WO2002005450A1 - Procede de reception d'un signal transmis par l'intermediaire du reseau electrique et dispositif pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Procede de reception d'un signal transmis par l'intermediaire du reseau electrique et dispositif pour sa mise en oeuvre Download PDF

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    • H04B2203/5416—Methods of transmitting or receiving signals via power distribution lines by adding signals to the wave form of the power source

Definitions

  • the present invention relates to a method of receiving a control signal transmitted via the network for the distribution of an electrical signal having a fundamental frequency and harmonic frequencies, the control signal having a main frequency different from the fundamental frequency and harmonic frequencies of the electrical signal, the method comprising converting the analog control signal into a digital signal and filtering said digital signal. It also relates to a device for implementing the method.
  • the invention applies more particularly to the reception of a centralized remote control signal. For a very long time, it has been known to use an analog centralized remote control signal transmitted via the electricity distribution network in order to modify the pricing of meters, trigger a switching for the connection or disconnection of electric heaters or air conditioners at users' premises or any other electrical switching.
  • the control signal is made up of pulses whose number, frequency, duration and amplitude constitute the characteristics determining the control considered.
  • the electrical signal distributed by the network has a fundamental frequency, for example 50 Hz, and harmonic frequencies.
  • the control signal has a main frequency generally located between two harmonic frequencies of the electrical signal. Its frequency is for example fixed at 175 Hz which is located between harmonics 3 and 4 of the electrical signal (respectively 150 Hz and 200 Hz if the fundamental frequency is equal to 50 Hz).
  • a digital selective bandpass filter eliminating any frequency not contained in a narrow band (for example ranging from 173 Hz to 177 Hz) centered on the main frequency of the control signal ( for example 175 Hz).
  • the control signal alone is therefore obtained at the output of the filter, which is then processed by an algorithm making it possible to determine the content of the command.
  • the narrower the filter the better the rejection of harmonics.
  • the rise time of the filter is inversely proportional to the width of the passband.
  • reducing the width of the pass band of the filter imposes a minimum duration of the pulses constituting the control signal.
  • These pulses can for example have a duration of around one second for a frame having a duration of around sixty seconds (a frame comprising around forty pulses).
  • the number of different devices which it is desired to switch via the increasing control signal the number of commands contained in the control signal must also increase. This implies an increase in the number of pulses contained in a frame and therefore a reduction in their duration.
  • this reduction in the duration of the pulses making up the control signal is limited by the use of a narrow band selective bandpass filter.
  • the present invention provides a particularly simple solution to implementing the problem posed by the increase in the number of pulses within a frame of a control signal transmitted over the electrical network and therefore by the decrease in the duration of the pulses and their reception.
  • the invention recommends selective filtering intended to eliminate at least the frequency of the electrical signal closest to the main frequency of the control signal.
  • Selective filtering must be understood as acting only in a very narrow band of width equal to or less than 4 Hz.
  • the width of the bands is for example measured at mid-height in a representation of the amplitude of the components of the signals as a function of their frequency.
  • the selective filtering consists in carrying out a filtering intended to eliminate the two frequencies of the electrical signal framing the main frequency of the control signal.
  • the fundamental frequency (and therefore the harmonic frequencies) of the electrical signal is not fixed but varies over a range of a few Hertz.
  • the fundamental frequency is qualified as 50 Hz, it in fact varies in a frequency range going from 47 Hz to 53 Hz.
  • the fundamental frequency of the electrical signal comprises a bandpass filtering step with a wide passband centered on the main frequency of the control signal.
  • the present invention also relates to a device for implementing the method.
  • the device comprises an analog / digital converter capable of delivering a digital signal and comprises at least one digital selective filter intended to eliminate the frequency of the electrical signal closest to the main frequency of the control signal.
  • the device according to the invention comprises two digital selective filters intended to eliminate the harmonic frequencies of the electrical signal framing the main frequency of the control signal.
