EA031130B1

EA031130B1 - Способ и устройство для передачи информации по линиям электроснабжения

Info

Publication number: EA031130B1
Application number: EA201600578A
Authority: EA
Inventors: Анастасия Анатольевна Новикова
Original assignee: Анастасия Анатольевна Новикова
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2018-11-30
Also published as: EA201600578A1

Abstract

Сущность изобретения заключается в предложении более эффективной системы связи по распределительной линии энергоснабжения путем существенного снижения затухания информационного сигнала при его передаче по силовым линиям от модема концентратора к модемам счетчиков потребителей и обратно. Поставленная задача достигается тем, что в систему передачи энергии и информации по линиям энергоснабжения, в устройство приема-передачи информации на стороне потребителя включают активный источник встречного сигнала несущих частот, выходной узел которого включают последовательно с сопротивлением нагрузки потребителя, а принятый из линии сигнал используют для синфазного возбуждения источника встречного сигнала. Упомянутый источник встречного сигнала образован датчиком и усилителем разностного сигнала, резонансным трансформатором, соединенными таким образом, что ток несущих частот Jопределяется разностьюгде U- амплитуда сигнала, генерируемого передающим модемом 5; U- амплитуда источника встречного сигнала, возникающего в приемном модеме, Z- сопротивление нагрузки. Разница сигналов несущих частот (U-U) определяется усилителем разностного сигнала. В результате ток несущих частот через сопротивление нагрузки потребителя многократно уменьшается, сводя к минимуму ослабление модулирующих сигналов вдоль линии энергоснабжения.

Description

Настоящее изобретение относится к области связи между различными устройствами телесигнализации и телеуправления по линиям электроснабжения с использованием PLC-технологии.

Уровень техники

С конца прошлого века, ввиду возникновения интеллектуальных электронных счетчиков электроэнергии появилось стремление использовать их более эффективно, объединяя в сети, так называемые Автоматизированные Системы Коммерческого Учета Энергии ( АСКУЭ). Реализация этой идеи дала возможность поставщикам получать сведения о потребленной энергии абонентами: непрерывно, круглосуточно, изменять тарифы, отключать потребителя при неуплате, следить за ненормативными утечками энергии.

Существует несколько способов поддерживать связь со счетчиками и один из них, идеально подходит для этой задачи, а именно, осуществлять связь по самим проводным линиям электропередачи на высоких частотах (9-95 кГц по стандарту Cenelec - Европейской комиссии по стандартизации в области электрооборудования), узкополосная PLC-телеметрия с ограничением амплитуды посылаемых в линию сигналов. Для обеспечения усиления на 60-80 дб, кодирования/декодирования несущей частоты применяются специализированные сигнальные процессоры, например AFE 03* при FSK, SFSK-модуляции.

Однако линии электроснабжения не проектировались для целей информационных связей, их волновое сопротивление высоко, высоко индуктивное сопротивление силовых проводов. В линиях энергоснабжения индуктивность силовых проводов находится в районе 100 мкГн на каждые 50 м., т.е. реактивное сопротивление на частоте 100 кГц при этих условиях - 63 Ом. В то же время активное сопротивление у потребителя мало (9.7 Ом при нагрузке 5 кВт), так что ослабление несущей на каждые 50 м будет равно 9.7/ (63+9.7) = 0.13 или 17.5 дб. Как видно, ослабление полезного сигнала значительно, тем более на фоне помех, порождаемых импульсными преобразователями энергии, щеточными двигателями, сварочными аппаратами. На практике дальность связи по PLC не превышает 200-300 м. Производители для обеспечения устойчивой связи вынуждены снабжать системы ретрансляторами, дублировать посылки, например патент RU 2481703, авторы Штадельмайер Лотар и др. (DE), патентообладатель Сони Корпорейшен (JP), 2013 г, что существенно усложняет аппаратные и программные средства системы.

Или разными способами увеличивать входное сопротивление шины потребителя на несущей частоте. Так в изобретении - Способ для передачи высокочастотных сигналов по сетям низкого напряжения и соответствующее устройство, RU 2269869 H04B 3/54,...3/58, 2006 г авторы Достерт Клаус и др., DE (патентообладатель Сименс Акциенгензельшафт, DE), предлагают укладывать силовой провод, подводимый к потребителю, в цилиндрические гильзы из магнитного материала. Это средство приводит образованию высокочастотного заградительного фильтра между силовыми проводами в виде индуктивности. Предложенная мера не совершенна с учетом большой массы и габаритов гильзы (длина 10 см, диаметр - 8 см) для достижения приемлемого индуктивного сопротивления.

