DE2545985C2

DE2545985C2 - Vorrichtung zur binären Nachrichtenübertragung zwischen einer zentralen Station und entfernten Stationen über ein Wechselstrom-Verteilernetz

Info

Publication number: DE2545985C2
Application number: DE2545985A
Authority: DE
Inventors: Neil H. Framingham Mass. Jagoda; Klaus North Reading Mass. Kubierschky; Adrian G. Kingston Mass. Roy jun.
Original assignee: American Science and Engineering Inc
Current assignee: American Science and Engineering Inc
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1983-02-17
Also published as: SE7510575L; SE415621B; BR7508529A; FR2296318B1; NL7512734A; JPS5177843A; IL48084A0; GB1527507A; IN143624B; FR2296318A1; ES442479A1; NL174516B; AU8573775A; DE2545985A1; IL48084A; CA1070767A; IT1056170B; BE835731A; NL174516C; CH615544A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß «> Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Vorrichtungen dieser Art sind bekannt (DE-OS 08 151 sowie US-PS 36 56 112 und US-PS 20 01 450). Nachdem bei Wechselstrom-Verteilernetzen stets eine Vielzahl von Verteiler-Transformatoren zwischengeschaltet sind, wurde bei den bekannten Vorrichtungen stets eine relativ niedrige Trägerfrequenz von beispielsweise nur 125Hz gewählt, damit eine ungestörte Übertragung flber diese Transformatoren gewährleistet ist, Diese niedrige Trägerfrequenz machte es nötig, auch die Übertragungsgeschwindigkeit sehr niedrig zu wählen. Es war beispielsweise nur eine Übertragungsgeschwindigkeit von etwa 1,6 Baud möglich. Wegen dieser geringen Übertragungsgeschwindigkeit und der sehr niederen Trägerfrequenz wären solche bekannten Vorrichtungen beispielsweise nur bedingt geeignet zur selbsttätigen Ablesung von Verbrauchszählein bei den Kunden eines Elektrizitätswerk-Stromverteilungsnetzes.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur binären Nachrichtenübertragung über ein Wechselstrom-Verteilernetz der eingang erwähnten Art bezüglich Übertragungsgeschwindigkeit und Übertragungssicherheit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst

Nach der Erfindung wird erstmals von der bisherigen Auffassung der Fachwelt abgewichen, nämlich, daß bei Wechselstrom-Verteilernetzen wegen der zwischengeschalteten Verteiler-Transformatoren nur eine sehr niedrige Trägerfrequenz verwendet werden kann. Nach der Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine wesentlich höhere Trägerfrequenz, nämlich zwischen 5 und 30 kHz, vorzusehen. Diese höhere Tiügerfrequenz ermöglicht es damit erstmals, auch eine wesentlich größere Bandbreite für die Datenübertragung zu wählen und Übertragungsgeschwindigkeiten zwischen 15 und 60 Baud zu. wählen, was einem Viertel einer 60-Hz-Netzfrequenz bis 60 Hz entspricht Damit ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zum selbsttätigen Ablesen von Verbrauchs-Elektrizitätszählern beim Kunden über die Zentrale eines Elektrizitätswerkes möglich, und zwar mit einfachen und billigen Geräten. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können gleichzeitig auch Elemente des Wechselstrom-Verteilernetzes an beliebigen Steilen gesteuert werden, auch ist eine einfache Fernrückmeldüag des jeweiligen Zustandes dieser Elemente zur Zentrale möglich. Auch Belastungsspitzen des Netzes können sehr schnell abgebaut werden, indem unwichtige Verbraucher durch Femsteuerung abgeschaltet werden. Schließlich kann gleichzeitig auch noch der Energieverbrauch während der Spitzenbedarfszeiten gemessen werden. All diese Messungen und Fernsteuerungen über binäre Signale sind erstmals durch die erfindungsgemäße Vorrichtung möglich, da erst diese die hierzu nötige hohe Übertragungsgeschwindigkeit ermöglicht

Bei Verteilernetzwerken dieser Art sind oftmals Kondensatoren zur Blindstromkompensation vorgesehen. Die Verteilernetzwerke besitzen dann die Übertragungseigenschaften eines Tiefpasses. Um auch in solchen Fällen die Trägerfrequenz erfindungsgemäß zwischen 5 und 30 kHz wählen zu können, ohne daß diese Kondensatoren zur Blindstromkompensation stören, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in solchen Fällen in Serie oder parallel zu jedem dieser Kondensatoren ein kapazitives Trennetzwerk geschaltet. Dadurch wird verhindert, daß die Blindstrom-Kondensatoren die Signalübertragung beeinträchtigen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere bezüglich eines hierbei verwendeten Demodulators, ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher

erläutert.

Fig, I zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung!

Figr2 zeigt Einzelheiten der hierbei verwendeten Sender-Empfänger-Einheit;

Fig,3 zeigt Einzelheiten des hierbei verwendeten Antwortgebers;

