СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ
Комплекс программ для расчетов характеристик ВЧ каналов по линиям электропередачи
ШКАРИН Ю. П., канд. техн. наук, ВНИИЭ
Каналы высокочастотной (ВЧ) связи по линиям электропередачи составляют и в ближайшее время будут составлять значительную долю в общем объеме каналов сети связи Минэнерго СССР.
Надежность ВЧ каналов и достоверность принимаемой информации в основном определяется соответствием основных характеристик канала (затухания передаваемого сигнала между передатчиком и приемником и уровня помех на входе приемника аппаратуры уплотнения) принятым нормам. Чтобы получить это соответствие, необходимо иметь точные расчеты затухания ВЧ тракта каналов ВЧ связи по ВЛ и уровней помех.
Такие расчеты должны, производиться во время проектирования каналов связи, проведения пуско-наладочных работ для определения при
чин возможного несоответствия расчетных и измеренных значений параметров, при эксплуатации каналов с целью облегчения поиска неисправного элемента тракта и причин повышенного уровня помех. Кроме того, они должны производиться при исследованиях новых видов ВЧ трактов и разработке рекомендаций для организации каналов ВЧ связи по ВЛ (особенно новых классов напряжения).
Как правило, параметры ВЧ трактов и уровни помех на их выходе рассчитываются согласно «Методическим указаниям по расчету параметров и выбору схем высокочастотных трактов по линиям электропередачи 35—750 кВ переменного тока» (СПО Союзтехэнерго, 1989), разработанным для стандартных ситуаций (типовые опоры ВЛ, конструкции фазы, схемы транспозиции фаз и тросов, схемы присоединения к ВЛ и т. д.).
Вместе с тем при проектировании каналов ВЧ связи по уникальным ВЛ сверхвысокого и ультравысокого напряжений, а также по ВЛ 110—220 кВ с несколькими обходами промежуточных подстанций и ответвлениями упрощенные методы расчета могут приводить к значительным погрешностям при определении параметров трактов. В этих случаях следует пользоваться точными методами расчета.
Кроме того, упрощенные методы расчета затруднительно использовать при отысканий причин несоответствия характеристик ВЧ трактов, полученных при измерениях, расчетным значениям, так как эти причины достаточно разнообразны и, как правило, нестандартны.
Для проведения точных расчетов характеристик ВЧ каналов по ВЛ во ВНИИЭ совместно с ВЦ ГТУ разработан комплекс программ, позволяющий рассчитывать все необходимые характеристики: затухание и входное сопротивление ВЧ тракта, уровни селективных помех на входе приемника одного из каналов от передатчика другого канала и уровни распределенных ВЧ помех от «короны» (для ВЛ 220 кВ и выше).
В этот комплекс входят программы: «Тракт» — для определения затухания и входного сопротивления ВЧ тракта по ВЛ и величин переходного затухания между разными каналами (селективные помехи); «Noise» — для расчета распределенных помех от «короны» на фазах и тросах ВЛ; «Мода» — для определения волновых (модальных) параметров ВЛ.
Эти программы разработаны на основании алгоритмов, использующих для описания условий распространения сигналов по неоднородным многопроводным линиям электропередачи модальную теорию распространения и методы матричной алгебры*. Они написаны на языке Фортран-IV в операционной системе ОС (версия 6.1) и эксплуатируются на ЭВМ серии ЕС, а также на персональных ЭВМ класса IT и XT.
*Г. В. Микуцкий, Ю. П. Шкарин. Линейные тракты каналов высокочастотной связи по линиям электропередачи. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 198.
М. В. Костенко, Л. С. Перельман, Ю. П. Шкарин. Волновые процессы и электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения. М.: Энергия 1973, 271 с.
При использовании этих программ максимальное число проводов (фаз и тросов) ВЛ, входящих в схему тракта, не должно превышать 12. Это число ограничено объемом памяти ЭВМ.
Расчеты производятся для заданных частот в диапазоне 10 кГц — 1 МГц. Нижняя граница частоты обусловливается тем, что внутреннее сопротивление проводов ВЛ определяется по формуле, справедливой для случая явно выраженного поверхностного эффекта, а верхняя граница частоты — применимостью формулы Карсона для определения влияния земли с конечной проводимостью на первичные параметры ВЛ сверхвысокого напряжения.
В программе приняты меры для максимально возможного уменьшения объема исходной информации и исключения возможных погрешностей расчета, обусловленных пределом разрядности чисел, с которыми оперирует ЭВМ.
Большое внимание уделено определению модальных параметров многопроводных линий по известным первичным параметрам линии — матрицам продольных сопротивлений и поперечных проводимостей.
