SK68097A3 - Power line signalling system - Google Patents

Description

Signalizačný systém

Oblasť techniky

Predkladaný vynález sa týka signalizácie po výkonových vedeniach, pričom sa predkladaný Vynález týka najmä signalizácie po zavesených výkonových vedeniach s nízkym alebo stredným napätím.

Doterajší stav techniky

Sieťový rozvod - všeobecne

Vo väčšine väčších krajín je elektrická energia dodávaná vo velkom meradle prostredníctvom firiem vyrábajúcich a distribujúcich elektrickú energiu (elektrické služby). Distribučná sieť zvyčajne pozostáva z veľkého počtu sietí s nízkym napätím (často nazývané prívodná sieť alebo vedenie) , ku ktorým sú pripojení domáci a maloobchodní spotrebitelia, pričom tieto siete s nízkym napätím sú napájané prostredníctvom distribučného systému alebo siete s vyšším napätím. Siete s nízkym napätím (pre spotrebiteľov) môžu pracovať, napríklad pri 110 alebo 230 V (alebo 440 V 3-fázy).

Distribučná sieť bude zvyčajne pracovať s viac než jedným napätím. Existuje rozvod na veľké vzdialenosti pracujúci pri napätiach, napríklad 132 kV alebo 275 kV, ktoré sú znižované (pokiaľ možné v dvoch alebo viacerých krokoch) na napätie, napríklad 11 kV alebo 33 kV, ktoré budeme označovať ako stredné napätie. Prvé uvedené napätie (t.j. napätie používané na diaľkový rozvod) budeme označovať ako vysoké napätie a posledne uvádzané napätie (t.j. napätie relatívne blízko konečným sieťovým napätiam) budeme označovať ako stredné napätie.

Signalizácia po sieti - všeobecne

Často je navrhované použitie prívodnej siete na signalizáciu. Sú dosiahnuteľné systémy na vzájomnú komunikáciu medzi miestnosťami v obytných budovách (typicky pre baby alarmy), na spojenie s telefónnym systémom a na prenos dát medzi počítačovými jednotkami. Bolo tiež vytvorených veľa návrhov na využitie signalizácie po sieti pre diaľkové merania (primárne pre elektroméry; hoci plynoméry a ďalšie meracie prístroje môžu byť na tento účel pripojené k sieti, výhodne prostredníctvom elektrických meracích prístrojov).

Na takúto signalizáciu v súčasnosti už existuje medzinárodný štandard, ktorý používa frekvenciu všeobecne v oblasti od 3 do 150 kHz. Týmto štandardom je CENELEC EN50065.1, ktorý špecifikuje, ktoré frekvencie v pásme od 3 kHz do 148,5 kHz sú dosiahnuteľné na signalizáciu na nízkonapäťových elektrických rozvodoch. Táto šírka pásma je rozdelená na niekoľko menších pásiem s rôznym využitím a s rôznymi obmedzeniami, ktoré sú s týmito pásmi spojené. Napríklad pásmo od 9 kHz do 95 kHz je rezervované pre dodávateľov elektrickej energie a pre ich koncesionárov.

Signalizácia, ktorá je uskutočňovaná dodávateľmi elektrickej energie, sa bude zvyčajne veľmi pravdepodobne týkať merania a všeobecnejšie systémovým riadením a riadením zaťaženia. Takáto signalizácia teda bude väčšinou uskutočňovaná na nízkonapäťových častiach rozvodnej siete. Ako je však uvedené vyššie, bude distribučná sieť za normálnych okolností zahrnovať stredné a vysokonapäťové úrovne, spojené prostredníctvom výkonových transformátorov. Bude teda často žiadúce, aby informácie o meraní zbierané na nízkonapäťových častiach siete prechádzali na častiach siete so stredným napätím a/alebo častiach siete s vysokým napätím a aby riadiace informácie podobne prechádzali opačným smerom. Táto riadiaca informácia môže zahrnovať informáciu, ktorá má prejsť k spotrebiteľom napojeným na nízkonapäťovú úroveň a tiež signály na riadenie vlastného systému elektrického rozvodu.

