Система беспроводной оптической связи для объектов электроэнергетики

УДК: 62-791.2

СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

В.К. КОЗЛОВ, И.Н. ЛИЗУНОВ, И.И. НАСЫРОВ

Казанский государственный энергетический университет

Статья описывает оптическую систему связи, основанную на передаче информации в ультрафиолетовом световом диапазоне. Ультрафиолетовый световой диапазон выбирается благодаря наличию в нем солнечно-слепой зоны, отличительной особенностью которой является полное отсутствие солнечного света. Солнечно-слепой диапазон присутствует на всей поверхности Земли. Передача информации по такому каналу максимально минимизирует воздействие помех, а высокая скорость передачи позволяет конкурировать ей с существующими каналами связи.

Ключевые слова: система связи, УФ диапазон, солнечно-слепой диапазон, светодиод, фотодиод.

В настоящее время в электроэнергетике в качестве первичных измерительных преобразователей (ИП) в системах релейной защиты и автоматики (РЗА), учета электроэнергии используются трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН). Наиболее массивным и габаритным элементом конструкции ТТ и ТН является опорный или проходной изолятор, параметры которого определяются классом напряжения сети. Стоимость ТТ и ТН является особенно высокой в случае их применения в сетях 110 кВ и выше, в том числе из-за наличия в конструкции таких изоляционных элементов. В эксплуатируемых на данный момент электромагнитных и оптических ТТ и ТН измеренные токи и напряжения передаются посредством медных и оптоволоконных сигнальных цепей к системам РЗА и учета как непосредственно, так и через преобразовательные блоки.

Для уменьшения стоимости первичных измерительных преобразователей (ТТ и ТН), а также обеспечения полной гальванической развязки между токоведущими частями и частями, находящимися под потенциалом земли, нами предложена система беспроводной оптической связи. Такая система позволяет производить измерения токов и напряжений непосредственно на токопроводах и передавать измеренные значения в цифровом виде на устройства индикации, в системы РЗА и учета без использования сигнальных цепей, полностью отказавшись от громоздких изоляционных элементов в конструкции ИП.

Система беспроводной оптической связи основана на передаче сигнала в оптическом диапазоне волн 240-290нм. Отличием данной системы от оптоволоконных является их полная автономность и отсутствие необходимости в связующих проводах что в конечном итоге, снизило бы надежность системы передачи. Диапазон волн 240-290 нм примечателен отсутствием в нем оптической засветки от Солнца на поверхности Земли даже в ясный, солнечный день.

Существующие оптические каналы связи передают информацию посредством оптического излучения в видимом или инфракрасном диапазоне, испускаемым

© В.К. Козлов, И.Н. Лизунов, И.И. Насыров Проблемы энергетики, 2012, № 11-12

лазерами. Но при использовании традиционных оптических каналов существует ряд ограничений и недостатков: волоконно-оптические линии связи для передачи видимого света подвержены механическому воздействию, а угол распространения луча лазера недостаточно широк, что ограничивает возможность его использования на движущихся объектах. Более того, для электроэнергетики существующие методы атмосферных оптических каналов связи не обеспечивают качественной и надежной связи на приемлемой дистанции. В качестве движущегося объекта подразумевается система передачи на токопроводе, который имеет свойство смещаться под воздействием атмосферных явлений (ветер, гололед и т.п.). Применяемый в предлагаемой системе ультрафиолетовый светодиод имеет угол излучения, близкий к 1500 (рис. 1), благодаря чему передатчик и приемник не требуется располагать на одной линии в зоне прямой видимости.

передатчик приемник

I--И I

<4-

до 50м

Рис. 1. Схема ультрафиолетовой передачи

Устройство передачи (рис. 2) получает информацию с беспроводного измерителя тока и напряжения, подвешенного непосредственно на проводах воздушной линии электропередачи (ВЛЭП) или жесткой ошиновке открытых и закрытых распределительных устройств (ОРУ и ЗРУ). После обработки и оцифровки полученной информации в микроконтроллере связи сигнал с беспроводного датчика усиливается импульсным усилителем тока и передается по предлагаемому оптическому каналу на приемное устройство (рис. 3).