В изобретении Система связи по распределительным линиям электропередачи RU 2463705, H04B 3/54, 2012 г., автор Хендерикс Люк (BE); патентообладатель ЭАНДИС (BE) предлагает включать последовательно с сопротивлением нагрузки потребителя простые фильтры, настроенные на одну или несколько несущих частот. Однако пассивный фильтр или должен быть широкополосным, чтобы обеспечить канализацию всей полосы частот информации, т.е. должен иметь низкую добротность и малое эквивалентное сопротивление на частоте резонанса, но, выполнение этих требований не может обеспечить высокие заградительные характеристики. Или фильтры должны быть высокодобротными, для чего у них должно быть велико соотношение индуктивного сопротивления к активному, достижение чего осложняется условиями работы при высоких частотах и больших токах. На высоких частотах резко увеличиваются потери в контуре вследствие скин-эффекта и высокая добротность, тем более для простых фильтров, труднодостижима. Дополнительно величина индуктивного сопротивления пропорциональна длине провода, характерного для обмотки простого фильтра, что при больших токах создает проблемы рассеяния мощности, выделяемой на активном сопротивлении и пропорциональной квадрату тока. В конечном счете, приведенные аналоги, использующие пассивные средства, малоэффективны, существенно не уменьшают затухание несущей частоты по линиям электроснабжения.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить более эффективную систему связи по распределительной линии энергоснабжения, путем существенного снижения затухания информационного сигнала при его передаче по силовым линиям от модема концентратора системы к модемам счетчиков потребителей и обратно.

Эта цель согласно способу изобретения достигается тем, что в системе передачи энергии по линиям энергоснабжения, в устройство приема-передачи информации на стороне потребителя включают активный источник встречного сигнала несущих частот, выходной узел которого, включают последовательно с сопротивлением нагрузки потребителя, а принятый из линии сигнал используют для синфазного возбуждения источника встречного сигнала.

В устройстве, реализующем способ, источник встречного сигнала несущей частоты образован датчиком разностного сигнала несущей частоты (датчик), усилителем разностного сигнала несущей частоты

- 1 031130 (усилитель) и резонансным трансформатором, причем датчик включен в последовательную цепь между в.ч. фильтром, вторичной обмоткой резонансного трансформатора и шинами энергоснабжения; вход усилителя соединен с выходом датчика; выход усилителя соединен с первичной обмоткой резонансного трансформатора, вторичная обмотка которого через сопротивление нагрузки соединена с шинами энергоснабжения, а конденсатор резонансного трансформатора подключен параллельно одной из его обмоток. Датчик выполнен преимущественно в виде резистора; усилитель сигнала несущей частоты выполнен в виде транзистора, а магнитопровод резонансного трансформатора выполнен из материала с большой магнитодвижущей силой.

В результате ток несущих частот через сопротивление нагрузки потребителя многократно уменьшается, сводя к минимуму ослабление модулирующих сигналов вдоль линии энергоснабжения.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретение поясняется посредством нижеследующего описания и прилагаемых фигур. На фиг. 1 схематически изображены основные элементы и их действия поясняющие достижение результата, согласно предложенному способу. По шинам 1 энергоснабжения осуществляется как передача энергии к нагрузке Z_H потребителя 2 от понижающего трансформатора 3 с частотой 50 Гц, так и обмен информацией на более высоких несущих частотах между установленными у потребителей модемами 4 с установленным вблизи силового трансформатора модемом 5 концентратора. Причем сопротивление между шинами 1 непредсказуемо во времени как по величине, так и по виду - преимущественно активное или реактивное. Обмен информацией между модемами происходит в полудуплексном режиме. Последовательно с нагрузкой 2 включен источник 6 встречного сигнала несущей частоты, который в фазе возбуждается принятым сигналом из линии. Действие источника 6 поясняется следующим. Известно, что индуктивное сопротивление (®L) самих шин 1 на частотах, на которых реализуется узкополосная PLC, сравнительно велико, так что максимальное ослабление сигнала, например при протяженности линии 50 м при большой токовой нагрузке потребителя, может достигать 20 дб. В то же время общее критическое ослабление сигнала, при котором связь еще устойчива и не требует дополнительной ретрансляции, лежит в пределах 60-80 дб. Процесс ослаблении несущих частот рассмотрим на отрезке между передатчиком концентратора и первым приемником, который повторяется на последующих. Ток несущей частоты J_Hчерез Z_H определяется из соотношения

где U_r- амплитуда сигнала, генерируемого передатчиком модема 5;

U _и - амплитуда источника встречного сигнала 6. Чем меньше разница сигналов, тем меньше ток, тем меньше потери энергии сигнала несущей частоты, которые равны квадрату этого тока, умноженному на активное сопротивление нагрузки Z_H. При U_u = 0 потери сигнала несущей частоты в сопротивлении нагрузки и, следовательно, затухание сигнала - максимальны, при U_u = U_r; потери в нагрузке 2 равны нулю. Т.о., если на стороне потребителя, последовательно с сопротивлением его нагрузки, включают активный источник встречного сигнала несущей частоты, синфазного с принятым из линии, то ослабление сигнала несущей частоты в линии, может быть резко уменьшено.

На фиг. 2 приведена схема предпочтительного варианта устройства для реализации способа.