- 3 Pripojenie k sietiam stredného napätia

Z vyššie uvedených dôvodov sú teda vyžadované techniky na pripojenie signálov k sietiam stredného napätia. Tieto signály môžu byť vytvárané alebo využívané v pripojovacích bodoch, t-j- pomocných rozvodniach, v ktorých sú siete stredného napätia spájané buď so sieťami vysokého napätia alebo so sieťami nízkeho napätia alebo tieto signály môžu prechádzať medzi sieťou stredného napätia a k nej pripojenej sieti nízkeho napätia.

Malo by byť uvedené, že signalizačné frekvenčné signály všeobecne neprechádzajú účinne výkonovými (rozvodnými) transformátormi. Pokiaľ má byť dosiahnutá účinná signalizácia medzi nízkymi a strednými napäťovými časťami siete, je nevyhnutné použiť nejaké prostriedky na spojenie PLC signálov okolo týchto transformátorov. To zvyčajne zahrnuje príjem a opätovné vyslanie signálov. Signály sú teda pripojené oddelene k dvom stranám transformátora a prechádzajú okolo transformátora medzi jeho dvoma stranami, pričom tieto signály sú spracované tak, aby sa odstránil šum. Môže byť tiež žiadúce použiť rôzne frekvenčné pásma na dvoch stranách transformátora. (To má tú výhodu, že akýkoľvek signál, ktorý prejde výkonovými transformátormi nebude mať význam.)

Signalizácia po rozvodne sieti - význam úrovne napätia rozvodnej siete

Techniky prenosu a príjmu signálu sú relatívne jednoduché pre nízkonapäťové rozvodné siete. Zariadenie na prenos a príjem signálu môže byť pripojené priamo k vedeniu rozvodnej siete.

Siete so stredným napätím predstavujú však väčšia ťažkosti ako už z dôvodov elektrických alebo z dôvodov mechanických. Siete so stredným napätím vyžadujú fyzicky robustnú izoláciu, ktorá je do značnej miery nezlučiteľná s priamym pripojením k strednému napätiu. Tiež oveľa jemnejšie a citlivé elektronické zariadenia sú do značnej miery nezlučiteľ né s priamym pripojením k stredným napätiam (tu je používaný termín stredné napätie, avšak v spojení s rozvodnými sieťami; 11 kV je ale nadmerne veľké pre väčšinu elektronických zariadení).

Vzdušné a podzemné siete

Rozvodné siete môžu byť vzdušné, podzemné alebo obojaké. Vysokonapäťové časti sú zvyčajne vedené zavesené vo vzduchu, pretože zvyčajne pretínajú veľmi veľké vzdialenosti v relatívne otvorenej krajine a náklady na ich zakopanie pod zem by boli neúmerne vysoké. V mnohých krajinách sú nízkonapäťové časti zvyčajne pod zemou, pretože sú vedené v husto osídlených oblastiach, kde by zavesené vodiče boli nevhodné rušivé a potenciálne nebezpečné. Strednonapäťové časti môžu byť vedené vzduchom alebo pod zemou; a rovnako ako nízkonapäťové časti sú zvyčajne vedené pod zemou v mestských a predmestských oblastiach. V tomto opise bude záujem sústredený primárne na vzduchom vedené, zavesené strednonapäťové siete.

Pre sieťovú signalizáciu po zavesených, vzduchom vedených sietiach so stredným napätím je zrejmé, pripojiť signál k sieti v jednom bode a byť schopný získať signál zo siete v inom bode. Rôzne spôsoby pripájania signálov na zavesené siete už boli navrhnuté, vrátane indukčnej väzby. Pre túto techniku je transduktor zahrnujúci magnetické jadro uložený okolo jedného z vodičov, čím sa vytvorí transformátor. Jadro má okolo seba navinuté signálové vinutie ako primárne vinutie a vodič sám o sebe účinne tvorí sekundárne vinutie s jedným závitom (na vysielanie; na príjem vodič tvorí primárne vinutie s jedným závitom a signálové vinutie tvorí sekundárne vinutie s viacerými závitmi). V tomto opise sa budeme zaoberať takouto indukčnou väzbou.

