СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ НА ОБЪЕКТАХ С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ
SYSTEM FOR WIRELESS ATMOSPHERIC OPTICAL COMMUNICATION AT HIGH ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE FACILITIES

Изобретение относится к области оптической связи, в частности к атмосферным системам передачи информации на объектах, характеризующимся значительными электромагнитными помехами и шумами, как в области радиодиапазона, так и в оптической области спектра, например, на объектах электроэнергетики.
Известна оптическая система связи по патенту РФ №2121229, МПК Н04В 10/00, 27.10.1998, состоящая из передающей части, содержащей управляемый входной информацией генератор опорной частоты, комбинированный счетчик, усилитель и излучатель света, и приемной части, содержащей фотоприемник, усилитель, одновибратор, на выходе которого восстанавливается исходный информационный сигнал, индикатор приема сигнала. Система позволяет осуществлять одностороннюю связь, например, между двумя ЭВМ.
При организации двусторонней связи между двумя ЭВМ в систему необходимо вводить дополнительные схемотехнические решения по блокированию помехи, возникающей в результате воздействия на фотоприемники отраженного от окружающих предметов света своих же излучателей. Данное обстоятельство приводит либо к ограничению области применения подобной системы связи, либо к усложнению схемы и снижению надежности ее работы.
Наиболее близким техническим решением является оптическая система связи по патенту РФ №2174287, МПК Н04В 10/00, 20.05.2001, состоящая из передающей части, включающей первый микроконтроллер, первый выход которого соединен через первый импульсный усилитель тока с первым излучателем света, а также первый фотоприемник, соединенный через первый импульсный усилитель напряжения с первым входом первого микроконтроллера, второй выход которого подключен к первому индикатору приема сигналов, при этом второй вход и третий выход первого микроконтроллера являются соответствующим входом и выходом информационной связи с одним из первых внешних устройств, и приемной части, включающей второй микроконтроллер, первый выход которого соединен через второй импульсный усилитель тока со вторым излучателем света, а также второй фотоприемник, соединенный через второй импульсный усилитель напряжения с первым входом второго микроконтроллера, второй выход которого подключен ко второму индикатору приема сигналов, при этом второй вход и третий выход второго микроконтроллера являются соответствующими входом и выходом информационной связи с одним из вторых внешних устройств.
При этом микроконтроллер передающей части выполняет функцию преобразователя единичных бит информации со своего второго входа в короткие одиночные импульсы для первого выхода и функцию преобразователя коротких одиночных импульсов со своего первого входа в единичные биты информации для третьего выхода, а микроконтроллер приемной части выполняет функцию преобразователя коротких одиночных импульсов со своего первого входа в единичные биты информации для третьего выхода и функцию преобразователя единичных бит информации со своего второго входа в короткие одиночные импульсы для первого выхода, причем микроконтроллеры передающей и приемной частей выполняют функции блоков, обеспечивающих двустороннюю информационную связь между внешними устройствами в полудуплексном режиме как в неподвижном состоянии обеих частей оптической системы относительно друг друга, так и при их взаимном перемещении в любом направлении по ходу оптических лучей от излучателей света.
Основным недостатком известного устройства является низкая надежность связи из-за низкой помехоустойчивости и вероятности гарантированной связи на объекте, имеющем высокий уровень помех и шумов, как в радиодиапазоне, так и в оптической области спектра, например, на объекте энергетики.
Недостатки обусловлены отсутствием в устройстве-прототипе средств и элементов, предназначенных для отстройки и уменьшения влияния на его работу интенсивных электромагнитных помех и шумов, как в радиодиапазоне, так и в оптической части спектра.
В частности, на объектах электроэнергетики интенсивные помехи и шумы обнаруживаются от оборудования и приборов, находящихся под высоким потенциалом рабочего напряжения, при проведении оперативных переключений с помощью такого оборудования, а также при возникновении ненормальных и аварийных режимов работы, и при прохождении волн атмосферных и внутренних перенапряжений.