  • the device according to the invention further comprises means for determining the fundamental frequency of the electrical signal; in addition, the selective filter or filters adapt the selected frequency to be filtered as a function of variations in the fundamental frequency of the electrical signal.
  • the selective filter or filters are notch filters.
  • the device further comprises a digital filter having a wide passband centered on the main frequency of the control signal.
  • the bandpass filter comprises one or more recursive filters with infinite impulse response.
  • FIG. 1 is a diagram of electricity meter capable of receiving a centralized remote control signal
  • FIG. 3 schematically shows the bands of the various filters applied to the electrical and control signals according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows an electricity meter 1 adapted to receive a centralized remote control signal.
  • the signal from the network is directed on the one hand to metrological means 10 making it possible, among other things, to determine the electrical consumption and on the other hand, to the receiver 12 of the centralized remote control signal signal.
  • the receiver 12 comprises an analog / digital converter 14 which converts the input signal constituted by the superposition of the electrical signal and the control signal into a digital signal.
  • FIG. 2 schematically represents the distribution in amplitude of the input signal as a function of the frequency.
  • a main component Hi of the electrical signal at a fundamental frequency, for example 50 Hz, and harmonic components H 2 , H 3 , H l ... (at 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, ...) are superimpose on the component SC of the control signal located in this example between the harmonics 3 and 4 of the electrical signal, at 175 Hz.
  • the digital signal is delivered by the converter 14 on the input of a filter 16 provided for eliminating the components of the electrical signal without affecting the component of the control signal.
  • FIG. 3 schematically represents the action of the digital filter 16 on the frequency distribution of the digital signal.
  • a digital bandpass filter having a wide passband LB eliminates the fundamental component of the electrical signal, its harmonic 2 and the harmonics of order greater than 4.
  • the passband in this example is approximately 50 Hz to mid -height.
  • Such a filter can be achieved by adding a few recursive filters with infinite impulse response.
  • These filters have the advantage of being simple to implement and requiring little computation time. Indeed, these filters are of the type:
  • the receiver 12 includes means for measuring the fundamental frequency of the electrical signal. These means can be achieved using a notch filter in a manner known per se. Furthermore, certain electricity meters include in their metrological elements means for measuring the main frequency of the electrical signal and it is then sufficient to transmit this information to the filter 16.
  • the frequency bands FS1 and FS2 eliminated by the notch filters are therefore adapted according to variations in the fundamental frequency of the electrical signal. For this, the fundamental frequency measured continuously, for example at a frequency of a few kHz, is multiplied by the coefficients 3 and 4 to give the frequency of the harmonics 3 and 4.
  • the frequencies of these harmonics are used by the notch filters as parameters indicating the centers of the selective bands FS1 and FS2 to be eliminated.
  • the control signal isolated from the components of the electrical signal is delivered at the input of processing means 18 carrying out the conventional operations of smoothing, rectification, envelope detection, measurement of the duration of the pulses and their amplitude, and finally acceptance of the pulse considered as part of the control or rejection signal, if this pulse is considered noise.
  • the formatted control signal is directed to control means MC, for example relays which switch or not according to the content of the command.
  • control means MC for example relays which switch or not according to the content of the command.
  • the various conversion, filtering and processing operations can advantageously be carried out by the microprocessor which controls the metrological means of the counter and requires only additional programming without the need to integrate other components into the counter.
  • the present invention therefore makes it possible to significantly reduce the duration of the pulses composing a control signal while taking into account the fluctuations of the fundamental frequency of the electrical signal, by using only simple and inexpensive means to implement.
  • no analog filtering of the incoming signal is necessary.
  • the example given here for an electrical signal frequency equal to 50 Hz and for a signal frequency at 175 Hz can be transposed to other frequencies without departing from the scope of the present invention.