3-fázové systémy

Rozvodné systémy sú všeobecne 3-fázové pri stredných (a vysokých) napätiach a často tiež aj pri nízkych napätiach. Rozvodový systém teda všeobecne pozostáva z 3 živých prívodných vodičov a zvyčajne tiež neutrálneho (zemného) vodiča. Prívodné vodiče sú bežne označované R, Y a B (červený, žltý a modrý) a vytvárajú zapojenie do hviezdy spoločne s neutrálnym vodičom.

Veľkospotrebitelia sú často zásobovaní prostredníctvom 3-fázového prívodu. Malospotrebitelia (ako sú užívatelia v domácnosti) sú bežne zásobovaní prostredníctvom jednofázového prívodu. Rozvodné spoločnosti sa pokúšajú usporiadať pripojenie (jednofázových) spotrebiteľov tak, aby zaťaženia na troch fázach boli takmer zhodné alebo vyvážené. Najmä zavesené 3-fázové siete stredného napätia môžu mať rôzne jednofázové odbočky alebo vetvy, pretože náklady na inštaláciu takejto odbočky sú podstatne menšie než na inštaláciu 3-fázovej odbočky. (Jednofázové odbočky sú v princípe možné aj u podzemných sietiach, ale z najrôznejších dôvodov sú v praxi používané len veľmi zriedka).

Skutočná jednofázová odbočka by využívala jedinú z 3 fáz (R, Y a B) spoločne so uzemňovacím alebo neutrálnym vodičom, ale z rôznych príčin je toto všeobecne nežiadúce. Takzvané jednofázové odbočky teda zvyčajne využívajú 2 z 3 fáz na strednom napätí, pričom transformátor na konci nízkeho napätia zníži napätie medzi týmito 2 fázami na bežné sieťové napätie (napríklad 110 alebo 230 V).

S trojfázovým systémom a indukčnou väzbou sú signály nesené na ktorejkoľvek fáze, ku ktorej je pripojený vstupný transduktor, a detekčný transduktor deteguje signály na ktorejkoľvek fáze, ku ktorej je pripojený. Týmto bolo dané, že na signalizáciu bola využívaná jedna fáza a všetky transduktory boli pripojené k tejto fáze. (Je výhodné opisovať fázu, ku ktorej sú transduktory pripojené, ako primárnu fázu a ostatné dve fázy ako sekundárne fázy). To vyžadovalo, aby primárna fáza bola identifikovaná vo všetkých bodoch v systéme, kde boli pripájané transduktory. Toto taktiež znamenalo, že signalizácia mohla byť uskutočnená na jednofázových odbočkách len, keď tieto odbočky obsahovali primárnu fázu.

Podstata vynálezu

Podlá predpokladaného vynálezu je navrhnutý signalizačný systém na signalizáciu na 3-fázovej rozvodni, ktorého podstata spočíva v tom, že signály sú viazané indukčné na a zo siete a sú viazané na rôzne fázy v rôznych bodoch v tejto sieti. Signálová frekvencia sa výhodne pohybuje v oblasti od 10 kHz do 100 kHz.

Predkladaný vynález spočíva v zistení alebo realizácii tejto skutočnosti, že primárna fáza je viazaná so sekundárnymi fázami (na signálovej frekvencii) dostatočne dobre tak, aby signál uvedený na primárne fáze bol uspokojivo detegovateľný na sekundárnych fázach rovnako ako na primárnej fáze. Samozrejme, že primárna fáza je teraz definovaná s odkazom na určitý signálový vstupný transduktor; pokiaľ je ale uvažovaný ďalší vstupný transduktor môže byť jeho primárna fáza iná.

Signály budú zvyčajne viazané na systém v blízkosti transformátora a väzba ne sekundárne fázy vzniká prevažne kapacitne v tomto transformátore. Budeme ďalej predpokladať, že transformátor je 3-fázový transformátor, ktorý je zapojený do trojuholníka (pokiaľ je tento transformátor v skutočnosti zapojený do hviezdy, budeme ďalej uvažovať jeho ekvivalentné zapojenie do trojuholníka). Vinutie takéhoto transformátora predstavuje vysokú impedanciu na signálovej frekvencii , ale sú tú účinné zvodové kapacity na vinutiach z primárnej fázy na každú z dvoch sekundárnych fáz, a tieto kapacity viažu signál z primárnej fázy na tieto dve sekundárne fázy. (Pokiaľ je skutočné usporiadanie transformátora do trojuholníka, potom tu nie je skutočný neutrálny bod. Pokiaľ je skutočné usporiadanie do hviezdy, potom tu je skutočný neutrálny bod, ktorý môže alebo nemusí mať k sebe pripojený neutrálny vodič; v každom prípade je tento neutrálny bod na rovnakom napätí ako je zem, ale zvyčajne nie je k zemi pripojený (uzemnený).

Účinne tu tiež pôsobia kapacity medzi každým z troch bodov trojuholníka vinutia a zemou. Dve kapacity medzi se kundárnymi fázami a zemou budú pôsobiť, v spojení s kapacitami medzi primárnym a sekundárnym vinutím, ako signálové priepusty; tiež kapacita primárnej fázy k zemi bude mať sklon zviesť signál na primárnu fázu k zemi. Ale hoci tieto účinky zmenšujú silu signálu na sekundárnych fázach, neobmedzia ju na neprijateľnú mieru.

Na vinutí medzi dvoma sekundárnymi fázami je tiež kapacita. Za vyvážených podmienok zaťaženia prijímajú dve sekundárne fázy rovnaké signály, takže táto kapacita nemá význam, pokiaľ sú ale podmienky zaťaženia nevyvážené, potom táto kapacita bude pomáhať vyrovnávať signály na dvoch sekundárnych fázach.

V 3-fázovom ukončovacom a prijímacom bode môže byť signálová väzba viazaná ku ktorejkoľvek z troch fáz. Pokiaľ je viazaná k primárnej fáze bude samozrejmé snímaný signál na primárnej fáze. Pokial je viazaná na ktorúkoľvek z dvoch sekundárnych fáz bude snímať signál sekundárnej fázy, ktorý bude menší než signál primárnej fázy, ale stále ešte bude mať prijateľnú silu. Podobne v jednofázovom odbočovacom a prijímacom bode (t-j- jeden prívod s 2 fázami stredného napätia) bude signálová väzba snímať buď signál na primárnej alebo na sekundárnej fáze, v závislosti na tom, ktoré 2 fázy sú použité na odbočku a ku ktorej z týchto dvoch fáz je pripojená signálová väzba. Pretože u 3-fázových ukončení je sieťový signálový prúd do skončenia nulový, potom tu tiež môže byť zemný prúd.

V prípade signálov privádzaných do jednofázovej odbočky bude nutne jedna z 2 fázy stredného napätia primárnou fázou pre signály privádzané tu transduktorom. Je pravdepodobné, že tu bude nerovnováha medzi sekundárnou fázou pre odbočku a zvyšnou sekundárnou fázou, ale v 3-fázovom ukončení budú signály na primárnej fázy delené medzi dve sekundárne fázy, takže môžu byť prijímané na ktorejkoľvek zo sekundárnych fáz (rovnako tak ako na primárnej fáze, samozrejme), hoci signály na dvoch sekundárnych fázach budú maž rôzne sily. Podobné mechanizmy budú zvyčajne taktiež zaisťovať, že signály privádzané na jednofázovej odbočke budú prijímané v ostatných jednofázových odbočkách.

Rozvodná 3-fázová sieť stredného napätia, obsahujúca signalizačný systém uskutočnený podľa predkladaného vynálezu, bude v nasledujúcom opise opísaná prostredníctvom príkladu v spojení s odkazmi na pripojené výkresy.

Prehľad obrázkov na výkrese

Obr. 1 je všeobecná schéma zapojenia systému zahrnujúceho predkladaný vynález.

Obr. 2 je oveľa detailnejšia schéma zapojenia rozvodnej transformátorovej stanice so systémom podľa vynálezu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Ako je znázornené na obr. 1, je systém napájaný z transformátorovej stanice 10, ktorá je napájaná z vysokonapäťovej siete prostredníctvom 3-fázového transformátora, ktorý budí 3-fázový výkonový rozvodný systém stredného napätia, ktorý má 3 fázy R, Y a B. Tieto 3 fázy sú privedené do 3-fázovej pomocnej rozvodne 11. v ktorej je energia transformovaná dole nízke napätie prostredníctvom 3-fázového transformátora. Zo systému sú vyvedené aj dve jedno fázové odbočky, a to odbočka pozostávajúca z fáz R a Y privedených do pomocnej rozvodne 12 a odbočka pozostávajúca z fáz Y a B privedených do pomocnej rozvodne 13,. Systém zjavne môže mať ďalšie 3-fázové predĺženia a ďalšie jednofázové odbočky.

