Способ формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов при передаче информации по трехфазной электрической сети переменного тока

Изобретение относится к системам и методам передачи информации по линиям электроснабжения и предназначено для использования в системах тревожной сигнализации или в системах автоматического сбора данных от удаленных датчиков. При передаче информации по трехфазной электрической сети переменного тока в выбранной фазе электрической сети определяют моменты перехода основной гармоники сетевого напряжения через ноль с производной одного и того же знака. В эти моменты формируют метки времени. Далее осуществляют обмен кодовыми сообщениями между фазами электрической сети переменного тока. Измеряют промежуток времени между началами двух последних сформированных меток времени. Запоминают величину этого промежутка времени. Получают результирующую последовательность синхронизирующих импульсов путем формирования по окончании каждого запомненного промежутка времени трех синхронизирующих импульсов, первый из которых начинается непосредственно по окончании запомненного промежутка времени, второй - спустя третью часть запомненного промежутка времени после начала первого синхронизирующего импульса и третий - спустя третью часть запомненного промежутка времени после начала второго синхронизирующего импульса. Обмен сообщениями между фазами электрической сети переменного тока осуществляют с использованием приемо-передающих устройств, выполненных с возможностью приема и/или передачи кодовых сообщений по фазам электрической сети переменного тока. Кроме того, обмен кодовыми сообщениями между фазами электрической сети переменного тока осуществляют с использованием идентичных реактивных связующих устройств, включенных между фазами электрической сети переменного тока. Изобретение позволяет упростить построение и монтаж систем тревожной сигнализации или передачи данных для территориально удаленных объектов. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к методам и системам передачи информации (СПИ) по линиям электроснабжения и предназначено для использования в системах тревожной сигнализации, в системах автоматического сбора данных от удаленных датчиков (например, от счетчиков расхода электроэнергии, тепла, воды или газа), а также в других системах, в которых допустима относительно невысокая скорость передачи информации, а роль транспортной среды играют линии электроснабжения.

Известны способ и система сбора данных по силовой электрической сети переменного тока, описанные в патентах RU №2246136, G 08 В 25/06, Н 04 В 3/54 и RU №2247475, Н 04 L 27/18, G 08 B 25/06. Указанная система содержит один главный узел и несколько подчиненных узлов. Известный способ состоит в том, что с помощью главного узла излучают синхросигнал заранее известного вида, состоящий из одного или нескольких символов, который принимают одновременно все подчиненные узлы. Главный узел излучает вышеуказанный синхросигнал строго периодически через равные интервалы времени, а подчиненный узел с любым номером N передает свои данные в течение N-го полупериода основного напряжения сети, считая с момента окончания синхросигнала.

Недостатком описанных выше технических решений является то, что объектом их применения является только однофазная силовая электрическая сеть, тогда как на практике используются, в основном, силовые трехфазные электрические сети.

Известна СПИ, использующая в качестве транспортной среды для передачи информации силовую трехфазную электрическую сеть (US №4668934, Н 04 М 11/04). Все три фазы в указанной силовой трехфазной электрической сети с помощью реактивных связующих устройств объединены в единую коммуникационную среду, а приемник выполнен с возможностью отбора для демодуляции наиболее сильного сигнала. Благодаря этому обеспечивается более высокая помехоустойчивость указанной системы по сравнению с другими аналогами.

Недостатком указанной СПИ является то, что при подключении подчиненных устройств к различным фазам силовой трехфазной электрической сети в этих устройствах возникает фазовый сдвиг между моментами символьной синхронизации, обусловленный наличием разности фаз в 120(между основными гармониками сетевого напряжения в соседних фазах.

Этот недостаток устраняется в способе передачи цифровой информации по силовой электрической сети и системе для его реализации, разработанных компанией Schlumberger Industries, Inc., USA и защищенных патентом US №4968970, Н 04 М 11/04. Данный способ является ближайшим по технической сущности к заявляемому и выбран в качестве прототипа настоящего изобретения.

