DE69226282T2

DE69226282T2 - Eingehende kommunikation mittels stromverteilungsnetzwerk

Info

Publication number: DE69226282T2
Application number: DE69226282T
Authority: DE
Inventors: Kevin Franzen; Sioe Mak
Original assignee: Distribution Control Systems Inc
Current assignee: Aclara Technologies LLC
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2012-10-28
Also published as: NZ245390A; CA2122831C; EP0617860A1; US5262755A; MX9207342A; WO1993012584A1; ES2118837T3; DE69226282D1; EP0617860A4; BR9206938A; EP0617860B1; AU2910492A; CA2122831A1; AU663532B2

Description

Hintergrund der Erfindung:

Die Erfindung bezieht sich auf ein System und auf ein Verfahren zum Entnehmen von Information aus einer Trägerwelle und bezieht sich allgemein auf das Verfahren und die Vorrichtung, die in den US-Patenten 4 106 007 und 4 218 655 beschrieben sind, deren Lehren durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden. Gemäß der Beschreibung in diesen Patenten ist es bekannt, daß ein Modulationssignal einer Leistungssystemwellenform an speziellen Stellen auf der Leistungssystemwellenform wie einem Nulldurchgang überlagert werden kann, um Wellenformstörungen in der Trägerwelle hervorzurufen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform werden elektrische Belastungsimpulse benutzt, die dem 60-Hz-Laststrom eines elektrischen Energieverteilungssystems überlagert werden.
Die Kommunikation über elektrische Energieverteilungsleitungen ist u.a. brauchbar zur Signalisierung, Meßinstrumentablesung und Belastungssteuerung. Die Kommunikation über ein elektrisches Verteilungssystem ist jedoch ein komplexes Unterfangen. Jeder Kundendienst stellt eine Verzweigung in der Verteilungsspeiseleitung dar, und die Verzweigung ist so extensiv, daß es unpraktisch ist, eine Filter- und Bypass-Schaltungsanordnung in jedem Verzweigungspunkt vorzusehen. Das Verteilungssystem ist kein attraktives Mittel für herkömmliche Kommunikationen, und zwar wegen der Dämpfung und der Dispersion der Signale und wegen der Rauschpegel, die dazu tendieren, hoch zu sein. Zum Überwinden der hohen Rauschpegel ist es im allgemeinen notwendig, mit Schmalbandfilterung, Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturcodes sowie mit relativ hohen Signalleistungswerten bei niedrigen Bit-Raten zu arbeiten.
Die vorstehenden Probleme ergeben sich in zwei Bereichen. Der erste betrifft das Übertragen von Information von der zentralen Quelle aus in der Richtung des Energieflusses zu den einzelnen Kundengebäuden. Diese Übertragung von Information in der Richtung des Energieflusses wird als "ausgehende" oder als "nach auswärts bestimmte" Signalisierung bezeichnet. Funktionen wie automatische Meßinstrumentablesung und verschiedene Alarmsysteme verlangen jedoch, daß Information nicht nur von einer einzelnen Quelle aus zu dem Endbenutzer gelangt, sondern auch von dem Endbenutzer zurück zu der zentralen Station. Diese Übertragung von Information in der Richtung, die zu der des Energieflusses entgegengesetzt ist, wird als "eingehende" oder "nach einwärts bestimmte" Signalisierung bezeichnet.
In dem System, das in den oben erwähnten Patenten beschrieben ist, besteht jede Binärziffer (eine binäre "1" oder eine binäre "0") aus vier Stromimpulsmodulationen, die in vorgewählten Nulldurchgängen der elektrischen Verteilungsnetzwerksspannungswellenform angeordnet sind. Diese Stromimpulse sind innerhalb von acht Nulldurchgängen (vier vollständigen Zyklen) der Wellenform angeordnet, und die Stromimpulsmuster für "1en" und "0en" sind komplementär.
Durch Verwendung von unterschiedlichen Impulsmustern zum Definieren von binären "1en" und "0en" ist es möglich, eine Zahl von separaten, nichtinterferierenden Kanälen zu definieren, über die Information in jedem der acht Halbzyklussegmente der Wellenform übertragen werden kann. Diese Kanalimpulsmuster sind in dem US-Patent 4 963 853 erläutert, dessen Lehre durch Bezugnahme hier einbezogen wird.
Die US-A-4 914 418 befaßt sich mit einem Verfahren zum Erfassen von ausgehenden Signalen. Die US-A-4 996 513 befaßt sich mit der Technik der Löschungsausfüllung, d.h. mit dem Ausfüllen von Lücken in den Daten in einem Signal, das aus einer Vielfalt von Gründen verlorengehen kann. Die FR-A-2 550 669 befaßt sich mit Durchlaßbandfiltern.
Gegenwärtig verfügbare Kommunikationssysteme dieses Typs arbeiten im allgemeinen zufriedenstellend, sie könnten aber verbessert werden. Zum Beispiel, Rauschen in dem Elektrizitätsverteilungsnetzwerk kann die Leistungsfähigkeit des Kommunikationssystems beträchtlich reduzieren. Die Signalwelle selbst kann ihre Wellenform und ihr Frequenzspektrum ändern, je nach den Bedingungen im Netzwerk. Wenn eine Nachricht empfangen wird, die fehlerhaft ist, ist es nicht immer möglich, festzustellen, welches Bit oder welche Bits der Nachricht unkorrekt sind. Darüber hinaus bieten gegenwärtige Systeme nicht allgemein eine äquivalente Leistungsfähigkeit auf allen nichtinterferierenden Kanälen. Und diese Systeme leiden unter reduzierter Leistungsfähigkeiten bei höheren 60-Hz-Hintergrundströmen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eines der Ziele der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen zum Verbessern der Übertragung von eingehender Information in einem elektrischen Verteilungssystem.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches die Auswirkung von Rauschen auf die Systemleistungsfähigkeit reduziert.
Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren zu schaffen zum einfacheren Bestimmen der Signalwellenform für jede eingehende Nachricht.
