемами; запропоновані спосіб символьної синхронізації з використанням пілот-сигналу та спосіб синхронізації за принципом синхронізації кінцевих автоматів; запропоновано метод адаптивного передавання сигналів дистанційного керування.

В основі побудови УФ лежить властивість ортогональності матриць прямого та зворотного ОБ-перетворень (1). При надходженні на вхід фільтра сигналу, який відповідає базисній функції прямого перетворення на виході спостерігатиметься реакція, яка дорівнює m-згортці вхідного впливу та кінцевої імпульсної характеристики УФ:

З (11) випливає, що всі УФ, крім одного, мають на виході значення логічного нуля.

Властивість ортогональності також може бути використана в системах CDMA (Code Division Multiply Access), що дає можливість створити багатоканальну систему передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами з кількістю каналів, що визначаються порядком матриці ОБ-перетворення. При цьому кожен канал використовує свій несучий сигнал, який є ортогональним до всіх інших несучих сигналів.

Розроблено схеми систем передавання сигналів керування для різних випадків керування перетворювачами.

Система синхронного дистанційного керування одним або групою перетворювачів містить блок керування генераторами ОБ-функцій, генератори ОБ-функцій, модулятор, демодулятор, N узгоджених фільтрів та блок аналізу вихідних сигналів УФ (рис. 3).

На рис. 4 наведено часові діаграми сигналів в системі дистанційного керування одним перетворювачем для випадку N=9, n_к(x) приймає значення у діапазоні від 0 до N-1: а - код команди системи керування n_к(x), що вироблений системою керування на відліку x; б - s_ц(x) - сигнал базисних функцій; в - s_мод(x) - частотномодульований сигнал дистанційного керування; г - n_к'(x) - прийнятий код команди системи керування на відліку x.

Сигнал керування s_к(n_к(x)), де n_к(x) - код команди керування (рис. 4, а), потрапляє на вхід системи дистанційного керування. Кожному з можливих сигналів керування ставиться у відповідність одна або декілька базисних функцій ОБ-перетворення. В результаті отримується сигнал s_ц(x), що являє собою закодований базисними функціями ОБ-перетворення сигнал s_к(n_к(x)).

У випадку, коли n_к(x) приймає значення у діапазоні від 0 до N-1, одну команду керування пропонується передавати за допомогою однієї базисної функції (рис. 4, б). Сигнал s_ц(x) при цьому визначається наступним виразом:

Нульова базисна функція ОБ-перетворення, що складається лише з одиниць, для передавання одної з команд системи керування не використовується, однак вона може бути використана для передавання синхронізуючого сигналу.

Переданий сигнал з лінії зв'язку надходить до приймача, демодулюється та обробляється декількома УФ. Кількість УФ у приймачі дорівнює кількості базисних функцій ОБ-перетворення, що генерується передавачем. При відсутності завад всі, крім одного, УФ на своєму виході мають нульову реакцію або, при наявності завад, реакцію, що нижче певного граничного значення. Логічний пристрій, що входить до складу приймача, ставить у відповідність номеру УФ, що мав вихідний сигнал, перевищуючий граничне значення, один з можливих керуючих сигналів. Таким чином, на виході приймача буде отримано сигнал керування s_к(n_к'(x)) (рис. 4, г), що співпадає з сигналом, який був виданий системою керування s_к(n_к(x)), але зсунутий за фазою на N відліків.

Якщо кількість команд керування перетворювачами перевищує N, кожному з можливих сигналів керування ставиться у відповідність послідовність базисних функцій ОБ-перетворення. Принцип передавання кожної базисної функції з послідовності не змінюється.

В системі одноканального дистанційного керування групою перетворювачів кожному перетворювачу надається своя адреса. Керуюча команда являє собою пакет даних (рис. 5, а), до складу якого входить адресна інформація та код команди, яку повинна виконати система керування відповідного перетворювача. За допомогою адресації команди керування направляються по єдиному каналу зв'язку конкретному перетворювачу так, що всі інші перетворювачі, яким ця команда не призначалася, її ігнорують, а перетворювач з адресою, що задана в полі „Адреса”, виконає подану команду.

