信号自动切换(共7篇)
信号自动切换 篇1
1 引言
激励器是发射机射频通路的核心部件, 一旦激励器出现故障, 将直接导致发射机停播。大多数中短波发射机无备份激励器, 以我台DF-100A型100k W短波发射机为例, 播出中倒换备用激励器大约需要10分钟, 严重影响安全播出。目前市面上比较成熟的切换器多以视频信号切换为主, 广播射频信号切换器几乎没有。本文介绍了一款中短波激励信号自动切换器的设计方案, 以解决发射机激励信号快速切换的问题。
2 设计要求
发射机现使用的激励器是泰顺ST2006A型数字激励器, 该激励器带载输出信号峰值为2.5V左右, 在设计中短波激励信号自动切换器时, 应具备如下功能。
(1) 监测主/备激励信号, 显示工作状态。激励信号正常时显示绿灯, 异常时显示红灯;监测信号幅度范围1.5V~5V, 信号频率500k Hz~25MHz。
(2) 显示选中在用的激励器。
(3) 主用激励信号异常能自动切换到备用激励器通路。切换时延不大于0.5s;切换后蜂鸣器报警, 允许手动关闭蜂鸣器警铃;切换过程中发射机不断高压。
(4) 可手动强制切换到备用激励器通路。
(5) 切换器电路损坏时, 不影响发射机工作。另设旁路开关, 在发生切换器和主用激励器同时损坏的情况下, 切换到备用激励器工作并对主用激励信号进行旁路。
(6) 维修方便。主激励器损坏后可拆下维修, 恢复后, 可立即投入使用。
3 中短波信号的监测
根据设计要求, 为提高对中短波激励信号监测的准确性和系统的稳定性, 使用74HC123双路可再触发单稳态触发器作为激励信号的检测元件。74HC123的单路引脚图如图1所示。
触发器74HC123的输出脉冲宽度最小为45ns, 由REXT端 (7, 15) 和CEXT端 (6, 14) 外接电阻R和电容C决定。如果输入信号的周期小于触发器阻容给定的单稳时间, 输出状态电平将保持固定不变。根据可再触发单稳态触发器的这一特性, 外围R、C取值5k和0.001μF, 参考图2所示的74HC123输出脉冲时延表, 可得出触发脉冲宽度约为4μs, 因中短波激励信号的周期小于2μs, 可实现在中短波激励信号的监测中, 维护输出状态电平保持固定电平不变。
图3为激励信号的取样、监测线路。由于激励信号幅度小于2.5V, 使用R2、R3分压生成2.5V电压与激励信号相叠加, 提高触发器工作稳定性。74HC123的复位端3脚接高电平, 下降沿触发输入端1脚接低电平, 上升沿触发输入端2脚接输入信号。
根据图4所示的真值表, Q端输出正定时单脉冲。在激励器正常工作时, 由于激励信号周期小于脉冲时延, Q端始终保持高电平;如果激励器发生故障, 触发器输入端无上升沿信号触发, 根据外围电路R、C的数值, 参考图2的74HC123输出脉冲时延表, 可得出, Q端在输出4μs脉冲时延后, Q端输出低电平。
4 自动切换与告警电路
考虑到切换器的安全性, 激励信号使用继电器进行切换, 主用激励器接在继电器的常闭接点, 备用激励器接在继电器的常开接点, 即使切换器本身发生电源或元器件损坏等故障, 不影响主用激励器通路的正常工作。另外, 切换器增加了一个旁路开关, 一旦切换器和主用激励器同时损坏的情况下, 通过旁路开关, 将备用激励信号投入使用并告警。自动切换与告警电路如图5所示。
74HC123输出的状态电平经反相器74HC04缓冲后, 在LM393比较器电路中与2.5V的电压进行比较。激励信号正常时, 74HC123输出高电平, 经反相器后为低电平, 比较器LM393的反相端电压大于同相端, 输出低电平, 三极管9013截止, 继电器J不吸合;反之, 主激励信号中断后, 从图3的激励信号取样、监测电路的分析可知, 延时4μs后, 74HC123输出低电平, 经反相器后为高电平, LM393的同相端电压大于反相端, 输出高电平, 三极管9013导通, 继电器J吸合, 输出的激励信号切换到备用激励器通路, 同时警铃接在继电器J的常开接点, 在继电器吸合后告警。手动切换小豆开关K1B断开, 解除警铃告警, K1A接通, 使继电器J始终处于吸合状态, 便于拆下主用激励器进行维修。主用激励器修复后, 信号接入切换器电路中, 再次切换小豆开关, K1A断开, 输出的激励信号切换到主用激励器通路。
中短波发射机激励信号切换器安装于DF-100A型100k W短波发射机, 效果图如图6所示。备份激励器安装于发射机机箱顶部, 经长时间使用, 功能正常, 运行稳定, 切换操作灵敏。
5 小结
DF-100A型100k W短波发射机具有无激励信号保护功能, 当检测到无激励信号时进行功率封锁, 在激励信号切换过程中, 发射机工作平稳。试用中, 当发射机在50k W输出功率100%调幅时, 切换激励信号不产生过荷现象;当发射机在100k W输出功率100%调幅时, 多次切换, 调制器过荷1次 (允许3次过荷) 发射机不断高压, 实现无缝切换;如果切换器用于更大功率发射机, 可在激励信号监测电路后增加RC延时电路。该切换器2013年11月安装到发射机上使用以来, 为安全播出提供了更好的技术保障。
摘要:在DF-100A型100kW短波发射机上安装一台备份激励器, 并设计制作一款激励信号自动切换器, 实现主、备用激励信号自动监测与快速切换功能, 为安全播出提供更好的技术保障。
关键词:激励信号,自动切换器,设计
电视转播信号切换网络问题研究 篇2
1 转播信号切换的基础
转播信号切换的基础是转播车的正常运行。要保证转播车的正常运行, 就必须实现电视节目运行系统的同步, 即需要有同步系统。那么何为“同步系统”呢?同步系统对转播车的作用就像神经系统对人的作用一样。由此可知, 同步系统对转播车的正常运行至关重要, 负责整个转播车设备的同步运行。在转播车上, 使用黑场发出的标准黑场信号, 把信号输出后发给转播车中的设备, 实现信号的同步, 进而实现全转播车的同步。转播车的核心是切换台与CCU。其中, 切换台主要负责切换各路视频信号和叠加字幕等工作;CCU就是我们常说的中央控制单元, 它在转播车中发挥着重要的作用——在录制节目时, 没有CCU是根本无法工作的, 因为每一台摄像机都需要对应一台CCU, CCU为摄像机提供电源, 而摄像机拍摄的信号由同轴电缆同步传给CCU, 再通过CCU传给切换台与监视器, 最终为导播提供高质量的视频服务。
传统的转播车系统使用的同轴电缆可以把每一台摄像机的信号都传给转播车, 具有安全、可靠和不受干扰的特点, 有效保证了转播信号的质量, 技术较为成熟。但是, 受当时技术水平的限制, 这种同轴电缆的使用同样会给转播信号的传输带来很大的问题, 例如机动灵活性比较差等。这个缺点会导致工作人员在录制节目时, 每次都需要铺设同轴电缆, 加大了工作人员的工作量, 而且由于摄像用的同轴电缆铺设完成之后, 摄像机的机位会被固定, 因此很难对运动目标进行长距离的跟随拍摄。为了解决传统转播车在信号切换过程中存在的问题, 需要提高转播技术水平, 增加无线讯道, 实现有线系统与无线系统的紧密结合, 发挥它们各自的优势, 提高转播信号系统的灵活性和节目录制的质量。数字电视转播车设置的基本要求如表1所示。
无线系统与有线系统不同。一方面, 无线系统需要选择合适的发射频率和接收频率, 但由于地域差异的原因, 在选择无线系统时, 必须根据当地的实际情况进行实地测试, 从而选择合适的频率;另一方面, 转播车还应把最后的传输信号传给电视台的机房, 这也需要频率来运行。这个频率同样要严格按照要求进行选择, 从而保证转播信号切换的质量。
在利用无线摄像机录制节目, 需要对目标进行跟踪拍摄时, 目标与转播车的相对位置是无法固定的, 距离会时远时近, 方向也无法固定。在这种情况下, 无线摄像机的发射天线与转播车上的接收天线都只能选择全向的天线, 从而保证无线摄像机可以把所有方向的信号都传到转播车。当转播车的信号需要传回电视台的机房时, 如果转播车固定不工作, 就可以利用定向的天线传输转播信号;而如果转播车处于运动工作状态, 就只能选择使用全向天线来传输转播信号。这种全向与定向相结合的方式有效保证了转播信号的传输质量。
为保证转播信号的质量, 还应该在转播车上安装延时器、光机等技术设备。当前, 最可靠的远程传输方式当属光缆, 因此, 在切换转播信号时, 要充分利用现代光缆技术, 从而提高转播信号的质量。
2 电视转播信号切换存在的问题
随着三网融合技术的进一步发展, 计算机网络已经成为网络电视节目转播的重要途径。但转播信号的传输会受到数据存储、接收等因素的影响, 导致转播信号无法实现自由切换或者切换质量存在很大的问题, 严重影响了人们的观看体验。
3 广播电视节目信号接收的基本原理
为了实现转播信号的安全传输, 电视台必须结合已有的直播信号接收传输设备, 利用卫星信号转发和调频信号转发两种接收传输技术, 从而使两路信号互为备份。在接收的音频信号送达总控之前, 需要用两路音箱进行监听, 最后选择质量最好的一路信号送达至总控。为了避免信号控制开关在关键时刻发生意外, 必须用卫星接收机与FM调频接收机将一路备用信号直接传输至总控, 形成一份紧急备份预案。广播电视节目信号接收的基本原理如图1所示。
4 解决电视转播中信号切换问题的方法
覆盖传输部在转播信号切换中的作用非常大。为了保证覆盖传输部的正常运行, 必须保证技术实施、设备更新和声音监听等多方面的工作进展顺利, 从而保证转播信号的自由切换, 避免转播信号在切换过程中因技术原因出现信号质量差的问题, 从而保证人们所观看节目的质量。
技术是保证转播信号自由切换, 提高转播信号质量的关键所在。因此, 在选择转播信号所需技术时, 必须综合考虑价格、安全性和性能等多方面的因素, 保证满足转播信号切换的技术要求。
5 结束语
综上所述, 电视转播信号的切换对保证转播节目的质量至关重要。信号的有效传输是转播节目正常播出的前提和基础。为了提高转播信号的质量, 必须充分利用现代三网联合技术和光缆技术。
参考文献
[1]贾雷.浅谈电视转播车的系统结构[J].科技资讯, 2011 (11) :38.