Ein viertes Ziel ist es, ein Verfahren zu schaffen zum Verbessern der Identifikation und Korrektur von unkorrekten Bits in einer Nachricht.
Ein fünftes Ziel ist es, eine verbesserte Leistungsfähigkeit zu schaffen, so daß die Leistungsfähigkeit bei allen nichtinterferierenden Kanälen zufriedenstellender ist.
Ein sechstes Ziel ist es, ein Verfahren zu schaffen zum Verbessern der Systemleistungsfähigkeit bei höheren 60-Hz- Hintergrundströmen, um eine Signalerfassung an dem Verteilungsunterstationsbus zu gestatten.
Andere Ziele und Merkmale der Erfindung liegen zum Teil auf der Hand und sind zum Teil im folgenden angegeben.
Die vorliegende Erfindung schafft, kurz gesagt, ein Verfahren zum Erfassen von Signalen, die auf einem elektrischen Verteilungsnetzwerk nach einwärts bestimmt transportiert werden, um eine elektrische Strominformation aus einer Wellenform des Elektrizitätsverteilungsnetzwerks zu entnehmen, das gekennzeichnet ist durch Bilden einer digitalen Wellenform, um Signalinformation zu entnehmen, die in der elektrischen Strominformation enthalten ist; Aufbauen einer Referenzwellenform aus einem Teil der digitalen Wellenform; und Erfassen der Signalinformation durch Vergleichen von Teilen der digitalen Wellenform mit entsprechenden Teilen der Referenzwellenform.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein elektrisches Schaltbild eines Kommunikationssystems des Typs, bei dem das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann;
Fig. 1A ist eine grafische Darstellung eines Teils der Wellenformen, die in dem Kommunikationssystem nach Fig. 1 auftreten;
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Signalentnahme in dem System nach Fig. 1 veranschaulicht;
Fig. 3 ist ein elektrisches Schaltbild eines Elektrizitätsverteilungsnetzwerks, mit dem das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung getestet wurde;
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Signalentnahme aus dem System nach Fig. 3, bei dem der Einspeiseleitungsstromwandler zum Entnehmen der Signalinformation benutzt wird, ohne daß das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung der Signaldaten nach Fig. 4 nach Anwendung der digitalen Filterung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine grafische Darstellung ähnlich der in Fig. 4, die aber Signale veranschaulicht, welche in dem Unterstationssternpunktleiter in der Unterstation entnommen worden sind; und
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Signaldaten nach Fig. 6 nach Anwendung der digitalen Filterung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.
In den verschiedenen Ansichten der Zeichnung tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung ist speziell zur Verwendung bei Kommunikationssystemen bestimmt, bei denen das bereits existierende elektrische Verteilungssystem benutzt wird, das mit jedem Gebäude verbunden ist, um den Träger zu bilden. Eine Signalisierung unter Verwendung von diesen Typen von Kommunikationssystemen erfolgt durch Ziehen von Stromimpulsen nahe den Nulldurchgängen der Spannung des 60-Hz-Systems. In dem hier beschriebenen System wird weiter verlangt, daß die Binärziffer oder das Bit "1" oder das Bit "0" aus einer Kombination einer Anzahl von Stromimpulsen innerhalb einer festen Anzahl von Zyklen von 60 Hz besteht, üblicherweise aus vier Impulsen innerhalb von vier Zyklen.
Mehr insbesondere, das vorliegende Verfahren wird bei einem Kommunikationssystem benutzt, bei welchem elektrische Lastimpulse benutzt werden, die dem 60-Hz-Laststrom überlagert und diesem in der Unterstation entnommen werden. Diese Impulse werden an entfernten Stellen auf der Speiseleitung mit den Betriebsspannungswerten erzeugt. Kanalimpulsmuster zur Bit-Codierung sind in dem US-Patent 4 963 853 beschrieben. Fig. 1 zeigt ein typisches Schaltbild, das ein solches System veranschaulicht. Die Eingangssignale werden durch einen Sender/Transponder 11 erzeugt, der die Signalimpulse iS erzeugt, welche in dem rechten Teil in Fig. 1 gezeigt sind.
Diese Signalimpulse gehen nach einwärts bestimmt durch verschiedene Transformatoren wie einen Verteilungstransformator T1 (der den Signalimpuls iS in einen Impuls iS, transformiert) und einen Verteilungsunterstationstransformator T3 hindurch, wie dargestellt. Das Signal an dem Verteilungsunterstationstransformator wird durch einen Stromwandler T5 entnommen, der mit einem nach einwärts bestimmten Empfänger 13 verbunden ist. An dem Stromwandler enthält der Busstrom, wie gezeigt, nicht nur den Signalimpuls iS', sondern auch den Laststrom iL. Einige der auftretenden Wellenformen sind in Fig. 1A dargestellt.
Existierende nach einwärts bestimmte Empfänger wie der Empfänger 13 haben, obgleich sie adäquat auf vorliegenden Felderfahrungen basieren, einige Nachteile.
Fig. 2 zeigt, wie die Daten bislang zur Signalentnahme und -erfassung an der Speiseleitung oder dem Busstromwandler T5 erzielt wurden. Wenn die passende Phasenverzögerung für jeden Halbzyklus erreicht ist, dann wird für jedes Erfassungsfenster der Strom alle fünf (5) elektrische Grad abgetastet. In Fig. 2 sei angenommen, daß dem Hintergrundstrom das Bit "1" des Musters des Kanals 15 überlagert ist. Wenn der Hintergrundstrom etwas instabil und nicht ganz symmetrisch ist, dann können die abgetasteten Daten ausgedrückt werden als eine stabile Komponente i&sub1; für die positive Polarität und i&sub2; für die negative Polarität plus einer variablen Komponente "ai" und einem Signal "s" an den geeigneten Stellen. Für jedes Fenster der acht Halbzyklen können die j-ten abgetasteten Daten folgendermaßen ausgedrückt werden.