В структурі пакету даних багатоканальної системи дистанційного керування, яка використовує технологію CDMA, відсутнє поле „Адреса” (рис. 5, б). Кількість каналів, по яким можуть передаватись сигнали дистанційного керування, визначається порядком матриці ОБ-перетворення і дорівнює або перевищує кількість перетворювачів у системі.

Для випадку, коли кількість перетворювачів, якими необхідно керувати, перевищує кількість каналів керування багатоканальної системи, пропонується комбінована система дистанційного керування групами перетворювачів.

Перетворювачі поділяються на окремі групи, кожному перетворювачу в групі надається унікальна адреса. Адреси перетворювачів, що знаходяться в різних групах, можуть співпадати. Всі перетворювачі, що належать до однієї групи, користуються одним каналом зв'язку. Таким чином дистанційне керування в межах одної групи перетворювачів реалізується за одноканальною схемою, а на рівні груп -- за багатоканальною.

Пакет даних в системі, що розглядається, має структуру, зображену на рис. 5, а.

Для передавання коду команди j-му перетворювачу з i-ї групи необхідно сформувати пакет даних, в який записано адресу j-го перетворювача, і передати його по i-му каналу зв'язку.

Для подальшого підвищення завадостійкості сигнал керування перетворювачами поділяють на кілька потоків, які передаються паралельно (як у багатоканальній системі за технологією CDMA), але з меншою швидкістю. В цілому швидкість передавання сигналу керування не змінюється. Схема паралельного передавання одноканального сигналу наведена на рис.6.

Актуальною задачею при побудові систем передавання сигналів дистанційного керування за технологією CDMA по лініях електромережі є задача забезпечення символьної синхронізації. Для забезпечення такої синхронізації багатоканальної системи дистанційного керування пропонується застосувати окремий синхронізуючий сигнал (пілот-сигнал).

Для організації символьної синхронізації в багатоканальній системі дистанційного керування перетворювачами у випадку, коли немає можливості використовувати для вирішення цієї задачі центральний синхронізуючий сигнал, або для зменшення випромінюваної потужності в середовище передавання, запропоновано спосіб синхронізації за принципом синхронізації кінцевих автоматів.

Запропоновано метод адаптивного передавання сигналів дистанційного керування, який, за рахунок періодичної оцінки інтенсивності появи помилок в кожному з каналів та врахуванні результатів оцінки при передаванні, дозволяє підвищити завадостійкість передавання багатоканального CDMA сигналу.

У четвертому розділі розглянуто практичне використання теоретичних розробок в експериментальному зразку системи передавання сигналів дистанційного керування, що розроблявся в рамках державної бюджетної науково-технічної теми №ДЗ/11-2003 від 30.04.2003. В розділі також наводяться результати математичного моделювання запропонованих систем дистанційного керування.

Розроблена експериментальна система є одноканальною з використанням адресації. Об'єктами керування в системі є автономний інвертор на основі широтно-імпульсного перетворювача підвищуючого типу із стабілізацією вихідної напруги та синусоїдальною широтно-імпульсною модуляцією та керований випрямляч ВАКС 7-230. Інвертор та випрямляч призначені для роботи у складі системи електроживлення на основі фотобатарей.

Технічні характеристики системи передавання сигналів дистанційного керування по лініях електромережі наведено в табл. 1.



Таблиця 1. Технічні характеристики системи передавання сигналів дистанційного керування по лініях електромережі
Назва технічної характеристики	Характеристика
Тип модуляції	Частотна маніпуляція
Центральна частота несучої, кГц	132,450
Рознесення частот, що представляють „1” та „0”, кГц	1,2
Чутливість модему	близько 1мВ
Тип інтерфейсу	RS-232

Структурна схема системи передавання сигналів дистанційного керування по лініях електромережі зображена на рис. 7.