Pre jednoduchosť sú znázornené len vinutia stredných napätí transformátorov, pričom sú vynechané vysokonapäťové vinutia (pre transformátor 10 a nízkonapäťové vinutia (pre transformátory 11 a 13). Primárnym vinutím vysokonapäťového transformátora 10 bude zvyčajne vinutie zapojené do trojuholníka; sekundárne vinutie nízkonapäťového transformátora 11 bude zvyčajne vinutie zapojené do hviezdy, ktoré poskytuje 3 oddelené fázy nízkeho napätia; a sekundárne vinutie nízkonapäťových transformátorov 12 a 13 bude zvyčajne každé jedným vinutím, poskytujúcim jednu fázu nízkeho napätia.

Transformátorová stanica 10 má transduktor 10T viazaný k fáze R; tento transduktor zahrnuje magnetické jadro, cez ktoré prechádza fáza R výkonového vedenia (a tak vytvára vinutie s jedným závitom) a (viac závitové) budiace a snímacie vinutie viazané k jadru (symbolicky označené značkou U). 3-fázová pomocná rozvodňa 11 má transduktor 11T viazaný k jej fáze B výkonového vedenia; jednofázová pomocná rozvodňa 12 má transduktor 12T viazaný k jej fáze Y výkonového vedenia; a jednofázová pomocná rozvodňa 13 má transduktor 13T viazaný k jej fáze Y výkonového vedenia.

Budiaci transduktor 10T je viazaný k fáze R, takže táto fáza je primárna fáza a fázy Y a B sú fázami sekundárnymi. V predkladanom systéme môžu byť prijímacie transduktory 11T až 13T každý viazaný k akejkoľvek fáze, pričom najmä môžu byť viazané k sekundárnym fázam, ako je znázornené. Doposiaľ bolo uvádzané ako povinné alebo nutné, aby prijímacie transduktory boli viazané k primárnej fáze, takže transduktory v pomocných rozvodniach 11 a 12 by mali byť umiestnené ako je naznačené vzťahovými značkami 11T’ a 12T’; v minulosti tiež nebolo mysliteľné pripojiť transduktor do pomocnej rozvodne .13, pretože táto pomocná rozvodňa nie je napájaná prostredníctvom primárnej fázy.

Malo by byť samozrejme zrejmé, že zatiaľ čo transduktor 10T pôsobí ako budiaci transduktor a transduktory 11T a 13T pôsobia ako prij ímacie transduktory pre signály privádzané z transformátorovej stanice 10, môže ktorýkoľvek z transduktorov pôsobiť ako budiaci transduktor pre signály ž jeho vlastnej pomocnej rozvodne, pričom potom ostatné trnsduktory pracujú ako prijímacie transduktory. Fáza R je podľa definície primárna fáza pre signály z transduktora 10T, ale ostatné fázy môžu byť primárnymi fázami pre signály dodávané prostredníctvom transduktorov.

Obr. 2 znázorňuje pracovný obvod systému v transformátore 10 vo väčšom detaile. Transformátor má tri vinutia VI, V2 a V3 stredného napätia v usporiadaní do trojuholníka. (Pokiaľ vinutia transformátora sú v skutočnosti usporiadané do hviezdy, môže byť toto usporiadanie premenené na ekvivalentné usporiadanie znázornené prostredníctvom štandardnej transformácie.) Každé vinutie je, pri signálovej frekvencii, premostené zvodovou kapacitou, ktoré sú označené vzťahovými značkami Cl. C2 a C3. Každý bod trojuholníka je tiež viazaný k zemi prostredníctvom kapacity k zemi, ktoré sú tu označené vzťahovými značkami C4, C5 a C6.