信号自动切换 篇3
目前电视机普遍有TV、AV、YUV、VGA、HDMI这几个信号源,接入各种信号源的端子之后,通过遥控器或者键控上面的信号源键手工对这几个信号源进行来回切换,有点繁琐,而且万一键控失灵,遥控器丢失的时候就没法进行切换操作了,有没有方法能在接入端子后就自动切换到这个端子所在的信号源呢?答案是肯定的,而且这种方法占用系统资源很少,下面就介绍如何只占用极少的系统资源来检测端子接入从而实现智能切换信号源。
2. 实现方法
目前多数电视系统方案中使用的IO(输入输出)口资源比较紧张,而低速模数转换口(Low Speed Analog Digital Converter以下简称LSADC)一般有4~6个,键控和感光需要用到3个,还有富余;本方案只需要用到一个LSADC口,思路是在各个信号源端子上取一个pin脚,端子接入的时候pin脚上有电平变化,然后搭建一个电路连接到LSADC口上,使接入端子后能在LSADC口上产生不同的电压,电视机主板通过采样到LSADC口上不同的电压值来判断不同的端子接入,从而达到自动切换信号源的目的。
AV输入为RCA 3合一的端子,如图1所示,分别输入视频和左右声道,取第7脚作为检测端子接入的触发信号脚,网络名为AV-plug-in,之前这个脚的网络是大地,这样平时没有端子接入的时候7脚悬空,当有端子接入之后,7脚就变成0电平,接入大地。
YUV输入也是RCA 3合一端子,如图2所示,分别输入Y,U,V三种信号,取第7脚作为检测端子接入的触发信号脚,网络名为YUV-plug-in,之前这个脚的网络是大地,这样平时没有端子接入的时候7脚悬空,当有端子接入之后,7脚就变成0电平,接入大地。
VGA输入为D-SUB 15pin输入端子,如图3所示,分别输入R,G,B,以及行场同步信号,取第5脚作为检测端子接入的触发信号脚,网络名为VGA-plug-in,之前这个脚的网络是大地,这样平时没有端子接入的时候5脚悬空,当有端子接入之后,5脚就变成0电平,接入大地。
HDMI输入端子信号如图4所示,输入HDMI的四组差分信号以及DDC等信号,取第11脚作为检测端子接入的触发信号脚,网络名为HDMI-plug-in,之前这个脚的网络是大地,这样平时没有端子接入的时候11脚悬空,当有端子接入之后,11脚就变成0电平,接入大地。
各个信号源的端子接入触发信号选定之后,再搭建如图5所示电路,其中3.3V为电视机主板LSADC模块的供电压;R1,R2,R3,R4,R5为5个分压电阻;LSADC为接入主IC的采样电压信号;AV-plug-in为AV端子接入触发信号;YUV-plug-in为YUV端子接入触发信号;VGA-plug-in为VGA端子接入触发信号;HDMI-plug-in为HDMI端子接入触发信号。
当各个信号源端子接入,那么相应的端子接入触发信号就变成0电平,假设LSADC口的电压为Vadc,那么
当AV接入时:
当YUV接入时:
当VGA接入时:
当HDMI接入时:
修改R1,R2,R3,R4,R5这5个分压电阻的值就可以调节各个端子接入后Vadc的电压。
每个电视机主板LSADC口都有一定的采样精度,以8bit,3.3V LSADC模块供电电压为例为例,理论上这种LSADC口就可以分辨出0x FF种电压值,把3.3V分成256等份,3.3V对应0x FF,那么0~3.3V之间的某个电压值就能对应到0x00~0x FF之间的某个16进制数,预先在主板软件里面设定好各个端子接入时对应的16进制数,前后留有一定的误差,当接入某个信号源端子后,LSADC口就有一个在0~3.3V之间的电压值Vadc,电视机主板采样到这个电压值后就能对应到0x00~0x FF之间的一个值,通过在主板软件里面设定好的16进制数从而判断有什么端子接入,然后软件作相应的切换信号源动作,从而达到自动检测端子接入切换信号源的目的。
如图5所示,当两个端子同时接入时,只响应靠近LSADC口的触发信号,比如AV,YUV同时接入,那么只自动切换到AV,所以我们可以给几个信号源根据实际情况做个优先级的安排,优先级高的触发信号就靠近LSADC口,从而同时接入的时候响应优先级高的信号源。
3. 结束语
上面的实施方法利用的系统资源很少,只需要一个LSADC口,增加的元器件也少,端子是已经存在的,只需在上面选取几个触发信号脚,再增加几个分压电阻,然后通过软件对各个电压所对应的信号源预先设定,就能达到自动检测端子接入从而智能化切换信号源的目的。
摘要:随着科技智能化的发展,消费类电子也不断走向智能化。本文介绍如何只占用极少的系统资源来检测端子接入,从而实现智能切换信号源。
关键词:检测,端子接入,切换,智能,信号源
参考文献
[1]康华光.电子技术基础:模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2000.
[2]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2000.