Дистанційне керування автономним інвертором для спрощення експерименту зведено до керування його електроживленням шляхом приєднання та від'єднання інвертора до/від лінії електромережі. Задача інтелектуального роз`єднувача зводиться до керування ключем, який приєднує/від'єднує інвертор до/від мережі електроживлення 220В. У якості ключа обрано реле. Персональний комп'ютер керує інтелектуальним роз`єднувачем, передаючи йому наступні команди дистанційного керування по лінії електромережі: “увімкнути” реле, “вимкнути” реле. Інтелектуальні роз'єднувачі застосовано також для забезпечення комутації первинних джерел живлення автономного інвертора. За допомогою інтелектуальних роз'єднувачів оператор комп'ютера отримує змогу дистанційно від'єднувати або приєднувати до інвертора акумуляторні батареї та фотобатареї.

Дистанційне керування керованим промисловим трифазним випрямлячем ВАКС 7_230 полягає у керуванні рівнем випрямленої напруги. Для забезпечення можливості мікропроцесорного керування, джерело опорної напруги стабілізатора випрямленої напруги випрямляча замінено на цифро-аналоговий перетворювач. Цифровий код, що надходить до цифро-аналогового перетворювача від плати інтелектуального роз'єднувача, задає значення рівня випрямленої напруги.

Дистанційне керування випрямлячем та інвертором за допомогою розробленої системи дистанційного керування дозволяє оперативно керувати електроживленням локального об'єкту та реагувати на нештатні ситуації.

Запропонований метод підвищення завадостійкості системи дистанційного керування покращив надійність керування в складних умовах, які обумовлені підвищеним рівнем завад від потужних промислових перетворювачів електричної енергії.

Експериментальна система передавання сигналів дистанційного керування продемонструвала надійну працездатність в умовах завад від перетворювачів. Для кількісної оцінки завадостійкості системи передавання було проведено математичне моделювання, за допомогою якого було порівняно завадостійкість системи передавання сигналів дистанційного керування при відсутності та наявності завад типу білого шуму та завад від напівперіодного випрямляча.

Головні параметри математичної моделі враховували реальні параметри системи. Порівняльне моделювання систем з розширенням спектру при наявності завад типу Гаусового шуму (рис. 8, а) та при наявності завад, що генеруються перетворювачами (рис. 8, б) показало, що значення відношення сигнал/шум (SNR - Signal to Noise Ratio), при якому ймовірність помилки (BER - Bit Error Rate) наближається до нуля, в системах з розширенням спектру менше на 2,5-7,5 дБ, ніж в системах без розширення спектру. Використання базисних функцій ОБ-перетворення дозволяє додатково підвищити завадостійкість на 2,5дБ у порівнянні з системами, що використовують для розширення спектру базисні функції перетворення Уолша.

На графіках (рис. 8, б) спостерігається ділянка (SNR = _12,5..._5), на якій значення BER практично не змінюється (BER1,210-⁴). Такі результати моделювання пояснюються тим, що в сигналі завади містяться викиди, амплітуда яких значно перевищує середнє значення сигналу завади. На цій ділянці визначальна кількість помилок викликана вищевказаним викидом сигналу завади, а довжина цієї ділянки визначається різницею між піковим значенням викиду та середнім значенням сигналу завади.

ВИСНОВКИ

В роботі розроблено способи та системи дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення в умовах завад, що створюються цими перетворювачами. Розроблені системи характеризуються більшою завадостійкістю та більшою швидкодією передавання сигналів дистанційного керування у порівнянні з системами, в яких застосовуються традиційними способи передавання. Одержані нові науково обґрунтовані результати в сукупності є суттєвими для розвитку систем керування групами перетворювачів з використанням дистанційного керування по лініях електроживлення.

1. Обґрунтовано необхідність поряд з використанням загальноприйнятих методів зменшення завад додатково підвищувати завадостійкість системи передавання сигналів дистанційного керування по лініях електромережі.

2. Доведено доцільність використання ОБ-перетворення в системах передавання і показано його переваги по трудомісткості перед іншими спектральними перетвореннями. Так, відносна трудомісткість ОБ перетворення складає 44,3-95% від відносної трудомісткості перетворення Уолша при порівняних значеннях довжин інтервалів визначення N. Доведені основні теореми спектрального аналізу для ОБ-перетворення, які використовуються при побудові системи передавання сигналів дистанційного керування.

