Система сбора данных по распределительной электросети переменного тока
Изобретение относится к технике электросетевой связи и может быть использовано в системах автоматического сбора данных со счетчиков расхода электроэнергии, тепла, воды, газа и т.п. Техническим результатом является значительное упрощение внутреннего устройства подчиненных узлов и увеличение помехоустойчивости системы. Данный результат достигается за счет использования моментов пересечения нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения сети в качестве событий символьной синхронизации. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технике сбора данных и связи по распределительным электросетям переменного тока и может быть использовано для низкоскоростного сбора данных с удаленных датчиков (электросчетчики, счетчики расхода воды, тепла и т.п.) и/или управления удаленными оконечными устройствами (лампы уличного освещения, устройства отключения и проч.).
Известна система сбора данных по электросети переменного тока (патент США №6021137, кл. H 04 J 013/02 от 14.02.1997 г.), в которой главный узел системы сбора данных излучает т.н. широкополосный сигнал опроса, одновременно принимаемый и распознаваемый всеми подчиненными узлами системы, в ответ на который подчиненные узлы начинают поочередно передавать свои данные. Основным недостатком данной системы является отсутствие событий символьной синхронизации, единых для всех узлов сети, так что подчиненным узлам приходится непрерывно и в реальном масштабе времени производить сложную цифровую обработку входного напряжения в поисках начального сегмента широкополосного сигнала опроса. Это обстоятельство предъявляет высокие требования к вычислительной производительности аппаратного обеспечения подчиненных узлов, что существенно усложняет и удорожает их практическую реализацию.
Заявленное изобретение решает задачу создания помехоустойчивой и недорогой системы сбора данных, которая могла бы собирать данные от большого количества подключенных к электросети переменного тока низкоскоростных датчиков, таких как, например, счетчики электроэнергии, расхода воды, тепла и т.п.
Техническим результатом является значительное упрощение внутреннего устройства подчиненных узлов и увеличение помехоустойчивости системы. Указанный технический результат при осуществлении данного изобретения достигается тем, что каждый узел системы сбора данных имеет в составе своего аппаратного обеспечения компаратор с гистерезисом, причем опорный вход компаратора подключен к первому проводу силовой сети, а сигнальный вход компаратора подключен ко второму проводу силовой сети. Моменты переключения состояния компаратора используются в качестве событий символьной синхронизации, т.е. служат для данного узла сигналом начала передачи или приема очередного бита, либо просто приводят к увеличению на единицу содержимого внутреннего счетчика полупериодов сетевого напряжения данного узла.
Общей характеристикой таких источников информации как счетчики расхода электроэнергии, тепла, воды, газа и т.п. является очень небольшое количество информации, порождаемой ими в течение суток. Так, например, показания типового однотарифного однофазного электросчетчика, как правило, считываются всего один раз в месяц при расчетах за электричество. Ясно, что средняя скорость, с которой подобный счетчик порождает информацию, крайне мала (примерно 6 десятичных цифр в месяц), так что использование обычных средне- и низкоскоростных модемов для силовой сети (со скоростями передачи единицы килобит или даже сотни бит в секунду) для сбора столь медленно меняющихся данных является глубоко излишним и заведомо приведет к тому, что система сбора данных, построенная на их основе, окажется излишне сложной и будет иметь недостаточно высокие показатели помехоустойчивости по сравнению с теоретически возможными. Система сбора данных (фиг.1) состоит из одного главного узла 1 и нескольких подчиненных узлов 2, все узлы системы подключены к электрически одному и тому же сегменту силовой сети 3. Внутреннее устройство и главного и подчиненных узлов очень похоже и включает в себя следующие общие элементы: блок защиты и сопряжения сигналов 4, полосовой фильтр 5, аналого-цифровой преобразователь 6, фильтр низкой частоты 7, цифроаналоговый преобразователь 8, компаратор с гистерезисом 9, вход прерывания 10. Отличие заключается в том, что главный узел системы включает в себя блок памяти 11, блок внешнего интерфейса 12, мощный процессор цифровой обработки сигналов 13 и канал связи 14, а более простой и дешевый подчиненный узел целиком выполнен на универсальном микроконтроллере 15, который через канал связи 16 получает от местного датчика данные, предназначенные для передачи в главный узел. Рабочий диапазон частот системы - 20...95 кГц.
На чертежах представлены материалы, поясняющие реализацию системы сбора данных по распределительной электросети переменного тока и образующуюся на ее основе систему связи.
Система сбора данных работает следующим образом (фиг.1, 2). Компараторы 9 выделяют моменты, когда сетевое напряжение 17 становится равным нулю 18, формируя, таким образом, практически синхронную для всей системы последовательность меток времени 19, которая служит для целей первичной (битовой) синхронизации узлов друг с другом. Главный узел системы строго периодически излучает длинный синхросигнал 20, который принимается и распознается всеми подчиненными узлами системы одновременно. Последовательные сигналы синхронизации 20 перемежаются интервалами передачи данных 21, в течение которых главный узел системы работает только на прием, а подчиненные узлы в режиме разделения времени передают ему свои данные, по одному биту в ответ на каждый сигнал синхронизации, причем подчиненный узел с первым номером передает свои данные 22 в первом же битовом сегменте интервала передачи данных, подчиненный узел со вторым номером передает свои данные 23 во втором битовом сегменте, подчиненный узел с третьим номером передает свои данные 24 в третьем битовом сегменте и так далее. Полная длительность интервала передачи данных выбирается такой, чтобы все подчиненные узлы системы успели передать свой очередной бит данных. Сигнал синхронизации и интервал передачи данных вместе составляют один кадр обмена 25. Для модуляции передаваемого главным узлом системы 1 сигнала синхронизации 20 используется метод модифицированной относительной фазовой модуляции (фиг.3). Сигнал синхронизации 20 формируется цифровым сигнальным процессором главного узла системы 13 сначала в цифровом виде, затем преобразуется в ступенчатое напряжение в ЦАП 8, сглаживается в фильтре нижних частот 7 и через узел сопряжения 4 подается в силовую сеть 3.
На фиг.1 изображена блок-схема системы сбора данных.
На фиг.2 изображена общая структура обмена системы сбора данных.
На фиг.3 представлены подробности способа модуляции сигнала временной синхронизации, излучаемого главным узлом системы.
Для модуляции передаваемого главным узлом системы 1 сигнала синхронизации 20 используется метод модифицированной относительной фазовой модуляции (фиг.3). Сигнал синхронизации состоит при этом из большого количества битовых интервалов, в течение которых главный узел системы передает уникальную 256-битную синхропоследовательность, причем каждый бит передается в течение одного полупериода сетевого напряжения и кодируется четырьмя передаваемыми последовательно отрезками (чипами) синусоидального колебания 26-29, причем передаваемые данные кодируются последовательностью начальных фаз всех четырех чипов. Логический ноль передается последовательностью начальных фаз {0°, 90°, 0°, 90°}, а логическая единица - последовательностью {0°, 90°, 180°, 270°}. Такой вид модуляции, хотя и является энергетически менее эффективным, чем традиционный двухчиповый, имеет то преимущество, что позволяет вдвое сократить вычислительные расходы приемника на прием и демодуляцию сигнала, т.к., в отличие от традиционной схемы, в данном случае отпадает необходимость в поддержании двух одновременно действующих каналов обработки сигнала - прямого и квадратурного. Расширение спектра синхросигнала достигается путем использования 8-кратного циклического переключения частоты передачи отдельных битов по линейному закону, при этом частоты передачи выбираются таким образом, чтобы они, во-первых, отстояли друг от друга на равные интервалы, а во-вторых, максимально равномерно заполняли бы рабочий диапазон частот системы. Таким образом, первый бит синхросигнала передается на первой, самой низкой и известной всем подчиненным узлам частоте, второй бит - на второй, известной всем подчиненным узлам частоте и т.д. до последней самой высокой восьмой частоты, после чего последовательность переключения частот повторяется еще 31 раз, в результате чего все 256 бит синхропоследовательности оказываются переданными с использованием практически всего рабочего диапазона частот. Битовый приемник подчиненного узла работает следующим образом. Сигнал синхронизации из силовой сети 3 проходит через узел сопряжения 4, полосовой фильтр 5, оцифровывается АЦП 6 и считывается микроконтроллером 15 через равные интервалы времени, в точности соответствующие половине периода той частоты, на которую приемник в данный момент настроен. Далее нечетные выборки АЦП добавляются микроконтроллером к содержимому сигнального аккумулятора, а четные из него вычитаются. В конце каждого из чипов принимаемого битового сигнала синхронизации содержимое сигнального аккумулятора запоминается, а сам аккумулятор обнуляется. Таким образом, после завершения последнего, четвертого чипа, в памяти микроконтроллера оказываются четыре числа: Xi, Yi, Xa, Y2. Легко видеть, что взятые попарно эти числа являются проекциями векторного представления сигнала местного гетеродина приемника (подчиненного узла) на квадратурные оси гетеродина передатчика (главного узла). При этом, если главный узел системы в данном битовом интервале передавал '0', то векторы {Xi, Yi} и {X2, Y2} будут направлены в одну сторону, а если была передана Т, то в противоположные. Приемник подчиненного узла завершает процесс битовой демодуляции умножением вектора {Xi, Yi} на сопряженный вектор {X2, Y2} в комплексной плоскости с последующим определением знака реальной части произведения, которая в данном случае будет равна просто XiXa-Y1Y2. Если вычисленный таким образом знак реальной части произведения положительный - то был передан '0', а если отрицательный - то была передана '1'. Частота, с которой микроконтроллер делает выборки из входного сигнала и которая равна удвоенной частоте принимаемого сигнала, меняется от бита к биту по тому же самому циклическому закону, что и на стороне передатчика главного узла системы. Демодулированные приемником биты синхросигнала поступают затем в 256-битовый последовательный регистр сдвига типа "первый вошел - последний вышел", содержимое которого каждый раз после поступления в него очередного бита сравнивается с известной приемнику синхропоследовательностью, и если количество совпадений превысит определенный, заранее заданный уровень, величина которого выбирается по заданной вероятности ложных тревог в шумах, то приемник считает синхросигнал обнаруженным. При этом для каждого следующего битового интервала приемник линейно меняет частоту свой настройки (частотная развертка) в соответствии с ожидаемой частотой передачи следующего бита передатчиком главного узла системы. При этом описанный механизм работы приемника позволяет обнаруживать не только сам синхросигнал, но и факт его модуляции. Например, в простейшем случае главный узел может передавать синхросигнал, соответствующий либо прямой синхропоследовательности, либо инверсной, т.е. такой в которой все нули заменены единицами и наоборот. В этом случае приемник одновременно с количеством совпадений Р подсчитывает также количество несовпадений N между содержимым регистром сдвига и известной ему прямой формой синхропоследовательности. Если либо Р либо N превышает заранее заданный порог обнаружения, то приемник считает, что синхропоследовательность была обнаружена и одновременно с этим главный узел передал всем подчиненным узлам бит '0' или '1', соответственно. Приемник подчиненного узла имеет два основных режима работы - режим поиска синхросигнала и режим соединения. В режим поиска он переходит сразу же после включения питания, главное назначение этого режима заключается в установлении кадрового синхронизма между подчиненными узлами и главным узлом системы. Собственно сам приемник подчиненного узла во всех своих режимах работает практически одинаково, разница заключается лишь в том, что в режиме поиска приемник работает непрерывно, периодически меняя начальную фазу своей частотной развертки вплоть до того момента пока она не совпадет с начальной фазой частотной развертки передатчика главного узла и не будет принят первый синхросигнал, после чего передатчик подчиненного узла начинает периодически срабатывать, передавая по одному биту на каждый интервал передачи данных 21, а приемник подчиненного узла переходит в режим соединения и включается теперь только для того, чтобы подтвердить ожидаемое наличие синхросигнала 20 в начале очередного кадра 25. Свои данные, которые содержат информацию о состоянии удаленного датчика, полученные подчиненным узлом по каналу связи 16, передатчик подчиненного узла передает в виде пакетов длиной 64 бита, по одному биту в каждом из кадров 25. Пакеты передаются непрерывно, друг за другом без пауз. Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не известны технические решения, в которых вместо сигнала опроса удаленных датчиков используется необязательно всегда присутствующий сигнал временной синхронизации, излучаемый главным узлом системы или другим, специально выделенным устройством.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области электросетевой связи, а именно в системах сбора данных от удаленных датчиков;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеизложенных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
1. Система сбора данных по распределительной электросети переменного тока, включающая в себя один главный узел и несколько подчиненных узлов, в которой главный узел излучает синхросигнал заранее известного вида, состоящий из одного или нескольких символов, который одновременно принимается всеми подчиненными узлами, отличающаяся тем, что в качестве событий символьной синхронизации все узлы системы используют моменты пересечения нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения электросети, а главный узел излучает вышеуказанный синхросигнал строго периодически, через равные интервалы времени, при этом подчиненный узел с номером N передает свои данные в течение N-го полупериода основного напряжения сети, считая от момента окончания синхросигнала.
2. Система сбора данных по п.1, отличающаяся тем, что в случае временного отсутствия синхросигнала, подчиненные узлы продолжают передавать данные в пределах "своих" полупериодов основного напряжения сети, рассчитывая их временное положение по величине известного им периода излучения синхросигнала.
3. Система сбора данных по любому из пп.1, 2, отличающаяся тем, что источником синхросигнала является не главный узел системы, а отдельное от него устройство.
4. Система сбора данных по любому из пп.1, 2, 3, отличающаяся тем, что синхросигнал подвергают модуляции и используют также для широковещательной передачи данных от главного узла к подчиненным.
5. Система сбора данных по любому из пп.1, 2, 3, отличающаяся тем, что все сигналы, излучаемые главным и подчиненными узлами, имеют длительность, равную 1/3 полупериода сетевого напряжения, и центрированы относительно моментов пересечения нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения электросети.