Pri rozbore systému vo vzťahu k napätiam transduktor 10T indukuje napätie na fáze R výkonového vedenia. Toto napätie je viazané k zemi cez 3 paralelné cesty: kapacitami Cl a C6 zapojenými do série, kapacitami C3 a C4 zapojenými do série a kapacitou C5. Dve cesty do série zapojených kapacít Cl - C6 a C3 - C4 majú za následok napätia, ktoré sa indukujú na fázach Y a B výkonového vedenia. teda všetky tri fázy výkonového vedenia majú na sebe indukované napätia; primárne napätie na primárnej fáze R a dve rovnaké a o niečo menšie napätia, s opačnou fázou, na fázach Y a B výkonového vedenia.

Pri rozbore systému vo vzťahu k prúdom sa vo fáze R výkonového vedenia indukuje primárny prúd Ír, dva rovnaké a o niečo menšie sekundárne spätné prúdy 1γ a Ι_β, s opačnou fázou, sa indukujú vo fázach Y a B výkonového vedenia, a zemný spätný prúd Ιβ, taktiež s opačnou fázou vzhľadom na primárny prúd, sa indukuje v zemi G transformátora 10,. Zjavne platí, že Ír = ly + 1β + 1β· Primárny prúd prechádza pozdĺž primárnej fázy výkonového vedenia do rôznych pomocných rozvodní a prechádza do sekundárnych fáz a zeme v týchto pomocných rozvodniach. Pri signálových frekvenciách výkonové vedenia pracujú ako prenosové linky medzi pomocnými rozvodnými stanicami a prepínacími bodmi, kde sa výkonový rozvodný systém rozvetvuje (do 2-fázových alebo 3-fázových vetiev).

Je celkom zjavné, že každý zo spätných prúdov dvoch sekundárnych fáz sa účinne delí medzi rôznymi pomocnými rozvodňami , ale že každá z pomocných rozvodní bude všeobecne prijímať značné časti dvoch celkových spätných prúdov sekundárnych fáz. Presnejšie teda pomocná rozvodňa 11 bude prijí mať značnú časť spätného prúdu fázy B a pomocné rozvodne 12 a 13 budú každá prijímať značné časti spätného prúdu fázy Y. Prijímacie transduktory 11T, 12T a 13T budú teda všetky prijímať značné signály z budiaceho transduktora 10T.

Pri signálových frekvenciách sú vinutia transformátorov v pomocných rozvodniach každé účinne premostené kapacitami a taktiež sú účinne každé viazané k zemi prostredníctvom kapacít k zemi. Prúdy vo výkonových vedeniach, ku ktorým sú viazané transduktory, nachádzajú svoje spätné cesty cez tieto kapacity. (Táto činnosť môže byť samozrejme taktiež vysvetlená vo vzťahu k napätiam).

Predkladaný vynález môže výhodne využiť zariadenie na signalizáciu po výkonovom vedení, ktoré je opísané v súbežnej patentovej prihláške rovnakého prihlasovateľa, ktorá bola podaná súčasne s touto prihláškou a ktorá nesie názov zariadenie na signalizáciu po výkonovom vedení.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   PV58O-47

   1. Signalizačný systém na signalizáciu na 3-fázovej rozvodnej sieti, vyznačujúci sa tým, že signály sú viazané indukčné na a zo siete a sú viazané k rôznym fázam (R, Y, B) v rôznych bodoch v sieti (10T k R, 11T k B, 12T k R, 13T k Y).
2. 2. Signalizačný júci sa tým, 10 kHz do 100 kHz.

   systém podľa nároku 1, vyznačuže signálová frekvencia je v rozsahu od systém podlá ktoréhokoľvek vyznačuj ú c i sa
3. 3. Signalizačný dzajúcich nárokov, systém pracuje pri napätí medzi 11 kV a 33 kV.

   z predchát ý m, že
4. 4. Signalizačný systém podľa ktoréhokoľvek dzajúcich nárokov, vyznačujúci sa systém zahŕňa aspoň jednu vetvu majúcu len jednu z predchát ý m, že fázu.
5. 5. Signalizačný systém podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že systém zahŕňa aspoň jednu vetvu (12, 13) majúcu len dve fázy.
6. 6. Akýkoľvek nový a vynálezcovský znak alebo kombinácia znakov, ktoré boli opísané v tomto opise v zmysle článku 4H medzinárodnej dohody (Parížska dohoda).