3. Запропоновано методику оцінки впливу завад від перетворювачів на якість передавання сигналу дистанційного керування по лініях електромережі з використанням УФ на основі ОБ-перетворення, що дозволяє виявити УФ, найбільш чутливі до завад.

4. Запропоновано структурні схеми систем передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами для синхронного та асинхронного керування за одноканальною, багатоканальною та комбінованою схемами, які забезпечують підвищену завадостійкість внаслідок використання методу розширення спектру за допомогою ОБ-перетворення.

5. Запропоновано використання базисних функцій ОБ-перетворення в багатоканальній CDMA системі дистанційного керування перетворювачами, що дозволяє збільшити кількість каналів у порівнянні з багатоканальними системами, які використовують перетворення Уолша, у 3ⁿ/2ⁿ разів.

6. Для вирішення важливої для CDMA систем задачі синхронізації, запропоновані спосіб символьної синхронізації з використанням пілот-сигналу та спосіб синхронізації за принципом синхронізації кінцевих автоматів, що не потребує центрального синхронізуючого сигналу.

7. Запропоновано метод адаптивного передавання сигналів дистанційного керування, який шляхом періодичної оцінки інтенсивності появи помилок в кожному з каналів та врахуванні результатів оцінки при передаванні, дозволяє підвищити завадостійкість передавання багатоканального CDMA сигналу.

8. Запропонований метод підвищення завадостійкості системи передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами реалізовано в експериментальних зразках для керування автономним інвертором та промисловим випрямлячем ВАКС 7-230. Застосована в лабораторії експериментальна система показала працездатність в умовах завад від перетворювачів.

9. Математичне моделювання системи передавання дозволило кількісно оцінити завадостійкість систем. Показано, що запропонований метод передавання сигналів дистанційного керування дозволяє знизити відношення сигнал/шум, при якому ймовірність помилки наближається до нуля, на 5-10 дБ (тобто у 2-3 рази) у порівнянні з системою без розширення спектру, що сприяє підвищенню завадостійкості системи дистанційного керування.

10. Вірогідність та обґрунтованість наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується використанням коректних методів досліджень, узгодженням розрахунків з експериментальними даними і раніш відомими за літературними джерелами результатами.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Терещенко Т.О., Петергеря Ю.С., Хохлов Ю.В. Застосування перетворення в орієнтованому базисі для розрахунку трифазних систем // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”, частина 2. - 2001. - С. 85-88.

Здобувачем доведені окремі теореми спектрального аналізу для перетворення в орієнтованому базисі, які використовуються для розрахунку несиметрії системи трифазної напруги.

2. Терещенко Т.О., Петергеря Ю.С., Хохлов Ю.В. Теореми спектрального аналізу перетворення в орієнтованому базисі // Электроника и связь. - 2001. - №13. - С.24-28.

Здобувачем доведені теореми окремі спектрального аналізу для перетворення в орієнтованому базисі, які використовуються при передаванні сигналів дистанційного керування.

3. Терещенко Т.О., Петергеря Ю.С., Хохлов Ю.В., Соболев О.В. Пристрій компенсації несиметрії напруг живлення у мережному інверторі // Технічна електродинаміка. - Спец. випуск "Проблеми сучасної електротехніки", частина 8. - 2002. - С.52-55.

Здобувачем оцінено вплив несиметрії системи трифазних напруг на інтенсивність завадоутворення та енергетичні характеристики асинхронного двигуна.

4. Терещенко Т.О., Петергеря Ю.С., Хохлов Ю.В. Передача інформації у системах побутової автоматизації на основі узгоджених фільтрів // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”, частина 2. - 2002. - С. 61-65.

Здобувачем розроблено структурну схему системи керування пристроями по лініях електроживлення.

5. Петергеря Ю.С., Хохлов Ю.В., Хижняк Т.А. Порівняльний аналіз спектральних перетворень // Электроника и связь. - 2002. - №16. - С.71-75.

