Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети

 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием линий (0,38-10-35-110) кВ без обработки ее высокочастотными заградителями. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и скорости передачи сигналов до 50 или 100 Бод. В предложенном способе используют синхронное детектирование сигналов с применением интегрирования, начало и конец которого определяют характерными точками, которыми являются моменты времени перехода общего питающего напряжения в пунктах передачи и приема. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазной электрической сети (0,38-10-35-110) кВ без ее обработки высокими заградителями, при этом передачу и прием сигналов производят на стороне 0,38 кВ.

Известен способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в устройстве по а.с. СССР N 1819025 кл.6 08 G 19/12, 1988 г. Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность при приеме сигналов и низкая, не более 10 Бод, скорость передачи сигналов.

Наиболее близким к заявленному способу является способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в патенте на изобретение N 2061256 кл.6 08 G 19/12, 1996 г. (прототип). Данному способу присущи те же недостатки.

Заявляемый способ решает задачу повышения помехоустойчивости приема сигналов при достижении нового технического результата - повышение скорости передачи сигналов до 50 или 100 Бод.

В заявленном способе передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети в пункте передачи преобразуют питающее напряжение U(t) промышленной частоты F (питающее напряжение) в ток сигнала обратной последовательности на частоте f₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₂, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, преобразуют токи сигнала прямой и обратной последовательностей в напряжение прямой и обратной последовательностей на частотах f₁ и f₂ (f₂ - f₁ = 2F), преобразуют напряжения прямой и обратной последовательностей в напряжения ω₁ = 2πf₁, ϕ₀ - начальная фаза в пункте передачи, Δϕ₁(t) - изменение (набег) фазы в пункте приема (и в узкой полосе пропускания ω₂ = 2πf₂, Δϕ₂(t) - изменение (набег) фазы в пункте приема), умножают U₁(t) и U₂(t), выделяют путем фильтрации напряжение разностей частоты

преобразуют питающее напряжение в напряжение гетеродина U_г(t) = U_mгcosω_гt, (ω_г = 2πf_г), умножают U_р(t) и U_г(t), выделяют путем фильтрации напряжение первой суммарной частоты U_Σ1(t) = U_mΣ1cosω_Σ1t преобразуют питающее напряжение в напряжение U₃(t) = U_m3cosω₃t (ω₃ = 2π·2F), умножают U_г(t) и U_з(t), выделяют путем фильтрации напряжение второй суммарной частоты U_Σ2(t) = U_mΣ2cosω_Σ2t, умножают U_Σ1(t) и U_Σ2(t), выделяют с помощью фильтрации однополярное напряжение сигнала U_с, интегрируют U_с в интервале времени T, при этом начало и конец интервалов передачи сигнала и интегрирования T соответствует единым моментам времени перехода питающего напряжения через ноль в пунктах передачи и приема.

Повышение помехозащищенности при приеме сигналов в заявленном способе осуществляют за счет применения синхронного детектирования с последующим интегрированием однополярного напряжения, при этом можно осуществить прием сигналов при отношении сигнал/помеха меньше единицы. Это объясняется тем, что в заявленном способе обработку сигналов производят без использования нелинейных элементов, т.е. отсутствует подавление слабого сигнала более сильным /помехой/. Поэтому качество канала связи практически не зависит от отношения сигнал/помеха /А. П.Мановцев. Введение в цифровую радиотелеметрию. Энергия, М., с. 242./.

Достижение технического результата - повышение скорости передачи до 50 или 100 Бод осуществляют за счет наличия информации на приемном пункте о начале и конце передачи сигналов, что позволяет правильно выбрать начало и конец интервала интегрирования T в характерных точках, соответствующих единым моментам времени перехода питающего напряжения через ноль в пунктах передачи и приема.

Устройство (см. чертеж), реализующее заявленный способ, содержит в пункте передачи синхронизатор характерных точек 1 /синхронизатор/, передатчик пассивно-активного типа 2, трехфазную электрическую сеть 3, фильтр напряжения симметричных составляющих обратной последовательности частоты f₁ 4 /ФСС/, фильтр напряжения симметричных составляющих прямой последовательности частоты f₂ 5, узкополосный фильтр f₁ 6 /УПФ/, узкополосный фильтр f₂ 7, умножитель 8, фильтр нижних частот 9 /ФНЧ/, гетеродин 10, умножитель 11, фильтр первой суммарной частоты ω_Σ1-12, нелинейный элемент 13, фильтр низкой частоты 2F 14 умножитель 15, фильтр второй суммарной частоты ω_Σ2-16, фазовращатель 17, умножитель 18, фильтр низкой частоты 19, синхронизатор 20, фазовращатель 21, интегратор 22.