Более того, устройство-прототип не может работать с внешними устройствами, информационные сигналы которых являются аналоговыми. Кроме этого, оно не выполняет функции устройства сопряжения с объектом для систем автоматики, в частности, для автоматизированной системы управления, учета и контроля на объекте энергетики с высоким уровнем электромагнитных помех, и, соответственно, не обеспечивает «бесшовную» интеграцию устройства в такие системы.
Задача изобретения - повышение надежности связи за счет повышения помехоустойчивости и вероятности гарантированной связи на объектах, имеющих высокий уровень помех и шумов, как в радиодиапазоне, так и в оптической части спектра, например, на объектах электроэнергетики.
Технический результат достигается тем, что в системе беспроводной атмосферной оптической связи на объектах с высоким уровнем электромагнитных помех, состоящей из передающей части, включающей первый микроконтроллер, первый выход которого соединен через первый импульсный усилитель тока с первым излучателем света, а также первый фотоприемник, соединенный через первый импульсный усилитель напряжения с первым входом первого микроконтроллера, второй выход которого подключен к первому индикатору приема сигналов, при этом второй вход и третий выход первого микроконтроллера являются соответствующим входом и выходом информационной связи с одним из первых внешних устройств, и приемной части, включающей второй микроконтроллер, первый выход которого соединен через второй импульсный усилитель тока со вторым излучателем света, а также второй фотоприемник, соединенный через второй импульсный усилитель напряжения с первым входом второго микроконтроллера, второй выход которого подключен ко второму индикатору приема сигналов, при этом второй вход и третий выход второго микроконтроллера являются соответствующими входом и выходом информационной связи с одним из вторых внешних устройств, согласно предлагаемому изобретению, первый микроконтроллер выполнен в виде микроконтроллера связи, содержащего встроенный многоканальный аналогово-цифровой преобразователь и выполненного с возможностью обеспечения информационной связи с одним из аналоговых или цифровых первых внешних устройств на объекте с высоким уровнем электромагнитных помех, причем первый микроконтроллер связи выполняет функцию преобразования каждого отдельного бита сигналов телеизмерения и телесигнализации в пакет импульсов с частотой следования, отличной от промышленной частоты 50 Гц и кратных ей частот, и функцию преобразования пакета импульсов в единичные биты сигналов телеуправления, а второй микроконтроллер выполнен в виде микроконтроллера связи с возможностью обеспечения «бесшовной» интеграции системы оптической связи в одно из вторых внешних устройств, представляющим собой автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте с высоким уровнем электромагнитных помех, причем второй микроконтроллер связи выполняет функцию преобразования каждого отдельного бита сигналов телеуправления в пакет импульсов с частотой следования, отличной от промышленной частоты 50 Гц и кратных ей частот, и функцию преобразования пакета импульсов в отдельные биты сигналов телеизмерения и телесигнализации, при этом первый излучатель света и первый фотоприемник, а также второй излучатель света и второй фотоприемник составляют соответственно первый и второй приемопередающие модули беспроводного оптического канала связи, причем в качестве первого и второго излучателей света, а также первого и второго фотоприемников соответственно в первом и во втором приемопередающих модулях беспроводного оптического канала связи использованы излучатели света и фотоприемники с основной рабочей областью, по меньшей мере, для фотоприемников, приходящейся на солнечно-слепой диапазон оптического спектра.
Таким образом, технический результат достигается тем, что в предлагаемую систему беспроводной атмосферной оптической связи на объектах с высоким уровнем электромагнитных помех введены первый и второй приемопередающие модули беспроводного оптического канала связи, основными элементами которых являются первые и вторые фотоприемники, а также первые и вторые излучатели света, устанавливаемые, соответственно, в первом и втором приемопередающих модулях беспроводного оптического канала связи (далее - приемопередающие модули), с основной рабочей областью, по меньшей мере, для фотоприемников, приходящейся на солнечно-слепой диапазон (ССД) оптического спектра (240-290 нм), в котором в светлое время суток, на поверхности Земли отсутствует солнечное излучение.
