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 без обработки ее высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости и скорости передачи сигналов до 50 или 100 Бод. В предложенном способе используются синхронное детектирование сигналов с применением интегрирования, начало и конец которого определяются характерными точками, которыми являются моменты времени перехода общего питающего напряжения через ноль одной из фаз сети 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 высокочастотными заградителями, при этом передачу и прием сигналов производят на стороне 0,38 кВ.

Наиболее близким к заявленному способу является способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в патенте на изобретение N 2061256, 1996 г. (прототип). Данному способу присущи недостатки.

Заявленный способ решает задачу повышения помехоустойчивости приема сигналов и достижения нового технического результата - повышение скорости передачи сигналов до 50 или 100 Бод.

В заявленном способе в пункте передачи преобразуют питающее напряжение U(t) промышленной частоты F соответственно в трехфазные токи обратной последовательности I₂(f₁) на частоте f₁ и прямой последовательности I₁(f₂) на частоте f₂, передают эти токи по сети в пункт приема, где преобразуют их соответственно в трехфазные напряжения обратной последовательности на частоте f₁ и прямой последовательности на частоте f₂, преобразуют в пункте приема и U₁(f₂) соответственно в напряжения U₁(t) = U_m1cosW₁t и U₂(t)=U_m2cosW₂t, перемножают U₁(t) и U₂(t), выделяют путем фильтрации напряжение U₀(t) = U_m0cosW₀t, W₀ = 2П(f₁+f₂); f₂-f₁ = 2F; f₁ = nF; f₂ = (n+2)F; n≥10 - натуральное число, преобразуют в пункте приема U(t) в напряжение гетеродина U_г(t) = U_шгcosW_гt, W_г = W₀, перемножают U₀(t) и U_г(t), выделяют путем фильтрации постоянную составляющую U_n, интегрируют U_n в интервале времени 0 ≅ t ≅ T, T = 0,02 с при скорости передачи сигналов 50 Бод и T = 0,01 с при скорости передачи сигналов 100 Бод, при этом, начало и конец, соответственно операций передачи сигналов и интегрирования, соответствуют единым моментам времени перехода питающего напряжения U(t) через ноль одной из фаз сети в пунктах передачи и приема, при этом выполняют условие: T >> 1/f₁+f₂.

Повышение помехозащитности 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 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 0 ≅ t ≅ T в характерных точках, соответствующих единым моментам времени перехода питающего напряжения одной из фаз через ноль в пунктах передачи и приема.

Система (чертеж), реализующая заявленный способ, содержит в пункте передачи синхронизатор 1, передатчик пассивно-активного типа 2, трехфазную электрическую сеть 3, фильтр симметричных составляющих (ФСС) обратной последовательности 4, ФСС прямой последовательности 5, умножитель 6, широкополосный фильтр (ШПФ) 7, преобразователь 8, узкополосный фильтр (УПФ) 9, фазовращатель (ФВ) 10, умножитель 11, фильтр нижних частот (ФНЧ) 12, интегратор 13, синхронизатор 14, ФВ 15.

Система работает следующим образом: Синхронизатор 1 формирует в пункте передачи импульсы в моменты перехода питающего напряжения U(t) одной из фаз сети, для частного случая фаза A - "земля" через ноль. Импульсы следуют с периодом T = 0,02 с при скорости передачи сигналов 50 Бод и T = 0,01 с при скорости передачи сигналов 100 Бод.

Начало и конец передачи сигналов совпадает с моментами перехода питающего напряжения U(t) через ноль. При работе передатчика пассивно-активного типа 2 в его фазных проводах A, B, C образуют следующие трехфазные токи сигнала: и или другой форме записи: i_A(t) = I_mcosW₁t-cos(W₂t+180) i_B(t) = I_mcos(W₁t+120)-cos(W₂t+60) i_C(t) = I_m(cosW₁t+240)-cos(W₂t-60), где I_m - амплитудное значение тока. W₁ = (W_c-Л); W₂ = (W_c + Л); W_c = 2Пf_c; Л = 2ПF; f₁ = f_c-F; f₂ = f_c+F; f_c = f₁+f₂/2; П = π = 3,14, W_с - частота запуска передатчика 2.