Устройство работает следующим образом:
Синхронизатор 1 формирует в пункте передачи импульсы в моменты перехода питающего напряжения через ноль. Импульсы следуют с периодом T(100 Бод) = 0,01 сек при скорости передачи 100 Бод и T(50 Бод) = 0,02 сек при скорости передачи 50 Бод. Начало и конец передачи совпадают с моментами перехода питающего напряжения через ноль. При работе передатчика 2 в его фазных проводах A, B, C образуют следующие токи сигналов по аналогии с прототипом

где I_m - амплитудное значение токов на частотах ω₁ и ω₂, ω₁ = (ω₀-Ω) и ω₂ = (ω₀+Ω); ω₀ = 2πf₀; Ω = 2πF; f₁ = f₀ - F; f₂ = f₀ + F; f₂ - f₁ = 2F.

Эти токи образуют в пункте приема на входах ФСС 4 и ФСС 5 трехфазные напряжения прямой и обратной последовательностей, мгновенные значения которых описывают выражениями (далее в тексте изменение фаз в приемной аппаратуре не учитывают, т.к. в трактах приема и гетеродина введены фазовращатели):

где U_A, U_B, U_C - фазы напряжения сигнала.

Из выражения /2/ следует, что на частоте ω₁ имеют напряжения обратного чередования фаз A, C, B, а на частоте ω₂ - прямого чередования фаз A, B, C. Напряжение сигнала обратной последовательности на частоте ω₁ принимают ФСС 4. Напряжение сигнала прямой последовательности на частоте ω_2/ принимают ФСС 5. Выражения мгновенных значений напряжения сигнала на соответствующих выходах ФСС 4 и ФСС 5 имеет вид


Эти напряжения получены в широкой полосе ФСС 4 и ФСС 5, их соответственно подают на УПФ 6 и УПФ 7. На выходе УПФ 6 имеет напряжение U₁(t) согласно описанию формулы изобретения:

На выходе УПФ 7 имеют U₂(t)

где ϕ₀ - начальная фаза для частот ω₁ и ω₂ в пункте передачи, которые равны.

Это следует из принципа работы передатчика пассивно-активного типа 2, т. к. нельзя начать передавать одну частоту, например ω₁, a ω₂ не передавать, и наоборот.

Δϕ₁(t) - изменение фазы для частоты ω₁ в тракте передачи.

Δϕ₂(t) - для частоты ω₂.
Известно, что значение полосы пропускания приемного тракта ΔF зависит от длительности радиоимпульса τ. Так при скорости передачи 50 Бод длительностью τ /50 Бод/ = 0,02 сек, при 100 Бод - τ /100 Бод/ = 0,01 сек. Полосу пропускания ΔF определяют из выражений


Несмотря на то, что f₂ - f₁ = 100 Гц, частоты f₁ и f₂ при приеме не будут перекрываться в полосе пропускания ΔF (50 Бод) и ΔF (100 Бод), т.к. частоту f₁ принимают ФСС 4 обратной последовательности, а f₂ - ФСС 5 прямой последовательности.

Следует отметить, что полосы пропускания УПФ 6 и 7 для приема частот f₁ и f₂ не следует делать равными. Так, например, при скорости передачи 50 Бод принимают полосу пропускания ΔF (f₁) = 100 Гц, а ΔF(f₂) ≪ ΔF(f₁), т.к. умножитель по логике приема сигналов аналогичен схеме И. Таким образом, при передаче сигналов /символов "1" и "0"/ в канале f₁, где выбрана полоса пропускания ΔF (f₁) = 100 Гц, на выходе умножителя канала f₁ символы "1" и "0" будут повторять алгоритмы передачи. В канале f₂, где ΔF (f₂) умышленно выбрана "неправильно", ΔF(f₂) ≪ ΔF(f₁), алгоритм передачи символов "1" и "0" будет соответствовать передаче символа "1", т.е. выделить передачу символа "0" /пауза/ при таком условии выбора ΔF (f₂) невозможно. Это связано с инерционностью процесса в УПФ 7. Несмотря на это, на выходе умножителя символы "1" и "0" будут следовать согласно алгоритму передачи, т.е. так, как в канале f₁, где ΔF (f₁) = 100 Гц.