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Abstract

Procédé de réception d'un signal de commande transmis par l'intermédiaire du réseau de distribution d'électricité consistant à convertir le signal analogique provenant du réseau en un signal numérique et à filtrer sélectivement au moins la fréquence du signal électrique (H3, H4) la plus proche de la fréquence principale du signal de commande (SC). L'invention se rapporte aussi à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé.

Description

PROCEDE DE RECEPTION D'UN SIGNAL TRANSMIS PAR L'INTERMEDIAIRE DU RESEAU ELECTRIQUE ET DISPOSITIF POUR SA
MISE EN OEUVRE
La présente invention se rapporte à un procédé de réception d'un signal de commande transmis par l'intermédiaire du réseau pour la distribution d'un signal électrique présentant une fréquence fondamentale et des fréquences harmoniques, le signal de commande présentant une fréquence principale différente de la fréquence fondamentale et des fréquences harmoniques du signal électrique, le procédé consistant à convertir le signal de commande analogique en signal numérique et à filtrer ledit signal numérique. Elle se rapporte aussi à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. L'invention s'applique plus particulièrement à la réception d'un signal de télécommande centralisée. Depuis fort longtemps, il est connu d'utiliser un signal de télécommande centralisée analogique transmis par l'intermédiaire du réseau de distribution d'électricité dans le but de modifier la tarification de compteurs, déclencher une commutation pour le branchement ou le débranchement de radiateurs électriques ou de climatiseurs chez les utilisateurs ou toute autre commutation électrique. Le signal de commande se compose d'impulsions dont le nombre, la fréquence, la durée et l'amplitude constituent les caractéristiques déterminant la commande considérée. Le signal électrique distribué par le réseau présente une fréquence fondamentale, par exemple 50 Hz, et des fréquences harmoniques. Dans le but de faciliter sa réception, le signal de commande présente une fréquence principale située en général entre deux fréquences harmoniques du signal électrique. Sa fréquence est par exemple fixée à 175 Hz qui se situe entre les harmoniques 3 et 4 du signal électrique (respectivement 150 Hz et 200 Hz si la fréquence fondamentale est égale à 50 Hz). Il est connu d'employer après conversion analogique numérique du signal, un filtre passe-bande sélectif numérique éliminant toute fréquence non contenue dans une bande étroite (par exemple allant de 173 Hz à 177 Hz) centrée sur la fréquence principale du signal de commande (par exemple 175 Hz). On obtient donc en sortie du filtre, le signal de commande seul qui est ensuite traité par un algorithme permettant de déterminer le contenu de la commande. On comprend que plus le filtre est étroit, meilleure est la réjection des harmoniques. Mais on sait que le temps de montée du filtre est inversement proportionnel à la largeur de la bande passante. En d'autres termes, la réduction de la largeur de la bande passante du filtre impose une durée minimum des impulsions constituant le signal de commande. Ces impulsions peuvent avoir par exemple une durée d'environ une seconde pour une trame ayant une durée d'environ soixante secondes (une trame comprenant une quarantaine d'impulsions). Or, le nombre de dispositifs différents que l'on souhaite commuter par l'intermédiaire du signal de commande augmentant, le nombre de commandes contenues dans le signal de commande doit augmenter aussi. Cela implique une augmentation du nombre d'impulsions contenues dans une trame et par conséquent une réduction de leur durée. Or cette réduction de la durée des impulsions composant le signal de commande est limitée par l'utilisation d'un filtre passe-bande sélectif à bande étroite.
Il est connu par le document US 4,737,658 d'employer un filtre à réponse finie d'ordre N pour éliminer les fréquences indésirables. Néanmoins, un tel filtrage nécessite un filtre complexe et est compliqué à mettre en œuvre. Il est également connu par le document CH 670 923 d'employer un filtre destiné à éliminer les harmoniques dues au réseau. Un tel dispositif n'apporte pas de solution acceptable à l'augmentation du nombre d'impulsions à l'intérieur d'une trame d'un signal de commande sur le réseau électrique.