В способе-прототипе для компенсации фазового сдвига используется введение в подчиненные узлы петли фазовой автоподстройки. Однако такое техническое решение предъявляет повышенные требования к вычислительной производительности аппаратного обеспечения подчиненных узлов, что существенно усложняет и удорожает реализацию всей системы.

Предметом настоящего изобретения является способ формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов при передаче информации по трехфазной электрической сети переменного тока, при котором в выбранной фазе электрической сети определяют моменты перехода основной гармоники сетевого напряжения через ноль с производной одного и того же знака и формируют в эти моменты метки времени, - при этом осуществляют обмен кодовыми сообщениями между фазами электрической сети переменного тока, измеряют промежуток времени между началами двух последних сформированных меток времени, запоминают величину этого промежутка времени и получают результирующую последовательность синхронизирующих импульсов путем формирования по окончании каждого запомненного промежутка времени трех синхронизирующих импульсов, первый из которых начинается непосредственно по окончании запомненного промежутка времени, второй - спустя третью часть запомненного промежутка времени после начала первого синхронизирующего импульса и третий - спустя третью часть запомненного промежутка времени после начала второго синхронизирующего импульса.

Частными существенными признаками изобретения являются следующие.

Обмен кодовыми сообщениями между фазами электрической сети переменного тока осуществляют с использованием приемо-передающего устройства, выполненного с возможностью приема и/или передачи кодовых сообщений по фазам электрической сети переменного тока.

Обмен кодовыми сообщениями между фазами электрической сети переменного тока осуществляют с использованием идентичных реактивных связующих устройств, включенных между фазами электрической сети переменного тока.

В качестве реактивных связующих устройств используют конденсаторы.

В качестве реактивных связующих устройств используют индуктивно-емкостные реактивные связующие устройства, каждое из которых имеет два фазных вывода, подключенных к проводникам соответствующих фаз, и нулевой вывод, подключенный к нейтрали электрической сети переменного тока.

Каждое индуктивно-емкостное реактивное связующее устройство содержит один параллельный и два последовательных LC-резонансных контура, при этом первые выводы последовательных LC-резонансных контуров являются фазными выводами данного индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства, вторые выводы последовательных LC-резонансных контуров соединены друг с другом и подключены к первому выводу параллельного LC-резонансного контура, второй вывод которого является нулевым выводом данного индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства.

Задачей изобретения является создание технологии формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов при передаче информации по трехфазной электрической сети переменного тока. При этом указанная результирующая последовательность синхронизирующих импульсов должна обеспечивать относительно недорогими средствами автоматический сбор данных от множества удаленных датчиков, подключенных к силовой трехфазной электрической сети переменного тока, а передача информации осуществлялась бы при этом с достаточно высокой помехоустойчивостью.

Обеспечиваемый технический результат заключается в возможности значительного упрощения построения и монтажа СПИ на территориально распределенных объектах.

Суть изобретения поясняется на фиг.1 - фиг.5.

Фиг.1 поясняет принцип формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов для трехфазной электрической сети переменного тока.

На фиг.2 представлена структурная схема первого варианта построения системы, реализующей заявленный способ.

На фиг.3 представлена структурная схема второго варианта построения системы, реализующей заявленный способ.

На фиг.4 представлена структурная схема третьего варианта построения системы, реализующей заявленный способ.

На фиг.5.1-5.4 представлены четыре варианта реализации индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства.

На представленных чертежах использованы следующие обозначения: 1 - коммуникационное устройство; 2 - компаратор; 3 - формирователь импульсов; 4 - приемо-передающее устройство; 5 - реактивное связующее устройство.

Варианты (фиг.2 - фиг.4) структурных схем различных систем, реализующих рассматриваемый способ, отличаются друг от друга методами подключения коммуникационного устройства 1 к трехфазной электрической сети переменного тока. В то же время, любая из этих систем предусматривает формирование напряжения питания коммуникационного устройства 1 от одной (выбранной) фазы силовой трехфазной электрической сети. Во всех рассматриваемых вариантах (фиг.2 - фиг.4) структурных схем такой "выбранной фазой" условно считается некоторая "первая" фаза силовой трехфазной электрической сети.