F i g, 4 bis 8 zeigen Möglichkeiten zur Beseitigung des störenden Einflusses von bei Netzwerken dieser Art verwendeten Kondsnsatoren zur Bündstromkompsnsation.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur binär-sn Nachrichtenübertragung zwischen einer zentralen Abrechnungsstelle 1 eines Elektrizitätswerkes und den entfernten Stationen 8 eines von diesem gespeisten Wechselstrom-Verteilernetzes 7, bei welcher die erfindungsgemäße Bemessungsvorschrift für die dabei verwendete Trägerfrequenz und Übertragungsgeschwindigkeit Anwendung findet Bei den entfernten Stationen 8 handelt es sich beispielsweise um die abzulesenden Zähler des Verteilernetzes 7 oder um Geräte, die von der Zentrale 1 aus gesteuert werden sollen. In der Zentrale ist ein Abrechnungscov₅puter vorgesehen, in welchem die entsprechenden Informationen über die abzulesenden Zähler bzw. die zu steuernden Geräte gespeichert sind. Die Informationen von der zentralen Station 1 zu den entfernten Stationen 8 werden über eine Sender-Empfänger-Einheit 5 übertragen, diese Einheit 5 steht mit dem Verteilernetz 7 in Verbindung. In den entfernten Stationen sind Steuerschaltungen 9, Sender 12 und Empfänger 11 eingebaut Die von der Station 1 eingegebenen Informationen werden im Sender 5 über einen Modulator 39 einer Trägerfrequenz aufmoduliert, die eine Harmonische der halben Netzfrequenz ist Die Trägerfrequenz wird beispielsweise über einen Transformator 27 aus dem Verteilernetz 7 in den Sender 5 eingegeben.

Die auf den Träger aufmodulierten digitalen Datensignale werden über das Verteilernetz 7 zu der gewünschten entfernten Station 8 übertragen und dort im Demodulator des vorgesehenen Empfängers 11 demoduliert, und mit den so rückgewonnenen Datensignalen werden dann die abzulesenden Zähler 15 bzw. die zu steuernden Geräte in der entfernten Station 8 entsprechend angesteuert Mit den Daten werden auch entsprechende Adressen für die Zählei bzw. Geräte übertragen, die in den entfernten Stationen angesteuert werden sollen. Das Ergebnis des ausgewählten Zählers 15 wird einem Antwortsender 12 in entsprechend digitaler Form zugeführt und dieser Sender 12 sendet also das Ableseergebnis des Zählers 15 wiederum durch entsprechende Modulation einer Trägerfrequenz, die wiederum eine Harmonische der halben Netzfrequenz ist und unmittelbar von der Frequenz des Verteilernetzes 7 abgeleitet ist, über das Verteilernetz 7 zurück zum zentralen Empfänger 5, dort werden die übertragenen Informationen über einen Demodulator demoduliert und dann der zentralen Rechnerstation 1 zugeführt und dort ausgewertet

Das Wechselstrom-Verteilernetz 7 kann in bekannter Weise Übertragungstransformatoren 10 enthalten, die bei der gewählten Trägerfrequenz zwischen 5 und 3OkHz, vorzugsweise zwischen 5 und 1OkHz, nicht weiter stören.

Wechselstrom-Verteilernetze 7 enthalten oftmals auch noch zusätzliche Kondensatoren 23 zur Blindstromkompensation, um der, Wirkungsgrad und die Qualität der Stromlieferung zu verbessern. Um deren nachteiligen Einfluß auf die gewählte Trägerfrequenz zu beseitigen, können noch zusätzliche kapazitive Trennnetzwerke vorgesehen sein, wie dies nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert wird,

Fig. I zeigt in» Zusammenhang mit dem Demodulator 53 des .Empfangsteils der zentralen Station 5 eine besonders^vbrteilhafte Art der Demodulation. Dem Demodulator 53 ist dabei eine Quelle 206 für ein Referenzphasensignal zugeordnet, das zur Rückgewinnung des Datensignals durch Vergleich mit dem modulierten Trägersjgnal dient Die Quelle 206 wirkt mit einer auf das modulierte Trägersignal ansprechenden Nachstelleinrichtung 200 zusammen, mit welcher die Phase des Referenzphasensignals auf einen Referenzwert eingestellt wird, der in der Mitte zwischen den beiden einander entgegengesetzten Phasenwinkeln des modulierten Trägersignals während seiner Demodulation liegt

Einzelheiten dieses speziellen Demodulators sowie zur Gewinnung der Trägerfrequenz werden in F i g. 2 gezeigt Nach Fi g. 2 wird über einen Transformator 34 von den Leitungen 21 des Verteilernetzwerkes die übliche Netzspannung von 120 V und 60 Hz (US-Verhältnisse) abgezweigt und über die Relaiskontakte 63, 63' und 63" sowie die Leitungen 61 und 62 in der zentralen Sender-Empfänger-Einheit 5 weiterverarbeitet Anfänglich sind die Relaiskontakte 63, 63' und 63" geöffnet, und eine Zeitsteuerung 47 verwendet die Netzfrequenz von 60 Hz auf Leitung 62 zur Herleitung des 285-Baud-Taktes für die Nachrichtenverbindung mit dem Datenerfassungscomputer sowie weiterer Takt- und Zeitsignale, die noch erläutert werden. Die zentrale Einheit 5 hat eine Schnittstelle zur Nachrichtenverbindung mit dem Datenerfassungscomputer über die 285-Baud-Datenverbindung 20. Die vom Datenerfassungscomputer am Modem 35 empfangenen digitalen Daten werden einem Datenempfänger 36 zugeleitet der Teil einer asynchronen Schnittstelle sein kann, welche die 8 Datenbits aus dem 11-Bit-Byte entfernt und der Taktsteuerung 47 über die Leitung 66 meldet, daß ein Byte empfangen wurde. Die Taktsteuerung 47 gibt über Leitung 70 ein Signal ab, das die Daten vom Datenempfänger 36 in ein Eingaberegister 37 überstellt Sie gibt ferner über Leitung 65 ein Rücksetzsignal an den Datenempfänger 36 ab. Nachdem die Taktsteuerung 47 drei Signale auf der Leitung 66 gezählt hat, fragt sie über Leitung 69 die ersten 5 Bits des Eingaberegisters 37 ab. Wenn die Adressenbits und die zentrale Steuereinheit korrekt sind, das Anzeigebit für die Nachrichtenart den Inhalt des Eingaberegisters 37 als Befehl angibt und das Bit anzeigt, daß der Befehl ausgeführt werden soll, gibt die Taktsteuerung 47 über Leitung 7« «in Signal ab, das die Befehlsbits aus dem Eingaberegister 37 in ein Befehlsregister 43 überstellt wodurch der beföhle?« Relaisantrieb, Teil von 46, freigegeben wird und seinerseits die befohlene Relaisspule und Statusanzeige, Teil von 45, ansteuert. Hierdurch werden die Relaiskontakte 63, 63' oder 63" geschlossen und dabei automatisch bewirkt, daß die Taktsteuerung 47 die Netzfrequenz anstatt über Leitung 62 über Leitung 61 erhält. Die Statusanzeigen, Teil "on 45, geben über Leitung 82 ein Signal an das Statusregister 44 ab, welches das angesteuerte Relais angibt. Außerdem wird über Leitung 68 das Bit in das Statusregister 44 überstellt. Die Taktsteuerung 47 wartet ein bestimmtes Zeitintervall nach Überstellung der Daten in das Befehlsregister 43 ab, innerhalb