La présente invention apporte une solution particulièrement simple à mettre en œuvre au problème posé par l'augmentation du nombre d'impulsions à l'intérieur d'une trame d'un signal de commande transmis sur le réseau électrique et donc par la diminution de la durée des impulsions et leur réception. Pour cela, après l'étape classique de conversion du signal analogique en un signal numérique, l'invention préconise un filtrage sélectif destiné à éliminer au moins la fréquence du signal électrique la plus proche de la fréquence principale du signal de commande. Un filtrage sélectif doit être compris comme n'agissant que dans une bande très étroite de largeur égale ou inférieure à 4 Hz. La largeur des bandes est par exemple mesurée à mi-hauteur dans une représentation de l'amplitude des composantes des signaux en fonction de leur fréquence. De manière avantageuse, le filtrage sélectif consiste à effectuer un filtrage destiné à éliminer les deux fréquences du signal électrique encadrant la fréquence principale du signal de commande.
La fréquence fondamentale (et donc les fréquences harmoniques) du signal électrique n'est pas fixe mais varie sur une plage de quelques Hertz. Par exemple lorsque la fréquence fondamentale est qualifiée de 50 Hz, elle varie en fait dans une gamme de fréquences allant de 47 Hz à 53 Hz. C'est pourquoi, selon une variante de l'invention la fréquence fondamentale du signal électrique Selon une variante avantageuse, le procédé selon l'invention comprend une étape de filtrage passe-bande avec une large bande passante centrée sur la fréquence principale du signal de commande.
Pour les besoins du présent texte, l'expression "large bande passante" doit être comprise comme opposée à "bande passante étroite". En conséquence, une bande passante est considérée comme large si elle est supérieure à 4 Hz. La présente invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Le dispositif comprend un convertisseur analogique/numérique apte à délivrer un signal numérique et comprend au moins un filtre sélectif numérique destiné à éliminer la fréquence du signal électrique la plus proche de la fréquence principale du signal de commande.
De manière avantageuse, le dispositif selon l'invention comprend deux filtres sélectifs numériques destinés à éliminer les fréquences harmoniques du signal électrique encadrant la fréquence principale du signal de commande. Préférentiellement, le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens pour déterminer la fréquence fondamentale du signal électrique ; de plus, le ou les filtres sélectifs adaptent la fréquence à filtrer sélectionnée en fonction des variations de la fréquence fondamentale du signal électrique. Selon un mode de réalisation particulier, le ou les filtres sélectifs sont des filtres à encoche.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend en outre un filtre numérique présentant une large bande passante centrée sur la fréquence principale du signal de commande. Selon une réalisation particulière, le filtre passe bande comprend un ou plusieurs filtres récursifs à réponse impulsionnelle infinie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- La figure 1 est un schéma de compteur d'électricité apte à recevoir un signal de télécommande centralisée ;
- La figure 2 représente schématiquement la distribution en fréquence du signal électrique et du signal de commande qui lui est superposé ;
- La figure 3 représente schématiquement les bandes des différents filtres appliqués aux signaux électrique et de commande conformément à l'invention.
Les signaux de télécommande centralisée sont superposés aux signaux électriques et émis généralement par les postes haute/moyenne tension du réseau de distribution d'électricité. Ils se propagent sur ce réseau et sont reçus à l'extrémité du réseau par les compteurs d'électricité répartis chez les usagers. La figure 1 représente schématiquement un compteur d'électricité 1 apte à recevoir un signal de télécommande centralisée. Le signal en provenance du réseau est dirigé d'une part vers des moyens métrologiques 10 permettant, entre autres, de déterminer la consommation électrique et d'autre part, vers le récepteur 12 de signal de télécommande centralisée. Le récepteur 12 comprend un convertisseur analogique/numérique 14 qui convertit le signai d'entrée constitué par la superposition du signal électrique et du signal de commande en un signal numérique.