В первом варианте (фиг.2) структурной схемы построения системы коммуникационное устройство 1 содержит последовательно соединенные компаратор 2, формирователь 3 импульсов и приемо-передающее устройство 4, три выхода которого подключены, соответственно, к первой, второй и третьей фазам электрической сети. Нейтраль трехфазной электрической сети переменного тока соединена с землей и с земляным входом коммуникационного устройства 1. Инвертирующий вход компаратора 2 подключен к проводнику первой "выбранной" фазы трехфазной электрической сети переменного тока и к первому выходу приемо-передающего устройства 4. Неинвертирующий вход компаратора 2 соединен с землей.

Второй вариант (фиг.3) структурной схемы построения системы отличается от первого варианта (фиг.2) структурной схемы построения системы наличием между проводниками первой и второй фаз, второй и третьей фаз, первой и третьей фаз реактивных связующих устройств 5.

Третий вариант (фиг.4) структурной схемы построения системы отличается от второго варианта (фиг.3) структурной схемы построения системы тем, что приемо-передающее устройство 4 использует (или имеет) только один выход, подключенный к первой (выбранной) фазе трехфазной электрической сети переменного тока.

Формирователь 3 импульсов, входящий в состав коммуникационного устройства 1, может быть реализован путем использования микросхемы микроконтроллера MSP430F1xx, серийно выпускаемого компанией Texas Instruments (США).

Компаратор 2, также входящий в состав коммуникационного устройства 1, может быть получен, например, путем использования микросхемы LM393, серийно выпускаемой фирмой National semiconductor (США). Для получения требуемого компаратора 2 (компаратора с гистерезисом, устойчивого к действию входных шумов) вход "-" этой микросхемы через резистор 1 МОм должен быть подключен к фазному проводнику электрической сети, а вход "+" микросхемы LM393 через резистор 10 кОм - к земляному проводу (к нейтрали трехфазной электрической сети переменного тока). Кроме того, выход микросхемы LM393 должен быть подключен: через резистор 1 кОм к шине питания коммуникационного устройства 1 и через резистор 100 кОм ко входу "+" микросхемы LM393.

В качестве компаратора 2 также может использоваться компаратор, интегрированный в микросхему микроконтроллера MSP430Flxx, серийно выпускаемого компанией Texas Instruments (США). Как было указано выше, эта микросхема используется в составе формирователя 3 импульсов.

Приемо-передающее устройство 4, входящее в состав коммуникационного устройства 1, серийно выпускается предприятием-заявителем (например, каталог "Системы радиосвязи", "Альтоника", 2004/2005). Это приемо-передающее устройство 4 предназначено для подключения как к силовой однофазной, так и к силовой трехфазной электрической сети переменного тока.

Реактивные связующие устройства 5, входящие в количестве трех штук в состав второго (фиг.3) и третьего (фиг.4) вариантов системы, могут быть емкостными или индуктивно-емкостными. Однако в каждой из этих систем все три реактивных связующих устройства 5 должны иметь идентичные характеристики и полностью совпадающие схемы. Реактивные связующие устройства 5 предназначены для обеспечения обмена информацией между различными фазами трехфазной электрической сети переменного тока, не допуская перетекания высокого фазного напряжения.

В простейшем случае емкостное реактивное связующее устройство 5 может представлять собой высоковольтный конденсатор (например, серии К73-17).

Возможные варианты построения индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства 5 с использованием двух последовательных и одного параллельного LC-резонансных контуров показаны на фиг.5.1 - фиг.5.4.

В каждом из этих вариантов к различным фазам трехфазной электрической сети переменного тока подключаются выводы последовательных контуров, а к нейтрали трехфазной электрической сети переменного тока - один из выводов параллельного контура, другой вывод которого подключается к свободным выводам последовательных контуров (фиг.5.1 - фиг.5.4).