Кроме этого, первый микроконтроллер - микроконтроллер связи передающей части (МСПЧ) со встроенным многоканальным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) обеспечивает передачу сигналов телеизмерения (ТИ) и телесигнализации (ТС), а также прием сигналов телеуправления (ТУ) первыми внешними устройствами (устройствами и приборами, находящимися под потенциалом высокого напряжения на токоведущих частях электроэнергетической установки (ЭУ), при этом второй вход МСПЧ является входом встроенного многоканального АЦП МСПЧ, обеспечивающим оцифровку аналоговых сигналов с первых внешних устройств, причем третий выход МСПЧ является входом исполнительных элементов и механизмов первых внешних устройств, предназначенных для выполнения сигналов (команд) ТУ.
1
2
Микроконтроллер связи передающей части выполняет функцию преобразователя каждого отдельного бита сигналов ТИ и ТС со своего второго входа в пакет импульсов (с периодом T) для первого выхода и функцию преобразователя пакета импульсов (с периодом Т) со своего первого входа в единичные биты сигналов ТУ для третьего выхода МСПЧ.
1
2
Для отстройки от существующих в ССД оптических помех и шумов от коронных разрядов и искусственных источников света, периоды T и Т должны быть выбраны таким образом, чтобы частота следования коротких импульсов в пакетах была отстроена от промышленной частоты - 50 Гц, и кратных ей частот.
В общем случае, передающая часть системы беспроводной атмосферной оптической связи на объектах с высоким уровнем электромагнитных помех находится под потенциалом высокого напряжения токоведущих частей ЭУ, в окрестности с первыми внешними устройствами. Более того, возможна интеграция МСПЧ в такие устройства на ЭУ. В последнем случае, функции МСПЧ могут выполнять микроконтроллеры самих первых внешних устройств.
Второй микроконтроллер - микроконтроллер связи приемной части системы (МСПрЧ) - обеспечивает «бесшовную» интеграцию приемной части системы беспроводной атмосферной оптической связи во вторые внешние устройства, представляющими собой автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики, в которую входят автоматизированные системы управления технологическими процессами в электроэнергетике (АСУ Э), автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ), автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), устройства релейной защиты и автоматики на ЭУ (РЗиА), а также системы «цифровых подстанций» («интеллектуальные сети», smart grid) на ЭУ, при этом второй вход и третий выход МСПрЧ являются соответствующими входом и выходом информационной связи с автоматизированной системой управления, учета и контроля на объекте энергетики (системами АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗиА, и «интеллектуальными сетями» ЭУ).
2
1
Микроконтроллер связи приемной части выполняет функцию преобразователя каждого отдельного бита сигналов ТУ от вторых внешних устройств (систем АСУ Э, АСДУ, РЗиА, и «интеллектуальных сетей» ЭУ) со своего второго входа в пакет импульсов (с периодом Т) для первого выхода, и функцию преобразователя пакета импульсов (с периодом T) со своего первого входа в отдельные биты сигналов ТИ и ТС от первых внешних устройств - для третьего выхода МСПрЧ.
1
2
Для отстройки от существующих в ССД оптических помех и шумов от коронных разрядов, имеющихся на высоковольтном электрооборудовании, и искусственных источников света, периоды Т и Т должны быть выбраны таким образом, чтобы частота следования коротких импульсов в пакетах была отстроена от промышленной частоты - 50 Гц, и кратных ей частот.
В общем случае, приемная часть системы беспроводной атмосферной оптической связи на объектах с высоким уровнем электромагнитных помех находится под потенциалом низкого напряжения (земли), на расстоянии от передающей части системы, обеспечивающем необходимый уровень электрической изоляции между токоведущими частями ЭУ (первыми внешними устройствами) и заземленными элементами ЭУ.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная структурная схема предлагаемой системы беспроводной атмосферной оптической связи на объектах с высоким уровнем электромагнитных помех.
