Способ формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов при передаче информации с помощью кодовых сообщений по электрической сети переменного тока

Изобретение относится к области передачи информации по линиям электроснабжения и предназначено для использования в системах тревожной сигнализации. В выделенных для передачи кодовых сообщений фазах электрической сети переменного тока определяют моменты перехода основной гармоники сетевого напряжения через ноль с производной одного и того же знака и формируют в эти моменты метки времени. В моменты начала упомянутых меток вырабатывают синхронизирующие импульсы. Осуществляют обмен символьной информацией между выделенными для передачи кодовых сообщений фазами электрической сети. Получают результирующую последовательность синхронизирующих импульсов, обеспечивающую транспортную функцию для передачи информации в единой коммуникационной среде. Обмен символьной информацией между фазами электрической сети осуществляют с использованием приемопередающего устройства, выполненного с возможностью приема и/или передачи кодовых сообщений по фазам электрической сети переменного тока, либо с использованием идентичных реактивных связующих устройств. Изобретение позволяет упростить построение и монтаж систем передачи информации на территориально распределенных объектах. 5 з.п. ф-лы, 5 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 В 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 электрической сети переменного тока, считая с момента окончания синхросигнала.

Недостатком описанных выше технических решений является то, что объектом их применения является только однофазная силовая электрическая сеть переменного тока, 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 узлов к различным фазам силовой трехфазной электрической сети в этих узлах 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., (США) 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 с помощью кодовых сообщений по 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 моменты перехода основной гармоники сетевого напряжения через ноль с производной того же знака определяют для остальных фаз электрической сети, выделенных для передачи кодовых сообщений, формируют в эти моменты дополнительные метки времени, в моменты начала упомянутых меток вырабатывают синхронизирующие импульсы, осуществляют обмен символьной информацией между выделенными для передачи кодовых сообщений фазами электрической сети переменного тока и получают результирующую последовательность синхронизирующих импульсов, обеспечивающую транспортную функцию для передачи информации в единой коммуникационной среде.

Частными существенными признаками изобретения являются следующие.

Обмен символьной информацией между фазами электрической сети переменного тока, выделенными для передачи кодовых сообщений, осуществляют с использованием приемопередающего устройства, выполненного с возможностью приема и/или передачи кодовых сообщений по фазам электрической сети переменного тока.

Обмен символьной информацией между фазами электрической сети переменного тока, выделенными для передачи кодовых сообщений, 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 выполняют с двумя фазными выводами, подключенными к проводникам соответствующих фаз, и нулевым выводом, подключенным к нейтрали электрической сети переменного тока.

Каждое индуктивно-емкостное реактивное связующее устройство выполняют с одним параллельным и двумя последовательными LC-резонансными контурами, при этом первые выводы последовательных LC-резонансных контуров принимают за фазные выводы данного индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства, вторые выводы последовательных LC-резонансных контуров соединяют друг с другом и подключают к первому выводу параллельного LC-резонансного контура, второй вывод которого принимают за нулевой вывод данного индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства.

Задачей изобретения является создание технологии формирования результирующей последовательности синхронизирующих импульсов при передаче информации по 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 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 чертежами.

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 - приемопередающее 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 электрической сети переменного тока. Любой из этих вариантов предусматривает формирование напряжения питания коммуникационного устройства 1 от одной или нескольких фаз электрической сети переменного тока. На фиг.1 одна из фаз электрической сети переменного тока названа "Выбранная (первая) фаза". Необходимо отметить, что структурные схемы (фиг.2 - фиг.4) различных систем, реализующих рассматриваемый способ, полностью симметричны относительно любой из фаз. То есть любую фазу силовой трехфазной сети переменного тока можно условно назвать "Первой фазой" при этом "Второй фазой" будет та фаза, которая смещена относительно "Первой фазы" на 120°, а оставшаяся фаза (смещенная относительно "Первой фазы" на 240°) будет условно считаться "Третьей фазой".

Во всех вариантах (фиг.2 - фиг.4) структурных схем системы для передачи кодовых сообщений выделены все три фазы трехфазной электрической сети переменного тока. Однако, в принципе, заявляемый способ не исключает возможности выделения для передачи кодовых сообщений только двух каких-либо фаз электрической сети переменного тока.

В первом варианте (фиг.2) коммуникационное устройство 1 содержит три компаратора 2, выходы каждого из которых соединены с соответствующими входами формирователя 3 импульсов. Выход формирователя 3 импульсов соединен со входом приемопередающего устройства 4. Каждый из трех выходов приемопередающего устройства 4 подключен к соответствующей фазе электрической сети переменного тока и к инвертирующему входу одного из компараторов 2. Неинвертирующие входы всех трех компараторов 2 соединены с землей (с нейтралью электрической сети переменного тока).