Индуктивно-емкостное реактивное связующее устройство 5 представляет собой фильтр, обладающий частотной избирательностью. При соответствующем подборе значений емкостей и индуктивностей сопротивление реактивного связующего устройства 5 в области частот, на которых осуществляется обмен кодовыми сообщениями, оказывается пренебрежимо малым, и все три фазы трехфазной электрической сети переменного тока превращаются в единую транспортную магистраль для передачи данных от удаленных датчиков. Высокое же фазное напряжение трехфазной электрической сети переменного тока и внеполосные помехи не могут распространиться из одной фазы трехфазной электрической сети переменного тока в другую ее фазу.

В качестве емкостных элементов в индуктивно-емкостных реактивных связующих устройствах 5 могут использоваться высоковольтные конденсаторы (например, серии К.73-17), а в качестве индуктивных элементов могут быть использованы, например, силовые катушки индуктивности, серийно выпускаемые компанией АВС (Тайвань).

Таким образом, во всех вариантах (фиг.2 - фиг.4) построения системы, реализующей заявляемый способ, используются серийно выпускаемые и доступные на коммерческом рынке изделия радиоэлектронной техники. Поэтому возможности практической реализации предлагаемого способа не вызывают сомнения. При этом заявленный способ может быть реализован с помощью различных схемных построений системы, специально указанных на фиг.2 - фиг.4.

Варианты структурных схем (фиг.2 - фиг.4) построения системы, реализующей заявленный способ формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов при передаче информации по трехфазной электрической сети переменного тока, работают следующим образом.

Для рассматриваемой силовой трехфазной электрической сети переменного тока синусоиды переменного тока в соседних фазах смещены друг относительно друга на 120((фиг.1). Моменты пересечения каждой из синусоид нулевого уровня с производной одного и того же знака задают результирующую последовательность синхронизирующих импульсов.

Для любого (фиг.2 - фиг.4) варианта построения системы входящий в состав коммуникационного устройства 1 компаратор 2 фиксирует момент совпадения напряжения, поступающего на его инвертирующий вход, с напряжением на неинвертирующем входе. При этом совпадении учитывается знак производной переменного сигнала. В частности, если неинвертирующий вход компаратора 2 соединен с нейтралью электрической сети, а инвертирующий вход - с выбранной фазой, то компаратор 2 выделяет те моменты, когда основная гармоника сетевого напряжения в выбранной фазе проходит через ноль при возрастании сигнала основной гармоники сетевого напряжения. В эти выделенные моменты времени компаратор 2 формирует метки времени, как это показано на фиг.1.

Метки времени с выхода компаратора 2 поступают в формирователь 3 импульсов. При этом формирователь 3 импульсов измеряет временной интервал между двумя последовательно поступившими метками времени. Этот интервал времени обозначен на фиг.1 литерой Т. Очевидно, что интервал времени Т равен периоду основной гармоники сетевого напряжения. Величина интервала времени Т запоминается в формирователе 3 импульсов. В рассматриваемом способе условно считается, что разница в продолжительности двух идущих подряд периодов основной гармоники сетевого напряжения пренебрежимо мала. Таким образом, период основной гармоники сетевого напряжения, следующий непосредственно после измеренного, можно считать также равным Т.

При поступлении метки времени формирователь 3 импульсов формирует на своем выходе импульс и начинает отсчет первого интервала времени. Как только отсчитываемый первый интервал времени становится равным ¹/₃Т, формирователь 3 импульсов формирует на своем выходе еще один импульс и начинает отсчет второго интервала времени. Как только второй интервал времени становится также равным ¹/₃Т, формирователь 3 импульсов формирует на своем выходе еще один импульс.Таким образом, на выходе формирователя 3 импульсов формируется результирующая последовательность синхронизирующих импульсов, показанная на фиг.1. В этой результирующей последовательности синхронизирующих импульсов начало каждого импульса соответствует переходу через ноль основной гармоники сетевого напряжения в каждой из фаз электрической сети переменного тока при возрастании сигнала. Таким образом, полученная результирующая последовательность синхронизирующих импульсов, представляет собой совокупность фазных импульсов символьной синхронизации с частотой, равной утроенной сетевой частоте.