Цифрами на чертеже обозначены:
1 - первый микроконтроллер связи, содержащий встроенный многоканальный АЦП;
2 - первый импульсный усилитель тока;
3 - первый излучатель света;
4 - первый фотоприемник;
5 - первый импульсный усилитель напряжения;
6 - первый индикатор приема сигнала;
7 - второй микроконтроллер связи;
8 - первый приемопередающий модуль беспроводного оптического канала связи;
9 - второй импульсный усилитель тока;
10 - второй импульсный усилитель напряжения;
11 - сигналы телеизмерения (ТИ) и телесигнализации (ТС) с первых внешних устройств (устройств и приборов, находящиеся под потенциалом высокого напряжения токоведущих частей ЭУ);
12 - сигналы телеуправления (ТУ) к исполнительным элементам и механизмам первых внешних устройств;
13 - сигналы телеизмерения (ТИ) и телесигнализации (ТС), передаваемые из системы беспроводной атмосферной оптической связи во вторые внешние устройства, представляющие собой автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики (системы АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗ и А, «интеллектуальные сети»), по соответствующим протоколам, принятым в указанных системах;
14 - сигналы телеуправления (ТУ) из вторых внешних устройств (систем АСУ Э, АСДУ, РЗ и А, «интеллектуальных сетей»), предназначенные для передачи по системе беспроводной атмосферной оптической связи на исполнительные элементы и механизмы первых внешних устройств (устройств и приборов, находящихся под высоким потенциалом токоведущих частей ЭУ);
15 - второй излучатель света;
16 - второй фотоприемник;
17 - второй индикатор приема сигнала;
18 - второй приемопередающий модуль беспроводного оптического канала связи;
19 - первые внешние устройства (устройства и приборы, находящиеся под высоким потенциалом токоведущих частей ЭУ);
20 - вторые внешние устройства, представляющие собой автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики, в которую входят системы АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗиА, «интеллектуальные сети» ЭУ.
Система беспроводной атмосферной оптической связи на объектах с высоким уровнем электромагнитных помех состоит из передающей и приемной частей.
Передающая часть содержит первый микроконтроллер, первый выход которого соединен через первый импульсный усилитель 2 тока с первым излучателем 3 света, а также первый фотоприемник 4, соединенный через первый импульсный усилитель 5 напряжения с первым входом первого микроконтроллера, второй выход которого подключен к первому индикатору 6 приема сигналов. Второй вход и третий выход первого микроконтроллера являются соответствующим входом и выходом информационной связи с одним из первых внешних устройств 19.
Приемная часть содержит второй микроконтроллер, первый выход которого соединен через второй импульсный усилитель 9 тока со вторым излучателем 15 света, а также второй фотоприемник 16, соединенный через второй импульсный усилитель 10 напряжения с первым входом второго микроконтроллера, второй выход которого подключен ко второму индикатору 17 приема сигналов. Второй вход и третий выход второго микроконтроллера являются соответствующими входом и выходом информационной связи с одним из вторых внешних устройств 20.
Отличием предлагаемой системы беспроводной атмосферной оптической связи на объектах с высоким уровнем электромагнитных помех является то, что первый микроконтроллер выполнен в виде микроконтроллера 1 связи, содержащего встроенный многоканальный аналогово-цифровой преобразователь и выполненного с возможностью обеспечения информационной связи с одним из аналоговых или цифровых первых внешних устройств 19 (устройств и приборов, находящихся под потенциалом высокого напряжения токоведущих частей ЭУ) на объекте с высоким уровнем электромагнитных помех.
Первый микроконтроллер 1 связи выполняет функцию преобразования каждого отдельного бита сигналов 11 - сигналов телеизмерения и телесигнализации - с первых внешних устройств 19 в пакет импульсов с частотой следования, отличной от промышленной частоты 50 Гц, и кратных ей частот, и функцию преобразования пакета импульсов в единичные биты сигналов 12 телеуправления к исполнительным элементам и механизмам первых внешних устройств 19.