welchem die Ansteuerung von Relais und Statusanzeige stattfinden kann, und überstellt dann den Inhalt des Statusregisters 44 über Leitung 83 zu einem Datensender 55, wobei Steuersignale für Schiebeart, Schiebetakt und Datenübertragung auf den Leitungen 81,99 bzw. 85 verwendet werden. Der Datensender 55, der Teil der asynchronen Schnittstelle sein kann, fügt die Start- und Stopbits zur Bildung des 11-Bit-Bytes hinzu, das dann über Modem 35 und Datenverbindung 20 zum Datenerfassungscomputer gesandt wird. Wenn das Bit angibt, daß der Befehl nicht durchgeführt werden soll, werden die Befehlsbits im Eingaberegister 37 nicht in das Befehlsregister 43 überstellt und der Befehlszyklus läuft in der zuvor erläuterten Weise aus, wodurch die zuvor bereits existierende Konfiguration der zentralen Steuereinheit 5 zum Datenerfassungscomputer gemeldet wird.

Wenn das Anzeigebit für die Nachrichtenart den Schaltwert 1 hat. was anzeigt, daß der Inhalt des Eingaberegisters 37 Abfragedaten sind, überstellt die Taktsteuerung 47 den vorgegebenen Synchronisiercode unter Verwendung eines Steuersignals auf Leitung 72 in ein Synchronisiercoderegister 38, wählt unter Verwendung eines Bits die richtige Taktphase aus und bewirkt dann die Verschiebung des Inhalts des Synchronisiercoderegisters 38 und des Eingaberegisters 37 zu einem Modulator 39 unter Verwendung eines Schiebetaktes auf der Leitung 70. Der Eingang zum Modulator 39 moduliert einen von der Taktsteuerung 47 auf Leitung 73 erhaltenen Träger. Der Ausgang des Modulators 39 wird mittels eines Leistungsverstärkers 40 verstärkt und dann über ein Koppelnetzwerk 41 auf die Netzleitung 61 geschaltet. Das Koppelnetzwerk 41 ist eine Serienschaltung aus Kapazität und Induktivität, welche auf die Impedanz der Leitung 61 so abgestimmt sind, daß sich Resonanz bei der zur Übertragung verwendeten Trägerfrequenz einstellt. Das Übertragungssignal gelangt dann über die Relaiskontakte 63,63' oder 63" und den Verteilertransformator 34 zur Verteilerzuleitung 21 und von dort zu den Empfängern 11 und Steuermodulen 9. die an die Verteilerzuleitung 21 angeschlossen sind. Während dieser Zeitspanne ist der Modulator 39 mittels eines Übertragungs-Freigabesignals von der Taktsteuerung 47 auf der Leitung 75 freigegeben und ein Empfangsschalter 51 durch das gleiche Signal gesperrt.

Am Ende der Übertragungsperiode der zentralen Steuereinheit 5 wird der Modulator 39 gesperrt und der Empfangsschalter 51 freigegeben, was mittels des Übertragungs-Freigabesignals von der Taktsteuerung 47 auf der Leitung 75 geschieht. Das Antwortsignal vom Zähler- oder Steuerr.odul auf der Verteilerzuleitung 21 gelangt über den Verteilertransformator 34, die Relaiskontakte 63,63' oder 63", Leitung 62, Bandpaßfilter 50, das z. B. die Güte Q= 20 hat, den Empfangsschalter 51 und den Verstärker 52 zu einem Demodulator 53.

Der Demodulator 53 benutzt eine Referenzfrequenz und das Funktionscodebit welche von der Taktsteuerung 47 über Leitungen 73 bzw. 91 ankommen, zur Ermittlung der im empfangenen Signal enthaltenen Daten. Die Taktsteuerung 47 benutzt die hn Funktionscodebit enthaltene Information über die Übertragungsgeschwindigkeit der Antwort vom Zähler- oder Steuermodul zur Feststellung der Übertragungsgeschwindigkeit, mit welcher die Daten an der zentralen Steuereinheit 5 empfangen werden. Am Ende jedes es Baud-Intervalls wird der Ausgang des Demodulators 53 mittels eines von der Taktsteuerung 47 erzeugten Schiebetaktes auf Leitung 89 in ein Ausgaberegister 54 überstellt. Nach Empfang der gesamten Antwortnachricht werden die ersten 8 Bits im Ausgaberegister 54 zum Datensender 55 übertragen und die Adressenbits der zentralen Steuereinheit, das Anzeigebit für die Nachrichtenart und das Taktphasenbit mittels Steuersignalen von der Taktsteuerung 47 auf den Leitungen 85 bzw. 95 in das Ausgaberegister 54 überstellt. Der Datensender 55 fügt die Start- und Stopbits zur Bildung des 11-Bit-Bytes hinzu und überträgt das Byte mit 285 Baud über Modem 35 und die Datenverbindung 20 zum Datenerfassungscomputer. Die Taktsteuerung 47 setzt die Verschiebung der Daten in das Ausgaberegister 54 und die Übertragung der Daten vom Ausgaberegister 54 zum Datensender 55 fort, bis die gesamte Antwortnachricht vom Zähler- oder Steuermodul, die im Ausgaberegister 54 enthalten ist, zum Datenerfassungscomputer übertragen ist.