Отличие второго (фиг.3) и третьего (фиг.4) вариантов структурной схемы системы, реализующей заявляемый способ, от первого (фиг.2) варианта структурной схемы системы состоит в наличии между проводниками первой и второй фазы, второй и третьей фазы, первой и третьей фазы реактивных связующих устройств 5. При этом второй (фиг.3) и третий (фиг.4) варианты структурной схемы различаются только схемной реализацией реактивных связующих устройств 5. Во втором варианте использованы емкостные, а в третьем - индуктивно-емкостные реактивные связующие устройства 5.

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

В состав коммуникационного устройства 1 входит три компаратора 2 с гистерезисом, устойчивые к действию входных шумов. Каждый такой компаратор 2 может быть получен, например, путем использования микросхемы LM393, серийно выпускаемой фирмой National semiconductor (США). Для получения требуемого компаратора 2 вход "-" этой микросхемы через резистор 1 МОм должен быть подключен к соответствующему фазному проводнику электрической сети переменного тока, а вход "+" микросхемы LM393 через резистор 10 кОм - к земляному проводу (к нейтрали 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 "+" той же микросхемы LM393.

В качестве компаратора 2 также может использоваться компаратор, интегрированный в микросхему микроконтроллера MSP430F1xx, серийно выпускаемого компанией Texas Instruments (США). Как было указано выше, эта микросхема используется в составе формирователя 3 импульсов.

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

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

В простейшем случае емкостное реактивное связующее устройство 5 (для второго варианта системы, приведенного на фиг.3) может представлять собой высоковольтный конденсатор (например, серии К73-17).

Возможные варианты электрических схем 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 электрической сети переменного тока подключаются выводы последовательных LC-резонансных контуров, а к нейтрали электрической сети переменного тока - один из выводов параллельного LC-резонансного контура, другой вывод которого подключается к свободным выводам последовательных LC-резонансных 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 электрической сети переменного тока превращаются в единую транспортную магистраль для передачи кодовых сообщений от удаленных датчиков. Высокое же фазное напряжение электрической сети переменного тока и внеполосные помехи не могут распространиться от одной фазы электрической сети переменного тока в другую фазу этой сети.

В качестве емкостных элементов в индуктивно-емкостных реактивных связующих устройствах 5 могут использоваться высоковольтные конденсаторы (например, серии К73-17), 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 с помощью кодовых сообщений по 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 времени пересечения каждой из синусоид переменного тока нулевого уровня при одном и том же знаке производной задают начальные моменты времени для импульсов, образующих результирующую последовательность синхронизирующих импульсов.

На фиг.1 такие моменты времени (при выбранной положительной производной для каждой фазы синусоиды переменного тока) выделены точками. В каждый из указанных моментов времени формируется метка времени (или дополнительная метка времени), каждая из которых вызывает для данной фазы формирование последующего синхронизирующего импульса. При объединении синхронизирующих импульсов, формируемых в различных фазах электрической сети переменного тока, получается результирующая последовательность синхронизирующих импульсов, показанная на фиг.1.

Для любого (фиг.2 - фиг.4) варианта построения системы каждый из входящих в состав коммуникационного устройства 1 компараторов 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 одной из фаз той же электрической сети, то компаратор 2 выделяет те моменты времени, когда основная гармоника сетевого напряжения в этой фазе проходит через ноль при возрастании сигнала основной гармоники сетевого напряжения. В эти выделенные точками (фиг.1) моменты времени соответствующий компаратор 2 формирует сигналы меток времени, как это показано на фиг.1. При этом на фиг.1 некоторая "первая" фаза условно названа "выбранной". Вследствие симметричности построения структурных схем систем, реализующих заявляемый способ (фиг.2 - фиг.4), такой первой выбранной фазой может быть любая из фаз трехфазной электрической сети переменного тока.

Сигналы меток времени (с выхода компаратора 2 выбранной фазы) и дополнительных меток времени (с выходов остальных компараторов 2, входящих в состав коммутационного устройства 1) попадают в формирователь 3 импульсов. При поступлении каждого сигнала метки времени или дополнительной метки времени формирователь 3 импульсов формирует на своем выходе очередной синхронизирующий импульс.

Таким образом, на выходе формирователя 3 импульсов образуется показанная на фиг.1 результирующая последовательность синхронизирующих импульсов. В этой результирующей последовательности синхронизирующих импульсов начало каждого синхронизирующего импульса соответствует переходу через ноль основной гармоники сетевого напряжения в каждой из фаз электрической сети переменного тока при возрастании сигнала основной гармоники сетевого напряжения. Таким образом, полученная результирующая последовательность синхронизирующих импульсов представляет собой совокупность фазных символьных синхронизирующих импульсов с частотой, равной утроенной сетевой частоте.