Wenn die Erfassungsmatrix D&sub1; &sub5; = [1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, 1,] bei der Matrix der abgetasteten Daten ahgewandt wird, dann gilt
Der Rauschteil A&sub1; &sub5; = [a&sub1; - a&sub2; - a&sub3; + a&sub4; - a&sub5; + a&sub6; + a&sub7; - a&sub8;] kann eine positive oder negative Zahl sind. Wenn A&sub1; &sub5; größer als 4s ist und A&sub1; &sub5; negativ ist, dann wird S&sub1; &sub5; eine negative Zahl. Das erfaßte Bit ist fehlerhaft.
Wenn andere Kanalbitmuster vorhanden sind, bleiben Teile der Elemente der Matrix der abgetasteten Daten i&sub1; + a&sub1;, -i&sub2; - a&sub2;, i&sub1; + a&sub3;, ...., i&sub1; + a&sub7;, - i&sub2; - a&sub8; dieselben, aber der Rauschanteil des entnommenen Signals ist für jeden Kanal unterschiedlich. Der Rauschanteil des Kanals 1 ist A&sub1; = [a&sub1; +a&sub2; +a&sub3; +a&sub4; -a&sub5; -a&sub6; -a&sub7; -a&sub8;].
Zum Verbessern der Empfängerempfindlichkeit ist bislang eine Vorunterdrückungstechnik benutzt worden, sie hat aber keine Auswirkung auf den Rauschanteil.
In der ursprünglichen Version des Detektors 13 wurden die abgetasteten Daten für die ersten sieben (7) Bits gesammelt, und es wurde der Median bestimmt. Dieser Median und seine Lage in dem Fenster wurden als die Stelle des Scheitels des nach einwärts bestimmten Signals angenommen. Für jeden Kanal wurde diese Medianstelle bestimmt.
Von diesem Punkt an wurden in dem bekannten Decodierprozeß nur die abgetasteten Daten an der Medianstelle des Fensters benutzt. Wenn der Wert des erfaßten Bits positiv war, wurde das Bit als eine "EINS" angenommen, und wenn der Wert negativ war, war das Bit "NULL". In einer späteren verbesserten Form wurden, wenn die decodierte Nachricht keine Fehlererfassung und -korrektur passierte, die anderen abgetasteten Daten vor oder nach dem Median zum Decodieren benutzt.
Einige der Schwierigkeiten, die bei diesem Verfahren aufgetreten sind, waren:
i. Wenn die Phasenverzögerung unkorrekt eingestellt wurde, konnte der Median an dem Ende oder an dem Anfang des Fensters liegen. Bei dem nach einwärts bestimmten Signal wird die lokale Spannungsreferenz benutzt, um seinen Zündwinkel zu bestimmen. Diese Spannung konnte aber um ein beträchtliches Ausmaß gegenüber der Busspannung in der Unterstation, die als Referenz durch den nach einwärts bestimmten Empfänger benutzt wird, phasenverschoben sein. Die transiente Schwingungsfrequenz des nach einwärts bestimmten Signals ändert sich mit der Systembelastung. Es war daher schwierig, eine gute Phasenverzögerung zu bestimmen, die für alle Arten von Belastungszuständen galt.
ii. Hinsichtlich des Kanalrauschens wurde nichts unternommen, und spezielle bevorzugte Kanäle tendierten aufgrund der besonderen Struktur ihrer Erfassungsalgorithmen dazu, eine bessere Leistungsfähigkeit als die anderen Kanäle zu haben.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten, indem es den Empfänger veranlaßt, sich Veränderungen in der Phasenverzögerung für jeden Kanal unter allen möglichen Umständen anzupassen. Daher ist eine Grobeinstellung der Phasenverzögerung ausreichend, und der Empfänger 13 folgt den Änderungen und stellt sich selbst auf die neuen Bedingungen ein. Es filtert soviel Rauschen wie möglich heraus. Es benutzt soviel wie möglich von der Signalenergie zur Signalerfassung. Es beinhaltet eine Technik zum Feststellen von schlechten Bits, so daß, wenn die decodierte Nachricht die Fehlererfassungskriterien nicht passiert, die schlechten Bits geändert werden können, um die Fehlererfassungskriterien zu passieren (eine sog. "LÖSCHUNGSAUSFÜLLUNG"-Technik).
Untersuchungen im Feld haben gezeigt, daß nach einwärts bestimmte Impulse, die in der Unterstation empfangen werden, Scheitel haben, die zwischen 0,65 A und 2,6 A liegen, und ihrer Natur nach transiente Schwingungen mit Frequenzen sind, die zwischen 200 Hz und 400 Hz liegen. Der gefährlichste Typ von Rauschen für diesen Typ von nach einwärts bestimmter Kommunikation ist die plötzliche Umschaltung einer großen Belastung. Ein solcher Umschaltstrom stellt sich selbst als ein 60-Hz-Strom dar, welcher einer abklingenden transienten Gleichstrom- und transienten Schwingungskomponente überlagert ist. Der Hintergrundstrom auf dem Bus, welchem der nach einwärts bestimmte Impuls überlagert ist, reicht im Effektivwert von 100 A bis 5000 A.
Unter Berücksichtigung von allen diesen Faktoren wurde das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, daß es vorzugsweise folgende Merkmale hat:
i. Digitalisieren des Stroms unter Verwendung eines wenigstens 15-Bit-Analog/Digital-Wandlers.
ii. Verwenden eines digitalen Bandpaßfilters mit unendlicher Impulsantwort (infinite impulse response oder IIR oder rekursives System) oder mit endlicher Impulsantwort (finite impulse response oder FIR oder nichtrekursives System), das ein Durchlaßband zwischen 200 Hz und 450 Hz hat.
iii. Bestimmen einer Medianwellenform des gefilterten Signals aus den ersten "n" Bits der Nachricht. Flankenabstumpfung der Signale kann notwendig sein oder nicht notwendig sein. Es werden eine feste Phasenverzögerung und eine Fensterbreite von 180 Grad angenommen. Die Medianwellenform und ihre Lage innerhalb des Fensters sind dann gut bekannt. Diese Medianwellenform wird im folgenden als Referenzwellenform bezeichnet.
Ein Kriterium für die Signalstärke wird dann definiert oder entwickelt aus der in iii erzielten Information. Darüber hinaus werden die Signalerfassung und ein Kriterium für schlechte Bits definiert. Schließlich wird eine Löschungsausfülltechnik realisiert.
Ein solches System, bei dem dieses Verfahren benutzt wird, ist dann folgendermaßen realisiert worden:

Das nach einwärts bestimmte digitale Filter

Das Bandpaßfilter, das benutzt wurde, war ein 4-Pol-Butterworth-3-dB-Abwärts-IIR-Filter mit Bandflankenfrequenzen von 200 Hz und 400 Hz. Die Abtastrate betrug 4320 Hz. Die Übertragungfunktion für dieses Filter war:
Die tatsächliche Verwendung des Filters bei realen Strömen, die nach einwärts bestimmte Signale enthielten, wobei alle Kanäle 1, 6, 9, 12, 14 und 15 aktiv waren, sind in den folgenden Figuren gezeigt.
Fig. 3 ist ein elektrisches Schaltbild des Verteilungsnetzwerks, bei dem das vorliegende Verfahren angewandt wurde. Zusätzlich zu den Transformatoren, die in Fig. 1 gezeigt sind, enthält es einen Stromwandler T7, der in den Unterstationssternpunktsleiter des Unterstationsverteilungstransformators geschaltet ist. Die Ströme wurden an den Stellen abgetastet, die durch die Stromwandler T5 und T7 gezeigt sind.
Fig. 4 zeigt Diagramme von 22 Bits, die einander überlagert sind, für alle sechs Kanäle, wie sie durch den Stromwandler T5 entnommen worden sind. Ein Teil eines Zyklus des Hintergrundstroms ist ebenfalls gezeigt, und die entnommenen, nach einwärts bestimmten Signale werden vor dem Aufzeichnen verstärkt. Die Nachrichten enthalten Mischungen der Bits "EINS" und "NULL".
Fig. 5 zeigt Diagramme der digital gefilterten Daten derselben Bits, die in Fig. 4 gezeigt sind. Die gefilterten Signale sind oszillatorisch und sind in bezug auf den Hintergrundstrom phasenverschoben. Der Systemstrom war praktisch frei von Rauschen, und es wurde durch Filtern keine Verstärkung erzielt.
Dieselben Nachrichten wurden wieder gesendet, aber die Signale wurden in dem Unterstationssternpunktsleiter in der Unterstation entnommen. Der Sternpunktsstrom enthielt 3., 5., 7. und 9. Harmonische. Die Ergebnisse der Signalentnahme sind in Fig. 6 gezeigt. Nur die Kanäle 14 und 15 scheinen vernünftig auszusehen, und die Kanäle 12 und 9 sehen gut aus.
Die Ergebnisse durch Anwendung des digitalen Filters sind in Fig. 7 gezeigt. Die gefilterten Signale sehen beständiger und viel weniger durch Rauschen beeinflußt aus. Bei der tatsächlichen Realisierung spielt es keine Rolle, ob IIR oder FIR benutzt wird. Sowohl IIR- als auch FIR-Filter rufen eine Phasenverzögerung hervor, die bei der Entscheidung, wie groß ein zu benutzendes Erfassungsfenster ist, berücksichtigt werden muß.