Схема формирователя 3 импульсов, выполняющая описанную работу, не требует никаких сложных элементов и может быть реализована многими техническими вариантами исполнения. В простейшем случае в состав формирователя 3 импульсов могут входить генератор импульсов, делитель частоты на три и последовательно подключенный к нему первый двоичный счетчик, а также регистр, второй двоичный счетчик и схема совпадения. Первый двоичный счетчик сбрасывается выходными сигналами компаратора 2 (метками времени), а частота выходных сигналов генератора импульсов предварительно делится на три делителем частоты на три и подается на счетный вход первого двоичного счетчика. Таким образом, если период выходных сигналов генератора импульсов равен Δt, а в первом счетчике зафиксировано содержимое М, то с момента прихода последней метки времени прошел промежуток времени, равный 3MΔt. С приходом каждой метки времени, перед сбросом первого двоичного счетчика его содержимое переносится в регистр. Кроме того, метка времени вызывает формирование выходного импульса и сброс второго двоичного счетчика. Второй двоичный счетчик осуществляет счет выходных сигналов генератора импульсов. При каждом совпадении содержимого второго двоичного счетчика и регистра (определяемого с помощью схемы совпадения) происходит очередное формирование выходного импульса формирователя 3 импульсов и сброс второго двоичного счетчика. Такая простая схема легко выполняет все задачи, стоящие перед формирователем 3 импульсов.

Полученная результирующая последовательность синхронизирующих импульсов подается на вход приемо-передающего устройства 4.

Далее работа системы, реализующей заявляемый способ, происходит с определенными отличиями, вызываемыми различной схемной реализацией вариантов системы (фиг.2 - фиг.4).

В первом варианте реализации системы (фиг.2) три выхода приемо-передающего устройства подсоединены к соответствующим фазам силовой трехфазной электрической сети переменного тока. Благодаря этому кодовые сообщения, передаваемые или принимаемые приемо-передающим устройством 4 по различным фазам трехфазной электрической сети переменного тока, "привязываются" к результирующей последовательности синхронизирующих импульсов. Другими словами, все фазы трехфазной электрической сети переменного тока через приемо-передающее устройство 4 реализуют транспортную функцию в единой коммуникационной среде. Соответственно, отпадает необходимость в фазовой автоподстройке частоты. Это существенно упрощает техническую реализацию системы автоматического сбора данных от удаленных датчиков, по сравнению с известными техническими решениями.

Второй вариант реализации рассматриваемого способа (фиг.3) характеризуется тем, что обмен информацией между первой и второй, второй и третьей, первой и третьей фазами, реализующий транспортную функцию в единой коммуникационной среде, осуществляют с использованием реактивных связующих устройств 5. Кроме того, как и в первом варианте реализации рассматриваемого способа (фиг.2), реализация транспортной функции в единой коммуникационной среде осуществляется через приемо-передающее устройство 4. Два различных независимых пути реализации транспортной функции в единой коммутационной среде повышают надежность работы системы (за счет введения избыточности).

В варианте, представленном на фиг.4, эта избыточность устраняется за счет того, что приемо-передающее устройство 4 формирует сигналы только для выбранной фазы. В приемо-передающем устройстве 4 используется только один выход. Обмен информацией между различными фазами трехфазной электрической сети переменного тока осуществляется через реактивные связующие устройства 5.

Принцип работы реактивных связующих устройств 5 заключается в следующем. Между двумя любыми фазами трехфазной электрической сети переменного тока действует высокое линейное напряжение, превышающее напряжение каждой из фаз в отдельности. По этой причине прямое гальваническое соединение проводников различных фаз трехфазной электрической сети переменного тока невозможно, а для обеспечения обмена символьной информацией между различными фазами могут быть использованы реактивные связующие устройства 5. Они должны представлять высокое сопротивление на рабочей частоте трехфазной электрической сети переменного тока и малое сопротивление - в диапазоне частот, на которых осуществляется обмен кодовыми сообщениями. Этим требованиям можно удовлетворить, использовав реактивные связующие компоненты - высоковольтные конденсаторы и катушки индуктивности.