Полученная результирующая последовательность синхронизирующих импульсов подается на вход приемопередающего устройства 4.

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

В первом варианте реализации системы (фиг.2) три выхода приемопередающего устройства подсоединены к соответствующим фазам силовой трехфазной электрической сети переменного тока. Благодаря этому кодовые сообщения, передаваемые или принимаемые приемопередающим устройством 4 по различным фазам электрической сети переменного тока, "привязываются" к результирующей последовательности синхронизирующих импульсов. Другими словами, все фазы электрической сети переменного тока через приемопередающее 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 (фиг.3) и третий (фиг.4) варианты системы, реализующей рассматриваемый способ, характеризуются тем, что обмен информацией между первой и второй, второй и третьей, первой и третьей фазами электрической сети переменного тока, реализующий транспортную функцию в единой коммуникационной среде, осуществляют с использованием реактивных связующих устройств 5. Кроме того, как и в первом варианте системы, реализующей рассматриваемый способ (фиг.2), реализация транспортной функции в единой коммуникационной среде осуществляется через приемопередающее устройство 4. Эти два различных независимых пути реализации транспортной функции в единой коммутационной среде повышают надежность работы системы (за счет введения схемной избыточности).

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

В простейшем случае (второй вариант, изображенный на фиг.3) использовано емкостное реактивное связующее устройство 5, представляющее собой конденсатор, включенный между проводниками соответствующих фаз электрической сети переменного тока. Подбором емкости указанного конденсатора можно добиться того, чтобы на частотах обмена кодовыми сообщениями сопротивление реактивного связующего устройства 5 было малым, и кодовые сообщения могли бы распространяться от одной фазы электрической сети переменного тока в другую фазу этой сети.

Полностью исключить возможность проникновения внеполосных помех из одной фазы электрической сети переменного тока в другую фазу этой сети удается (третий вариант, изображенный на фиг.4) при использовании индуктивно-емкостных реактивных связующих устройств 5. Каждое такое индуктивно-емкостное 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 индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства 5 в области частот обмена кодовыми сообщениями оказывается пренебрежимо малым. Высокое же фазное напряжение электрической сети переменного тока, а также внеполосные шумы и помехи не могут распространиться от одной фазы электрической сети переменного тока в другие фазы этой электрической сети переменного тока.

В том случае, если для передачи кодовых сообщений выделяется только две фазы электрической сети переменного тока, то между выделенными фазами необходимо устанавливать единственное реактивное связующее устройство 5. Однако общим случаем является выделение для передачи кодовых сообщений всех трех фаз силовой трехфазной электрической сети переменного тока.

После объединения выделенных для передачи кодовых сообщений фаз трехфазной электрической сети переменного тока в единую коммуникационную среду появляется возможность формировать результирующую последовательность синхронизирующих импульсов для передачи кодовых сообщений от удаленных датчиков по выделенным фазам 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 с помощью кодовых сообщений по электрической сети переменного тока. При этом указанная результирующая последовательность синхронизирующих импульсов обеспечивает при использовании относительно недорогих средств автоматический сбор данных от множества удаленных датчиков, подключенных к силовой трехфазной электрической сети переменного тока, а передача информации с помощью кодовых сообщений 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 с помощью кодовых сообщений по 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 моменты перехода основной гармоники сетевого напряжения через ноль с производной того же знака определяют для остальных фаз электрической сети, выделенных для передачи кодовых сообщений, формируют в эти моменты дополнительные метки времени, в моменты начала упомянутых меток вырабатывают синхронизирующие импульсы, осуществляют обмен символьной информацией между выделенными для передачи кодовых сообщений фазами электрической сети переменного тока и получают результирующую последовательность синхронизирующих импульсов, обеспечивающую транспортную функцию для передачи информации в единой коммуникационной среде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обмен символьной информацией между фазами электрической сети переменного тока, выделенными для передачи кодовых сообщений, 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 символьной информацией между фазами электрической сети переменного тока, выделенными для передачи кодовых сообщений, 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 выполняют с двумя фазными выводами, подключенными к проводникам соответствующих фаз, и нулевым выводом, подключенным 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 принимают за фазные выводы данного индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства, вторые выводы последовательных LC-резонансных контуров соединяют друг с другом и подключают к первому выводу параллельного LC-резонансного контура, второй вывод которого принимают за нулевой вывод данного индуктивно-емкостного реактивного связующего устройства.