Рис. 2. Блочная схема передатчика: 1 - микроконтроллер связи; 2 - импульсный усилитель тока; 3 - передающий модуль; 4 - светодиод; 5 - фотодиод; 6 - импульсный усилитель напряжения; 7 - сигналы телеуправления; 8 - системы РЗА, автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии; 9 - сигналы телеизмерения и телесигнализации; 10 - индикатор передачи сигнала

Рис. 3. Блочная схема приемника: 1 - микроконтроллер связи; 2 - сигналы телеуправления; 3 - приемный модуль; 4 - сигналы телеизмерения и телесигнализации; 5 - импульсный усилитель тока; 6 - приемный модуль; 7 - светодиод; 8 - фотодиод; 9 - импульсный усилитель напряжения;

10 - индикатор приема сигнала

Светодиод передающего устройства выбран таким образом, чтобы максимальная интенсивность соответствовала длине волны 260-265нм. Таким светодиодом выбран UVTOP260 (рис. 4) с широкоугольной линзой типа Flat Window (рис. 5). Благодаря широкому углу передачи расстояние от передающего до приемного устройства может достигать 50 метров. Приемное устройство, в свою очередь, через микроконтроллер обеспечивает бесшовную интеграцию с различными системами РЗА и учета.

и Сг % К ¡S О С £ о S h

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

mL

250 2 60 270 28 0 2 90 3 00 3 10 Длина волны, нм

Рис. 4. Оптическая характеристика светодиода UVTOP260

Рис. 5. Линза светодиода типа Flat Window

Для увеличения помехоустойчивости в предлагаемой системе беспроводной оптической связи рабочая частота передатчика и приемника отстроена от 50 Гц и кратных ей частот. Такая отстройка необходима для исключения влияния засветки от искусственных источников света, а при работе на объектах электроэнергетики - еще и от практически повсеместно распространенного явления коронного разряда на высоковольтном электрооборудовании. Из-за возможности сильного снегопада или тумана прямая видимость между приемным и передающим устройствами может быть нарушена. Для резервирования канала используется система, основанная на передаче сигнала по технологии Wi-Fi. Система резервирования оптического канала передачи необходима лишь при передаче сигнала на расстояние около 50 метров. При

уменьшении расстояния искажение и преграждение оптического сигнала снизятся, соответственно, отпадет необходимость в резервировании.

Данная система, кроме электроэнергетики, может найти применение в промышленном производстве для связи оборудования, находящегося в одном помещении, например, для передачи сигналов управления роботизированным установкам конвейерной ленты, в местах, где недопустимо использование систем с высоким электромагнитным излучением. Но необходимо учитывать вред ультрафиолетового излучения для человеческого зрения и кожи. Прямое попадание данного излучения является причиной ухудшения зрения, а также кожных ожогов. Этот факт не позволяет использовать оптическую систему, основанную на ультрафиолетовом диапазоне, в больницах, а также в местах, где возможно прямое воздействие излучения на человека.

Используя данную систему, можно значительно снизить затраты на ИП, а также повысить безопасность работ на объектах электроэнергетики благодаря обеспечению полной гальванической развязки между токопроводом и частями электроустановки, находящихся под потенциалом земли. Замена привычных для нас трансформаторов тока и напряжения на трансформаторы, совмещенные с беспроводной системой оптической связи, позволит также уменьшить площадь ОРУ и ЗРУ.

Summary

This article describes the optical communication system based on information transfer in an ultra-violet light range. The ultra-violet light range was chosen to existence in it the solar-blind zone which distinctive feature is total absence of a sunlight. The solarblind range is present on all surface of Earth. Information transfer on such channel as much as possible minimizes influence of noises and high speed of transfer allows to compete it to existing communication channels.

Keywords: communication system, ultra-violet range, solar-blind range, light-emitting diode, photo diode.

Литература

1. www.dankon.ru, ООО "Светодиодные технологии", г. Екатеринбург.

2. www.optica.ru, Оптические ТелеСистемы.

3. www.planar.spb.ru, ООО "НПК "Планар", г. Санкт-Петербург.

4. www.uralalmazinvest.ru, ООО "ПТЦ УралАлмазИнвест".

5. www.ural-almaz.com.ru, ООО "ПТЦ УралАлмазИнвест".

Поступила в редакцию 14 сентября 2012 г.

Козлов Владимир Константинович - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194271.

Лизунов Игорь Николаевич - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194272.

Насыров Ильсур Исхакович - магистрант 1 года обучения кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (904) 7687236.