Sowohl die zentralen Steuereinheiten 5 als auch die Antwortgeber 12 benutzen beide die Netzfrequenz von 60 Hz zur Taktung ihrer Taksteuerungen. Da jedoch die Phasenlage der einzelnen Verteilertransformatoren 10 zufallsbedingt ist, kann die Polarität der Netzfrequenz an den einzelnen Antwortgebern gegenüber der Polarität der Netzfrequenz an der zentralen Steuereinheit 5 umgekehrt sein. Zwar kann die Phasenlage der Netzfrequenz an jedem Antwortgeber bei der Installation eingestellt werden, jedoch ist dies so zeitaufwendig, daß sich Ί-e Durchführung der Einstellung an jedem Antwortgeber in der Praxis verbietet. Es wird deshalb vorgezogen, die einzelnen Antwortgeber ohne Berücksichtigung oder Einstellung der Phasenlage zu installieren und dann die Datenerfassungscomputer zur Abfrage jedes Antwortgebers unter gleichzeitiger Einstellung der Polarität der Netzfrequenz an der zentralen Steuereinheit 5 zu benutzen. Wenn die Polarität der Netzfrequenz, die von der zentralen Steuereinheit 5 zur Zeitvorgabe bei der Abfrage benutzt wird, identisch mit derjenigen am abgefragten Antwortgeber ist, antwortet dieser Antwortgeber richtig. Auf diese Weise läßt sich die richtige Polarität der Netzfrequenz, die zur Abfrage der Antwortgeber benutzt werden muß, feststellen und in der Hauptdatei am zentralen Abrechnungscomputer 1 speichern. Die richtige Polarität der Netzfrequenz wird dann zu jedem Datenerfassungscomputer als Bit immer dann übertragen, wenn ein Antwortgeber 12 abzufragen ist.

Fig.3 zeigt im Blockdiagramm den Aufbau eines Antwortgebers IZ Das eigentliche Taktsignal des Antwortgebers 12 ist die Netzspannung von 60 Hz und nominal 120 V, die von der Sekundärseite des Verteilertransformators über Leitung 24 erhalten '-^:-rd. Die Taktsteuerung 110 verwendet die Netzspannung oder Netzfrequenz auf Leitung 24 zur Ableitung verschiedener Takt- und Steuersignale, die für die Steuerung des Datenflusses im Antwortgeber 12 benötigt werden. Das Signal von der zentralen Steuereinheit 5 gelangt über ein Bandpaßfilter 101, das eine Güte von ungefähr Q= 5 hat, über einen Empfangsschalter 102 und einen Verstärker 103 zu einem Demodulator 104. Der Demodulator 104 verwendet die Referenzfrequenz von der Taktsteuerung HO auf Leitung 119 zur Herleitung der in dem Signal von der zentralen Steuereinheit 5 enthaltenen Daten. Der Ausgang des Demodulators auf Leitung 135 wird von der Taktsteuerung 110 zur Steuerung der Phase der Referenzfrequenz auf Leitung 119 benutzt. Am Ende jedes Datenintervalls benutzt die Taktsteuerung 110 den Schiebetakt auf Leitung 118 zur Verschiebung der

empfangenen Datenbits vom Demodulator 104 in ein Datenregister 106 über eine Datensteuerung 105. Zu Beginn jeder Bitperiode werden die ersten 8 Bits im Datenregister 106, die zum Teil auf Leitung 132 anstehen, mit dem vorgegebenen Synchronisiercode mittels des Synchronisiercodevergleichers 111 verglichen. Bei Identität wird ein Signal über Leitung 121 zur Taktste';:rung HO abgegeben, welche daraufhin einen Bitzähler startet. Nach Empfang weiterer 20 Bits und Überstellung derselben ins Datenregister 106 werden die ersten 16 Bits im Datenregister, welche zi-m Teil von der Leitung 132 geführt werden, mit der vorgegebenen Adresse des Zählermoduls und der vorgegebenen Adresse der Heißwassergerät-Steuerung mittels Vergleichern 113 bzw. 112 verglichen, während die letzten vier Bits im Datenregister 106, die zum Teil auf der Leitung 132 anstehen, zum Funktionscoderegister 114 überstellt werden und der Empfangsschalter 102 gesperrt wild. Der Schiebetakt auf Leitung 118 bekommt die vom Funktionscodebit auf Leitung 124 angegebene Frequenz.

Wenn der Vergleicher 113 für die Adresse des Zählermodulf Übereinstimmung feststellt, werden ein Funktionsdecodierer 115, ein Modulator 107 und der Zählerdateneingang der Datensteueiung 105 gemeinsam über Leitung 126 freigegeben.