信号自动切换 篇4
目前, 我国大部分中央和各省上星的广播电视节目通过中星6A (东经125°) 和中星6B (东经115.5°) 两颗专用卫星传输, 共有31个C频段转发器传输中央和地方的165套电视节目和155路广播节目, 为方便地方接收, 中央广播电视节目通过两颗专用卫星并行传输。
由于广播卫星在赤道上空工作, 卫星电视广播信号是在开放的路由中传输播送, 很容易受到自然因素或者其他通信信号甚至人为蓄意干扰和破坏, 因此保障卫星信号的安全接收至关重要[1]。然而依靠人工的传统监测方式已经十分落后, 无法满足实际的需求, 必须通过安全、可靠且高效的技术手段实现对卫星信号的实时监测和应急切换, 以此来保障节目的安全播出。
1 检测非法信号的原理
当卫星信号受到非法干扰插播时, 卫星信号的载波电平、误码率以及信号的锁定情况都会出现一定的变化, 这就可以对非法卫星信号的插播进行提前报警。本套系统的工作原理就是通过卫星信号载波的电平、误码率以及信号锁定情况的变化, 并辅助载噪比、符码率偏移、载波频率偏移、TS码流解析对比, 对卫星信号的接收状况进行判别, 对干扰信号的插播进行及时报警。系统在对各项参数的变化范围及跳变规律进行编辑后写入报警规则库, 由中心控制系统针对相应的情况进行报警和处理。这样就能够避免非法干扰信号对正常播出工作的影响。
系统码流层面的检测对非法入侵判别起辅助作用, 在某种情况下对系统降低误报率有效。正如上面非法信号干扰原理中所说的, 非法信号的干扰首先体现在载波电平、误码率等信道参数的变化上, 如果系统发现码流有变化, 说明非法信号已经插入, 此时已错过最佳的报警时间, 故系统监测的重点还是需要放在对卫星信号的检测上, 这样才能够在最早时间发现非法信号的插入并做出及时的报警和处理。同时利用码流层面的辅助分析判断, 最终决定关切动作, 从而保证极低的误动作。
此外, 以PCR作为辅助判据可更有效地辨别非法信号攻击。下列情况可以认为是非法攻击:
1) PCR出现跳变, 并且有信道失锁和噪声指示越界;
2) PCR出现中断, 并且有信道失锁和噪声指示越界;
3) PCR出现PID增加, 并且有信道失锁和噪声指示越界。
2 业务流程
整个系统由卫星信号防非安全监测系统和应急切换垫播系统组成。
卫星信号防非安全监测系统对所有卫星信号进行实时监测。主要从信道指标、码流参数和节目内容这3个方面进行实时监测。
系统通过智能型三选一传输流切换器完成信源信号的智能安全切换和垫播。切换器有主、备和辅3路输入, 可完成这3路信号的三选一切换输出。主路信号为卫星接收机输出的ASI信号, 备路信号为通过光纤或微波适配接收的ASI信号, 辅路垫播信号是通过垫播服务器输出的垫播节目信号。
当监测系统发现卫星信号受到非法攻击或故障时, 第一时间发送报警信息给应急切换系统。同时触发码流录制和节目录像, 完整记录非法攻击或故障节目画面。切换器接收到监测系统发送的报警信息后, 可以迅速自动切换到备路信号, 如果备路信号也出现故障, 可以直接切换到垫播信号, 从源头上切断非法信号, 保障安全播出。
3 系统架构和主要功能
系统结构如图1所示。
3.1 卫星信号防非安全监测系统
卫星信号防非安全监测系统主要由DVB-S/S2卫星数字电视监测卡、多画面显示监测报警系统和码流分析系统组成[2]。以此对卫星信号进行信道、码流指标参数和节目内容的实时监测、报警和录像等功能。
每块DVB-S/S2卫星数字电视监测卡可完成多至8路卫星信号的接收, 同时对卫星信号的信道指标和码流参数进行监测和分析, 并完成对码流的IP封装输出, 并支持对DVB-S2信号接收及盲扫功能。
卫星数字电视监测卡可监测的信道指标包括信号的载波电平、信号的锁定状态、载噪比 (C/N) 、Eb/N0、BER (维特比纠错前) 、符码率偏移、频点偏移;同时对码流的TR101 290三级码流错误进行实时监测和报警;对码流表格、EPG信息和数据广播进行解析;完成码流带宽 (包括总带宽和有效带宽) 、PID带宽和空包率等的统计。卫星数字电视监测卡最终将监测数据和TS流打包成IP流输出, 输出支持单播及组播两种方式。
信号测量指标:
1) 载波电平精度:±2 dB;
2) 载噪比精度:±2 d B;
3) Eb/N0精度:±2 dB;
4) BER (维特比纠错前) 测量范围:10-10~10-3。
DVB-S/S2卫星数字电视监测卡的数量取决于机房实际需要监测的卫星信号的数量。监测板卡安装在专用的2U机箱内。每台机箱可安装4块监测板卡, 即可以完成多至32个频点卫星信号的监测。机箱通过冗余备份电源独立供电, 电源模块支持均衡负载, 支持热插拔, 可以自动实现1+1或2+1的冗余热备份, 支持过压、过温、过流和短路保护功能, 并且提供了电源和风扇工作状态指示。这种独立供电的设计可以有效地防止设备散热和电源散热之间的热传导, 进一步提高系统的稳定性。DVB-S/S2卫星数字电视监测卡面板图和功能框图如图2、图3所示。
DVB-S/S2卫星数字电视监测卡输出的监测数据、报警信息和TS over IP码流通过IP网络发送给多画面显示监测报警系统和码流分析系统[3]。
多画面显示监测报警系统通过IP网络接收监测板卡输出的卫星信号码流, 解码视音频内容, 对卫星信号的节目内容进行多画面分割实时展示。当信号遭到非法攻击, 应急切换器进行切换后, 仍可在该屏幕上显示非法信号的画面。当码流恢复正常, 不一定画面是正常的, 有可能这个时候还是非法画面, 通过多画面显示监测报警系统的显示, 可以确认画面恢复为正常后再切换回正常信号, 这样安全性更高。
多画面显示监测报警系统完全基于IP构建, 便于进行统一的调度、配置和部署, 同时便于以后的扩展。支持UDP, HTTP, RTMP, RTP等传输协议, 支持TS, FLV等封装格式。支持多路高标清MPEG-2, H.264, MPEG-4和AVS视频格式信号的并行解码处理。支持5.1声道伴音的解码、监听、彩色音量柱显示。对于立体声节目, 支持左右声道分别监听。支持黑场、静帧、视频丢失、视频解码异常、彩场、彩条、台标丢失等视频故障监测, 音频丢失、音量过高、音量过低等音频故障监测。对于视频故障, 可以精确到帧监测, 并可指定监测区域。支持色彩格式显示及异常报警。支持马赛克监测。对于音频故障, 能准确识别正常伴音丢失后的杂音, 区分双声道与立体声监测。系统可以对指定节目进行时段或触发录像。录像格式为H.264、MPEG-4、原始MPEG-2可选, 录像的分辨率和码率支持自定义;同时, 为了提高存储的稳定性, 还采用了磁盘预分配和延时写入等技术。
多画面显示监测报警系统可以在不调整线路情况下, 任意调整屏幕上显示节目的大小和位置。支持显示模板自定义功能, 能够提供多种信息提示, 自定义设置通道显示, 以OSD方式显示节目信息。同时支持字符、标题栏、语音、日志等报警。采用VGA, DVI, HDMI等接口输出, 显示分辨率支持1 920×1 080以上。
信道码流分析系统汇总所有卫星信号的传输指标、码流监测数据和故障报警信息, 通过清晰语音等多种方式完成集中故障报警, 统一配置管理所有监测设备的监测参数和监测门限等。
3.2 应急切换垫播系统
应急切换垫播主要由智能型三选一传输流切换卡、垫播服务器、手动控制面板和切换控制服务器组成。
智能型三选一传输流切换卡针对播出机房可能遇到的非法攻击、卫星转发故障、卫星接收机故障、复用器故障等, 提供专门的解决方案。可针对主播出信号出现的信号中断、节目丢失、无法解扰等多种异常情况, 实现对传输流的自动切换、手动切换、PID替换等功能, 还可实现单节目TS流的应急垫播功能。该板卡和直观、方便的切换控制服务器软件相配合, 可实现远程控制切换和切换动作、监测状态信息的及时反馈;同时可配置切换控制面板进行手动应急切换控制。
智能型三选一传输流切换卡能够实现传输流之间毫秒级的无缝切换, 其面板图和功能框图如图4、图5所示。实现主传输流中出现异常的节目被替换, 其他节目保持不变。能够在毫秒级时间内实现上百套主传输节目全部更改成同一节目。实时监测主、备、辅3路传输流中的码流故障, 出现码流故障可根据设置条件进行码流切换或节目替换动作。在主路故障恢复后, 可自动或手动恢复到主路信号播出。实现语音、网管软件界面提示、LED灯、蜂鸣多种方式实时报警, 及时报告码流故障及切换动作。通过日志记录所有切换动作和故障发生情况, 支持事后查询及汇总。在自动切换模式下可接收多种形式的外部控制, 提高应急效率。正常播出情况下, 不对主播出信号做任何处理, 直接线路输出。板卡支持前装载、热插拔, 支持在线更换板卡, 更换后一切配置不需重新设置即能正常工作。支持主路播出信号断电直通。
垫播服务器输出1路垫播码流, 通过ASI分配至切换器, 切换器自动适配接收垫播信号的视音频PID, 多路切换器通道仅需要1路垫播码流。码流中可以包含多套垫播节目, 可以是图片和视音频节目等, 可以对主路码流中的任何一套节目完成PID节目替换播出。
手动控制面板是专用于控制切换器的应急切换面板, 一个控制面板可以同时控制1~8通道切换卡的切换。同时, 在前面板上与按键一体的指示灯可以指示当前状态:8通道切换卡主备辅3路信号的故障状态和当前信号的播出状态。为保证可靠切换, 控制面板与切换卡的控制口采用无源连接方式, 即控制面板直接通过按键开关控制切换卡的切换, 不依赖于与切换卡的通信协议。
切换控制服务器结合智能切换器使用, 完成切换控制、参数设置和设备管理等功能。可以自动探测到所有切换板卡, 包括每个板卡的IP地址、组播地址和组播端口。可以对看门狗、切换模式、日志等级、输出带宽、组播地址、输出模式进行设置, 支持批量通道参数设置, 每个板卡通道对应主、备、辅3路, 通道名称可自行定义。可以设置是否监测信号丢失、PID解扰失败、同步丢失和PID丢失以及详细监测参数, 同时可以选择是否执行相应的切换操作。支持各路码流信号具有相同或独立的PCR。可以自动获取主、备、辅路的PAT/PMT表格信息、以及对应节目的节目名称, 可以方便设置节目替换组, 可对所有通道进行节目替换, 也可对单个通道进行单个节目替换和所有节目替换。可以设定自动或手动切换回主路信号。可以实现一键切换的功能, 一键可切换到主、备、辅路。可以实现界面锁定的功能, 只要锁定界面后, 不能对软件进行任何操作, 防止误操作。根据权限进行用户管理。支持对故障进行语音报警。切换模式和输出状态在软件界面中实时显示。
4 结束语
保障安全播出和提高信号传输质量是信号传输部门最重要的职责所在。卫星信号防非安全监测和应急切换系统为保证信源卫星信号的安全传输、提高传输质量提供了强有力的技术手段。该系统已广泛在全国各地的有线数字电视信号传输机房投入使用, 为广播电视信号的安全接收和传输保驾护航。
摘要:介绍了卫星信号防非安全监测和应急切换系统的设计与实现, 可以帮助有线数字电视信号传输部门对信源卫星信号进行防非安全监测, 当卫星信号受到非法攻击或故障时能够通过应急切换系统进行安全切换, 保障安全播出。该系统已在全国各地的有线数字电视信号传输机房投入使用, 为广播电视信号的安全接收和传输保驾护航。
关键词:卫星信号防非安全监测,应急切换和垫播,安全播出
参考文献
[1]全国卫星广播电视转星调整总体实施方案[EB/OL].[2013-03-01].http://www.doc88.com/p-11765593314.html.
[2]陈德泽.广播电视监测技术[M].北京:中国广播电视出版社, 2008.
信号自动切换 篇5
主要依靠人工完成监看和应急操作的方式是存在着弊端的, 人的反应会受到疲劳、情绪等状态的影响, 而且有时会存在一个人看多个屏幕信号的情况, 这也会导致发现和处置问题的速度变慢。随着安全播出重要性的提高, 安播指标也更加严格, 主要依靠人工监看和应急操作来完成好安全播出任务也变得越来越困难。
为此, 希望能够设计出将信号检测报警、分析判断、智能切换控制和人工干预结合在一起的智能切换系统, 同时摸索出一套智能切换为主、人工干预为辅的工作模式。通过技术的力量和科学的管理, 达到既能提高安全播出保障力度, 还能在一定程度上降低操作人员工作强度的目的。
一系统设计目标
1. 管理目标:智能切换与人工干预合理结合, 相互补充
系统在分析处理过程中, 能够给予操作人员信号出现问题的报警提示, 给予操作人员人工干预的时间和方法, 目的是要让操作人员融入到智能切换系统的处理过程中, 机器是不能完全取代人工的, 操作人员的主观判断也是处理故障的重要手段。
一旦系统智能切换, 必须要有持续的报警提示直至人工确认。目的是避免操作人员过分相信和依赖智能切换设备, 任由设备智能切换而不去确认信号是否正常, 通过持续报警强制操作人员检验智能切换系统工作状态。
同时, 设计方案需要考虑到日后运维管理的需求, 比如每个频道节目风格不同, 需要切换系统能够独立配置各个切换器参数;具备详细的软件日志, 运行后可定期分析报警数据, 不断优化系统参数;系统架构体系尽量模块化, 支持未来的改造和扩展等等。
2. 技术目标:实现智能切换, 兼顾响应时间与误切换率
系统能够通过对切换器输入输出信号的检测和判断, 实现信号的智能切换功能。切换判断逻辑尽量模拟人工应急处置方式, 对于通过切换能够解决问题的情况实现智能切换, 对于切换不能解决问题的情况给予报警, 依靠人工处置。在兼顾响应时间与误切换率方面, 综合考虑以下因素进行设计:
对高于设定阀值的故障必须能够切换, 保证系统漏切换率为零;
为了减少对下游系统的影响, 系统误切换率尽量减小到零;
为了使操作人员能够信任软件, 避免软件造成“狼来了”的不信任效果, 系统每个频道展现给操作人员的提示报警次数需要控制在每天5 次以下;
对于容易判断的问题 (如黑场、视频丢失) , 系统响应时间要短, 对于不容易判断的问题 (如静帧) , 系统响应时间可综合上述原则适当延长。
二硬件系统设计
智能切换系统硬件主要包括:信号检测分析设备、汇聚分析设备、遥控面板、报警展示客户端, 结构示意图如图1 所示。
1. 信号检测分析设备
信号检测分析设备主要完成SDI信号采集、检测分析、上报报警信息等工作。本系统采用了博汇科技和捷成世纪2 套独立的信号检测设备, 每套设备中配置了多块采集分析板卡和1 台分析处理服务器, 安装了信号检测分析软件、校时软件。
针对关键输出信号采用2 个模块同时检测, 尽量减少因为检测算法BUG造成的误报或者漏报。
2. 汇聚分析设备
汇聚分析设备主要安装接口软件、汇聚分析软件、校时软件等, 完成信号检测分析设备上报报警信息的接收与分析, 向遥控面板发送状态展示和切换指令、向报警展示客户端发送报警状态、为系统内设备提供网络校时等功能。本系统配置了1 台汇聚分析服务器。
3. 遥控面板
遥控面板主要完成接收汇聚分析设备下发的状态和报警并展示、接收切换信息以及控制切换器完成切换、提供人工操作按钮实现手动控制切换等。面板示意图如图2 所示, 主要设计功能如下:
1 个遥控面板可以支持独立控制2 个切换器;
遥控面板支持手动和自动两种模式。自动模式:连接汇聚分析设备时, 面板切换在哪一路由切换器反馈, 其他状态 (如输入通道是否报警、软件与面板链接状态等) 取自汇聚分析设备, 并根据指令完成智能切换, 同时支持人工手动切换;手动模式:不连接汇聚分析设备, 面板状态取自切换器本身, 只能人工手动切换;
遥控面板可以反馈当前运行在哪一路, 展示输入输出状态 (需切换器支持提供状态反馈) ;
遥控面板提供闪烁和蜂鸣报警, 具备报警确认 (消音) 按钮;
遥控面板具备面板锁定功能。
4. 报警展示客户端
报警展示客户端安装智能切换系统客户端软件, 展现遥控面板状态、信号报警状态并提供声光报警、提供配置交互界面等。
