Построение схем каналов по структурным признакам.
В гл. 1 рассмотрены структурные схемы с направлениями и объемами информации в каждой ступени управления. Эти схемы являются определяющими для построения структурных схем каналов связи, предназначенных для передачи информации между пунктами управления и контроля. Определяющим для построения схем ВЧ каналов связи по ВЛ является также конфигурация сети высокого напряжения.
Рис. 3-10. Структурные схемы ВЧ каналов связи по ВЛ.
а — Прямой канал с переприемом; б— г — прямые каналы с промежуточными усилителями прямого усиления, со сдвигом частот и с инверсией частот; д — цепочечный канал.
По структурным признакам каналы осуществляются, как правило, прямыми. Прямые каналы связи позволяют с удовлетворительным качеством передать все виды информации, создать автоматически коммутируемую производственную телефонную сеть. При прохождении сигналов по ВЧ тракту они затухают и претерпевают искажения, поэтому при больших расстояниях возникает необходимость применять промежуточные устройства в виде переприемов или усилителей. Промежуточные устройства приходится устанавливать с интервалами по расстоянию не по мере ослабления сигналов, а на промежуточных подстанциях, расположенных вдоль ВЛ, используемой для осуществления канала связи в данном направлении. Из-за неравенства интервалов между промежуточными устройствами ВЧ тракт прямого канала может быть сложным из-за обходов промежуточных подстанций.
Наряду с прямыми применяются цепочечные каналы, когда необходимо осуществить связь между пунктом управления и несколькими энергообъектами, электрически связанными линией электропередачи в данном направлении. Используются также радиальные каналы, которые можно считать разновидностью цепочечных каналов [4].
Схемы прямых каналов связи.
Наряду с приведенными основными признаками схемы ВЧ каналов связи определяются также системой в данном аппаратуре уплотнения, которые используются для данных разности. Рассмотрим схемы связи (рис. 3-10) с учетом принципов построения систем уплотнения, описанных в § 2-3. Каналы телефонной связи, осуществляемые по линиям электропередачи, как правило, двухполосные двухпроводные системы. Пример построения схемы, прямого канала связи по линии электропередачи приведен на рис. 3-2.
Прямой канал связи с переприемом (рис. 3-10,а) осуществляется путем установки в промежуточном пункте двух комплектов оконечной аппаратуры и соединения тональных выходов этих комплектов между собой. Такой канал обычно называют каналом с переприемом по тональной частоте. Встречаются также каналы с переприемом по промежуточной частоте.
Переприем по тональной частоте кроме увеличения дальности передачи позволяет, осуществить в пункте переприема выделение части каналов (например, в многоканальной системе телефонной связи) или канал телемеханики при вторичном уплотнении телефонного канала. При переприеме по промежуточной части такой возможности нет. При переприеме тракты приема и передачи в направлении А—Б и Б—А обоих участков канала полностью разделены. Переприемы осуществляются, как правило, по четырехпроводной схеме. По этой схеме в пункте переприема соединяются низкочастотные (НЧ) выходы приемников с НЧ входами передатчиков. Для временного осуществления переприема в телефонном канале это соединение выполняется автоматически либо вручную с помощью коммутационного устройства. При автоматическом или ручном составлении транзитного соединения исключаются из транзита дифференциальные системы ВЧ аппаратуры.
Для осуществления прямого канала с одним переприемом используются, как правило, четыре полосы частот, обозначенные на рис. 3-10,а, f1, f2, f3, f4. Эффективно передаваемая полоса частот в прямом канале зависит от типа аппаратуры уплотнения, а выбор рабочих частот и их размещение по шкале частот производятся с соблюдением условий, рассматриваемых в § 3-8.
Одной из основных характеристик промежуточного усилителя является коэффициент усиления S, определяемый как отношение напряжения на выходе усилителя к напряжению на его входе или как разность уровней по напряжению (или мощности) на выходе и входе усилителя S=рвых—рвх.
Заданный коэффициент усиления зависит от места включения усилителя и определяется в основном затуханием предшествующего усилительного участка. В аппаратуре дальней связи по проводным линиям применяются промежуточные усилители с усилением от единиц до 75 дБ. Как будет показано ниже, такие возможности промежуточных усилителей в каналах связи по ВЛ не всегда могут быть использованы.
Возможное усиление в двухполосной двухпроводной системе по ВЛ зависит не столько от обратной связи, возникающей между усилительными элементами через полосовые фильтры, сколько от переходного затухания между входом и выходом усилителя. Максимальное значение коэффициента усиления усилителя Sмакс зависит от следующих основных факторов, определяющих значение переходного затухания между его входом и выходом: сопротивления ВЧ заградителей в усилительном пункте; способа присоединения усилителя к ВЛ (со сменой или без смены фаз); характера сближения линий на подходе к усилительному пункту.
Различают два вида переходного затухания: обусловленное электрической связью линии через шины подстанции и обусловленное, электромагнитной связью между линиями на участке сближения.
Переходное затухание на участке сближения зависит от взаимного расположения линий. Чаще всего минимальное значение имеет переходное затухание через шины подстанций. С переходным затуханием на участке сближения линий необходимо считаться, когда, заходы линий на подстанцию расположены в общем коридоре на разных или общих опорах. Меры оценки обоих видов переходных затуханий и методы возможного их увеличения рассматриваются в § 3-7.
В тех случаях, когда в одной двухполюсной двухпроводной системе максимальное затухание всех усилительных участков не превышает значения общего коэффициента усиления промежуточных усилителей, количество усилителей теоретически ограничивается только значением обратной связи в замкнутых системах промежуточных усилителей. Однако в подобных системах связи, осуществляемых по ВЛ, вступают в силу ограничения, обусловленные главным образом помехами на ВЛ и трудностями поддержания на всех участках канала равномерных и постоянных значений остаточного затухания. В общем случае, когда а1, а2, ..., ап — рабочие затухания усилительных участков (рис. 2-33), a S1, S2 Sn — коэффициенты усиления соответствующих усилителей,
то остаточное затухание аост — рабочее затухание тракта, которое определяется как алгебраическая сумма затуханий и усилений четырехполюсников, образующих данный канал:
(3-34)
Иначе говоря, аост есть затухание, которое остается в результате неполной компенсации затуханий линейных участков усилением усилителя. В данной телефонной связи остаточное затухание определяется как разность уровней передачи по напряжению на входе и выходе тракта и принято равным 7 дБ.
Если на входе канала включить нормальный генератор (рвх=0), то аост=—рвых, т. е. остаточное затухание численно равно измерительному уровню на выходе канала, взятому с обратным знаком. Этой зависимостью пользуются при измерении аост (см. § 3-7).
Нормированное значение остаточного затухания определяется условиями устойчивости телефонной передачи (отсутствием генерации), допустимыми искажениями от обратной связи и другими явлениями, рассматриваемыми в [15].
Максимальное затухание, перекрываемое аппаратурой в канале связи по ВЛ, равно:
(3-35)
Затухание первого усилительного участка а1 желательно скомпенсировать усилением первого промежуточного усилителя S1. Это возможно, если
, где S1макс — максимально возможный коэффициент усиления. Если а1<S1макс, то принимают
то принимают S1=S1макс. Отсюда следует, что при ।
промежуточный усилитель не может скомпенсировать затухание усилительного участка и это приходится учитывать при проектировании канала связи. Именно в этом и состоит особенность применения промежуточных усилителей в ВЧ каналах связи по ВЛ в отличие применения их на цепях линий связи. При проектировании ВЧ каналов связи по ВЛ не представляется возможным выбирать произвольно места установки усилителей, поскольку они определяются местонахождением распределительных подстанций.
Примером прямого канала связи с промежуточным усилителем прямого усиления является схема на рис. 3-10,б.
Она идентична схеме двухполосной двухпроводной системы телефонной связи (см. рис. 2-37). В каждом промежуточном пункте усилительные устройства усиливают высокочастотные токи двух направлений передачи с разными полосами частот f1 и f2. В случае применения промежуточных усилителей прямого усиления в двухполосной двухпроводной системе высокой частоты по ВЛ из-за невысокого затухания путей для обратной связи между усилительными элементами обоих направлений передачи, могут возникнуть самовозбуждение усилителей или резко возрасти амплитудные и фазовые искажения. Из-за этого устойчивость телефонной передачи в двухполосной двухпроводной системе с промежуточными усилителями прямого усиления резко снижается, число промежуточных усилителей ограничивается и протяженность прямого канала связи сокращается. Устойчивость телефонной передачи и удовлетворительная равномерность частотной характеристики остаточного затухания в рассматриваемой схеме могут быть практически обеспечены, если переходное затухание между Л1 и Л2 на подходе к усилительному пункту больше усиления промежуточного усилителя в каждом направлении на 13 дБ [43]. Следовательно, максимально допустимое усиление определяется выражением 
, где Ап— переходное затухание между линиями электропередачи на подходе к подстанции (усилительному пункту). Если Л1 и Л2 заведены на общие шины подстанции, то переходное затухание на ближнем конце может составлять всего 20 дБ. Для этого случая максимальное усиление промежуточного усилителя может быть только 7 дБ.
Чтобы достигнуть большего подъема уровня в промежуточном усилителе, не вызывая самовозбуждения, можно воспользоваться сдвигом частотных полос.
Схема прямого канала связи с промежуточным усилителем со сдвигом полос частот (рис. 3-10,в) отличается от схемы с прямым усилением тем, что на каждом усилительном участке используется своя пара рабочих полос частот. В направлении передачи А—Б на усилитель со сдвигом частот сигнал поступает на частоте f2, а после усиления и преобразования передается дальше на частоте f4. В обратном направлении передачи Б—А сигнал поступает на частоте f3, а передается на частоте f1. Как видим, спектр частот, необходимый для организации прямого канала связи с усилителями со сдвигом частот, определяется рабочими частотами f1, f2, f3 и f4, т. е. такими, как для канала связи с переприемом. Фильтры приемного тракта, применяемые в промежуточном усилителе со сдвигом частот, имеют большое затухание для частот передающего тракта, поэтому выражение для определения максимального усиления усилителя приобретает вид Sмакс=Ап+аф —13, где аф — затухание, вносимое фильтрами приемного тракта. Величина Sмакс усилителя со сдвигом частот может составлять 50—65 дБ.
Для прямого канала связи с промежуточным усилителем с инверсией полос частот (рис. 3-10,а) требуется такое же число полос частот, как для схемы канала с промежуточными усилителями прямого усиления. В промежуточном усилителе с инверсией частот в направлении А—Б происходит усиление сигнала и преобразование его в f2 и тот же процесс происходит в направлении Б—А. При этом режиме оба приемника усилителя работают на одной частоте, а оба передатчика — на другой. Из-за наличия многочисленных путей для токов обратной связи в системе с промежуточными усилителями с инверсией полос частот не обеспечивается заметное преимущество перед системами с промежуточными усилителями прямого усиления.
Каждый тип промежуточного усилителя, в том числе и рассмотренные выше, рассчитывается на усиление сигнала в определенном диапазоне частот. В этом диапазоне в рабочих полосах частот промежуточные усилители должны удовлетворять определенным требованиям и в отношении частотной характеристики усиления. Частотная характеристика усиления промежуточного усилителя должна иметь зависимость, обратную частотной характеристике затухания предшествующего усилительного участка. В соответствии с этим в усилитель вводятся амплитудно-частотные искажения, компенсирующие искажения, вносимые ВЧ трактом; предъявляются требования к характеристикам нелинейности, входных и выходных сопротивлений и др. Эти характеристики более подробно рассматриваются в [15].
Схема цепочечного канала
Схема цепочечного канала связи (рис. 3-10,д) применяется для связи диспетчерского (центрального в системе управления) пункта А с управляемыми (контролируемыми) пунктами Б, В, Г. В этом канале приемники ВЧ аппаратуры уплотнения ВЛ в пунктах Б, В, Г настроены на частоту передатчика, установленного в пункте А. Приемник пункта А настроен на частоту передатчиков, общую для пунктов Б, В и Г. Такая система связи дает возможность осуществить связь диспетчерского пункта со всеми контролируемыми пунктами и не допускает ведения переговоров пунктов Б, Б, Г между собой.
Количество контролируемых пунктов, включаемых в ВЧ канал, определяется структурой связи, загрузкой канала и ограничивается, естественно, затуханием ВЧ тракта от пункта А до пункта Г. Недостатком цепочечной схемы является невозможность вхождения в связь любого контролируемого пункта с диспетчерским, если последний занят переговором с одним из них. Таким образом, разговор третьего пункта, более срочный, может состояться не раньше, чем оба абонента закончат переговор. Для осуществления цепочечной схемы канала связи необходимо получить удовлетворительную характеристику остаточного затухания для всех возможных связей в данном ВЧ канале. В расчетах затухания ВЧ трактов канала между пунктами А и В и А и Г учитывается затухание, вносимое ВЧ аппаратурой уплотнения контролируемого пункта (например, Б), подключенного к схеме ВЧ обхода подстанции, за счет ответвления части энергии во входные цепи аппаратуры. Среднее значение этого затухания составляет 3,5 дБ. Его можно уменьшить путем последовательного включения в ВЧ кабель в пунктах Б и В (на входе аппаратуры) дополнительного резистора. Тогда затухание транзитного ВЧ тракта А—Г уменьшится, а затухание ВЧ тракта участков А—Б и А—В увеличится.
Ограничения в цепочном канале, когда контролируемые пункты могут сообщаться только с диспетчерским пунктом, устраняются при использовании аппаратуры уплотнения со сменой частот. При этой системе связи в каждом пункте канала ВЧ аппаратура имеет возможность взаимной перемены частот передатчика и приемника. По цепочечному каналу связи с переменной частоты возможна связь каждого пункта с любым другим пунктом, однако одновременная связь между двумя парами пунктов исключена. В системе со сменой частот также требуются только две полосы частоты f1 и f2. В положении «покоя» (при отсутствии связи) передатчики на всех пунктах настроены на одну общую полосу частот, например f2, а приемники — на вторую полосу частот f1. Если, например, пункту А необходимо установить связь с пунктом Г, то при снятии микротелефонной трубки в пункте А происходит автоматическая перемена полос частот приемника на f2, а передатчика на f1. Таким образом, приемники всех других пунктов могут принимать сигналы передатчика пункта А. После окончания разговора автоматически происходит обратная смена полос частот, определяемая положением «покоя». Высокочастотная аппаратура с возможностью смены частот требует либо автоматического переключения фильтров в приемниках и передатчиках, либо их двойного количества.
Цепочечные каналы связи и их разновидности находят применение в предприятиях электрических сетей и осуществляются, как правило, по ВЛ распределительной сети 35—110 кВ.
Рис. 3-11. Способы присоединения ВЧ аппаратуры уплотнения АУ к ВЛ.
Однофазное присоединение: а — оконечная станция; б — обход без промежуточной станции; в — обход с промежуточной станцией; г — промежуточный усилитель, Двухфазное присоединение: д — оконечная станция; е — обход; ж — присоединение оконечной станции к двухцепной ВЛ; з, и — присоединение оконечных станций к проводам расщепленных фаз.
Кроме схемы присоединения фаза — земля (см. § 3-3) применяются и другие схемы присоединения, показанные на рис. 3-11. Например, схема присоединения фаза— фаза (рис. 3-11, д—ж) имеет ряд преимуществ перед схемой присоединения фаза — земля: сохранение каналом работоспособности при однофазных коротких замыканиях на ВЛ вблизи конденсатора связи; меньшая неравномерность затухания ВЧ тракта с обходами и ответвлениями; большое значение переходного затухания, обусловленное электромагнитной связью между ВЛ на участке сближения. Несмотря на перечисленные преимущества, наибольшее распространение в Советском Союзе получила схема присоединения фаза — земля. Это объясняется в основном экономическими факторами вследствие уменьшения в 2 раза числа требуемых для канала заградителей и конденсаторов связи и удешевления в связи с этим монтажных работ.
На ВЛ 330 кВ и выше применяется расщепление фаз на два и более проводов большого сечения. Если вместо металлических дистанционных распорок между проводами в расщепленных фазах применить изолирующие распорки, выполненные из изоляционного материала, то провода расщепленной фазы могут быть использованы для передачи информации по схеме провод — провод [19].
Присоединение аппаратуры уплотнения к проводам ВЛ с расщепленными фазами осуществляется по схемам, показанным на рис. 3-11,з, и. Отличительной особенностью этих схем является применение ВЧ заградителей без элемента настройки. Благодаря симметричной схеме заградителя относительно средней точки, соединяемой с подстанцией, высокочастотная энергия не ответвляется в сторону подстанции и ее входное сопротивление не влияет на режим работы заградителя.
Вместо двух заградителей может быть использован один заградитель со средним выводом [8].