Здобувачем виконано порівняння спектрів окремих функцій-оригіналів у базисах перетворень Уолша, СКІ та перетворення в орієнтованому базисі, зроблено відповідні висновки.

6. Терещенко Т.О., Петергеря Ю.С., Хохлов Ю.В. Моделювання тракта передачі сигналів керування в умовах завад // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”, частина 1. - 2003. - С. 53-58.

Здобувачем розроблена модель одноканальної системи передавання сигналів керування по лініях електроживлення з використанням узгоджених фільтрів на основі базисних функцій перетворення в орієнтованому базисі.

7. Петергеря Ю.С., Хохлов Ю.В. Широкосмугова передача сигналів керування з використанням m-ічних модулюючих кодових послідовностей // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки", частина 4. - 2004. - С.90-93.

Здобувачем розроблена та описана структурна схема пристрою для завадостійкого передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення.

8. Хохлов Ю.В. Широкосмугова багатоканальна передача сигналів керування перетворювачами електроенергії // Электроника и связь. - 2004. - №22. - Том 9 - С.18-20.

Здобувачем розроблена та описана структурна схема пристрою для завадостійкого багатоканального передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення.

9. Хохлов Ю.В. Дистанційне керування групою перетворювачів // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”, частина 3. - 2004. - С.81-84.

Здобувачем розроблені та описані структурні схеми пристроїв для завадостійкого передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами для синхронного та асинхронного керування за одноканальною, багатоканальною та комбінованою схемами.

10. Деклараційний патент України на винахід № 67572 А, H04J13/02. Пристрій для завадостійкого багатоканального передавання інформації по лініям зв'язку. / В.Я. Жуйков, Т.О. Терещенко, Ю.С. Петергеря, Ю.В. Хохлов (Україна). - № 2003109679; Заявлено 28.10.2003; опубл. 15.06.2004, Бюл. № 6.

11. Деклараційний патент України на винахід № 70500 А, H04B1/69. Пристрій для завадостійкого передавання інформації по лініям зв'язку. / В.Я. Жуйков, Т.О. Терещенко, Ю.С. Петергеря, Ю.В. Хохлов (Україна). - № 20031110180; Заявлено 11.11.2003; опубл. 15.10.2004, Бюл. № 10.

12. V. Y. Zhuikov, T. A. Tereshchenko, V. V. Pilinskiy, Y. V. Khokhlov, J. S. Petergerya: Spread Spectrum Transmission with use of the m-Ary Modulating Code Sequences, 4th International Workshop CPE 2005, POLAND, 2005, CD-ROM, Topic 4.12.

АНОТАЦІЇ

Хохлов Ю.В. Системи дистанційного керування перетворювачами в умовах завад. - Рукопис.

Дисеpтація на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальністю 05.09.12 - Напівпровідникові пеpетвоpювачi електpоенеpгiї. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2005.

Дисертація присвячена розробці способів та систем завадостійкого дистанційного керування перетворювачами електроенергії по лініях електроживлення в умовах завад, що створюються цими перетворювачами. В роботі вперше застосовано перетворення дискретних функцій в орієнтованому базисі для забезпечення завадостійкого передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення, що дозволяє підвищити завадостійкість та збільшити кількість каналів передавання у порівнянні з існуючими системами. Розроблено нову методику оцінки впливу завад від перетворювачів на якість передавання сигналів дистанційного керування по лініях електроживлення. Запропоновано нові системи передавання сигналів дистанційного керування перетворювачами по лініях електроживлення для синхронного та асинхронного керування за одноканальною, багатоканальною та комбінованою схемами. Результати роботи використані в системі завадостійкого дистанційного керування по лініях електроживлення режимами роботи перетворювачів в енергосистемі з фотогенераторами та трифазним випрямлячем.

Ключові слова: дистанційне керування, перетворювачі електроенергії, завадостійке передавання, розширення спектру, узгоджені фільтри, дискретні функції.

Khokhlov Y.V. Remote control systems of electrical energy converters in noisy environment. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.09.12 - Semiconductor transformers of electrical energy. - National University of Ukraine “Kyiv's Polytechnic Institute”, Kyiv, 2005.