三系统应用场景分析与设计
1. 检测对象
电影频道的播出系统由播出服务器、切换台 (器) 、键混器设备组成, 最终为切换器提供三路路由不同、内容相同的播出信号作为输入, 通过3×1 切换器选择一路作为输出。智能切换系统的检测对象是3×1 切换器的输入和输出信号, 图3 为三选一切换设备检测示意图。
通过SDI采集板卡, 采集每路输入和输出信号, 检测和分析输入输出信号是否有静帧、黑场、彩场等故障, 将数据提供给软件进行分析处理, 最终决定是否智能切换。
在模型中对于输出信号, 设计支持2 套不同品牌的设备同时进行采集检测, 当2 套检测设备同时对输出信号报警时, 系统能够第一时间进行切换, 当1 套设备报警, 另外一套没报警时, 系统等待一段时间才会切换, 通过这样的方式可以减少误切换率。 (所有时间均可以调整配置, 也可以配置成无论1套还是2套报警, 均立即切换。)
2. 故障分类及工作处理流程设计
根据输出信号是否报警, 可以将故障分为两大类、三小类。
一是输出信号正常, 即输出信号正常, 无论输入信号正常与否, 均不用进行智能切换。
二是输出信号异常, 包括:
输出信号异常, 当前输入信号异常, 其他输入信号至少有一路正常, 可以通过智能切换完成信号应急工作;
输出信号异常, 当前输入信号正常或者所有输入异常, 通过切换不一定能够恢复信号。
根据故障分类情况, 系统设计两种处理工作流程:
智能切换工作流程, 启动条件是输出信号异常, 最终结果是控制切换器智能倒换;
报警提示工作流程 (不进行切换) , 启动条件是任意输入输出报警, 最终结果是超过配置阀值进行语音报警提示。两种处理流程在下文中会有详细说明。
在测试过程中分析发现, 如果对输出信号异常的所有情况都切换, 误切换率无法得到很好的控制, 而且“输出信号异常, 当前输入信号正常或者所有输入异常”这种情况通过切换不一定能够实现应急效果, 还可能对人工处理产生干扰。
因此, 本次设计的智能切换系统仅对“输出信号异常, 当前输入信号异常, 其他输入信号至少有一路正常”这种情况进行智能切换。
3. 智能切换工作流程
信号检测部分收集输入及输出信号报警信息, 检测到“输出信号报警”的情况, 则启动“智能切换处理”, 对于满足智能切换条件的情况, 汇聚分析软件持续检测判断并逐步控制遥控面板指示灯闪烁、面板蜂鸣, 直至智能切换。在整个过程中, 面板通过声光报警提示信号故障, 人工可随时进行干预, 比如直接手动切换面板、停止智能切换逻辑 (不进行切换) 。
在上述工作中, “智能切换处理”分为三个阶段, 具体设计如下:
第一阶段, 持续检验输入输出信号报警状态是否一直持续, 等待一段时间后 (可配置) , 如果报警状态依旧持续且满足智能切换逻辑, 则面板指示灯开始报警提示, 软件进入第二阶段。第一阶段的目的是过滤绝大多数误报的数据, 避免切换面板指示灯频繁误闪;
第二阶段, 持续检验输入输出信号报警状态是否一直持续, 等待一段时间后 (可配置) , 如果报警状态依旧持续且满足智能切换逻辑, 则面板会开始蜂鸣报警, 提示即将智能切换, 软件进入第三阶段。第二阶段的目的与第一阶段相同;
第三阶段, 持续检验输入输出信号报警状态是否一直持续, 等待一段时间后 (可配置) , 如果报警状态依旧持续且满足智能切换逻辑, 则执行智能切换, 面板蜂鸣不会停止, 需要人工确认。第三阶段的目的是给予人工干预的时间, 可以直接手动切换, 也可以停止智能切换。
将相同逻辑的检测判断分成三个阶段进行, 主要是避免由于误报造成遥控面板频繁报警, 操作人员会不重视软件预警的情况。如果出现“狼来了”的现象, 操作人员对报警无动于衷, 那么软件在使用上就失去了价值。设计三个阶段, 不仅将报警分层展现, 而且提供了更多的配置空间, 可以组合出多种应用方案。
4. 报警提示工作流程
信号检测部分收集输入及输出信号报警信息首先会上报给汇聚分析软件, 软件再将报警转发给报警展示客户端, 客户端软件可独立配置报警门限, 如果满足报警阀值, 则在客户端软件界面中进行报警展示, 并且配有语音报警。
四软件设计开发
1. 软件架构
软件主要由检测分析软件、汇聚分析软件和客户端软件三部分组成, 如图6 所示。
(1) 检测分析软件
检测分析软件由检测分析模块和协议发送模块组成, 主要完成SDI信号报警的判断与上报工作。在整个系统中有两套检测分析软件, 在图6 中只画了一套软件。
检测分析模块:通过分析SDI信号数据, 判断信号是否存在故障。对于视频, 可以实现精确到帧级的故障检测, 如视频丢失、黑场、彩场、彩条、静帧等;对于音频可以检测音频丢失、音频过低等故障。视频检测还可以配置检测区域。
协议发送模块:采用HTTP+XML协议。发送实时报警和定期报警两类:实时报警是指将检测分析软件的报警实时上报汇聚分析软件;定期报警是指每隔5 秒, 将当前所有报警上报汇聚分析软件。
(2) 汇聚分析软件
汇聚分析软件为本系统的核心, 分为协议接收模块、报警分析模块、智能切换处理模块、面板交互模块四部分:
协议接收模块:采用HTTP+XML协议, 接收实时报警和定期报警, 可支持接收多个检测分析软件的报警信息。其中定期报警的作用是:一方面可以定期更新全部报警信息, 防止实时报警未上报成功导致分析判断错误, 另一方面可以查看检测分析软件和汇聚分析软件通信是否正常, 不正常则客户端软件会报警;
报警分析模块:首先将输入输出信号异常报警转发给客户端软件, 由客户端软件按照配置的阀值改变对应指示灯并提供语音报警 (报警提示工作流程) ;其次检测是否输出信号报警, 如满足则启动智能切换处理模块 (智能切换工作流程) ;
智能切换处理模块:软件的核心模块, 主要负责持续判断是否符合智能切换条件, 根据配置控制智能切换进程, 最终下发切换指令。每一频道由一个单独线程进行处理, 不同频道之间互不影响。整个判断过程分为三个阶段, 根据报警数量和级别的变化, 软件会智能进行加速或减速处理。具体请见下文中的“智能切换处理时序图”及说明;
面板交互模块:一方面将面板状态反馈给智能切换处理模块和报警分析模块, 将面板连接状态和所有按钮指示灯状态反馈客户端软件进行展示;另一方面接收“智能切换处理模块”的指令, 控制遥控面板状态改变及下发切换指令。
(3) 客户端软件
客户端软件 (图7) 主要提供状态展示、报警提示、参数调整、日志展示等功能。软件界面分为状态展示区域和日志展示区域:状态区展示输入输出信号的状态、系统连接的状态、面板其他指示灯状态;日志区展示所有关键操作的日志, 如智能切换、手动切换、遥控面板工作模式切换等。客户端软件会根据配置的报警阀值, 对信号故障时间超过阀值的情况进行语音报警。
2. 智能切换处理时序图
(1) 时序图关键逻辑说明
整个过程分为三个阶段, 每个阶段结束后会控制遥控面板进行报警展示或切换。
启动监测流程的先决条件为输出通道有报警。
第一阶段会先判断是否满足智能切换逻辑, 满足逻辑的会根据输出信号报警个数、报警级别确认第一阶段持续时间T1。
在T1 时间内, 报警状态每隔500ms刷新一次, 报警状态如果变化会导致本阶段判断进程重新开始、加速进行、减速进行或直接结束, 满足加速或加速条件后, T1 时间也会跟随变化, T1 时间结束后, 对于依然报警的输入输出信号, 在遥控面板上对应的通道状态灯会变成红色。
第二阶段会再次根据输出信号报警个数、报警级别确认第二阶段持续时间T2。后续的处理逻辑与第一阶段相同。T2 时间结束后, 如果仍然满足切换条件, 则遥控面板切换预警灯闪烁并且蜂鸣, 提示操作人员系统即将智能切换。
第三阶段会再次根据输出信号报警个数、报警级别确认第三阶段持续时间T3。后续的处理逻辑与第一阶段相同。T3 时间结束后, 通过遥控面板控制切换器智能切换。
在逻辑判断的过程中, 如果遥控面板改为手动状态, 则逻辑判断终止, 直至改回自动状态后重新开始。