В простейшем случае реактивное связующее устройство 5 представляет собой конденсатор, включаемый между проводниками соответствующих фаз трехфазной электрической сети переменного тока. Подбором емкости указанного конденсатора можно добиться того, чтобы на частотах обмена кодовыми сообщениями сопротивление реактивного связующего устройства было малым, и кодовые сообщения могли бы распространяться из одной фазы в другую фазу электрической сети.

Для того чтобы полностью исключить возможность проникновения из одной фазы в другую фазу трехфазной электрической сети переменного тока внеполосных помех, реактивное связующее устройство 5 должно быть построено из нескольких реактивных элементов (фиг.5.1 - фиг.5.4). В этом случае образуется фильтр, обладающий частотной избирательностью, и при соответствующем подборе значений емкостей и индуктивностей сопротивление такого реактивного связующего устройства 5 в области частот обмена кодовыми сообщениями, оказывается пренебрежимо малым. Высокое же фазное напряжение трехфазной электрической сети переменного тока, а также внеполосные шумы и помехи не могут распространиться из одной фазы в другие фазы трехфазной электрической сети переменного тока.

Таким образом, после объединения фаз трехфазной электрической сети переменного тока в единую коммуникационную среду появляется возможность формировать результирующую последовательность синхронизирующих импульсов для передачи данных от удаленных датчиков по силовой трехфазной электрической сети переменного тока без применения петли фазовой автоподстройки частоты.

Это позволяет решить задачу изобретения - создать технологию формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов при передаче информации по трехфазной электрической сети переменного тока. При этом указанная результирующая последовательность синхронизирующих импульсов обеспечивает относительно недорогими средствами автоматический сбор данных от множества удаленных датчиков, подключенных к силовой трехфазной электрической сети переменного тока, а передача информации осуществляется с достаточно высокой помехоустойчивостью.

Обеспечиваемый технический результат заключается в возможности значительного упрощения построения и монтажа СПИ, реализующих заявленный способ, на территориально распределенных объектах.

1. Способ формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов при передаче информации по трехфазной электрической сети переменного тока, при котором в выбранной фазе электрической сети определяют моменты перехода основной гармоники сетевого напряжения через ноль с производной одного и того же знака и формируют в эти моменты метки времени, отличающийся тем, что осуществляют обмен кодовыми сообщениями между фазами электрической сети переменного тока, измеряют промежуток времени между началами двух последних сформированных меток времени, запоминают величину этого промежутка времени и получают результирующую последовательность синхронизирующих импульсов путем формирования по окончании каждого запомненного промежутка времени трех синхронизирующих импульсов, первый из которых начинается непосредственно по окончании запомненного промежутка времени, второй - спустя третью часть запомненного промежутка времени после начала первого синхронизирующего импульса и третий - спустя третью часть запомненного промежутка времени после начала второго синхронизирующего импульса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обмен кодовыми сообщениями между фазами электрической сети переменного тока осуществляют с использованием приемопередающего устройства, выполненного с возможностью приема и/или передачи кодовых сообщений по фазам электрической сети переменного тока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обмен кодовыми сообщениями между фазами электрической сети переменного тока осуществляют с использованием идентичных реактивных связующих устройств, включенных между фазами электрической сети переменного тока.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве реактивных связующих устройств используют конденсаторы.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве реактивных связующих устройств используют индуктивно-емкостные реактивные связующие устройства, каждое из которых имеет два фазных вывода, подключенных к проводникам соответствующих фаз, и нулевой вывод, подключенный к нейтрали электрической сети переменного тока.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что каждое индуктивно-емкостное реактивное связующее устройство выполняют с одним параллельным и двумя последовательными LC-резонансными контурами, при этом первые выводы последовательных LC-резонансных контуров являются фазными выводами данного индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства, вторые выводы последовательных LC-резонансных контуров соединены друг с другом и подключены к первому выводу параллельного LC-резонансного контура, второй вывод которого является нулевым выводом данного индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства.