Использование телекоммуникационных технологий в электроэнергетике

Балтийский  Федеральный Университет им. Иммануила  Канта

Физико-технический  факультет

Кафедра Телекоммуникаций 
 
 
 

Курсовая  работа

Использование телекоммуникационных технологий в  электроэнергетике. 
 
 
 
 
 

Работу  проверила

Старовойтова  О.В.

Работу  подготовила

Студентка 3 курса

Тихомирова  Анастасия 
 
 
 

Калининград 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………. 3

Глава 1.  Общие сведения о  технологиях  PowerLink……..….………….....5

1.1 Общие сведения о технологии PowerLink…………………………………..5

1.2 ВЧ связь в сетях высокого напряжения (35-750 кВ)………………………..6

1.3 Особенности системы PowerLink……………………………………………9

1.4 Передача данных систем защиты…………………………………………...11

1.5 ВЧ связь в сетях среднего и низкого напряжения (распределительные сети)………………………………………………………………………………12

1.6 Заключение о технологии PowerLink………………………………………17

Глава 2. Общие сведения о  технологии PLC

2.1 Технология PLC ……………………………..……………………………...18

2.2 Применение решений на базе PLC-технологий на рынке  
современных телекоммуникаций для домашних сетей (0,2 - 0,4 кВ)………..22

2.3 Преимущества и недостатки PLC-технологии…………………………….24

2.4 Принцип организации передачи сигналов связи……………………….....24

2.5 Стандарты для высокоскоростных PLC-технологий……………………..25

2.6 Внедрения PLC-технологий……………………………………………… ..25

2.7 Заключение  о технологии PLC……………………………………………..28

Глава 3. ВОЛС на воздушных линиях электропередачи. Выбор магистрального кабеля и способа его прокладки между зданиями.

3.1 Достоинства и характеристики оптоволокна……………………………....30

3.2 Основные  характеристики одномодовых кабелей………………………...32

3.3 ВОЛС, подвешиваемые на опорах воздушных линий ……………………33

3.4 Основы технологии подвески ОК-ВЛ методом тяжения ………………...37

3.5 Выбор технологии ВОЛС-ВЛ ……………………………………………...38

3.6 Полностью диэлектрический оптический самонесущий кабель (ОКСН).40

3.7 Типовая конструкция ОКСН ……………………………………………….42

3.8 Вопросы надежности ВОЛС-ВЛ …………………………………………...43

3.9Требования к подвесным волоконно-оптическим кабелям……………......46

3.10 Заключение  о ВОЛС на воздушных линиях электропередачи…………50

Заключение……………………………………………………………………...51

Список  литературы…………………………………………...………………..52 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

        На территории Российской федерации  бурным темпом создается Единая  Автоматизированная Сеть Связи  (ЕАСС) на основе быстрого развития  телекоммуникационных технологий. Наряду с появлением новых форм передачи информации, совершенствуются традиционные виды и методы информационного обмена.

       Решающим фактором при внедрении  новых систем связи сегодня  является скорость передачи информации  и обеспечение высокого качества передачи. Современные средства связи позволяет передавать различные виды информации: телеграфной,  телефонной, вещание , телевидения, передачи газет фототелеграфным методом, а также передачи данных ЭВМ  и  АСУ . Сети передачи данных в нашей стране развиваются на базе  Единой  Автоматизированной  Сети Связи (ЕАСС).

      Связь по линиям электропередач снова стала активно обсуждаемой темой, на различных научных уровнях и прессе. В последние несколько лет эта технология пережила много взлетов и падений. В специальных периодических изданиях опубликовано множество статей с противоречивыми взглядами (выводами). Одни специалисты называет передачу данных по электрическим сетям технологией, умирающей, другие предсказывают блестящее будущее в сетях среднего и низкого напряжения, например, в офисах и жилых домах.

      Калининградская область географически является  центром Европы, и располагается вблизи западной ее части, имеющие развитую инфраструктуру.  Для успешного развития экономики области необходимо дальше развивать инфраструктуру области, чтобы она соответствовала европейскому статусу. Совершенствования и модернизация телекоммуникационных систем является актуальной задачей области.

        Сетевые технологии стремительно  развиваются в последнее время.  Основная ставка делается на  увеличение скорости и пропускной  способности, одновременно нельзя  забывать и об экономичности.  Ведь прокладка десятков километров  оптоволокна - удовольствие чрезвычайно  дорогое. Следовательно, исследуются  способы создания средств информационного  обмена, которые будут достаточно  дешевыми и доступными повсеместно.  Этим критериям как нельзя  лучше отвечают сети электропередачи.  Преимущество их неоспоримо, ведь  они доходят практически до  каждого помещения в любой  стране мира, их инфраструктура  является едва ли не самой  развитой.

       Таким образом, моя курсовая работа и ставит основной задачей совершенствование и развитие телекоммуникационной системы Калининградской области. В задачу курсовой работы входит  анализ состояния существующих технологий  PLC, Power Link и ВОЛС на воздушных линиях электропередач. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Общие сведения о технологии PowerLink.

1.1 Общие сведения  о технологии PowerLink

        В мире эксплуатируются свыше 10.000 систем PowerLink. Разработанные по последним техническим стандартам такие системы, как PowerLink от Siemens обеспечивают самые высокие коммуникационные стандарты для защиты электросетей и могут быть беспрепятственно интегрированы в другие типы коммуникационных технологий, такие как оптоволоконные линии связи или спутниковые соединения.

       Технология, которая сегодня называется ВЧ связь по ЛЭП, на самом деле охватывает несколько различных и независящих друг от друга направлений и приложений. Это с одной стороны узкополосная передача точка-точка по ВЛ высокого напряжения (35-750 кВ), а с другой стороны широкополосная общесетевая передача данных, (BPL — Broadband Power Line), в сетях среднего и низкого напряжения (0,4-35 кВ).

       Фирма Siemens является пионером в обоих направлениях. Первые ВЧ системы на высоковольтных линиях, фирмы Siemens были реализованы еще в 1926 году в Ирландии.

       Привлекательность этой технологии для операторов сетей электроснабжения состоит в том, что для передачи информационных сигналов используется собственная инфраструктура электросети. Таким образом технология является не только очень экономичной — отсутствуют текущие расходы на содержание каналов связи, но и позволяет быть предприятиям энергоснабжения быть независимыми от провайдеров услуг связи, что особенно важно в аварийных случаях, и даже предписывается на законодательном уровне многих стран. ВЧ связь является универсальным технологическим решением как для предприятий занимающиеся передачей и распределением электроэнергии, так и компаний ориентированных на предоставлении услуг населению.

1.2 ВЧ связь в сетях высокого напряжения (35-750 кВ)

      Во время бурного развития информационных технологий (90-е гг.) предприятия электроснабжения в промышленно развитых странах делали значительные инвестиции в прокладку линий оптической связи (ВОЛС) по ВЛ высокого напряжения в надежде обеспечить себе прибыльную долю перегретого рынка телекоммуникаций. В это время добрую старую технологию ВЧ похоронили заново. Затем раздутый информационно-технический пузырь лопнул, и во многих регионах наступило протрезвление. И именно в энергетических сетях установка оптических линий была приостановлена по экономическим соображениям, а технология ВЧ связи по ВЛ приобрела новое значение. В результате применения цифровых технологий на высоковольтных сетях, сформировались новые требования к ВЧ системам.

       В настоящее время, передача данных, речи осуществляется по быстрым цифровым каналам, а сигналы и данные систем защиты передаются одновременно (параллельно) по ВЧ линиям, и цифровым каналам (ВОЛС), образуя надежное резервирование.

      На ответвлениях сети и длинных участках линий электропередач использование ВОЛС экономически не целесообразно. Здесь технология ВЧ предлагает экономичную альтернативу для передачи речи, данных и сигналов-команд РЗ и ПА (РЗ — релейные защиты, ПА — противоаварийная автоматика) (Рисунок 1).

       В связи c быстрым развитием систем автоматизации электроэнергетики и цифровых широкополосных сетей на магистральных линиях, изменились требования к современным системам ВЧ связи.

      Сегодня на отводах сети ВЧ связь рассматривается как система, которая надежно передает данные систем защиты и обеспечивают прозрачный удобный интерфейс для данных и речи от широкополосных цифровых сетей до конечного потребителя при значительно большей пропускной способностью, по сравнению с обычными аналоговыми системами. С современной точки зрения высокая пропускная способность может быть достигнута только путем увеличения полосы частот. То, что в прошлом было невозможно из-за недостатка свободных частот, сегодня реализуется благодаря повсеместному применению оптических линий. Поэтому ВЧ системы усиленно используются только на ответвлениях сети. Также существуют варианты, когда отдельные участки сетей объединены между собой ВОЛС, что позволяет использовать одинаковые рабочие частоты гораздо чаще, чем в случае объединенных систем ВЧ связи.

       В современных цифровых ВЧ системах плотность информации при использовании быстрых сигнальных процессоров и цифровых способов модуляции может быть увеличена по сравнению с аналоговыми системами с 0,3 до 8 бит/сек/Гц. Таким образом, для полосы частот 8 кГц в каждом направлении (прием и передача) может быть достигнута скорость 64 кбит/с.

     Фирма Siemens представила новую цифровую аппаратуру ВЧ связи «PowerLink», подтвердив лидирующее положение в данной области. Аппаратура PowerLink сертифицирована и для использования в России. Создавая PowerLink фирма Siemens создала мультисервисную платформу, пригодную как для аналогового, так и для цифрового применения (Рисунок 2). 

1.3 Особенности системы  PowerLink

       Оптимальное использование выделенной частоты: лучшая аппаратура ВЧ связи позволяют передавать данные со скоростью 64 кбит/с и менее, в то время как у PowerLink данный показатель составляет 76,8 кбит в секунду, занимая полосу 8 кГц.

      Больше речевых каналов: еще одной инновацией фирмы Siemens, реализованной в системе PowerLink, является возможность передачи 3-х аналоговых речевых каналов при полосе 8 кГц вместо 2-х каналов в обычной аппаратуре.

      Видеонаблюдение: PowerLink — первая система ВЧ связи позволяющая передавать сигнал видеонаблюдения.

     AXC (Automatic Crasstalk Canceller) Автоматическое подавление перекрестных помех: раньше сближенные полосы приема-передачи требовали сложную ВЧ настройку для минимизации влияния передатчика на свой приемник. Запатентованный AXC блок заменил сложную гибридную настройку и соответствующий модуль, а качество приема-передачи улучшилось.

     OSA (Optimized Sub channel Allocation) Оптимальное распределение подканалов: еще одно запатентованное решение компании Siemens гарантирует оптимальное распределение ресурсов при конфигурировании услуг (Речь, данные, защитная сигнализация) в выделенной частотной полосе. В результате итоговая передающая емкость увеличивается до 50%.

      Повышенная гибкость: для обеспечения надежности инвестиций и возможности будущего использования фирма Siemens реализовала функцию «ease-up!» для простого и надежного обновления.

       Многофункциональное оборудование: выполняя проект на базе комбинированной аппаратуры PowerLink вы можете забыть об ограничениях которые были в обычных терминалах при планировании частот. С PowerLink Вы сможете спроектировать систему ВЧ связи со всем набором услуг (передача речи, данных, сигналов РЗ и ПА) в доступной полосе. Один комплект PowerLink может заменить три (3) обычных аналоговые системы (Рисунок 3). 