在最终切换前 (T3 结束后) , 会判断输出信号音频是否有报警, 如果有报警则立刻切换, 如果没有报警则再等待一段时间, 如果依然满足智能切换逻辑, 系统实现智能切换。
整个切换逻辑设计了很多可配置的参数, 可以根据不同频道节目的特点, 调整出最合适的参数配置, 同时实现杜绝漏切换、机会没有无切换、智能切换响应时间短三个目的。
(2) CCTV-6 频道的智能切换参数配置
通过表1、表2 所示配置可以看出, 当报警级别越高、输出报警个数越多时, 软件在各个阶段等待的时间越短, 切换响应速度越快。比如出现第一级报警 (如视频丢失) , 系统立即完成智能切换, 且不考虑报警的个数和音频是否也存在报警;当出现第二级报警 (如视频黑场) , 系统在3~4 秒完成智能切换, 考虑报警的个数, 但不考虑音频是否也存在报警;当出现第三级报警 (如视频静帧) , 系统在7~9 秒完成智能切换, 考虑报警的个数, 同时在第三阶段结束后, 如果音频未报警则等待2 秒后再切换。
五遇到的问题和解决方案
在系统测试过程中, 主要针对系统的漏切换率和误切换率进行测试。漏切换测试是通过制作设计好的测试序列, 模拟各类极限故障情况, 检查系统是否能够在规定时间内完成智能切换;误切换率测试是使用CCTV-6 频道实际播出信号, 观察误切换率, 通过不断地调整软件和参数, 实现尽量减少误切换率。在调试的过程中遇到的问题和解决方案如下文所述。
1. 检测模块时间戳不准确导致漏切换
虽然整个系统连接了统一的校时软件, 但在测试时发现检测设备发送来的XML报警协议中的时间戳总是比实际情况晚1~2 秒, 导致实际信号故障已达到了切换门限, 但系统记录的时间未达到门限, 出现漏切换的现象。
经过分析排查, 发现是因为检测设备在处理报警时是先进行数据库的写操作和日志打印操作, 最后再进行协议上报, 上报时为报警加时间戳, 导致每次报警都比实际的晚1~2 秒。对检测模块的处理软件进行了修改, 改为报警上报和其他操作并行进行后, 解决了此问题。
2. 误切换率控制
将系统接入CCTV-6 播出信号后, 发现误切率较高, 平均一天会误切换2 次甚至更多, 这个结果在实际应用中是很难被接受的。通过对切换数据进行统计分析, 调整了“检测设备中报警灵敏度阀”、“各阶段持续时间”两类参数, 经过反复测试和调整, 最终实现了既保证不漏切, 又同时保证不误切的合理配置。
六总结
目前, 智能切换系统已经在CCTV-6 频道播出系统中上线运行, 误切换率几乎为0, 每个遥控面板出现蜂鸣报警的次数平均为每天1~2 次, 出现蜂鸣报警后必须人工进行确认处理, 基本实现了当初的设计目标。整个系统的设计与实践过程中, 总结出以下两点经验和感悟:
在系统设计时坚持管理与技术相融合, 将管理理念 (如有些操作必须人工确认) 、操作人员感受 (尽量没有误切换、控制报警频率) 、系统运维 (设计了大量的配置选项, 支持日后灵活调整) 等方面与技术方案实现相融合, 努力设计出能够取得操作人员信任的、能够为安全播出提供帮助的、能够灵活调整的技术系统;
信号自动切换 篇6
设计师把“即插即用”的理念融进了该产品的设计中,信道间的互相切换因此而变得非常简单。射频功率开关完全满足高功率条件下的应用要求,可用来代替电子控制式射频继电器,而且所用的PCB布局精简、体积小巧,圆形外壳,利于设备腔体的屏蔽,支持机械手拾放操作,另外还可以替代RF继电器,所需部件更少、设计紧凑、无须电子控制、而且它的安装、操作和维护也都相当方便,所有这些都帮助用户削减了成本。
“即插即用”的理念被引用在QN、QMA、N、TNC和SMA产品的界面中。所有的产品都提供针脚右置和针脚左置两种类型。
射频功率开关的工作原理:
HUBER+SUHNER的射频功率开关使用机械控制式信道切换,它的主要工作原理如下:
(1)原始的信道:当连接器界面处于断路状态(没有连接)时,信号沿着中心导体和旁置的针脚传播。
(2)切换后的信道:当接上连接器后,信号不再通过旁置的针脚,转而沿着界面内导体一直传播。
HUBER+SUHNER射频功率开关的应用领域非常广泛。用户可以根据便携式设备使用场合,自由切换连接不同类型的天线以获得合适的信号。
在移动通讯领域,射频功率开关最主要用于通讯容量的控制和基站信号的复合。与之前相比,移动无线基站能够将信号发射得更远并且效率更高。这种方法减少了所需基站的数量,有助于降低网络成本。在通讯比较繁忙的区域,如市区,基站以满载模式工作;在通讯相对空闲的区域应用时(比如农村地区),基站以复合模式工作。
除了标准的PCB安装形式外,HUBER+SUHNER也提供转接器形式的射频功率开关。
信号自动切换 篇7
关键词:统一电能质量调节器,稳定性,交互影响,特征根,灵敏度,协调控制
0 引言
目前, 解决单一电能质量问题的电力电子装置已经在众多文献中得到了广泛的研究, 包括补偿电网侧电压跌落的串联型补偿装置———动态电压恢复器 (DVR) [1,2,3], 补偿负荷侧无功功率的配电网静止无功补偿器 (DSTATCOM) [4,5,6,7]、补偿负荷侧谐波电流的有源电力滤波器 (APF) [8,9,10]等并联型补偿装置等。统一电能质量调节器 (UPQC) 综合了串、并联变流器的优点, 可以同时补偿电压、电流等多种电能质量问题, 但由两变流器之间的耦合作用所引起的交互影响不容忽视[11]。现有文献中主要针对UPQC串、并联变流器同时运行后的工况进行了各种特性的分析[12,13,14,15,16], 并未细致研究UPQC切换运行模式时所带来的小信号干扰问题。
由于UPQC串、并联变流器采用的控制策略与其补偿功能、应用场合密切相关, 为了简化分析, 本文以串联变流器补偿电压暂降、并联变流器补偿无功电流的UPQC为例, 在其采用间接控制策略的基础上, 建立了包括串、并联变流器自身结构及相关控制的小信号模型, 以特征根灵敏度的方法对比分析了两类变流器在独立运行与联合运行等3种运行模式下的稳定性及动态性能, 研究了控制参数、负荷等因素对装置切换运行模式时的小干扰稳定性的影响作用。同时, 本文提出了新型功率流协调控制策略, 以有效地减少UPQC串、并联变流器与电网之间的能量交换, 从而可以在电网电压深度跌落时降低串、并联变流器之间的耦合作用, 提高补偿装置的利用率。
1 UPQC基本结构及数学建模分析
1.1 串并联变流器结构模型
本文研究的UPQC结构为三相三线式, 采用了间接控制策略, 其串、并联变流器的单相基本结构如图1所示。其中, is和iL分别表示电网侧、负荷侧电流;Vs和VL分别表示电网侧、负荷侧电压;Lf1, Rf1, Cf1分别表示串联变流器的滤波电感、等效电感电阻及滤波电容;Lf2和Rf2分别表示并联变流器的连接电抗器及等效电阻;i1和ic分别表示串、并联变流器的电感电流;Cdc表示两变流器共用的直流母线电容。
当Vs正常时, 串联变流器旁路, 并联变流器以注入无功功率的方式提高电网侧的功率因数。当Vs跌落时, 串联变流器输出相应的补偿电压Vc, 从而使敏感负荷端电压VL维持在正常的范围内, 保证了敏感负荷的正常运行, 此时并联变流器负责从电网中吸收有功功率, 维持直流母线电压Vdc恒定。
设直流母线端损耗的等效并联电阻为Rdc, 并以串联型阻感Rz, Lz等效敏感负荷, 则有:
串联变流器的数学模型可表示为:
并联变流器的数学模型可表示为:
式 (2) 和式 (3) 中m1d和m1q, m2d和m2q分别是与串、并联变流器脉宽调制信号有关的变量。Vdc表示UPQC的直流母线电压, 同时也是并联变流器有功回路的控制目标, 而并联变流器无功回路的控制目标可以用功率因数表征值Kf表示。
根据式 (1) 至式 (4) 可得串并联变流器在某一静态工作点的小信号状态方程 (~表示相应量的信号) :