Второй микроконтроллер выполнен в виде микроконтроллера 7 связи с возможностью обеспечения «бесшовной» интеграции системы оптической связи в одно из вторых внешних устройств 20, представляющей собой автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте с высоким уровнем электромагнитных помех, в которую входят системы АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗиА, «интеллектуальные сети» ЭУ. Второй микроконтроллер 7 связи выполняет функцию преобразования каждого отдельного бита сигналов 14 телеуправления из вторых внешних устройств 20 (систем АСУ Э, АСДУ, РЗ и А, «интеллектуальных сетей»), предназначенных для передачи по системе беспроводной атмосферной оптической связи на исполнительные элементы и механизмы первых внешних устройств 19 (устройств и приборов, находящихся под высоким потенциалом токоведущих частей ЭУ) в пакет импульсов с частотой следования, отличной от промышленной частоты 50 Гц и кратных ей частот, и функцию преобразования пакета импульсов в отдельные биты сигналов 13 - сигналов телеизмерения и телесигнализации, передаваемых из системы беспроводной атмосферной оптической связи во вторые внешние устройства 20, представляющие собой автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики (системы АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗ и А, «интеллектуальные сети»), по соответствующим протоколам, принятым в указанных системах.
Первый излучатель 3 света и первый фотоприемник 4, а также второй излучатель 15 света и второй фотоприемник 16 составляют соответственно первый 8 и второй 18 приемопередающие модули беспроводного оптического канала связи. В качестве первого 3 и второго 15 излучателей света, а также первого 4 и второго 16 фотоприемников соответственно в первом 8 и во втором 18 приемопередающих модулях беспроводного оптического канала связи использованы излучатели света и фотоприемники с основной рабочей областью, по меньшей мере, для фотоприемников, приходящейся на солнечно-слепой диапазон (ССД) оптического спектра (240-290 нм), в котором в светлое время суток, на поверхности Земли отсутствует солнечное излучение.
Система беспроводной атмосферной оптической связи на объектах с высоким уровнем электромагнитных помех работает следующим образом.
Передающая часть системы беспроводной атмосферной оптической связи подключена к первым внешним устройствам 19 (устройствам и приборам, находящимся под высоким потенциалом токоведущих частей ЭУ). Такими устройствами и приборами могут быть, например, измерительная аппаратура, подвешенная к проводам высоковольтной воздушной ЛЭП, порталам открытых распределительных устройств электрических станций и подстанций. Указанная аппаратура для передачи сигналов 11 во вторые внешние устройства 20 (системы АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗ и А, «интеллектуальные сети») подключена ко второму и последующим входам первого микроконтроллера 1 связи передающей части (МСПЧ). При этом основной электрической изоляцией таких аппаратов будет воздушная изоляция, уровень которой определяется только высотой подвеса провода.
Первый микроконтроллер 1 связи передающей части может представлять собой микроконтроллер самих таких аппаратов, и выполнять все функции и алгоритмы работы (т.е. быть аппаратно совместимым и иметь соответствующее программное обеспечение), необходимые для полноценного функционирования предлагаемой системы беспроводной атмосферной оптической связи.
Первый микроконтроллер 1 связи передающей части со встроенным многоканальным АЦП циклично опрашивает все вводы своих портов, отведенных для опроса всех подключенных к передающей части измерительных аппаратов или их элементов, а также все вводы портов, отведенных для приема дискретной информации, и далее формирует в своем оперативно-запоминающем устройстве (ОЗУ) массив соответствующих данных сигналов 11 - сигналов ТИ и ТС.
Первый микроконтроллер 1 связи передающей части из таких массивов формирует информационную посылку (сигналы 11 - сигналы ТИ и ТС), преобразуя каждый отдельный бит данных в пакет импульсов с частотой следования, отличной от промышленной (50 Гц), и кратных ей частот.
Далее пакеты импульсов поступают в первый импульсный усилитель 2 тока, последовательно подключенный к излучателю 3 света первого приемопередающего модуля 8 беспроводного оптического канала связи. Первый излучатель 3 света может быть оптимизирован под ССД оптического спектра, излучая со спектральной мощностью, в основном приходящимся на жесткий и средний УФ-диапазон спектра.