Программа «Тракт» предназначена для определения затухания и входного сопротивления ВЧ тракта с произвольной схемой подключения к фазам и грозозащитным тросам многопроводных ВЛ, а также переходных затуханий между различными ВЧ каналами, работающими по одной и той же или разным ВЛ.
Так как определение переходного затухания между различными ВЧ каналами в итоге сводится к определению затухания некоторого тракта, заключенного между точками подключения влияющего передатчика и подверженного влиянию приемника, то в дальнейшем будем иметь в виду не только определение затухания тракта, но и переходного затухания.
Затухание и входное сопротивление рассчитываются для тракта с произвольной схемой его организации. В состав тракта могут входить составные элементы: ВЛ с произвольным расположением и конструкцией фаз и тросов; транспозиция фаз и тросов; устройства присоединения к фазам и тросам (фильтры присоединения с конденсаторами связи и ВЧ кабели); ответвления от ВЛ; ВЧ обходы промежуточных подстанций, последовательно включенные в фазы и тросы комплексные сопротивления (с их помощью можно имитировать ВЧ заградители, включаемые в произвольном месте линии или ответвления, аварийные ситуации на линии, связанные с обрывами фаз и тросов); шунтирующие комплексные сопротивления, включенные между фазами (тросами) и между фазами (тросами) и землей (с их помощью можно имитировать входное сопротивление подстанции, повреждения ВЛ, связанные с замыканиями проводов между собой и на землю и т. д.); неоднородность типа изменение числа проводов ВЛ, входящих в схему тракта.
Последний из рассматриваемых элементов требует дополнительного пояснения. Часто в каком-либо месте трассы ВЛ происходит достаточно тесное параллельное сближение рассматриваемой линии с какой-либо другой линией (вплоть до подвески проводов обеих линий, на общих опорах). При этом необходимо определять влияние электромагнитной связи между линиями на участке сближения на затухание тракта по одной из линий, а также переходное затухание между точками включения передатчика одного канала связи по одной из линии и приемника -другого канала связи по другой линии. Кроме того, бывает необходимо определять влияние на затухание тракта параллельного сближения линий, входящих в схему тракта, при подходе к промежуточной подстанции.
Неоднородность типа изменение числа проводов ВЛ, входящих в схему тракта, позволяет производить все расчеты в указанных и других аналогичных ситуациях.
Модальные параметры линий, входящих в схему ВЧ тракта, можно при необходимости определять с учетом влияния емкостей фаз и тросов на опоры, с помощью которых моделируется влияние на. условия распространения волн по линиям с подвешенными проводами.
Это влияние существенно для линий высоких классов напряжения (500 кВ и выше) и должно учитываться при расчетах параметров ВЧ трактов, в особенности по изолированным проводящим грозозащитным тросам. Расчеты без учета емкостей проводов линии на опору могут давать значительную неконтролируемую погрешность, занижая значение затухания тракта.
В программе заложена возможность расчета модальных параметров линий, входящих в схему ВЧ-тракта, с учетом провисания фаз и тросов в пролетах между опорами. Необходимость в таких расчетах может появиться при научных исследованиях. В обычных условиях линия с провисающими проводами в пролетах заменяется линией с проводами, расположенными на некоторой расчетной высоте над землей в плоскостях, параллельных земле, что в большинстве случаев не приводит к заметной погрешности расчета.
Кроме того, в программе предусмотрено определение параметров ВЧ тракта с учетом гололедно-изморозевых отложений на фазах и тросах ВЛ. Для этого один или несколько произвольных участков линии, входящих в схему тракта, могут быть заданы с гололедным покрытием фаз и тросов.
Требуемый для работы программы объем оперативной памяти составляет у ЭВМ серии ЕС 350; килобайт. Время расчета параметров тракта на одной частоте зависит от числа проводов ВЛ, входящих в схему тракта, и от степени сложности этой схемы. Так, для расчета затухания тракта по транспонированной семипроводной ВЛ 1150 кВ (три фазы и два расщепленных троса с изолированными составляющими) с числом транспозиций фаз и тросов, равным семи, требуется время не более 30 с.
Программа «Noise» (помехи) предназначена для определения уровня помех от коронировании фаз и грозозащитных тросов ВЛ на выходе ВЧ тракта с произвольной схемой подключения к фазам и тросам, в том числе и с внутрифазным и внутритросовым подключением.
Она позволяет рассчитывать суммарный уровень помех в трактах с заданными схемами присоединения к ВЛ от коронировании всех фаз и тросов и составляющие этого уровня, обусловленные коронированием каждого из проводов линии в отдельности.