1.4 Передача данных  систем защиты

        Технология ВЧ связи сейчас, как и раньше, играет важную роль в области передачи данных систем защиты. На магистральных и высоковольтных линиях с напряжением свыше 330 кВ, как правило, используются двойные системы защиты с разными способами измерения (например, дифференциальная защита и дистанционная защита). Для передачи данных систем защиты также используются различные способы передачи для обеспечения полной избыточности, включая коммуникационные каналы. Типичными каналами связи в этом случае является комбинация цифровых каналов по оптическим линиям для данных дифференциальной защиты и аналоговых ВЧ каналов для передачи сигналов-команд дистанционных защит. Для передачи сигналов защиты, технология ВЧ является самым надежным каналом. ВЧ связь является более надежным каналом передачи данных, чем другие, даже оптические линии не могут обеспечить такое качество по прошествии длительного времени. За пределами магистральных линий и на окончаниях сети, ВЧ связь часто становится единственным каналом для передачи данных систем защит.

        Проверенная система SWT 3000 фирмы Siemens (Рисунок 4) является инновационным решением для передачи команд РЗ ПА с требуемой максимальной надежностью и одновременно с минимальным временем передачи команд в аналоговых и цифровых коммуникационных сетях.

       Являясь очень экономичным решением SWT 3000 может интегрироваться в ВЧ систему PowerLink. В этой конфигурации обеспечивается возможность дублированной передачи — аналоговая по технологии ВЧ и цифровая, например, по SDH.

1.5 ВЧ связь в сетях среднего и низкого напряжения

(распределительные  сети)

       В отличие от ВЧ связи по ЛЭП высокого напряжения, в сетях среднего и низкого напряжения системы ВЧ разработаны для режимов работы точка — много точек. Также эти системы различаются по скорости передачи данных.

      Узкополосные системы (цифровые каналы связи DLC) давно используются в электросетях для определения места сбоев, дистанционной автоматики и передачи измерительных данных. Скорость передачи в зависимости от применения от 1,2 кбит/с до < 100 кбит/с. Передача сигналов в линиях среднего напряжения осуществляется емкостным способом по экрану кабеля среднего напряжения.

      На рынке коммуникационных систем фирма Siemens с 2000-го года успешно предлагает цифровую систему связи DCS3000. Постоянные изменения состояния электросети, вызванные частыми переключениями или подключением различных потребляющих устройств требуют реализации сложной технологической задачи — интегрированной производительной системы обработки сигналов, реализация, которой стала возможно только сегодня.

       DCS3000 использует качественную технологию передачи данных OFDM — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов. Надежная технология обеспечивает автоматическую адаптацию к изменениям в сети передачи. При этом передаваемая информация в определенном диапазоне оптимально модулируется на нескольких отдельных несущих и передается в стандартизированном для электросетей диапазоне CENELEC (от 9 до 148 кГц). При соблюдении разрешенного диапазона частот и мощности передачи необходимо преодолеть изменения в конфигурации электросети, а также типичные для электросети помехи, например, широкополосный шум, импульсные помехи и узкополосные помехи. Дополнительно обеспечивается надежная поддержка функции передачи данных с использованием стандартных протоколов путем повторения пакетов данных в случае неисправности. Система DCS3000 была разработана для низкоскоростной передачи данных относящихся к службам электроснабжения в диапазоне от 4 кГц до 24 кГц.

        Сети среднего напряжения обычно эксплуатируются с открытой схемой, обеспечивающий двусторонний доступ к каждой трансформаторной станции.

       Широкополосные системы (Broadband Power Line BPL) После многолетних экспериментальных инсталляций в разных странах мира и многочисленных коммерческих проектов второе поколение технологии BPL развилось настолько, что стало привлекательной альтернативой для других широкополосных сетях доступа.

       В сетях низкого напряжения BPL дает провайдеру возможность реализовывать на «последней миле» широкополосный доступ к услугам «трипл-плей»: скоростной доступ в интернет; IP-телефония; видео.

      Пользователи могут пользоваться этими предлагаемыми услугами, подключившись к любой электророзетке. Также возможна организация в доме локальной сети для соединения компьютеров и периферийных устройств без прокладки дополнительных кабелей.

      Для коммунальных предприятий BPL сегодня не рассматривается. Для единственной используемой сегодня службы — дистанционного считывания показаний счетчиков — используются экономичные решения, например, GSM или медленные системы DLC. Однако в сочетании с широкополосными службами BPL становится привлекательной и для считывания показаний счетчиков. Таким образом «трипл-плей» превращается в «квадро-плей» (Рисунок 8).