Таким образом, первый излучатель 3 света испускает короткие импульсы света с увеличенной мощностью, в основном приходящиеся на УФ-диапазон, что увеличивает дальность оптического взаимодействия системы.
1
Второй приемопередающий модуль 18 беспроводного оптического канала связи приемной части системы, через второй фотоприемник 16, оптимизированный для приема оптического сигнала в области ССД, формирует, согласно передаваемым посылкам сигналов 11 - сигналов ТИ и ТС - с первых излучателей 3 света передающей части системы, пакеты электрических импульсов с периодом Т, которые затем поступают на второй импульсный усилитель 10 напряжения.
Второй микроконтроллер 7 связи приемной части системы преобразует полученные с второго импульсного усилителя 10 напряжения пакеты электрических импульсов в посылки сигналов 13 - сигналов ТИ и ТС - в соответствующие системы АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗ и А, «интеллектуальные сети» согласно принятым в таких системах протоколам.
Приемная часть системы беспроводной атмосферной оптической связи, через второй микроконтроллер 7 связи приемной части системы (МСПрЧ) полностью интегрирована во вторые внешние устройства 20, представляющие собой автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики (системы АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗ и А, «интеллектуальные сети» на ЭУ).
2
Приемная часть системы, при получении сигналов 14 - сигналов (команд) ТУ - от систем АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗ и А, «интеллектуальных сетей» на ЭУ, формирует через второй импульсный усилитель 9 тока приемной части и второй излучатель 15 света, оптимизированный под ССД оптического спектра, приемопередающего модуля 18 беспроводного оптического канала связи, информационную посылку на останов передачи сигналов 11 - сигналов ТИ и ТС - с передающей части системы, и затем, преобразуя каждый отдельный бит сигналов 14 - сигналов (команд) ТУ - в пакеты импульсов с периодом Т, пересылает их через второй приемопередающий модуль 18 беспроводного оптического канала связи посредством коротких импульсов света на передающую часть системы.
Таким образом, обеспечивается полудуплексный режим работы предлагаемой беспроводной атмосферной оптической системы связи.
2
Первый приемопередающий модуль 8 передающей части, через первые фотоприемники 4, оптимизированные для приема оптического сигнала в области ССД оптического спектра, формирует пакеты электрических импульсов с периодом Т, которые усиливаются в первом импульсном усилителе 5 напряжения и подаются на первый вход первого микроконтроллера 1 связи передающей части.
Первый микроконтроллер 1 связи передающей части преобразует полученные пакеты коротких импульсов в сигналы 12 - сигналы (команды) ТУ, и формирует на своем третьем выходе (согласно полученным сигналам 14 - сигналам ТУ) управляющие воздействия - сигналы (команды) 12 - к первым внешним устройствам 19 (исполнительным элементам и механизмам устройств и приборов, находящихся под потенциалом высокого напряжения токоведущих частей ЭУ).
Техническими результатами, обеспечиваемыми при использовании предлагаемого изобретения, являются:
1. Повышение надежности связи за счет повышения помехоустойчивости и вероятности гарантированной связи в условиях высоких помех и шумов, как в радиодиапазоне, так и в оптической части спектра, например, на объектах электроэнергетики.
2. Уменьшение общей стоимости систем АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗ и А, и «интеллектуальных сетей» ЭУ благодаря исключению дополнительных устройств сопряжения с объектами (УСО) и обеспечению «бесшовной» интеграции электроэнергетического оборудования ЭУ в такие системы;
3. Значительное упрощение и удешевление монтажных и пуско-наладочных работ при проведении мероприятий по интеграции ЭУ в системы АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, «интеллектуальные сети» благодаря отсутствию необходимости в установке и настройке УСО;
4. Обеспечивается полная гальваническая развязка устройств и приборов, находящихся под потенциалом высокого напряжения у токоведущих частей электроэнергетических установок (ЭУ) при передаче и приеме сигналов телеинформации в системах АСУ Э, АСДУ, АСКУЭ, РЗ и А, «интеллектуальных сетях».