Der Inhalt des Datenregisters 106, welcher die Adresse des Zählermoduls und der Funktionscode ist, wird über Leitung 128, Modulator 107, Sender 108 und ein Koppelnetzwerk 109 zur Sekundärseite 24 des Verteile -transformator überstellt, während der Inhalt des Zähiercodierers, der durch den Funktionsdecodierer

115 freigegeben ist, also z. B. der Inhalt des über Leitung 26 freigegebenen Codierers des Elektrizitätszählers, über die Leitung 129 und die Datensteuerung 105 in das Datenregister 106 verschoben wird. Nach Verschiebung oder Überstellung der zwanzig Zählerdatenbits in das Datenregister 106 wird ein Umlauf seines Inhalts über Leitung 133 und die Datensteuerung 105 ausgelöst, wodurch die Zählerdaten invertiert werden. Der Datenumlauf durch die Datensteuerung 105 wird durch ein Freigabesignal auf Leitung 120 von der Taktsteuerung 110 ausgelöst. Nach der Übertragung der 60-Bit-Antwortnachricht wird der Empfangsschalter 102 über die Leitung 117 freigegeben, und die Vergleicher 11 und 113 für den Synchronisiercode bzw. die Adresse des Zählermoduls werden über Leitung 123 zurückgestellt, wodurch der Modulator 107 und die Zählerdateneingänge der Datensteuerung 105 gesperrt sowie der Funktionsdecoder 115 zurückgesetzt werden. Der Antwortgeber 12 fährt dann wieder fort, die empfangenen Daten auf Übereinstimmung eines Synchronisiercodes zu prüfen.

Wenn der Vergleicher 112 für die Adresse der Heißwassersteuergeräte nach festgestellter Überein-Stimmung eines Synchronisiercodes Übereinstimmung feststellt, werden die auf der Leitung 127 anstehenden Funktionscodebits in die Heißwassergerätesteuerung

116 eingegeben, was zum Einschalten des Heißwassergerätes über Leitung 134 oder zum Ausschalten des Heißwassergerätes über Leitung 134' oder zur Steuerung des Spitzenbedarfszählers über Leitungen 140 und 140' führt. Der Modulator 107 wird nicht freigegeben, da keine Antwortnachncht zu übertragen ist Nach Ablauf einer Zeitspanne, welche einer Zeitspanne gleicht, die zur Antwort mit einer durch das Funktionscodebit auf Leitung 124 angegebenen Übertragungsgeschwindigkeit nötig wäre, wird der Empfangsschalter 102 über Leitung 117 freigegeben und der Vergleicher 111 für den ,Synchronisiercode über Leitung 123 zurückgesetzt. Die Heiöwassergerätesteuerung 116 wird nicht zurückgesetzt, so daß die Steuerfunktion bis zum Empfang eines weiteren Befehls für die Heißwassergerätesteuerung aufrechterhalten bleibt. Der Antwortgeber 12 fährt dann wieder damit fort, die empfangenen Daten auf Übereinstimmung eines Synchronisiercodes zu prüfen.

Wenn von den Vergleichern 113 und 112 weder die Adresse eines Zählermoduls noch die Adresse einer Heißwassergerätesteuerung nach festgestellter Übereinstimmung eines Synchronisiercodes mittels des Vergleichers 111 festgestellt wird, wird keine Steuerfunktion ausgelöst und keine Antwort übertragen. Die Taktsteuerung 110 wartet dann eine Zeitspanne, die einer Zeitspanne gleicht, welche für eine Antwort mit der durch das Funktionscodebit auf Leitung 124 angegebenen Übertragungsgeschwindigkeit benötigt wird, und gibt dann über Leitung 117 den Empfangsschalter 102 frei und setzt über Leitung 123 den Vergleicher 111 für den Synchronisiercode zurück.

F i g. 4 zeigt das typische Rauschen, das auf einer Energie-Verteilerzuleitung, z. B. der Verteilerzuleitung 21 von Fig. 1, vorhanden ist. Aus Fig. 4 geht hervor, daß die Amplituden-Hüllkurve der Harmonischen der 60-Hz-Netzfrequeiiz ungefähr lOOOmal größer als das Zufallsrauschen zwischen 1 und 10 kHz ist. Dies würde die Wahl einer Trägerfrequenz für die Übertragung im Bereich geringen Rauschens oberhalb von 1OkHz nahelegen.

An die Verteilerzuleitungen sind jedoch oftmals Kondensatoren zur Blindstromkompensation angeschlossen, um Wirkungsgrad und Qualität der Stromlieferung zu verbessern. Außerdem besitzen die Verteilerzuleitungen Serieninduktivität und Streukapazität nach Masse, deren exakte Größe von Konstruktion und Länge der Verteilerzuleitungen abhängt. Wegen dieser Blindkomponenten besitzen die Verteilerzuleitungen also die Übertragungseigenschaften eines Tiefpasses. Eine Netzwerkanalyse, welche durch Messungen der Signalübertragung auf Verteilerzuleitungen bestätigt wurde, zeigt, daß die Grenzfrequenz für halbe Leistung bei ungefähr 1 kHz liegt, wenn die Kondensatoren zur Blindstromkompensation an eine typische Verteilerzuleitung angeschlossen sind; dies ist in F i g. 5 dargestellt. Wenn die Kondensatoren zur Blindstromkompensation von der Verteilerzuleitung getrennt sind, richtet sich die Grenzfrequenz für halbe Leistung nach der Serieninduktivität der Verteilerzuleitung und ihrer Streukapazität nach Masse und liegt zwischen 10 und 20 kHz, was in F i g. 6 dargestellt ist.

Uw die Vorrichtung auch in diesen Fällen im Bereich zwischen 5 und 1OkHz betreiben zu können, muß der nachteilige Einfluß der Kondensatoren zur Blindstromkompensation beseitigt werden. Der bevorzugte Weg, dies zu erreichen, besteht in der Einfügung eines kapazitiven Trennetzwerks in Serie mit jedem Kondensator zur Blindstromkompensation, wie es in Fig.7 gezeigt ist, oder parallel zu jedem Kondensator zur Blindstromkompensation, wie es in F i g. 8 gezeigt ist Gemäß F i g. 7 ist das kapazitive Trennetzwerk, welches aus einer Induktivität 32 und einer Kapazität 33 besteht, in Serie mit einem Kondensator 23' zur Blindstromkompensation geschaltet Die Induktivität 32 und der Kondensator 33 sind auf Parallelresonanz bei der Trägerfrequenz der Übertragung abgestimmt Die Leitung 21Λ' ist eine Hochspannungsleitung der Verteilerzuleitung, während die Leitung 21Λ" die

neutrale Leitung der Verteilerzuleitung ist.

Gemäß Fig.8 ist das kapazitive Trennetzwerk, welches aus einer Induktivität 32' und einer Kapazität 33' besteht, parallel zum Kondensator 23" für die Blindstromkompensation geschaltet. Die Induktivität 32' ist auf Parallelresonanz mit der Parallelkombination der Kapazitäten 33' und 23" bei der Trägerfrequenz der Übertragung abf ^stimmt.

Alternativ kann der nachteilige Einfluß von Kondensatoren zur Blindstromkompensation auf die Signalübertragung auch dadurch ausgeschaltet werden, daß den Steuermodulen, z. B. 7, gemeldet wird, die Kondensatoren abzutrennen.

Für die Übertragung wird zweckmäßigerweise die Phasentastung angewandt, da hierbei durch eine bestimmt·; Wahl der Parameter eine hochselektive Filterwirkung und Diskriminierung der Netzfrequenz und ihrer Harmonischen eraelt werden kann. Daher wird die Phasentastung beim bevorzugten Ausführungsbeispiel angewandt, wobei das empfangene Trägersignal der Übertragung durch einen Phasendetektor moduliert wird, dessen Ausgang über eine einem Baud entsprechende Zeitdauer Γ integriert und dann zurückgesetzt wird.

Der Ausgang E₀ des Integrators am Ende der Integrationsdauer Γ stellt die empfangene und von der Vorrichtung festgestellte Energie während der Dauer T dar und kann wie folgt ausgedrückt werden:

IO

ben werden kann als:

e_ref(t) = A, -sin ω ,f.

Der Phasendetektoreingang e^t) besteht aus dem Trägersignal e^t), allen Harmonischen der Netzfrequenz ehp(t)\ind Zufallsrauschen e^t)m\t gleichförmiger spektraler Energiedichte von NJl Watt pro Hz, wobei die beiden erstgenannten Größen durch folgende Ausdrücke gegeben sind:

e_c(i) = A_c sin (ω,,ί + Φ_Γ)
= Ah₁, sin (ω^t + Φ_Α).

20

Die Demodulator-Referenzfrequenz ist identisch mit der Trägerfrequenz, so daß die festgestellte Energie für dieses Signal durch folgenden Ausdruck gegeben ist:

A, AJ

cos <P_C .

25

e_inU)-e_re/(t)dt

wobei das Demodulator-Referenzsignal e_ref (/) angege-Durch Phasenverriegelung der Referenzfrequenz mit dem empfangenen Trägersignal kann die Phasendiffejo renz Φ_Γ zwischen diesen beiden Signalen beliebig klein (1) und die ermittelte Energie dem Maximalwert von

ArAcT/2 angenähert werden. Die festgestellte Energie in Abhängigkeit von einer Harmonischen der Netzfrequenz kann wie folgt angegeben werden:

„Γ Γ sin [(ω, -ω^)Τ- Φ J + sin
L (ω, - ω_¥) Τ

_ sin [{ω, + a>_to) T + Φ^] - sin '

wobei o)hp=2sz(60F) und P eine ganze Zahl ist, welche die jeweils betrachtete Harmonische der Netzfrequenz kennzeichnet. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Trägerfrequenz so festgelegt, daß sie ein ungeradzahliges Vielfaches von 30 Hz, also von der halben Netzfrequenz ist. Die Demodulator-Referenzfrequenz kann dann wie folgt angegeben werden:

(6)

40

45

50

Hierin ist m eine ganze Zahl, welche das für die Datenübertragung verwendete ungeradzahlige Vielfache von 30 Hz bestimmt. Mit Vorteil werden außerdem Übertragungsgeschwindigkeiten gewählt, die durch Unterteilung der Netzfrequenz entstehen, also z. B. 30 oder 15 Baud, entsprechend einer Integrationsperiode T von V30 bzw. Vi5 sea Bei dieser ganz bestimmten Wahl der Parameter ist die ermittelte Energie E_ohp für jeden Wert von P und Φι,ρ genau Null, wodurch die Harmonischen der Netzfrequenz von 60 Hz diskriminiert werden. Wenn eine Übertragungsgeschwindigkeit von 60 Baud gewählt wird, was einer Integrationsperiode T von '/βο see entspricht, kann die festgestellte Energie En»,, wie folgt angegeben werden:

Demodulator) wie in Bandpaßfilter mit einer der Trägerfrequenz entsprechenden Mittenfrequenz, das die Harmonischen der Netzfrequenz in cijm Maß diskriminiert, wie jede Harmonische vom Übertragungsträger getrennt isi, d. h., 2P größer als 2m+1 ist, und das eine vollständige Unterdrückung oder Diskriminierung einer Harmonischen bewirkt, wenn Φλ_ρ ein ganzzahliges Vielfaches von πτ&ά. ist

Bezüglich des statistischen Rauschens e„(t) wirkt der Integrator wie ein Tiefpaßfilter und unterdrückt diejenigen Komponenten des statistischen Rauschens, die außerhalb der Signal-landbreite liegen. Daher kann die durchschnittliche festgestellte Leistung aufgrund statistischen Rauschens wie folgt angegeben werden:

. E_0n _ A_rN₀ T IT

Das Signal-Rauschverhältnis des Integratorausgangs für Übertragungsgeschwindigkeiten, die durch Teilung von 60 Baud entstehen, also für 30 oder 15 Baud, kann durch Vergleich der Signalleistung mit der RauschSeistung ermittelt und wie folgt angegeben werden:

φ. Γ /

IP

2m +

65

In diesem Fall wirkt der Phasendetektor (Integrator-Das Signal-Rausch-Verhältnis nimmt also mit abnehmender Übertragungsgeschwindigkeit zu, wodurch die

Wahrscheinlichkeit eines Bit-Fehlers geringer wird. Bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 60 Baud ist die harmonische Rauschleistung bezüglich der Netzfre ■;Uenz sehr viel größer als die statistische Rauschleistung und das Signal-Rausch-Verhältnis kann dann wie folgt angegeben werden:

SNR =

A_c cos <P_C

^Py°

π (2 m + 1)

_ Γ ^2P T l_2m + lj

(10)

Hierin sind F₁₁ und Pl durch die obere und untere Grenzfrequenz des frequenzselektiven Filters definiert, das dem Demodulator vorgeschaltet ist.

Zwar ist der Ausdruck 10 kleiner als der Ausdruck 9, doch ist die Verwendung einer Übertragungsgeschwindigkeit von 60 Baud in solchen Fällen vorteilhaft, bei welchen ein f.-hneller Datendurchsatz mit 60 Baud angestrebt wird und die sich daraus ergebenden Fehlerwahrscheinlichkeiten akzeptabel sind.

Durch Messung wurde festgestellt, daß die ungeraden Harmonischen der Netzfrequenz eine 10- bis lOOmal größere Amplitude als die geraden Harmonischen haben. Daher ist es eine andere vorteilhafte Möglichkeit, die Übertragungs-Trägerfrequsnz als gerade Harmonische der Netzfrequenz festzulegen. Dann kann die Demodulator-Referenzfrequenz wie folgt angegebenwerden:

<a_r = 2;r(2Q)60.

(H)

Hierin bedeutet Q eine ganze Zahl, weiche das für die Datenübertragung verwendete geradzahlige Vielfache von 60 Hz definiert. Die festgestellte Energie in Abhängigkeit vom Träger ist identisch mit dem Ausdruck 4. Die Harmonische der Netzfrequenz bei der Übertragungs-Trägerfrequenz kann wie folgt ausgedrückt werden:

= Ahc sin (ω_rt

(12)

Die festgestellte Energie in Abhängigkeit von dieser Harmonischen lautet wie folgt:

Γ _ 1-¹IiIr

COS

(13)

Die festgestellte Energie E_Ohp in Abhängigkeit von jeder anderen Harmonischen der Netzfrequenz ist durch den Ausdruck 6 gegeben und für alle Werte von P und Φι,ρ genau Null, so daß diese Harmonischen diskriminiert werden. Da die Signalleistung der Harmonischen der Netzfrequenz bei der Trägerfrequenz viel größer als die statistische Rauschleistung ist, kann das Signal-Rausch-Verhältnis wie folgt angegeben werden:

Ai_x cos

(14)

Es ist unabhängig von der Übertragungsgeschwindigkeit. Ausdruck 14 kann kleiner als Ausdruck 9 sein, wodurch sich eine höhere Fehierwahrscheiniichkeit ergibt Trotzdem kann die Verwendung der Parameter-Kombination gemäß den Ausdrücken i > bis H Ir. Fäiier.

vorteilhaft sein, in denen ein Datendurchsatz mit 60 Baud gewünscht wird und die sich ergebende Fehlerwahrscheinlichkeit akzeptabel ist.

Im Ralrr.cn der Eimidung können auch andere

Übertr??ungsmethoden, z. B. Frequenztastung oder Amplitudenmodulation, verwendet werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsfoiiti der Erfindung werden die Daten von der zentralen Steuereinheit 5 zum Zählermodul 11 und zum Steuermodul 9 mit 30

ίο Baud übertragen, während die Module mit 30 oder 15 Baud antworten. In Fällen jedoch, in denen höhere Fehlerwahrscheinlichkeiten annehmbar sind und höhere Datendurchsätze gewünscht werden, ist es vorteilhaft, daß die zentrale Steuereinheit 5 die Daten zum Zählermodul 11 und zum Steuermodul 9 mit 60 Baud überträgt, während die Module mit 60, 30 oder 15 Baud antworten. In diesen Fällen kann es nötig sein, die Ausgangsleistung des Senders der zentralen Steuereinheit 5 zu erhöhen, damit die Fehlerhäufigkeit abkzeptabei bleibt. Gleichzeitig sollte die benutzte Trägerfrequenz eine ungerade Harmonische von 30 Hz gemäß Ausdruck 6 sein, damit der Demodulator der zentralen Steuereinheit 5 eine Diskriminierung gegenüber den Harmonischen der Netzfrequenz bewirken kann, wenn die Module mit 30 oder 15 Baud antworten.