       В сети среднего напряжения BPL используется для широкополосных услуг как транспортный канал до ближайшей точки доступа провайдера. Для коммунальных служб — в настоящее время дистанционного считывания показаний счетчиков приборов АСКУЭ — достаточно узкополосных систем, работающих в отведенном CENELEC для коммунальных служб диапазоне от 9 до 148 кГц. Разумеется, системы BPL среднего напряжения со смешанными службами («совместный канал») могут использоваться и для провайдера и для коммунальных служб.

      В телекоммуникационных сетях общего пользования сегодня более 90% трафика данных проходит через SDH/SONET. Такие каналы с фиксированной коммутацией сегодня становяться неэкономичными, так как они находятся в рабочем состоянии, даже когда не используются. Кроме того, рост рынка заметно переместился от речевых приложений (TDM) к передаче данных (пакетная ориентация). Переход от раздельных сетей мобильной и проводной связи, LAN и WAN к единой интегрированной IP-сети осуществляется в несколько этапов с учетом существующей сети. На первом этапе пакетно-ориентированный трафик данных передается в виртуальных пакетах существующей сети SDH. Это называется PoS («Пакетная передача через SDH») или EoS («Ethernet через SDH») с пониженной модульностью и, следовательно, более низкой эффективностью использования выделенной полосы. Следующий переход от TDM к IP предлагают сегодняшние системы NG SDH (SDH следующего поколения) с мультисервисной платформой, которая уже оптимизирована для пакетно-ориентированных приложений GFP (общая процедура синхронизации), LCAS (схема регулировки пропускной способности линии), RPR (гибкие пакетные кольца) и других приложений в среде SDH.

       Эта эволюция в коммуникационных технологиях повлияла и на структуру управления энергосетями. Традиционно связь между управляющими центрами и подстанциями для систем диспетчерского управления и сбора данных базировалась на последовательных протоколах и выделенных каналах, обеспечивающих малое время прохождения сигнала и находящихся в состоянии постоянной готовности. Разумеется, выделенные каналы не обеспечивают гибкости, необходимой для эксплуатации современной электросети. Поэтому тенденция перехода на использование протокола TCP/IP (протокол управления передачей/межсетевой протокол) пришлась кстати. Основными стимулами перехода с последовательного протокола на протокол IP в системах диспетчерского управления и сбора данных являются:

• распространение оптических систем обеспечивает увеличение пропускной полосы и устойчивость к электрическим помехам;
• протокол TCP/IP и соответствующие технологии фактически стали стандартом для сетей передачи данных;
• возникновение стандартизированных технологий, обеспечивающих требуемое качество функционирования сетей с протоколом TCP/IP (QoS качество обслуживания).

      Эти технологии способные развеять технические опасения в надежности и возможности обеспечения быстрого времени реакции для приложений диспетчерского управления и сбора данных.

1.6 Заключение о технологии  PowerLink

 Системы ВЧ связи по ЛЭП могут стать решением данных задач. Развитие поддержки протокола IP, в особенности для ВЧ по ЛЭП высокого напряжения, обеспечивает значительное повышение пропускной способности.

Для передачи информационных сигналов используется собственная инфраструктура электросети. Таким образом технология является не только очень экономичной — отсутствуют текущие расходы на содержание каналов связи, но и позволяет быть предприятиям энергоснабжения быть независимыми от провайдеров услуг связи, что особенно важно в аварийных случаях, и даже предписывается на законодательном уровне многих стран. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Общие сведения о  технологии PLC

2.1 Технология PLC

       Технология PLC (Powerline communications) - сеть по электрическому проводу.

