23 УДК 621.391; 621.396 ПОДСИСТЕМА КОНТРОЛЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ ЦИФРОВОЙ АППАРАТУРЫ ПЕРЕДАЧИ КОМАНД РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ «СТРЕЛА» Докт. техн. наук ЗАБЕНЬКОВ И. И. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники В настоящее время на рынке оборудования для объектов энергосистем су- ществует множество разновидностей аппаратуры передачи команд релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗ и ПА). Большинство из них представляет собой сложные многофункциональные комплексы, способные выполнять не только свое непосредственное предназначение, но и множество сопутствующих функций, таких как измерения, контроль работоспособности и др. Одной из важнейших функций контроля параметров высокочастотного сигнала является функция непрерывного измерения относительного уровня шумов и помех в канале передачи информации. В настоящей статье будет смоделирован алгоритм измерения отношения сигнал/шум (ОСШ) в канале связи по высоковольтной линии (ВЛ), используемый в цифровой аппаратуре передачи команд РЗ и ПА «Стрела». Эта система разработана совместно лабораторией цифровой радиосвязи БГУИР и СКБ предприятия «Белэлектромонтажналадка» [1, 2]. К каналам передачи команд РЗ и ПА предъявляются самые высокие требо- вания по безопасности и надежности. В данном контексте безопасность озна- чает отсутствие ложных срабатываний аппаратуры, исключение (с определен- ной вероятностью) возможности выделения сигнала команды из шумов на входе приемника либо подмены, когда при передаче одной из команд РЗ и ПА принимается другая. Надежность означает минимизацию пропусков команд приемником в случае их передачи. Шумовая обстановка в каналах по ВЛ яв- ляется очень нестабильной, возможны как импульс- ные помехи и длительные (значительные) возрастания шумов в линии, так и резкие затухания самого сигнала. В такие моменты вероятность ложного сра- батывания значительно повышается (на порядок). Чтобы обеспечивать высо- кую безопасность подобных систем в любой ситуации, необходима оценка ОСШ, в результате которой приемник оценивает необходимость блокирова- ния во избежание ложного срабатывания. Это, безусловно, ведет к ухудшению надежности приема команд РЗ и ПА, к увеличению числа пропусков. Но это необходимая для повышения безопасности цена, которая в данном случае является приоритетной, посколь- ку ложные срабатывания могут иметь более катастрофические последствия. Построение канала передачи команд РЗ и ПА по ВЛ. Подавляющее большинство действующих, вводимых в эксплуатацию и проектируемых ка- налов являются аналоговыми. В этих каналах команды передаются с помо- щью аналоговых видов модуляции (как правило, одно- или двухчастотным кодированием). В отсутствие команд по каналу связи передается пилот-сигнал (или охранный сигнал), который также представляет собой тональную частоту и служит для контроля работоспособности канала на при- 24 емной стороне. Отсутствие контрольного сигнала является признаком переда- чи сигнала команды РЗ и ПА либо аварии канала. Многие производители по- добной аппаратуры предлагают в полосе частот, отводимой для РЗ и ПА, в отсутствие команд передавать иные виды сигналов (речь, телемеханику). Од- нако не всегда это необходимо потребителю, поэтому в статье будет рассмат- риваться выделенный канал сугубо для целей РЗ и ПА. Стандартная ширина канала связи по ВЛ составляет 4 кГц, контрольный пилот-сигнал представляет собой тональную частоту, расположенную в полосе канала. Описание модели. Моделирование проводится в среде MATLAB/Si- mulink. Модель приведена на рис. 1. Аппаратура «Стрела» осуществляет при- ем сигнала методами цифровой обработки. Это означает, что в структуре при- емного тракта присутствует АЦП – аналого-цифровой преобразователь, после которого вся логика работы реализована программно на сигнальном процес- соре. Источники сигнала и шума моделируем как последовательности цифро- вых отсчетов. Рис. 1. Модель Simulink алгоритма измерения ОСШ На рис. 1 штриховой линией выделены функциональные модули, которые будут далее описаны при пояснении логики работы алгоритма. Источники. В функциональном модуле 1 расположен источник сигнала, который представляет собой двухтоновую комбинацию (блоки Тон 1 и Тон 2). В модуле 2 находится генератор шума – блок Белый шум. Они сум- мируются при помощи сумматоров Сум. 1 и Сум. 2, моделируя таким образом канал РЗ и ПА по ВЛ с шумами. Профили. В модулях 1 и 2 также расположены блоки Профиль сигнала и Профиль шума. Они предназначены путем умножения на источники модели- ровать различные изменения канала связи по ВЛ. Эти изменения на протяже- Сум. 1 Сум. 2 25 нии всего времени моделирования, а также связанное с ними изменение ОСШ можно представить табл. 1. Таблица 1 Начало: неко- торый уровень сигнала Сигнал без изменения Сигнал без изменения Снижение сигнала в два раза Сигнал остается сниженным Восстановление исходного уровня сигнала Начало: неко- торый уровень шума Шум без изменения Снижение шума в два раза Шум остает- ся снижен- ным Восстановление исходного уровня шума Шум без изменения Начало: неко- торое значение ОСШ ОСШ без изменения Рост ОСШ на 6 дБ Снижение ОСШ на 6 дБ Снижение ОСШ еще на 6 дБ Рост ОСШ на 6 дБ Все периоды изменений в модели приняты равными 0,4 с. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала. Уровень сигнала в канале связи по ВЛ подвержен медленным изменениям в связи с погодными условиями, временами года и т. п. Для моделирования этого процесса в моду- ле 3 умножим смесь полезного сигнала с шумом с выхода Сум. 2 на АЧХ ка- нала, медленные вариации которой моделируются синусоидой на пьедестале (блоки Изменение АЧХ канала и Смещение 1). Эта часть модели предназна- чена показать, что результат оценки ОСШ не будет зависеть от текущего ко- эффициента передачи канала связи. Период изменений АЧХ канала заметно меньше принятых выше интервалов моделирования в 0,4 с. Канальный фильтр приемника. В модуле 4 реализован канальный фильтр приемника. Оцифрованная смесь полезного сигнала с шумом из канала связи умножена на комплексную синусоиду, равную несущей частоте канала, в результате чего выполняется перенос спектра и модель оперирует с ком- плексным сигналом на видеочастоте. Для наглядности комплексный сигнал разделен на мнимую и действительную (квадратурную и синфазную) части, а блоки Канальный ФНЧ 1 и 2 идентичны. После канального фильтра выполняет- ся вычисление мгновенной мощности цифровых отсчетов. Алгоритм оценки ОСШ. Непосредственно алгоритм реализован в модуле 5. Логика, приведшая к построению данной модели, следующая: если в канале связи присутствует стабильный тональный (или двухтональный) сиг- нал, его мощность является относительно стабильной величиной. Если же к сигналу подмешивается шум значительного уровня, это приводит к флуктуа- циям мощности. Выделение этих флуктуаций и их сравнение со средней ве- личиной мощности тона дает величину, соответствующую действительному значению ОСШ в канале, и характер изменения этой величины должен соот- ветствовать характеру изменения ОСШ. На основе изложенной логики построена модель. Блок Очень узкий ФНЧ выполняет выделение постоянной составляющей мощности. Чем уже полоса пропускания данного фильтра, тем более точен, однако и более инерционен результат (получен с большей задержкой). В настоящей модели полоса про- пускания принята равной 10 Гц. Затем при вычитании выхода фильтра из ис- ходных отсчетов мощности получаем чистые флуктуации. Поскольку мы уда- лили постоянную составляющую, флуктуации происходят около нулевого значения. Для оценки мощности данных флуктуаций возведем их в квадрат. Кроме того, необходимо интегрирование по времени, то есть некоторое 26 накопление результата. Эти процедуры выполняют- ся в канале, состоящем из блоков Квадрат 2 и Интегратор 2. В канале Квадрат 1 + Интегратор 1 те же операции выполняются над постоянной составляющей мощности с выхода ФНЧ, где мы оцениваем величину полезного сигнала. За- тем вычисляем ОСШ в разах (блок Дел.) и в децибелах. Контроль результата. Для этой цели служит модуль 6, где мощности ис- точника полезного сигнала и источника шума рассчитываются отдельно, а результат затем также представляется в логарифмической шкале (блок Дей- ствительное ОСШ). Осциллограммы сигналов в контрольных точках можно посмотреть с помощью блока Временные диаграммы. Результаты моделирования. Сравним результат работы алгоритма с рас- четной величиной ОСШ. На рис. 2а приведены результаты расчета ОСШ по прямой формуле, а на рис. 2б – по моделируемому алгоритму. а б Рис. 2. Результаты: а – аналитического расчета; б – моделирования Как видно из графиков, форма зависимости получилась идентичной, одна- ко оценочное ОСШ отличается от истинного на постоянную составляющую, которая была скомпенсирована в блоке Смещение 2. Функция контроля и блокировки приема по ОСШ в системах передачи ко- манд РЗ и ПА предназначена реагировать на медленные изменения ОСШ в канале, поскольку при недостаточном времени интегрирования невозможно получить точный результат оценки. Следовательно, это может ухудшить оба существенных показателя (безопасность и надежность) системы. Здесь воз- можен поиск некоторого оптимума по точности оценки и времени, затраченному на накопление сигнала. Поскольку наша оценка (с учетом корректировки на постоянную состав- ляющую) получилась в некоторой степени эмпирической, при реализации данного алгоритма на цифровом сигнальном процессоре его можно свести к табличной подстановке целочисленных значений ОСШ из некоторого набора, тем более что требования высокой точности расчета ОСШ к таким системам не предъявляются (обычно блокировку приема производят при снижении ОСШ до 6–12 дБ). В изложенном алгоритме нигде не фигурирует конкретная частота тональ- ного (или обе частоты двухтонального) сигнала, фильтры имеют полосу про- 27 пускания 4 кГц (канальный) и 10 Гц (фильтр выделения постоянной состав- ляющей), поэтому он представляется достаточно гибким. Однако изложенный алгоритм подходит только для выделенных каналов РЗ и ПА (когда в отсутствие команд ничего, кроме пилот-сигнала, не переда- ется) и не применим для каналов, которые совмещают в одном спектре пере- дачу, например команд и речи, поскольку оценка тогда будет носить совсем иной характер. В Ы В О Д В статье подробно рассмотрен алгоритм работы подсистемы оценки отно- шения сигнал/шум, который используется в цифровой микропроцессорной аппаратуре передачи команд релейной защиты и противоаварийной автомати- ки по высоковольтным линиям «Стрела». Непрерывный и быстродействую- щий контроль относительного уровня помех значительно повышает надеж- ность и безопасность работы аппаратуры. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Ц и ф р о в а я архитектура аппаратуры передачи команд, данных и речи по ЛЭП / И. И. Забеньков [и др.] // Электроника инфо. – 2010. – № 1. – С. 29–30. 2. Е н ь к о в, Д. А. Система передачи команд релейной защиты по высоковольтным лини- ям / Д. А. Еньков // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2009. – № 3. – С. 14–21. Поступила 06.02.2012