La figure 2 représente schématiquement la distribution en amplitude du signal d'entrée en fonction de la fréquence. Une composante principale Hi du signal électrique à une fréquence fondamentale, par exemple 50 Hz, et des composantes harmoniques H2, H3, H l... (à 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, ...) se superposent à la composante SC du signal de commande située dans cet exemple entre les harmoniques 3 et 4 du signal électrique, à 175 Hz. Le signal numérique est délivré par le convertisseur 14 sur l'entrée d'un filtre 16 prévu pour éliminer les composantes du signal électrique sans affecter la composante du signal de commande.
La figure 3 représente schématiquement l'action du filtre numérique 16 sur la répartition en fréquence du signal numérique. Un filtre passe-bande numérique présentant une large bande passante LB permet d'éliminer la composante fondamentale du signal électrique, son harmonique 2 et les harmoniques d'ordre supérieur à 4. La bande passante dans cet exemple est d'environ 50 Hz à mi-hauteur. Un tel filtre peut-être réalisé par l'addition de quelques filtres récursifs à réponse impulsionnelle infinie. Ces filtres présentent l'avantage d'être simples à mettre en oeuvre et requérant peu de temps de calcul. En effet, ces filtres sont du type :
yn = a0xn + ai yπ-ι + a2yn-2 où yn désigne le signal de sortie du filtre lors de la nιeme itération, xn le signal d'entrée, a0, ai, a2 des paramètres à ajuster. On voit que chaque filtre ne nécessite que trois multiplications par itération. Ces filtres étant connus en soi il n'est pas nécessaire d'en donner ici une description plus détaillée. On peut trouver plus d'informations à ce propos dans l'ouvrage "Traitement Numérique du Signal", Maurice Bellanger, Chapitre VI, page 200 - MASSON (4ème édition)
Pour obtenir le filtrage désiré, c'est à dire l'élimination des composantes ayant des fréquences se situant hors de l'intervalle compris entre la fréquence de l'harmonique 3 et celle de l'harmonique 4, on peut utiliser cinq filtres récursifs à réponse impulsionnelle infinie en cascade. Mais comme on peut le voir sur la figure 3, un tel filtre à bande large possède une bande passante LB dont les flancs présentent une pente telle qu'une partie des composantes des harmoniques 3 et 4 n'est pas éliminée. Les harmoniques encadrant le signal de commande sont éliminées à l'aide de deux filtres sélectifs numériques, par exemple des filtres à encoche. La réponse en fréquence d'un filtre à encoche est proche de zéro sur une gamme de fréquence très étroite (par exemple inférieure à 1 Hz), et égale à un ailleurs. De tels filtres sont connus en soi et ne nécessitent pas de description détaillée. On peut trouver plus d'information à leur sujet dans l'ouvrage "Traitement Numérique du Signal", Maurice Bellanger, Chapitre VI, page 211- MASSON (4ème édition)
Afin d'adapter le filtrage sélectif aux variations de fréquence des composantes harmoniques, le récepteur 12 comprend des moyens pour mesurer la fréquence fondamentale du signal électrique. Ces moyens peuvent être réalisés à l'aide d'un filtre à encoche de manière connue en soi. Par ailleurs, certains compteurs d'électricité comprennent dans leurs éléments métrologiques des moyens de mesure de la fréquence principale du signal électrique et il suffit alors de transmettre cette information au filtre 16. Les bandes de fréquence FS1 et FS2 éliminées par les filtres à encoche sont donc adaptées en fonction des variations de la fréquence fondamentale du signal électrique. Pour cela, la fréquence fondamentale mesurée en permanence, par exemple à une fréquence de quelques kHz, est multipliée par les coefficients 3 et 4 pour donner la fréquence des harmoniques 3 et 4. Les fréquences de ces harmoniques sont utilisées par les filtres à encoche comme paramètres indiquant les centres des bandes sélectives FS1 et FS2 à éliminer. Le signal de commande isolé des composantes du signal électrique est délivré en entrée de moyens de traitement 18 effectuant les opérations classiques de lissage, redressement, détection d'enveloppe, mesure de la durée des impulsions et de leur amplitude, et enfin acceptation de l'impulsion considérée comme faisant partie du signal de commande ou rejet, si cette impulsion est considérée comme du bruit.