       Сетевые технологии стремительно развиваются в последнее время. Основная ставка делается на увеличение скорости и пропускной способности, одновременно нельзя забывать и об экономичности. Ведь прокладка десятков километров оптоволокна - удовольствие чрезвычайно дорогое. Следовательно, исследуются способы создания средств информационного обмена, которые будут достаточно дешевыми и доступными повсеместно. Этим критериям как нельзя лучше отвечают сети электропередачи. Преимущество их неоспоримо, ведь они доходят практически до каждого помещения в любой стране мира, их инфраструктура является едва ли не самой развитой. В последнее время ведутся разработки этой новой технологии PLC (Powerline Communications) или PLT (Powerline Telecommunications).

       Существующие технологии передачи данных по электросетям классифицируются по типу используемых линий электропередачи и области применения. Причем приоритетным направлением является использование PLC-технологии для создания телефонной связи и высокоскоростного доступа в Интернет на ограниченных территориях (в отдельных поселках и зданиях, на предприятиях). Линии электропередач обладают следующими отличительными особенностями: высокий уровень шумов и быстрое затухание высокочастотного сигнала; нестабильность линии связи.

       Коммуникационные параметры линий (затухание сигнала, частотные и фазовые искажения и другие) меняются во времени в зависимости от уровня текущего энергопотребления (что особенно важно в нашей стране, характерной постоянными перебоями в энергоснабжении), в то время как для традиционных физических сред передачи информации эти параметры более-менее постоянны.

      Поэтому требуется применение различных методов компенсации: использование помехоустойчивых методов обработки сигналов и кодирования, высоконадежных методов доступа к среде передачи данных и т.д. Все это накладывает существенные ограничения на использование этой технологии. Так, предлагаемое оборудование демонстрирует (без дополнительной регенерации сигнала) в среднем дальность от 300 до 500 метров (иногда до 1000 м). Существует ограничение и на тип электросети. Для скоростного доступа на данный момент используют сети с напряжением ~0.4 кВ (стандартное трехфазовое напряжение). Передача данных по высоковольтным линиям электропередачи на большие расстояния пока еще затруднена из-за значительного затухания сигнала. 
 
      Для обеспечения высокой помехоустойчивости и высокого уровня защиты информации используются алгоритмы широкополосной SS-модуляции (Spread Spectrum), при которой мощность сигнала распределяется в широкой полосе частот и сигнал становиться незаметным на фоне помех. Выделение информации из шумоподобного сигнала производится цифровыми методами оптимального и квазиоптимального приема с использованием уникальной для каждого сигнала псевдослучайной кодовой последовательности. С помощью различных кодов можно осуществлять передачу сразу нескольких сообщений в одной широкой полосе частот. 
 
       Наиболее широкое распространение в PLC-технологиях получила OFDM-модуляция (Orthogonal Frequency Division Modulation), которая формирует результирующий сигнал путем мультиплексирования нескольких широкополосных сигналов с ортогональным частотным уплотнением и обеспечивает одновременную передачу данных на разных несущих частотах сигналов с фазовой модуляцией (QPSK). Обработка OFDM обычно происходит с использованием быстрого преобразования Фурье и инверсионного преобразования. В качестве методов доступа к среде передачи данных на MAC-уровне используются стандартизированные методы коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением/устранением коллизий (CSMA-CD и CSMA-CA).

        Внешнее оборудование доступа размещается на локальной трансформаторной подстанции, подключается к телефонной сети и/или IP-магистрали через существующие телекоммуникации и к электрической сети. Это устройство представляет собой шлюз между сетями общего пользования и PLC-сетью и управляет полосой пропускания между внутренними контроллерами, установленными в помещениях здания. 
 
       Подключение внешнего оборудования доступа PLC-сети к сетям IP и ТфОП (телефонный оператор) будет варьировать, в зависимости от расстояний и условий расположения трансформаторной подстанции, от медных до оптических линий связи. Внутренние PLC-контроллеры организуют абонентскую сеть внутри помещений и объединяют устройства- адаптеры, которые включаются в розетки сети электропитания. Адаптеры имеют набор стандартных различных интерфейсов типа USB, RS-232, RJ-45, Ethernet и другие, для подключения различных терминалов (компьютеров, факсов, телефонов).