Последнее дает возможность правильно определять уровень помех в каналах с передачей дискретной информации, когда время передачи сигнала меньше, чем период промышленной частоты. В этом случае для выявления отношения сигнала и помехи на входе приемника необходимо учитывать помехи, возникающие от коронировании каждой из фаз линии в отдельности.
Одним из основных факторов, определяющих уровень помех от короны, является генерация помех, которая характеризует интенсивность возбуждения токов помех источниками короны.
Для определения генерации помех отсутствуют аналитические выражения, однако существуют формулы, позволяющие рассчитать генерацию помех для какой-либо линии, если известна «базисная» генерация для другой («базисной») линии, расположенной в районе с аналогичными климатическими условиями и условиями загрязнения воздуха.
«Базисная» генерация определяется экспериментально по материалам долговременных измерений ВЧ помет на линиях, расположенных в разных районах. Программа «Noise» позволяет определить генерацию помех по результатам измерений уровней ВЧ помех от короны на таких «базисных» линиях. Это является важной областью применения программы.
Часто различные эффекты короны, в том числе ВЧ помехи и радиопомехи, исследуются на опытных пролетах, провода которых на одном конце полностью изолированы, а на другом (питающем) нагружены на произвольные сопротивления.
При этом программа дает уникальную возможность расчета уровня помех в нагрузке такого пролета с учетом многократных отражений волн от обоих его концов и интерпретации результатов измерений, т. е. экспериментального определения генерации ВЧ и радиопомех.
Уровень помех рассчитывается для такого тракта, в схему которого в произвольном порядке могут входить многопроводные ВЛ с любым расположением проводов, разными транспозициями фаз и тросов и шунтирующими комплексными сопротивлениями, с помощью которых можно моделировать повреждения фаз и тросов, связанных с замыканиями их между собой и на землю.
Такого набора элементов, входящих в смену тракта, как правило, вполне достаточно для полноценного расчета уровня ВЧ помех по концам тракта, так как эти элементы в большинстве случаев относительно мало влияют на уровень помех от короны.
В программе «Noise» предусмотрена возможность задавать разные значения генерации помех для различных участков линий, входящих в схему тракта. Это позволяет определять уровни помех от короны в тех случаях, когда по тем или иным причинам генерация помех на разных участках линии различна, например, прохождение линии в горных условиях (генерация зависит от высоты участка линии над уровнем моря); интенсивный дождь над относительно небольшим участком линии, расположенным в произвольной части линии; загрязнение фаз линии на каком-либо участке и т. д.
Модальные параметры линий, входящих в схему ВЧ тракта, для которого определяются помехи от короны, могут при необходимости рассчитываться с учетом влияния емкостей фаз и тросов на опорах ВЛ на условия распространения токов и напряжений вдоль линии.
Время, необходимое для расчета на одной частоте, зависит от числа проводов ВЛ, входящих в схему тракта, и от степени ее сложности. Так, время расчета уровня помех во всех возможных схемах присоединения к семипроводной ВЛ 1150 кВ с семью транспозициями фаз и тросов составляет около 15 с.
Программа «Мода» предназначена для расчета модальных параметров многопроводных ВЛ с произвольным расположением фаз и тросов. Кроме модальных параметров (диагональных комплексных матриц коэффициентов распространения и волновых сопротивлений модальных составляющих и квадратных комплексных матриц, преобразующих напряжения и токи фаз в напряжения и токи модальных составляющих), в программе определяются квадратные комплексные матрицы волновых сопротивлений н проводимостей фаз, элементы которых позволяют находить оптимальные сопротивления, на которые должны рассчитываться устройства обработки и присоединения к ВЛ. При этом число ВЛ, для которых одновременно рассчитываются модальные параметры, практически не ограничено.
Расчеты по программе «Мода» полезны для анализа условий распространения волн вдоль многопроводных линий, для определения условий возникновения полюсов затухания в частотной зависимости затухания ВЧ тракта с той или иной схемой подключения к ВЛ, с целью априорного определения оптимальных схем присоединения к фазам и тросам линии, а также определения влияния удельного сопротивления земли на модальные параметры линии и т. д.
Программа «Мода» позволяет рассчитывать модальные параметры линий без их привязки к какой-либо конкретной схеме тракта.
Результаты расчетов по всем представленным программам были многократно апробированы результатами экспериментальных исследований на линиях практически всех классов напряжения вплоть до ВЛ 1150 кВ. Они совпадают с экспериментально полученными данными, что свидетельствует о правильности теоретических положений, использованных в алгоритмах, и правильности самих программ. Это позволяет рекомендовать программы для широкого использования в практике на всех этапах создания и эксплуатации каналов ВЧ связи по ВЛ.