В качестве примера рассмотрим передачу радиоимпульсов /символов "1" и "0"/ одинаковой длительности. При пассивной паузе.

Одинаковое значение ширины полос пропускания в каналах f₁ и f₂ ΔF (f₁) = ΔF (f₂) = 100 Гц
Длительность радиоимпульса τ = 0,02 сек; K - коэффициент передачи умножителя 8.

Оценим значение амплитуды на выходе умножителя U_mвых при подаче на его вход только напряжения помех. Зададим их численные значения U_m(f₁) = 0,1В; U_m(f₂) = 0,1В, тогда получим U_mвых - U_m(f₁)·U_m (f₂)·K = 0,1·0,1·K = 0,01 кВ
2. Разные значения ширины полос пропускания в каналах f₁ и f₂
ΔF (f₁) = 100 Гц;
ΔF (f₂) = 10 Гц
Зададим численное значение напряжения помех U_m(f₁) = 0,1В; U_m (f₂) = 0,01В, тогда получим U_mвых = 0,1·0,01·K = 0,001K
В этом случае напряжение помех на выходе умножителя уменьшалось в 10 раз.

3. При наличии на выходах умножителя напряжений сигналов и помех имеют эффект снижения напряжения помех в канале приема f₂, где ΔF(f₂) ≪ ΔF(f₁) без снижения напряжения сигнала. Таким образом, отношение сигнал/помеха на выходе умножителя будет больше, чем на его входе в канале приема f₁. Величину ΔF(f₁) необходимо задавать исходя из скорости передачи. (Выше мы принимали, что умножитель является линейной системой).

В общем случае Δϕ₁(t) и Δϕ₂(t) является функциями многих переменных: характера реактивности нагрузки, расстояния, температуры и т.д. В связи с тем, что f₂ - f₁ = 2F, а 2F < и f₂ можно принять для технических расчетов условие:
Δϕ₁(t) ≈ Δϕ₂(t) = Δϕ(t) (7)
В умножителе 8 умножают напряжения U₁(t) и U₂(t), в результате получают напряжения разностной и суммарной частот

С учетом /7/ выражение /8/ примет вид

Из выражения /9/ следует важный вывод, что первый член не зависит от ϕ₀ и Δϕ(t) и содержит полную информацию о сигнале /амплитуда, частота, фаза/, поэтому дальнейшую обработку сигналов производят на разностной частоте ω_p = ω₂-ω₁. Из /9/ также следует, что производить обработку на суммарной частоте ω_Σ = (ω₂+ω₁) нельзя, т.к. возникает неопределенность в определении фазы и получить синхронный прием невозможно.

ФНЧ 9 выделяет напряжение разностной частоты. Согласно описанию формулы изобретения имеют

На выходе гетеродина 10 формируют напряжение
U₁₀(t) = U_г(t) = U_mгcosω_гt (11)
где ω_г = 2πf_г. Значение частоты гетеродина f_г выбирают из условия

где T - интервал интегрирования.

В некоторых предыдущих решениях авторы использовали в качестве описания гетеродина напряжения гармоник частоты питающего напряжения 50 Гц(F). Как показали линейные испытания в реальных трехфазных электрических сетях - это решение имеет недостаток в связи с нестабильностью частоты F, т.к. F≠const и является функцией времени. Поэтому работать можно только с низкими номерами гармоник. Известно, что для получения эффективного результата интегрирования необходимо выполнение условия /12/, где под частотой f_г понимают для данного случая частоту гармонической составляющей F. Пусть в качестве примера мы приняли за частоту гетеродина 40-ую гармонику частоты F, при этом на какой-то момент времени F = 49,6 Гц, 40-я гармоника при этом будет не 2000 Гц (F = 50 Гц), а 1984 Гц /F = 49,6 Гц/. При фильтрации 40-я гармоника выйдет из полосы фильтра /ΔF ≅ 50 Гц/, который ее выделяет. Поэтому применение кварцевого гетеродина 10 позволяет выбрать более высокие частоты, что дает значительно лучшие результаты в повышении отношения сигнал/помеха на выходе интегратора по сравнению с его входом.