Messungen an Energie-Verteilerzuleitungen haben gezeigt, daß die Netzfrequenz bis zu 3% von ihrem Nominalwert von 60 Hz abweicht. Es ist daher Zweckmäßigkeit, den Träger im Sender, den Demodulator-Referenzträger und die Taktgabe für die Datenbits von der Netzfrequenz abzuleiten, so daß die zuvor definierten Beziehungen zwischen den Parametern konstant und dadurch die Demodulatorergebnisse gültig bleiben. Messungen an Verteilerzuleitungen haben

weiterhin gezeigt, daß die Phasenlage des Übertragungs-Trägers innerhalb einer Zeitdauer von 6 min mehr als 50° variieren kann. Daher ist es zweckmäßig, die verschiedenen Oszillatoren für die Demodulator-Referenzfrequenz mit einem Signal zu verriegeln, das vom sendenden Gerät stamrtk.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird von den oben erläuterten Prinzipien, mit denen sich kostspielige Bauteile, wie hochselektive Filter und leistungsstarke Sender in den Antwortgebern, vermeiden (.leisen, Gebrauch gemacht. Gemäß F i g. 1 überträgt die zentrale Steuereinheit 5 zwischen den Abfragen der Zählermodule 11 oder Steuermodule 9 einen Pilotton, nämlich einen unmodulierten Übertragungs-Träger, dessen Signalstärke so ausreichend groß ist, daß er von

so allen Antwortgebern 12 festgestellt werden kann, welche an die von der betreffenden zentralen Steuereinheit 5 bzw. ihrem Sender beaufschlagte Verteilerzuleitung 21 angeschlossen sind. Diese an die Verteilerzuleitung 21 angeschlossenen Antwortgeber empfangen den Pilotton und bewirken eine Phasenverriegeluagihrer Referenz-Trägeroszillatoren mit diesem Signal der zentralen Steuereinheit 5, wodurch der zuvor definierte Phasenwinkel Φ_ο beliebig klein wird. Nach einer Zeitspanne, die ausreicht, daß die Referenzoszillatoren aller Antwortgeber 12 Phasenverriegelung erreicht haben, überträgt die zentrale Steuereinheit 5 Daten zu den Antwortgebern 12 mit einer festen Übertragungsgeschwindigkeit von 30 Baud durch Phasenschiebe- bzw. Phasenmodulation des Übertrags gungsträgers. Zweckmäßigerweise wird ein Modulaüonshub von +90° zur Darstellung des Schaltwertes i unH von —90'* zur Darstellung des Schallwertes 0 da bei diesen Hüben die Wahrscheinlichkeit

von BitfehJern für ein bestimmtes Signal-Rausch-Verhältnis am kleinsten ist. Der Antwortgeber 12, der abgefragt wird, antwortet mit der befohlenen Übertragungsgeschwindigkeit von beispielsweise 30 oder 15 Bit pro see. Die Antwortgeber 12 senden keinen Pilotton zur zentralen Steuereinheit 5, welche stattdessen die Übertragung des Antwortgebers mit vier parallelen phasenempfindlichen Demodulatoren demoduliert, deren Referenzträger bezüglich der Phase um 45° gegeneinander versetzt sind. Nach Empfang des ersten Bits der Übertragung vom Antwortgeber 12 tastet die zentrale Steuereinheit 5 die vier Demodulatorausgänge ab und wählt denjenigen Demodulatorausgang aus, dessen absolute Amplitude am größten ist und daher die kleinste Phasenabweichung Φ_Γ gegenüber dem Übertra-

gungsträger vom Antwortgeber 12 besitzt. Die Deraodulatorpolarität wird durch Vergleich der empfangenen Bit-Polariiät mit der erwarteten Polarität des ersten Bits erhalten, welches das Funktionscodebit F₀ ist Diese Demodulatorpolarität wird dann zur Erkennung des Restes der Antwortgeber-Übertragung verwendet

Wegen der Möglichkeit, mit verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten von den Antwortgebern zu arbeiten, können in den Antwortgebern Sender mit geringer Leistung verwendet werden. Außerdem kann das System den Übertragungskanal für die Antwortgeber-ubertragung automatisch den schwankenden Signal-Rausch-Verhältnissen anpassen und gleichzeitig den größtmöglichen Datendurchsatz erzielen.

Hierzu 4· Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

l_t Vorrichtung zur binären Nachrichtenübertragung zwischen einer zentralen Station und entfernten Stationen über ein Wechselstrom-Verteilernetz, bei welcher anmindestens einer Station ein Sender und an mindestens einer weiteren Station ein Empfänger ans das Verteilernetz angekoppelt ist, wobei in jedem Sender eine Trägerfrequenz, die eine Harmonische der halben Netzfrequenz ist, mit einem digitalen Datensignal moduliert wird und in jedem Empfänger dieses Datensignal durch Demodulation rückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenz zwischen 5 und ₎₅ 3C kHz gewählt ist und die Übertragungsgeschwindigkeit mindestens ein Viertel der Netzfrequenz beträgt
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenz zwischen 5 und _Μ 10 kHzgewShJtisL
3. Vorrichtung nach Anspruch ί oder 2 für ein Wechselstrom-Verteilernetz, das Kondensatoren zur Blindstromkompensation aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie oder prallet zu jedem dieser Kondensatoren ein kapazitives Trennetzwerk geschaltet ist
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Demodulator (53) eine Quelle (206) für ein Referenzphasensignal zugeordnet ist, das zur Rückgewinnung des Datensignals durch. Vergleich mit dem modulierten Trägersignal dient, und, daß mi? der Quelle eine auf das modulierte Trägersicnal ansprechende Nachstelleinrichtung (200) zur Einsteli 'Jig der Phase des Referenzphasensignals auf einen Referenzwert zusammenwirkt, der in der Mitte zwischen den beiden einander entgegengesetzten Phasenwinkeln des modulierten Trägersignals während seiner Demodulation liegt
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder entfernten Station ein Phasendetektor zur Erkennung der Phasenlage der Netzspannung an der entfernten Station relativ zu derjenigen an der zentralen Station vorgesehen ist, welcher ein der ermittelten Phasenlage entsprechendes Polaritätssignal für eine Steuerung der Phasenlage der zwischen der zentralen Station und der entfernten Station ausgetauschten Datensignale abgibt
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Sender einer entfernten Station einzuhaltende Übertragungsgeschwindigkeit von der zentralen Station aus einstellbar ist.