Фильтр 11, пропускающий несущие частоты, датчик 12 разностного сигнала несущей частоты и вторичная обмотка 13 резонансного трансформатора 14 соединены последовательно между силовыми шинами 1. Между ними же последовательно соединены и нагрузка Z_H потребителя 2 со вторичной обмоткой 13 резонансного трансформатора 14. Датчик 12 сигнала подключен ко входу усилителя 15, выполненному предпочтительно на транзисторе, выход которого соединен с первичной обмоткой 16 резонансного трансформатора 14. Конденсатор 17 резонансного трансформатора 14 может быть включен параллельно любой из его обмоток. Как видно из соединений элементов усиление сигнала несущей частоты охвачено отрицательной обратной связью; чем больше сигнал на вторичной обмотке 13, тем меньше разностный сигнал, снимаемый с датчика 12, тем меньше энергии добавляется в контур, что обеспечивает устойчивость источника 6 в широком диапазоне амплитуд и частот. Элементы 12, 13, 14, 15, 16 и 17, устройства и их связи составляют источник 6 встречного сигнала несущей частоты, синфазного с принятым из линии.

В динамике, при появлении пачки модулированного сигнала, несущая частота через фильтр 11, выделяется на датчике 12, усиливается усилителем 15 и в фазе выделяется на вторичной обмотке 13, что приводит к уменьшению тока несущей частоты через нагрузку 2 от внешнего источника и, следовательно, к уменьшению ослабления несущего информацию полезного сигнала вдоль линии энергоснабжения. Если сопротивление нагрузки 2 велико, ток через него мал, сигнал на датчике 12 вначале велик и через усилитель 15 он приводит к росту напряжения на резонансном трансформаторе 14 до уровня, близкого ко входному, к незначительной их разнице. Т.е. схема работает на холостом ходу. Если сопротивление нагрузки 2 мало, ток через него велик, сигнал, снимаемый с датчика 12, приводит к усилению разностного сигнала, росту напряжения на резонансном трансформаторе 14, ток несущей частоты через сопротивление нагрузки 2 уменьшается, потери, величина которых пропорциональна квадрату тока, резко падают.

Усиление по времени происходит нелинейно, сначала сигнал на датчике 12 большой и велика под

- 2 031130 питка резонансного трансформатора 14, затем остается только минимальная разница (U_r-U _и), которая определяется коэффициентом усиления усилителя 15. Эффект низкой добротности резонансного трансформатора компенсируется подпиткой от внешнего источника. Так, например, при усилении равном 11, ослабление по амплитуде входного сигнала на линии связи от уровня предыдущего модема для указанных выше условий, лежит в пределах 10%.

Осуществление изобретения

Положительное свойство предложенного устройства проявляется в минимизации тока несущей частоты через сопротивление нагрузки 2 потребителя и упрощении средств для достижения этого результата, в том числе, минимизации дополнительной энергии расходуемой от внутреннего низковольтного источника E. Так потери в самом контуре резонансного трансформатора с непрезентабельной добротностью 10-15 малы; потери в нагрузке потребителя 2 вследствие малых сквозных токов несущей частоты малы; а все устройство нагружено на высокоомное реактивное сопротивление (oL), в котором потерь практически нет. Так в опытном образце при E = 5В ток от источника питания усилителя находится в пределах 10 мА. При сигнале несущей частоты, генерируемом модемом 5, равном одному вольту, эквиваленту индуктивности линии 110 мкГн, активном сопротивлении нагрузки 2 равном 9 Ом, сигнал при закороченном резонансным трансформаторе 14 равен 0.17 В; с резонансным трансформатором 14, но с выключенным источником питания E - в два раза больше, а с включенным усилителем 15-0.9 В, т.е. ослабление полезного сигнала на эквиваленте силовой линии, протяженностью 50 м с использованием изобретения находится в районе 0.5 дб.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ приема-передачи информации по линиям электроснабжения с использованием высокочастотной модуляции несущих частот между множеством счетчиков-модемов, установленных у потребителей энергии, и концентратором данных, установленным в аппаратуре как минимум одного силового трансформатора, при котором сопротивление нагрузки на несущих частотах искусственно увеличивают, отличающийся тем, что в устройство приема-передачи информации на стороне потребителя включают активный источник встречного сигнала несущих частот, выходной узел которого включают последовательно с сопротивлением нагрузки потребителя, а принятый из линии сигнал используют для синфазного возбуждения активного источника встречного сигнала несущих частот.
2. Устройство реализации способа приёма-передачи по п.1, содержащее на стороне потребителя сопротивление нагрузки, фильтр несущей частоты (фильтр) и, как минимум, модем счетчика энергии, подключенные к шинам электроснабжения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик разностного сигнала несущей частоты (датчик), усилитель разностного сигнала несущей частоты (усилитель) и резонансный трансформатор, причем датчик включен в последовательную цепь между фильтром, вторичной обмоткой резонансного трансформатора и шинами энергоснабжения; вход усилителя соединен с выходом датчика; выход усилителя соединен с первичной обмоткой резонансного трансформатора, вторичная обмотка которого через сопротивление нагрузки соединена с шинами энергоснабжения, а конденсатор резонансного трансформатора подключен параллельно одной из его обмоток.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве датчика применяют преимущественно резистор, в качестве усилителя используют преимущественно транзистор, а сердечник резонансного трансформатора выполнен преимущественно из материала с большой магнитодвижущей силой.

Фиг. 1

- 3 031130

Фиг. 2