Эти токи образуют на входах ФСС 4 и ФСС 5 напряжения: U₂(f₁) и или в другой форме записи:
U_A(t) = U_mcosW₁t-cos(W₂t+180)
U_B(t) = U_mcos(W₁t+120)-cos(W₂t+60)
U_C(t) = U_mcos(W₁t+240)-cos(W₂t-60), (2)
где U_m - амплитуда напряжения.

На выходе ФСС 4 обратной последовательности, который реагирует только на первые члены (2), обратное чередование фаз ABC имеют:
U₁(t) = U_m1cosW₁t, (3)
где U_m1 - амплитуда напряжения.

На выходе ФСС 5 прямой последовательности, который реагирует только на вторые члены (2), прямое чередование фаз ABC имеют:
U₂(t) = U_m2cosW₂t, (4)
где U_m2 - амплитуда напряжения.

Напряжения U₁(t) и U₂(t) подают на выход умножителя 6. Известно, что при подаче на вход умножителя двух напряжений с разными частотами W₁ и W₂ на его выходе имеют:
U₆(t) = K₁U_m1cos(W₂-W₁)t + K₂U_m2cos(W₂+W₁)t, (5)
где K₁ и K₂ - коэффициенты преобразования умножителя 6. ШПФ - 7 выделяет второй член напряжения (6) с частотой W₀ = W₁ + W₂.

Ширину полосы пропускания Δ F ШПФ - 7 выбирают из условия скорости передачи сигналов:
ΔF = 2/t, (6)
где τ - длительность радиоимпульса. Таким образом, при скорости 50 Бод - τ = 0,02 с,
ΔF(50 Бод) = 2/0,02 = 100 Гц,
при скорости 100 Бод - τ = 0,01 с
ΔF(100 Бод) = 2/0,01 = 200 Гц,
Напряжение на выходе ШПФ - 7 равно:
U₀(t) = U₇(t) = U_m0cosW₀t, (7)
где W₀ = 2П(f₁+f₂); f₁ = nF; f₂ = (n+2)F; n ≥ 10 - натуральное число. U_m0 - амплитуда напряжения, П = π.

Выполняют условие:
T >> 1/f₁+f₂. (8)
Напряжение U₀(t) подают на первый вход умножителя 11.

Рассмотрим операции формирования напряжения гетеродина для частного случая, когда n - нечетное число. Преобразователь 8 преобразует синусоидальное напряжение U(t) в напряжение типа "меандр", которое можно математически выразить в координатах:
Ось y - U₈(t)
Ось x - t
U₈(t) = 2U_m8 (0 ≅ t ≅ T/4)
U₈(t) = 0 (T/4 ≅ T/2), (9)
где T = 0,02 с - период частоты F; 2U_m8 - максимальное значение "меандра".

Разложив в ряд Фурье (9), имеют:
U₈ (t) = U_m8 + U_m84/П(cosЛt - 1/3cos3Лt ... + 1/5cos5Лt - ... 1/ncosnЛt). (10)
Выражение (10) имеет напряжение постоянной составляющей и набор напряжений с частотами, кратными нечетным гармоникам Л, 3Л, 5Л ... nЛ.

УПФ 9 выделяют напряжение с заданной нечетной гармоникой n частоты Л = 2ПF, которое является напряжением гетеродина. П = π.

Примечание: полоса пропускания УПФ 9 не зависит от скорости передачи сигналов, то для технической реализации достаточно задать Δ F ≅ 20 Гц.

U_г(t) = U₉(t) = U_mгcosW_гt, (11)
где W_г = W₀ = nЛ, U_mг - амплитуда напряжения.