The dissertation is devoted to development of noise-immunity methods and systems of remote control of electric power converters over power-lines in conditions of interferences from converters. In the work the transformation of the discrete functions at oriented basis to enhance a noise-immunity of signal transmission in systems of converters remote control over power-lines for the first time is used. This transformation also allows enhancing a number of transmission channels in comparison with known systems which based on Walsh transformation. The new procedure of an estimation of influence of interferences from converters on quality of a signal transmission of remote control over power-lines designed. New transmission systems of signals of remote control over power lines for the synchronous and asynchronous control based on single-channel, multichannel and combined systems designs are offered. Results of the work are used in a system of noise-immunity remote control over power lines by modes of operation of converters in power system with photogenerators and a three-phase rectifier.

Key words: spectral transformations, DSSS, CDMA, processing line automation, power-line signaling, noise from converters.

Хохлов Ю.В. Системы дистанционного управления преобразователями в условиях помех. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи
электроэнергии. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2005.

Диссертация посвящена разработке способов и систем помехоустойчивого дистанционного управления преобразователями электроэнергии по линиям электропитания в условиях помех, которые создаются этими преобразователями. В роботе впервые использовано преобразование дискретных функций в ориентированном базисе (ОБ-преобразование) для обеспечения помехоустойчивой передачи сигналов дистанционного управления преобразователями по линиям электропитания, которое позволяет увеличить помехоустойчивость и увеличить количество каналов передачи по сравнению с известными системами.

Повышение помехоустойчивости достигается за счет использования технологии передачи с расширением спектра сигнала дистанционного управления преобразователем с помощью прямой цифровой последовательности (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum). Так как относительная трудоемкость ОБ-преобразования составляет 44,3-95% от относительной трудоемкости преобразования Уолша при сравнимых значениях длин интервалов определения N, то с целью повышения быстродействия в качестве прямых последовательностей были выбраны базисные функции дискретного спектрального преобразования в ориентированном базисе.

Разработана новая методика оценки влияния помех от преобразователей на качество передачи сигналов дистанционного управления по линиям электропитания. Предложены новые системы передачи сигналов дистанционного управления преобразователями по линиям электропитания для синхронного и асинхронного управления по одноканальной, многоканальной и комбинированной схемам. Так как базисным функциям преобразования в ориентированном базисе присуще свойство взаимной ортогональности, то в многоканальной и комбинированной схемах для уплотнения каналов была выбрана технология множественного доступа с кодовым разделением (CDMA). При этом базисные функции используются в качестве канальных кодов, что позволяет увеличить количество каналов по сравнению с CDMA-системами, которые используют преобразование Уолша, в раз.

Для решения важной для CDMA систем задачи синхронизации, предложены способы символьной синхронизации с использованием пилот-сигнала и способ синхронизации по принципу синхронизации конечных автоматов, который не требует центрального синхронизующего сигнала.

Предложен метод адаптивной передачи сигналов дистанционного управления, который путем периодической оценки интенсивности появления ошибок в каждом из каналов и учета результатов оценки при передаче, позволяет увеличить помехоустойчивость передачи многоканального CDMA сигнала.

Результаты работы использованы в системе помехоустойчивого дистанционного управления по линиям электропитания режимами работы преобразователей в энергосистеме с фотогенераторами и трехфазным выпрямителем.

Проведено математическое моделирование предложенных систем. Моделирование показало, что значение отношения сигнал/шум (SNR - Signal to Noise Ratio), при котором вероятность битовой ошибки (BER - Bit Error Rate) приближается к нулю, в системах с расширением спектра меньше на 2,5-7,5 дБ, чем в системах без расширения спектра. Использование базисных функций преобразования в ориентированном базисе позволяет дополнительно увеличить помехоустойчивость на 2,5дБ по сравнению с системами, которые используют для расширения спектра базисные функции преобразования Уолша.

Ключевые слова: дистанционное управление, преобразователи электроэнергии, помехоустойчивая передача, расширение спектра, согласованные фильтры, дискретные функции.

Размещено на Allbest.ru

...