В умножителе 11 умножают U_р(t) и U_г(t), фильтром 12 выделяют напряжение первой суммарной частоты
U₁₂(t) = U_Σ1(t) = U_m(Σ1)cosω_Σ1t (13)
где
ω_Σ1 = ω_p+ω_г = 2π·2F+2πf_г = 2π(2F+f_г) (14)
(Фильтром 12 можно было выделить и разностную частоту ω_p1 = ω_г-ω_p, но с учетом выражения /12/ выгодно работать на более высоких частотах). Нелинейный элемент 13 может быть выполнен, например, в виде понижающего трансформатора, нагрузкой которого является диодный мост. Напряжение на его выходе равно

где U_m - амплитудное значение выпрямленного напряжения. Разложение /15/ в ряд Фурье имеет вид

ФНЧ 14 выделяет напряжение U₃(t) с частотой 2F
U₁₄(t) = U₃(t) = U_m3cosω₃t (17)
где ω₃ = 2π·2F = ω_p
В умножителе 15 умножают U_г(t) и U_з(t). Выделяют с помощью фильтра 16 напряжение второй суммарной частоты ω_Σ2
U₁₆(t) = U_Σ2(t) = U_mΣ2cos_Σ2t (18)
U_Σ2 = 2π·2F+2π·f_г = 2π(2F+2f_г) (19)
Сравнивая /14/ и /19/ заключаем, что
ω_Σ1 = ω_Σ2 (20)
Напряжение U_Σ2 (t) подают на фазовращатель 17, который задает фазу в напряжении U_Σ2 (t) [канал гетеродина], которая равна фазе в напряжении U_Σ1 (t) [канал приема]. Умножают два напряжения с одинаковыми частотами и фазами U_Σ1 (t) и U_Σ2 (t) в умножителе 18 (И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. Из-во "Сов. радио" 1967 г., с. 146 (синхронный прием сигналов с одинаковыми фазами и частотами)).

ФНЧ 19 выделяют постоянное напряжение сигнала U_с, которое подают на первый вход интегратора 22, на второй вход которого подают импульсы синхронизатора 20 через фазовращатель 21, с помощью которого совмещают моменты начала и конца передачи сигнала и интервала интегрирования T. Выход интегратора 22 является информационным.

Повышение помехозащищенности при приеме сигналов обеспечивают следующим образом.

1. Напряжение сигналов U_с на интервале интегрирования T является однополярным. U_с растет от нуля до T.

2. Напряжение помех U_п(t) на интервале интегрирования T имеет переменную /флуктуирующую около нуля/ составляющую с математическим ожиданием M[U_п(t)] = 0.

3. Выполняют условие

где T - интервал интегрирования.

Заявленный способ позволяет осуществить прием сигналов при отношении сигнал/помеха <<1, что доказывает достижение поставленной цели - повышение помехозащищенности приема сигналов.

Получен новый технический результат - повышена скорость передачи сигналов до 50 или 100 Бод.

Формула изобретения

Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, в соответствии с которым в пункте передачи преобразуют питающее напряжение U(t) промышленной частоты F в ток сигнала обратной последовательности, на частоте f₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₂, где f₂ - f₁ = 2F, преобразуют токи сигнала прямой и обратной последовательности в напряжения U₁(t) и U₂(t) той же частоты и сдвигом фаз ϕ_o+Δϕ₁(t) и ϕ_o+Δϕ₂(t) соответственно, где ϕ_o - начальная фаза в пункте передачи, а Δϕ₁(t) и Δϕ₂(t) - набег фаз в пункте приема, перемножают U₁(t) и U₂(t), выделяют путем фильтрации напряжение разностной частоты U_р(t), формируют напряжение U_г(t) с частотой f_г >> F, перемножают U_р(t) и U_г(t), выделяют путем фильтрации напряжение первой суммарной частоты 2F + f_г, преобразуют питающее напряжение в напряжение U₃(t) с частотой 2F, перемножают напряжения U_г(t) и U₃(t), выделяют путем фильтрации напряжение U_Σ2(t) второй суммарной частоты 2F + f_г, перемножают U_Σ1(t) и U_Σ2(t), из полученного напряжения выделяют путем фильтрации постоянную составляющую U_с, интегрируют постоянную составляющую в интервале Т, где при этом начало и конец интервалов передачи сигнала интегрирования соответствуют моментам перехода питающего напряжения U(t) через ноль в пунктах передачи и приема.

РИСУНКИ

Рисунок 1