En sortie des moyens de traitement 18, le signal de commande mis en forme est dirigé vers des moyens de commande MC, par exemple des relais qui commutent ou non suivant le contenu de la commande. Les différentes opérations de conversion, filtrage et traitement peuvent avantageusement être réalisées par le microprocesseur qui pilote les moyens métrologiques du compteur et ne requiert qu'une programmation supplémentaire sans qu'il soit nécessaire d'intégrer dans le compteur d'autres composants. La présente invention permet donc de diminuer sensiblement la durée des impulsions composant un signal de commande tout en prenant en compte les fluctuations de la fréquence fondamentale du signal électrique, en ne faisant appel qu'à des moyens simples et peu onéreux à mettre en oeuvre. De plus, aucun filtrage analogique du signal entrant n'est nécessaire. L'exemple donné ici pour une fréquence du signal électrique égale à 50 Hz et pour une fréquence du signal à 175 Hz peut être transposé à d'autres fréquences sans sortir du cadre de la présente invention. Par ailleurs, toujours en restant dans le cadre de la présente invention, il peut être prévu dans certaines configurations d'éliminer à l'aide d'un filtre sélectif seulement la fréquence du signal électrique la plus proche de la fréquence du signal de commande, les autres composantes du signal électrique étant éliminées à l'aide du filtre à large bande-passante. Selon une autre variante au contraire, de nombreuses fréquences harmoniques du signal électrique, par exemple la fréquence fondamentale et les neuf harmoniques suivantes, peuvent être éliminées par l'usage d'un nombre adéquat de filtres sélectifs, avec ou sans filtrage à large bande-passante.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réception d'un signal de commande transmis par l'intermédiaire du réseau pour la distribution d'un signal électrique présentant une fréquence fondamentale (H-i) et des fréquences harmoniques (H2, H3, ...), le signal de commande présentant une fréquence principale (SC) différente de la fréquence fondamentale et des fréquences harmoniques (H2, H3, ...) du signal électrique, le procédé consistant à convertir ledit signal de commande analogique en un signal numérique et à filtrer ledit signal numérique, caractérisé en ce que le filtrage comprend un filtrage passe-bande avec une large bande passante centrée sur la fréquence principale du signal de commande (SC), et un filtrage sélectif (FS1, FS2) destiné à éliminer les deux fréquences (H3, H4) du signal électrique encadrant la fréquence principale (SC) du signal de commande.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la fréquence fondamentale (H du signal électrique est mesurée en permanence et le filtrage sélectif (FS1, FS2) est adapté en fonction des variations de la fréquence fondamentale (H-i) du signal électrique.
3. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, comprenant un convertisseur analogique/numérique (14) apte à délivrer un signal numérique et caractérisé en ce qu'il comprend un filtre numérique passe-bande (16) présentant une large bande-passante centrée sur la fréquence principale du signal de commande (SC), et deux filtres sélectifs numériques destinés à éliminer les fréquences harmoniques (H3, H4) du signal électrique encadrant la fréquence principale (SC) du signal de commande.
4. Dispositif selon la revendication 3, comprenant en outre des moyens pour déterminer la fréquence fondamentale (H-i) du signal électrique et dans lequel le ou les filtres sélectifs adaptent la fréquence à filtrer sélectionnée
en fonction des variations de la fréquence fondamentale du signal électrique.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le ou les filtre sélectifs numériques sont des filtres à encoche.
6. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le filtre passe bande numérique comprend un ou plusieurs filtres à réponse impulsionnelle infinie.
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