Signalmittelungsprozeß für Referenzmusterbestimmung

Das Referenzmuster ist als das Mittelwertmuster der ersten "n" Bits jeder Nachricht für jeden Kanal definiert. Daher ist das Referenzmuster für den Kanal, der codiert wird, eindeutig. Durch Anwenden des Erfassungsalgorithmus eines bestimmten Kanals zuerst auf die gefilterten Daten werden die Signale, die das Bit für diesen Kanal definieren, entnommen.
Für eine Fensterbreite von 180 elektrische Grad und ein Abtastintervall von fünf (5) elektrische Grad der 60 Hz jenseits der festen Phasenverzögerung werden für die ersten "n" Bits der Nachricht auf einem Kanal die folgenden abgetasteten Daten erzielt und gespeichert:
Da nach der Filterung das Signal oszillatorisch ist, kann jede der Serien sj &sub1;, sj &sub2;, .... sj &sub3; &sub5;, sj &sub3; &sub6; positive oder negative Werte haben.
Wenn die ersten "n" Bits für die Musterbestimmung alle "1" oder "0" sind, dann ist der Mittelungsprozeß einfach. Es gibt jedoch immer eine Mischung der Bits "1" und "0". Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung benutzt den folgenden Prozeß:
i. Es wird angenommen, daß das erste Bit das anfängliche Referenzbit ist. Daher definieren s&sub1; &sub1;, s&sub1; &sub2;, ...., s&sub3; &sub6; das Referenzmuster.
ii. Die erste Verfeinerung des Referenzmusters erfolgt durch Bilden des Mittelwerts des ersten und des zweiten Musters. Da die beiden Bits unterschiedlich sein können, berechnen wir die folgenden Zahlen:
Dann bilden wir die Summen
Wenn S'r größer als S"r ist, dann ist s'r.1, s'r.2 .... s'r.3 6 das neue Referenzmuster.
Wenn Sr'r kleiner als S"r ist, dann ist s"r.1, s"r.2 .... s"r.3 6 das neue Referenzmuster.
iii. Die nächste Verfeinerung wird erzielt durch Wiederholen des Prozesses, wie er in dem Schritt ii beschrieben ist, an dem zuvor verfeinerten Referenzmuster und dem Muster des dritten Bits. Der Prozeß wird wiederholt, bis alle "n" Muster benutzt sind.
iv. Das letzte Referenzmuster wird erzielt durch Dividieren jedes Mitglieds des Musters durch "n", um das Referenzmuster zu normieren.
v. Das endgültige Muster für den Kanal kann durch den folgenden Vektorausdruck beschrieben werden:
[sr f] = [sr f.1 'sr f.2 '....'sr f . 3 5 'sr f .3 6]
Dieses Muster kann willkürlich definiert werden, um das Bit "1" oder das Bit "0" darzustellen.

Biterfassung und Nachrichtendecodierung

Die Erfassung des k-ten Bits geht folgendermäßen vor sich:
i. Der Referenzvektor wird addiert und subtrahiert zu bzw. von dem Muster des k-ten Bits, um die beiden neuen Muster zu bilden, wie sie unten gezeigt sind.
ii. Die folgenden Summierungen werden ausgeführt.
Wenn S'k größer als S"k ist, dann ist das k-te Bit das Bit "1", und der Wert S'k wird gespeichert.
Wenn S'k kleiner als S"k ist, dann ist das k-te Bit das Bit "0", und der Wert S"k wird gespeichert. Der gespeicherte Wert von S oder S" ist die Signalstärke des k-ten Bits.
iii. Dieser Prozeß wird benutzt, um alle "n" Bits der nach einwärts bestimmten Nachricht zu erfassen, einschließlich der ersten "n" Bits, die benutzt werden, um das Referenzmuster zu bestimmen. Das Ergebnis des Decodierens kann zu einem invertierten Bitmuster führen. Wenn das passiert, wird ein Inversionsalgorithmus angewandt, indem alle Bits "1" in Bits "0" geändert werden, und umgekehrt.