Фазовые набеги в системе устраняют ФВ 10. Напряжение U_г(t) подают на второй вход умножителя 11.

Известно, что при подаче на входы умножителя двух напряжений с одинаковыми частотами и фазами на его выходе имеют:
U₁₁(t) = U_m0K₃cosW₀t + U_m0K₄cos2W₀t + U_m0K₄, (12)
где K₃ и K₄ - коэффициенты преобразования умножителя 11.

ФНЧ 12 выделяют из (12) напряжение постоянной составляющей _n K₄.

U_n = U₁₂ = U_m0K₄. (13)
Примечание: частоту среза f_ср ФНЧ 12 для скорости 100 Бод выбирают из условия:
F_ср= 1/τ = 1/0,01 = 100 Гц,
где τ - длительность импульса.

Это напряжение подают на первый вход интегратора 13. На его второй вход подают импульсы синхронизатора 14, причем с помощью ФВ 15 получают одновременное следование этих импульсов с импульсами синхронизатора 1. Частоту W_с запуска передатчиков пассивно-активного типа 2 формируют из частоты F аналогично с формированием частоты гетеродина.

Докажем выполнение неравенства (8) при n_min = 10; T = 0,01 с (скорость передачи сигналов 100 Бод), f₁ = nF = 500 Гц, f₂ = (n+2)F = 600 Гц. При этом, неравенство (8) будет иметь вид:
0,01 >> 1/500 + 600,
т.е. оно удовлетворяется более 10 раз, что вполне допустимо.

Повышение помехозащитности при приеме сигналов обеспечивают следующим образом:
1. Напряжение U_n на входе интегратора 13 является однополярным на интервале времени интегрирования 0 ≅ t ≅ T.

2. Напряжение помех U_помех(t) на интервале времени интегрирования 0 ≅ t ≅ T имеет переменную (флуктуирующую около нуля) составляющую с математическим ожиданием:
M/U_помех(t)/ = 0.

3. Выполняют условие:
T >> 1/f₁+f₂.

Возможность приема сигналов при отношении сигнал/помеха меньше, чем в прототипе, 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 трехфазные токи сигнала обратной последовательности на частоте f₁ и токи сигнала прямой последовательности на частоте f₂, передают эти токи по сети в пункт приема, где преобразуют их соответственно в трехфазные напряжения обратной последовательности на частоте f₁ и прямой последовательности на частоте f₂, отличающийся тем, что преобразуют в пункте приема и соответственно в напряжения U₁(t) = U_m1cosW₁t и U₂(t) = U_m2cosW₂t, где U_m1 и U_m2 - амплитуды напряжений, W₁ = (W_c - Ω); W₂ = (W_c + Ω); W_c = 2Пf_c; Ω = 2ПF; f₁ = (f_c - F); f₂ = (f_c + F); ; W_c - частота запуска передатчика пассивно-активного типа, перемножают U₁(t) и U₂(t), выделяют путем фильтрации напряжение U_o(t) = U_mocosW_ot, где W_o = 2П(f₁ + f₂); U_mo - амплитуда напряжения, (f₂ - f₁) = 2F; f₁ = nF; f₂ = (n + 2)F; n ≥ 10 - натуральное число, преобразуют в пункте приема питающее напряжение U(t) частоты F в напряжение гетеродина _г(t) = U_mгcosW_гt, где U_mг - амплитуда напряжения, W_г = W_o; П = π, перемножают напряжения U_o(t) и U_г(t), выделяют путем фильтрации постоянную составляющую U_n, интегрируют U_n в интервале времени 0 < t < T, T = 0,02 С при скорости передачи сигналов 50 Бод и Т = 0,01 с при скорости передачи сигналов 100 Бод, при этом начало и конец соответственно операций передачи сигналов и интегрирования соответствуют единым моментам времени перехода питающего напряжения U(t) через ноль одной из фаз сети в пунктах передачи и приема, при этом выполняют условие Т >> 1/f₁ + f₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1