其中, 状态量, 输入量, 输出量分别为:
各系数矩阵的表达式见附录A。
1.2 串并联变流器控制
1.2.1 串联变流器控制
串联变流器双闭环控制示意图如附录B图B1所示。图中:V*Ld和V*Lq, i*1d和i*1q分别表示串联变流器外环、内环参考信号;k1为内环比例控制因子;kp11和ki11, kp12和ki12分别表示串联变流器d, q轴外环比例—积分 (PI) 控制因子。若设其中间变量为Vd和Vq (见图2) , 则有:
则附录B图B1中内、外环控制可表示为:
1.2.2 并联变流器控制
并联变流器双闭环控制示意图如附录B图B2所示。图中:V*dc和Kf*, i*cd和i*cq分别表示并联变流器外环、内环参考信号;k2为内环比例控制因子;kp21和ki21, kp22和ki22分别表示关联变流器d, q轴外环PI控制因子。若设定其中间变量为Id和Iq, 则有:
则图中的内、外环控制可表示为:
1.3 UPQC小信号模型
将中间变量Vd, Vq, Id, Iq作为新增的状态变量, 并根据式 (1) 至式 (12) , 可得同时包含UPQC自身模型、控制模型的小信号状态方程, 即有:
其中, 状态量, 输入量分别为:
各系数矩阵表达式见附录A。
由式 (13) 和式 (14) 可得该四输入四输出系统的传递函数为:
2 UPQC小信号分析
2.1 串并联变流器交互影响分析
UPQC实际上是两种不同运行特性的补偿装置的综合体, 每台装置的参数设计、控制算法均具有其独特性, 但将两台装置组合成UPQC后, 两台装置通过直流母线进行能量交换, 存在着固有的耦合关系, 因此需要对控制参数重新进行整定。为进一步研究两变流器之间交互影响的强弱, 针对以下3种运行模式进行系统特征根的对比分析, 本文所涉及的系统及控制参数见附录C中表C1。当电网侧电压跌落50%时, 系统在两变流器单独运行、联合运行 (UPQC) 等3种运行模式下的特征根结果如附录C中表C2所示。
1) 稳定性分析
由附录C表C2中数据可知, 3种运行模式下的系统特征根实部均为负值, 系统稳定性的变化主要由并联变流器对应的特征根 (λ7, λ8) 变化所引起, 事实上电网侧电压跌落程度越大, 特征根 (λ7, λ8) 的实部向虚轴靠近的趋势也将越明显, 从而导致了系统稳定性的下降。而串联变流器的特征根并无明显变化, 证明其控制部分对整个UPQC切换运行模式时的小扰动稳定性无明显影响。UPQC串、并联变流器之间的交互影响主要取决于两者之间的能量流动关系, 在电压跌落的工况下, 并联变流器不仅要补偿负荷端所需要的无功功率, 还需额外从电网吸收有功功率用以补偿直流母线端由于串联变流器消耗有功功率而导致的电压下降。两变流器之间的能量耦合作用降低了直流母线电压控制的稳定性。
2) 动态响应分析
由附录C表C2可知, 串并联变流器联合运行时的振荡模态主要由串联变流器、并联变流器与电网之间的振荡模态构成。其中特征根 (λ1, λ2) 、 (λ3, λ4) 、 (λ5, λ6) 、 (λ12, λ13) 表征了串联变流器的振荡模态, (λ7, λ8) 表征了并联变流器的振荡模态。而鉴于特征根 (λ9, λ10) 离虚轴过远, 对系统的稳定性及动态性能几乎不会产生影响, 因此后文将不再讨论 (λ9, λ10) 的特征根变化情况。
系统响应主要由相关传递函数的零极点共同决定, 分别作出串联变流器独立运行时的d轴电压控制、并联变流器独立运行时的d轴电流控制 (即直流母线电压控制) 的传递函数所对应的零极点位置对比示意图, 分别见附录B图B3和图B4。
可见, 当串并联变流器独立运行时, 系统传递函数的一部分极点附近存在着零点, 系统可近似为一个低阶系统, 其中串联变流器在d轴引起的高频振荡频率fd1主要由特征根 (λ1, λ2) 、 (λ3, λ4) 决定, 约为:
并联变流器引起的低频振荡频率fd2主要由特征根 (λ5, λ6) 决定, 约为:
串、并联变流器独立运行的仿真结果见图3, 其中图3 (a) 表示系统电压在0.1s跌落, 串联变流器投入运行的d轴响应结果;图3 (b) 表示并联变流器在其输入的0.1s处被施加1.25%小扰动的d轴响应结果。
与串、并联变流器独立运行的模式不同, 当两变流器同时投入运行时, 两者之间通过直流母线进行能量交换。当系统遭受到小扰动时, 每个输出量的动态分量均是与其对各输入的响应分量的叠加, 而响应中各个分量所占的比例也同时表征了响应初始阶段的特性, 并且主要取决于系统特征根的留数, 为研究串、并联变流器之间动态交互影响, 以串联变流器电压补偿的d轴控制回路和并联变流器电流补偿的d轴控制回路 (即直流母线电压控制回路) 为例, 作出两控制回路相关传递函数所对应的留数表和阶跃响应示意图, 分别见附录C中表C3、附录B图B5。
从各特征根对应的留数模值|ci|可知, 由于并联变流器振荡模态的影响, 串联变流器在受到小扰动时会出现额外的低频阻尼振荡。同理, 由于串联变流器对应的振荡模态的影响, 并联变流器在受到小扰动时会出现额外的高频振荡分量。其中, 由特征根 (λ1, λ2) 、 (λ3, λ4) 所表征的高频振荡分量在响应的初始阶段所占比例较大, 起主要作用, 随着时间的推移, 逐渐过渡到特征根 (λ7, λ8) 所对应的低频振荡分量为主。
当电网侧电压Vsd在0.1~0.2s出现50%的电压跌落时, UPQC补偿的仿真结果如图4所示。其中图4 (a) 和 (b) 分别为串、并联变流器在电压跌落过程中的动态响应示意图。
由图4可知, 串并联变流器同时运行时确实都存在高频、低频振荡分量, 与图3中两变流器独立运行的结果相比可知, 正是由于两变流器之间的交互影响, 导致了串、并联变流器联合运行时系统振荡分量的增加, 验证了上文中特征根分析两变流器动态交互影响的正确性。
2.2 参数变化对动态性能和稳定性的影响
2.2.1 电网侧电压跌落百分比Ksag对特征根的影响
其余参数不变, 将Ksag从10%调节至50%的根轨迹如图5所示, 从图中可知, 特征根 (λ5, λ6) 和 (λ12, λ13) 变化较为缓慢, 而特征根 (λ7, λ8) 逐渐靠近虚轴, 因此可认为系统稳定性随着电压跌落的增加而降低。
其余参数不变, 单独调节Ksag的仿真结果如图6所示。
图6中电网电压Vs在0.1s出现电压跌落, 此时UPQC将切换至两变流器同时运行的模式。从图中可知, Ksag越大, 系统响应越慢, 稳定性也越差。设计UPQC参数时必须考虑电压跌落性能指标对电压、电流补偿效果的影响。
2.2.2 控制参数对UPQC特征根的影响
由于直流母线在串、并联变流器之间的能量交换中起到重要的作用, 因此, 本文拟以直流母线电压控制回路为例, 探讨控制参数对系统稳定性的影响。
1) 直流母线电压Vdc比例控制因子kp21对特征根的影响
参数kp21变化时的根轨迹如图7所示。
可以看到, 当kp21从0.5逐渐调节至7时, 特征根 (λ7, λ8) 与特征根 (λ3, λ4) 的根轨迹均与虚轴相交。其中:特征根 (λ7, λ8) 的根轨迹是从虚轴右侧逐渐过渡到左侧, 与实轴相交后又有一分支向虚轴靠近;而特征根 (λ3, λ4) 则一直向虚轴靠近。其余特征根均在虚轴左侧。综合上述分析, 可认为系统是随着参数kp21的增加先从低频振荡的不稳定状态过渡到稳定状态, 然后又逐渐过渡到高频振荡的不稳定状态。
其余参数不变, 单独调节比例因子kp21的时域仿真结果如图8所示。从图中可知, 系统稳定性随着kp21的增加先强后弱, kp21的取值存在稳定极限, 取值过大或者过小将会显著地影响系统的稳定性, 与上文分析结果一致。
2) 直流母线电压Vdc积分控制因子ki21对特征根的影响
参数ki21变化时的根轨迹如图9所示。可知, 随着ki21从600调节至9 000, 特征根 (λ7, λ8) 的根轨迹从向虚轴逐渐靠近过渡到与虚轴相交, 并且逐渐远离实轴, 其所表征的特性是系统低频振荡频率逐渐增加, 而系统稳定性也随之降低, 直至失稳。