Löschungsausfüllung

Die Löschungsausfülltechnik nach der vorliegenden Erfindung kann nur benutzt werden, wenn die Möglichkeit vorgesehen ist, schlechte Bits in einer Nachricht zu erkennen, und wenn ein Kriterium existiert, um festzustellen, ob eine Nachricht korrekt ist oder nicht.
Das "Nachrichtenkorrektheit"-Kriterium, das benutzt wird, besagt, daß die Nachricht den CRC-16-Fehlererkennungsalgorithmus passieren muß. Wenn eine Nachricht den CRC-16-Fehlererkennungsalgorithmus nicht passiert, dann wird angenommen, daß die Nachricht ein oder mehrere verunreinigte Bits enthält.
Um die Bedeutung des Begriffes verunreinigtes oder "schlechtes" Bit zu verstehen, sei angenommen, daß das i-te Mitglied des Referenzvektors gleich +10.0 ist. Für den Referenzvektor wird auch angenommen, daß er statistisch ein guter Repräsentant des tatsächlichen Signals ist. Das ist besonders wahr, wenn "n" groß genug gemacht wird. Das k-te Bit, das decodiert werden muß, zeigt eine Stärke von -2,0 für sein i-tes Mitglied. Folgt man der Prozedur, die oben für die Bit- Erfassung und Nachrichtendecodierung angegeben worden ist, so gilt:
s'k . i = 10,0 + (-2,0) = 8,0
s"k . i = 10,0 - (-2.0) = 12,0
Wenn der Vektor aus nur einem Mitglied besteht, dann wird dieses Bit als Bit "0" decodiert, da S"k größer als S'k bei einer Signalsstärke von 12,0 ist.
Dieses Ergebnis braucht nicht korrekt zu sein. Die möglichen Fälle sind:
i. Das wahre Signal ist 10,0, aber ein Rauschstoß von -12,0 wird überlagert, um ein Gesamtergebnis von [10,0 - 12,0] = -2,0 zu ergeben.
ii. Das wahre Signal ist - 10,0, aber ein Rauschstoß von + 8,0 wird überlagert, um ein Gesamtergebnis von [-10,0 + 8,0] = -2,0 zu ergeben.
ii. Wenn es eine Verunreinigung durch Rauschen gibt und das wahre Bit eine Stärke von -10,0 für sein Mustermitglied hat, dann gilt
s'k . i = 10,0 + (-10,0) = 0,0
s"k . i = 10,0 - (-10,0) = 20,0
und das Bit würde als Bit "0" decodiert worden sein, weil S"k größer ist als S'k.
Wenn es keine Verunreinigung durch Rauschen gibt und das wahre Bit eine Stärke von +10,0 für sein Mustermitglied hat, dann gilt:
s'k . i = 10,0 + (+10,0) = 20,0
s'k . i = 10,0 - (+10,0) = 0,0
und das Bit würde als Bit "1" decodiert worden sein, weil es S'k größer ist als S"k.
Wenn das Rauschen in bezug auf das Signal additiv ist oder wenn, mit anderen Worten, das Rauschen dieselbe Polarität wie das Signal hat, dann wird das Bit immer korrekt decodiert. s'k . i oder s"k . i wird jedoch viel größer als 20 sein in den oben benutzten numerischen Beispielen.
Wenn das Rauschen klein ist, dann sollten alle Bits die Signalstärken von [20,0 + dj] haben, wobei dj klein gegenüber 20,0 ist.
Wenn eine Serie von "N" Bits, die zu einer nach einwärts bestimmten Nachricht gehören, CRC-16 nicht passiert, ist es daher wahrscheinlich, daß ein besonderes Bit unkorrekt decodiert wird und daß dieses Bit dasjenige sein wird, das die niedrigste Signalstärke in der Serie hat. Der anzuwendende Algorithmus ist:
i. Wenn die Nachricht nicht den CRC-6-Fehlererkennungsalgorithmus besteht, wird das Bit bestimmt, welches die niedrigste Signalstärke hat.
ii. Wenn das Bit als Bit "0" decodiert wurde, wird es in das Bit "1" geändert. Wenn das Bit als Bit "1" decodiert wurde, wird es in das Bit "0" geändert.
iii. Wenn es den Fehlererkennungsalgorithmus noch nicht besteht, werden die Bits ermittelt, die die niedrigste und die nächstniedrige Signalstärken haben. Es gibt drei (3) mögliche Kombinationen, die zu versuchen sind. Zum Beispiel, wenn die anfänglich angenommende Kombination von schlechten Bits "01" lautet, dann sind die möglichen Ersatzkombinationen "00", "11" und "10". Jede Kombination wird versucht, bis die Kombination benutzt wird, die bewirkt, daß die Nachricht den CRC-16-Fehlererkennungsalgorithmus besteht. Allgemein, wenn es "j" Bits gibt, die zu korrigieren sind, lautet die Zahl der zu versuchenden Kombinationen [j²-1]. In diesem Augenblick wird bevorzugt, die Zahl "j" auf nur vier (4) zu begrenzen. Es gibt eine Zahl, wo die Wahrscheinlichkeit, CRC-16 zu bestehen, auf einen unakzeptablen Wert ansteigt, obgleich die Nachricht fehlerhaft ist.
Es gibt keine Garantie, daß die ersten "n" Bits die besten Bits sind, die zu benutzen sind, um den Referenzvektor zu bestimmen. Die Technik, die benutzt werden könnte, besteht darin, die mittlere Stärke von "n" Signalen zu bestimmen und diejenigen auszuschließen, die größer als gewisse Standardabweichungen von dem Mittelwert sind, um einen neuen Mittelwert zu bestimmen, indem weniger als "n" Bits benutzt werden. Eine alternative Technik besteht darin, die Bits (n+1), (n+2) ...., (2n-2), (2n-1) (2n) zu benutzen, um einen zweiten Referenzvektor zu bestimmen. Diese Technik ist erwünschter, da die Felderfahrung zeigt, daß die Natur des Rauschens in nach einwärts bestimmter Kommunikation hauptsächlich stoßweises Rauschen ist, das sich auf wenige aufeinanderfolgende Bits erstreckt. Wenn "n" klein ist, bewirkt daher der Effekt der Mittelwertbildung, daß die guten Bits ausgeschlossen werden, statt anders herum. Beide Referenzvektoren werden zum Decodieren bei diesem alternativen Verfahren benutzt, und die Löschungsausfüllung wird bei jedem Ergebnis angewandt. Als Beispiel beträgt die Zahl "n" sieben, und die Zahl zur Löschungausfüllung ist vier (4) Bits.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist für Echtzeitbetrieb in einer Unterstation getestet worden, die für ihre schlechte nach einwärts bestimmte Leistungsfähigkeit bei Verwendung des existierenden nach einwärts bestimmten Empfängers bekannt ist. Die Kommunikationsleistungsfähigkeit auf sechs (6) Kanälen aus Ferntranspondern der Klasse 208 V und 240 V liegt typisch in einem Bereich zwischen 37% und 74,5%. Unter Verwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird typischerweise die Leistungsfähigkeit so verbessert, daß sie in einem Bereich zwischen 74% und 94% liegt. Das ist eine sehr bedeutsame Verbesserung. Während an den meisten Orten Empfänger üblicherweise Leistungsfähigkeitswerte unter Verwendung von vier (4) Kanälen in dem Bereich von 95% bis 98% haben, werden mit dem neuen Mustererkennungsempfänger die erwarteten Leistungsfähigkeitswerte zwischen 99% und 100% für alle sechs (6) Kanäle liegen.
Der Mustererkennungsempfänger verbessert die nach einwärts bestimmte Kommunikation für alle sechs (6) Kanäle beträchtlich, verglichen mit dem existierenden nach einwärts bestimmten Empfänger. Die Verbesserung schafft zusätzliche Vorteile, die bei dem existierenden Empfänger nicht vorhanden sind, wie:
i. Feinabstimmung der Phasenverzögerung auf der Basis der Belastungsbedingungen ist nicht notwendig.
ii. Zuverlässigere Anwendung von sechs (6) Kanälen.
iii. Größere Immunität gegen bekanntes nach einwärts bestimmtes Rauschen.
iv. Es wird der Extra-Overhead aufgrund von Fehlerkorrekturerfordernissen reduziert. Sie reduziert auch die Notwendigkeit der Benutzung eines Mehrbitbetriebes und das automatische Wiederversuchsmerkmal und verringert dadurch die Kommunikationszeit zum Senden von Informationen.
v. Es wird die Möglichkeit verbessert, in einer Umgebung zu arbeiten, wo die Stärke des nach einwärts bestimmten Signals aufgrund der Schaltungskonfiguration reduziert wird, wie beispielsweise 208-V-Transponder jenseits eines stern-stern-geschalteten Abwärtstransformators oder U-Bahn-Netze, wo alle Speiseleitungen von demselben Bus her mit einem gemeinsamen Netz auf der Betriebsspannungsseite verbunden sind.
Anhand der obigen Darlegungen ist zu erkennen, daß die verschiedenen Ziele und Merkmale der Erfindung erreicht werden und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.
Da verschiedene Änderungen an den obigen Konstruktionen und Verfahren vorgenommen werden könnten, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, ist beabsichtigt, daß alles, was in der obigen Beschreibung enthalten und in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, als illustrativ und nicht in einschränkendem Sinn zu interpretieren ist.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen von Signalen (iS), die auf einem elektrischen Verteilungsnetzwerk nach einwärts bestimmt transportiert werden, um eine elektrische Strominformation aus einer Wellenform (I) des Elektrizitätsverteilungsnetzwerks zu entnehmen, gekennzeichnet durch die Schritte:

Digitales Bilden einer digitalen Wellenform, um Signalinformation zu entnehmen, die in der elektrischen Strominformation enthalten ist;

Aufbauen einer Referenzwellenform (Sr) aus einem Teil der digitalen Wellenform; und

Erfassen der Signalinformation durch Vergleichen von Teilen der digitalen Wellenform mit entsprechenden Teilen der Referenzwellenform (Sr).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrische Strominformation entnommen wird durch Abtasten des Stroms mit einem Analog/Digital-Wandler.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Analog/Digital-Wandler mit einer Abtastrate von mehr als etwa 4000 Hz betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Abtastrate etwa 4320 Hz beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Analog/Digital-Umwandlung eine Genauigkeit von etwa fünfzehn Bit hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das digitale Filtern ein Filtern mit unendlicher Impulsantwort ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das digitale Filtern ein Filtern mit endlicher Impulsantwort ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des digitalen Filterns Bandpaßfiltern beinhaltet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bandpaßfiltern ein Durchlaßband mit einer unteren Grenzfrequenz von etwa 200 Hz hat.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bandpaßfiltern ein Durchlaßband mit einer oberen Grenzfrequenz von etwa 450 Hz hat.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bandpaßfiltern unter Verwendung eines digitalen 4-Pol-Butterworth-Filters durchgeführt wird.

12, Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nach einwärts bestimmten Signale über nichtinterferierende nach einwärts bestimmte Kanäle der Wellenform der Elektrizitätsverteilungsnetzwerke gesendet werden, wobei jedem Kanal ein Erfassungsalgorithmus zugeordnet ist, um Signale auf den verschiedenen Kanälen zu unterscheiden, beinhaltend den Schritt, für wenigstens einen Kanal, für den die Signalerfassung erwünscht ist, den Erfassungsalgorithmus für den Kanal auf die zu filternde digitale Wellenform anzuwenden, um die Signalbitteile der digital gefilterten Wellenform für den Kanal zu entnehmen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder Kanal, für den die Signalerfassung erwünscht ist, der Erfassungsalgorithmus für diesen Kanal auf die gefilterte digitale Wellenform angewandt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei für wenigstens einen Kanal die Signalbitteile der digital gefilterten Wellenform in einem vorbestimmten Intervall und in einem vorbestimmten Fenster abgetastet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das vorbestimmte Intervall etwa fünf (5) elektrische Grad beträgt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das vorbestimmte Fenster eine Breite von etwa 180 elektrische Grad hat.

17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Abtasten der Signalbitteile der digital gefilterten Wellenform nach einer festen Phasenverzögerung beginnt.

18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Abtasten der Signalbitteile der digital gefilterten Wellenform zu einer geordneten Serie von abgetasteten Daten für jeden Signalbitteil der digital gefilterten Wellenform führt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Referenzwellenform konstruiert wird durch mathematisches Manipulieren der geordneten Serie von abgetasteten Daten für eine vorbestimmte Zahl "n" von Bits einer Nachricht.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Konstruieren der Referenzwellenform beinhaltet, zusammengesetzte geordnete Serien aus zwei der geordneten Serien von abgetasteten Daten zu bilden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die zusammengesetzte geordnete Serie erzielt wird durch Summieren der entsprechenden Elemente der beiden geordneten Serien von abgetasteten Daten, um eine erste vorläufige zusammengesetzte geordnete Serie zu bilden, wobei die Differenzen der entsprechenden Elemente der beiden geordneten Serien von abgetasteten Daten genommen werden, um eine zweite vorläufige zusammengesetzte geordnete Serie zu bilden, Summieren der Elemente der ersten vorläufigen zusammengesetzten geordneten Serie, Summieren der Elemente der zweiten vorläufigen zusammengesetzten geordneten Serie und Auswählen als die zusammengesetzte geordnete Serie derjenigen vorläufigen zusammengesetzten geordneten Serie, deren Summe den größten Absolutwert hat.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die zusammengesetzte geordnete Serie mit einer dritten geordneten Serie von abgetasteten Daten summiert wird, um eine erste vorläufige zusammengesetzte geordnete Ersatzserie zu bilden, die Differenz zwischen den Elementen der zusammengesetzten geordneten Serie und der dritten geordneten Serie genommen wird, um eine zweite vorläufige zusammengesetzte geordnete Ersatzserie zu bilden, wobei die Elemente der ersten vorläufigen zusammengesetzten geordneten Ersatzserie summiert werden, wobei die Elemente der zweiten vorläufigen zusammengesetzten geordneten Ersatzserie summiert werden und wobei die zusammengesetzte geordnete Serie durch die vorläufige zusammengesetzte geordnete Ersatzserie ersetzt wird, deren Summe den größten absoluten Wert hat.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Schritte nach Anspruch 22 für jede der verbleibenden "n-3" geordneten Serien von abgetasteten Daten wiederholt werden, so daß alle "n" Sätze von Daten in die zusammengesetzte geordnete Ersatzserie aufgenommen werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Elemente der zusammengesetzten geordneten Ersatzserie normiert werden, um die Referenzwellenform zu bilden.

25. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die abgetasteten Daten der geordneten Serie, aus denen die Referenzwellenform konstruiert wird, diejenigen sind, die den ersten "n" Bits der Nachricht entsprechen.

26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Referenzwellenform benutzt wird, um alle Bits der nach einwärts bestimmten Nachricht zu erfassen, einschließlich derjenigen "n" Bits, die zum Konstruieren der Referenzwellenform benutzt werden.

27. Verfahren nach Anspruch 25, wobei jedes Bit der Signalinformation erfaßt wird durch Summieren der Elemente der Referenzwellenform mit den entsprechenden Elementen der geordneten Serie für dieses Bit, um eine erste geordnete Signalserie zu bilden, Nehmen der Differenz der Elemente der Referenzwellenform mit den entsprechenden Elementen der geordneten Serie für dieses Bit, um eine zweite geordnete Signalserie zu bilden, Summieren der Elemente der ersten geordneten Signalserie, Summieren der Elemente der zweiten geordneten Signalserie, und Bestimmen, ob das Bit, das getestet wird, eine "1" oder eine "0" ist, durch Vergleichen der Absolutwerte der geordneten Signalseriensummen.

28. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend den Schritt Prüfen des Bitmusters der erfaßten Signalinformation und Invertieren von sämtlichen Elementen des Bitmusters, wenn der Prüfschritt anzeigt, daß die Bits des erfaßten Signals, wie decodidert, invertiert sind.

29. Verfahren nach Anspruch 1, weiter beinhaltend den Schritt Erfassen von unkorrekten Bits in der Nachricht, und den Schritt Korrigieren der unkorrekten Bits.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei unkorrekte Bits erkannt werden, indem der CRC-16-Fehlererkennungsalgorithmus benutzt wird.

31. Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Korrigierens der unkorrekten Bits beinhaltet, zu bestimmen, welches Bit der Nachricht die niedrigste Signalstärke hat, und das Bit mit der niedrigsten Signalstärke zu invertieren.

32. Verfahren nach Anspruch 31, beinhaltend den weiteren Schritt Prüfen auf unkorrekte Bits nach der Inversion des Bits mit der niedrigsten Signalstärke.

33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei, wenn unkorrekte Bits nach der Inversion des Bits mit der niedrigsten Signalstärke erkannt werden, alle möglichen Kombinationen des Bits niedrigster Signalstärke und des Bits mit der nächstniedrigen Signalstärke versucht werden, bis diejenige Kombination, falls überhaupt, gefunden wird, welche bewirkt, daß die Nachricht den Prüfschritt passiert.

34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Zahl der zu korrigierenden Bits jeweil um eins erhöht wird und alle möglichen Kombinationen der zu korrigierenden Bits getestet werden, bis die Nachricht den Prüfschritt passiert oder eine vorbestimmte Zahl "j" von Bits erreicht wird.

35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei "j" vier ist.

36. Verfahren nach Anspruch 1, weiter beinhaltend den Schritt, eine zweite Referenzwellenform aus einem weiteren Teil der digitalen Wellenform zu konstruieren.

37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei beide Referenzwellenformen benutzt werden, um Signalinformation zu erfassen.