其余参数不变, 单独调节ki21的仿真结果如图10所示。从图中可知, 积分参数增大, 系统阻尼减少, 振荡频率增加, 系统稳定性变差。积分参数过大时, 系统将出现不稳定, 与特征根分析结果相一致。
2.2.3 负载对直流母线控制参数整定范围的影响
由上文可知, 在同一负荷工况下, 直流母线控制参数kp21, ki21均有一定的整定范围。同理, 可得不同负荷工况下kp21, ki21的整定范围, 如表1所示。
从表1可知, 其余参数不变, 参数kp21, ki21的整定范围随着负荷的增加而变小, 负荷对kp21, ki21的整定范围有较大的影响。
3 UPQC控制参数灵敏度分析
在设计补偿装置的结构及控制参数时往往需要考虑系统的某些参数变化对特征根的影响。而参数的灵敏度[17,18,19]表征了参数对特征根影响的强弱及变化趋势, 设系统矩阵为A, λi为系统的特征根, 与之对应的左右特征向量元素分别为vi和ui, 则该特征根λi对参数k的灵敏度可表示为:
鉴于本文系统矩阵A较为简单, 通过选择适当的微增量Δk, 可采用近似计算公式:
仍以附录C中表C1各参数所确定的工况为例, 由式 (18) 和式 (19) 可计算得到该工况下串并联变流器的外环PI控制参数对系统特征根的灵敏度, 见附录C中表C4。可知, 在该特定工况下, 并联变流器直流母线电压控制参数kp21对特征根 (λ7, λ8) 的灵敏度影响较大, 因为该参数控制了串并联变流器与电网之间的有功功率交换, 与本文2.2节中采用特征根方法分析的结果相一致。在设计UPQC结构及控制参数时, 需重点分析kp21对系统稳定性及动态性能的影响。
4 UPQC协调控制策略分析
4.1 新型功率流协调控制策略分析
UPQC的串、并联变流器需要与电网侧进行能量交换, 当电网侧电压跌落幅值较大时, 串、并联变流器之间的有功环流较大, 很可能会对补偿效果造成影响[20,21,22]。同时由于传统UPQC的串联变流器长期处于旁路状态, 并联变流器长期处于重载状态, 导致了两者的容量未得到充分合理地利用, 也可能会造成投资成本的增加。为减少串、并联变流器在电压跌落时的有功功率交换, 提高串联变流器的利用效率, 本文提出了新型功率流协调控制策略。该控制策略的核心在于UPQC串联变流器始终以注入极限补偿电压Vcmax的方式减少电网侧的功率因数角, 降低了并联变流器的容量需求, 同时将电网侧电压处于正常时的状态作为其跌落0%的特殊情况进行处理, 从而可以在满足电压与无功功率等补偿需求的前提下, 尽量减少串并联变流器与电网之间的能量交换。
图11为UPQC协调控制的相量示意图, 其中分别表示电网电压、电流相量;分别表示串联变流器输出的极限补偿电压相量、并联变流器输出的电流相量;分别表示负荷侧的电压、电流相量;φ和δ分别表示负荷侧、电网侧的功率因数角;θ表示的相角差;β和γ分别表示的相角差。
图中以O点为起点, 圆弧ABC表示从未跌落过渡到最大跌落的相量终点集合。其中A和C点分别表示未跌落、出现最大跌落时的终点位置, B点表示正好与串联变流器输出的电压正交时的终点位置, 若以Vcmax表示串联变流器的电压补偿极限, 则此时幅值可表示为:
为便于分析, 本文将针对以下两种工况研究UPQC的协调控制策略, 其相量图分别与图11 (a) 和 (b) 对应。
1) 工况1, 若幅值满足:
此时定义轻度跌落, 其相量的终点位于圆弧AB段;该工况下UPQC串联变流器从电网吸收能量, 并联变流器向电网回馈能量, 两变流器同时向负荷侧注入无功功率。
从图11 (a) 可知, 工况1下串联变流器注入幅值、相角分别为:
的相角差θ为:
而对于并联变流器而言, 只需将补偿至与同相, 即可在满足电网侧功率因数补偿需求的前提下, 达到串并联变流器之间有功环流最小的控制目标。由于此时负荷所需有功功率全部来源于电网, 根据能量守恒, 可计算电网电流幅值为:
此时, 并联变流器输出电流幅值、相位分别为:
2) 工况2, 若幅值满足:
此时定义深度跌落, 其相量的终点位于圆弧BC段;该工况下UPQC并联变流器从电网吸收能量, 串联变流器向电网回馈能量, 两变流器同时向负荷侧注入无功功率。
从图11 (b) 可知, 工况2下串联变流器注入电压幅值Vc、相角β表达式同式 (22) ;的相角差θ的表达式同式 (23) 。同时, 对于并联变流器而言, 经过其补偿后的电网侧功率因数角δ需满足:
考虑到裕量, 则δ范围可设为:
然而, 该工况下串并联变流器与电网之间的有功环流将随着δ的减少而增加, 综合考虑功率因数及有功环流两种因素, 并联变流器可根据θ决定其补偿后的电网功率因数角δ。若θ满足:
则补偿后的电网电流只需与OB同相即可, 此时δ表达式为:
若θ满足:
则并联变流器需控制电网侧功率因数角δ恒定为:
根据能量守恒, 可得补偿后的电网电流幅值为:
进而可得并联变流器输出电流的幅值、相位分别为:
综上所述, 本文提出的协调控制策略中, 当电网电压在由式 (21) 所决定的工况1下, 串并联变流器补偿矢量需分别满足式 (22) 和式 (25) ;当电网电压在由式 (26) 所决定的工况2下, 串并联变流器补偿矢量需分别满足式 (22) 和式 (34) , 则补偿后的负荷电压幅值将满足额定电压幅值, 补偿后电网侧功率因数值将高于0.9, 满足补偿的约束条件。
4.2 仿真验证
为验证本文提出的新型功率流协调控制策略的有效性, 仍以附录C中的参数为例, 并设串联变流器的最大输出电压为0.6VL, 电网侧电压最大跌落百分比为50%, 由式 (21) 和式 (26) 可知两种工况所对应的电压跌落区间, 如表2所示。
以Vs跌落0% (未跌落) 为例, 对UPQC在工况1下采用的协调控制策略进行仿真验证, a相仿真结果如图12所示, 从图中可知, 电网端a相电压Vsa未跌落时, 并联变流器通过输出相应的补偿电流ica, 使得电网侧功率因数为1;而串联变流器通过输出一个相位超前于Vsa的极限补偿电压Vca, 使得串并联变流器与电网之间的有功交换最小。仿真结果验证了该协调控制策略在工况1下的有效性。
同理, 以Vs跌落50% (最大跌落) 为例, 对UPQC在工况2下采用的协调控制策略进行仿真验证, a相仿真结果如图13所示。
从图中可知, Vsa重度跌落时, 串联变流器通过输出一个相位超前于Vsa的极限补偿电压Vca, 减少了电网侧的功率因数角, 而并联变流器通过注入相应的补偿电流ica调节电网侧的功率因数, 并将相应的功率因数角维持在20°恒定。该协调控制策略使得两变流器在电网侧功率因数满足需求的前提下, 与电网之间的有功交换达到最小。仿真结果验证了该协调控制策略在工况2下的有效性。
5 结论
1) 与串、并联变流器独立运行相比, 由于两单元自身振荡模态不同, 导致UPQC在切换运行模式时, 其串联变流器的补偿结果中出现了额外的低频振荡分量, 并联变流器的补偿结果中出现了额外的高频振荡分量。
2) 由于UPQC串并联变流器通过直流母线交换能量, 无超级电容等快速储能的支撑, 导致了串、并联变流器联合运行时的稳定性比串、并联变流器独立运行模式下的稳定性低。
3) UPQC直流母线电压的控制参数对UPQC切换运行模式时的小干扰稳定性有较大的影响, 而控制参数的稳定极限及整定范围受到负荷等因素的影响。
4) UPQC新型功率流协调控制策略可在电网侧电压轻度跌落、深度跌落两种工况下有效地减少串并联变流器与电网之间的有功功率交换, 提高了串联补偿装置的利用率。
需要强调的是, 本文重点论述了小信号分析在UPQC领域的应用, 当UPQC的补偿功能与控制策略发生变化时, 仍可采用文中UPQC切换运行模式时的小信号建模及分析思路, 只是结论可能与本文略有不同。