Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети и устройство для его осуществления

 

Использование: в электронике при организации каналов связи с использованием линии электропередачи без обработки ее высокочастотными заградителями. Сущность изобретения: в способе применена система модуляции КИМ-ФМ. Устройство содержит сетевой трансформатор 1, четыре фильтра симметричных составляющих 2, 3, 11 и 12, четыре узкополосных фильтра 4, 5, 13 и 14, два умножения 6 и 15, два смесителя 7 и 17, два фильтра 8 и 18 нижних частот, инвертор 16, два передатчика 10 и 19. Способ повышает помехозащищенность приема сигналов при приеме сигналов с отношением сигнал/помеха много меньше единицы. 3 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при организации каналов связи с использованием линии электропередачи (0,38 10 - 35) кВ без обработки ее высокочастотными заградителями.

Известен способ приема сигналов в трехфазной линии электропередачи (авт. св. СССР N 1107750). Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность.

Из известных способов, описанных в Научно-техническом бюллетене по электрификации сельского хозяйства, вып. 2 (54), М. ВИЭСХ, 1985. Канал связи на тональных частотах по линии 10 кВ. К. И. Гутин и С. А. Цагарейшвили, трехфазная электрическая сеть используется для передачи информации с контролируемого пункта на диспетчерский пункт. Сигналами являются радиоимпульсы тональной частоты. В данном канале применен передатчик пассивно-активного типа (прототип).

Задача изобретения повышение помехозащищенности приема сигналов в трехфазной линии электропередачи с достижением технического результата - возможность приема сигналов при отношении сигнал/помеха много меньше единицы.

Предлагаемый способ, в котором на приемной стороне преобразуют трехфазное напряжение промышленной частоты F в напряжение гетеродина U_г(t)=U_мгcos2Ωt(Ω=2πF), на передающей стороне преобразуют напряжение промышленной частоты F в токи обратной последовательности на частоте f₁, и токи прямой последовательности на частоте f₂, при передаче символа "1", передают эти токи по трехфазной линии электропередачи в пункт приема, где преобразуют их в напряжение U₁(t)=U_м1cos2Ωt, преобразуют напряжение U₁(t) и U_г(t) в положительный видеоимпульс. Вновь введены следующие операции: на передающей стороне преобразуют трехфазное напряжение промышленной частоты F в токи сигналов обратной последовательности на частоте f₃ и прямой последовательности на частоте f₄, при передаче символа "0", передают эти токи по трехфазной линии электропередачи в пункт приема, где преобразуют их в напряжение U₂(t)=U_м1cos2Ωt,, преобразуют напряжения U₂(t) и U_г(t) в отрицательный видеоимпульс.

Достижение технического результата обеспечивают за счет применения системы модуляции КИМ-ФМ (Мановцев А. П. Введение в цифровую радиотелеметрию. М. Энергия, 1967, с. 237).

В предлагаемом изобретении символы "1" и "0" различают изменением фазы на угол π. Амплитуда несущих колебаний при передаче этих символов одинакова, паузы в сигналах отсутствуют, при этом обработку сигналов производят в условиях, когда отношение сигнал/помеха много меньше единицы.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства.

Устройство приема сигналов в трехфазной линии электропередачи содержит трехфазную электрическую сеть 1, к которой подключены входы первого 2 и второго 3 фильтров напряжения симметричных составляющих, выходы каждого из которых подключены соответственно к входам первого 4 и второго 5 узкополосных фильтров, выходы каждого из которых соответственно подключены к первому и второму входам первого умножителя 6, выход которого подключен к первому входу первого смесителя 7, выход которого подключен к входу первого фильтра нижних частот 8, гетеродин 9, вход которого подключен к трехфазной электрической сети 1, а выход подключен ко второму входу первого смесителя 7, первый передатчик пассивно-активного типа 10, выход которого подключен к трехфазной электрической сети 1, третий 11 и четвертый 12 фильтры напряжения симметричных составляющих, входы каждого из которых подключены к трехфазной электрической сети 1, а выходы соответственно подключены к входам третьего 13 и четвертого 14 узкополосных фильтров, выходы каждого из которых соответственно подключены к первому и второму входам второго умножителя 15, выход которого подключен к входу инвертора 16, выход которого подключен к первому входу второго смесителя 17, выход которого подключен к входу второго фильтра нижних частот 18, второй вход второго смесителя 17 подключен к выходу гетеродина 9, выходы второго передатчика пассивно-активного типа 19 подключены к трехфазной электрической сети 1.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

На выходе гетеродина 9 имеют напряжение гетеродина U_г(t)=U_мгcos2Ωt, где U_mг амплитудное значение напряжения гетеродина; Ω2πF круговая частота; F частота промышленного напряжения.

1. Примем символа "1".

С выхода первого передатчика пассивно-активного типа 10 в трехфазную электрическую сеть 1 вводят токи обратной последовательности f₁ и прямой последовательности на частоте f₂, аналитическое значение которых описывается выражениями (Гутин К. И. Повышение эффективности передачи информации в сельских электрических сетях напряжением 10 кВ. Автореферат на соискание ученой степени к. т. н. МИИСП, М. 1987, с. 7): , где I_m максимальное значение тока передатчика 10.

Из данных соотношений следует, что токи на частоте имеют обратное чередование фаз (А, С и В), т. е. ток в фазе С отстает от тока в фазе А на 120^o, а ток в фазе В отстает на 120^o от тока в фазе С. На частоте ω₂ имеют прямое чередование фаз (А, В и С).

Эти токи образуют в трехфазной электрической сети 1 напряжение сигнала обратной последовательности U₂(f₁) на частоте f₁ и напряжение прямой последовательности U₁(f₂) на частоте f₂, причем (f₁ f₂) 2F. Первый фильтр симметричных составляющих обратной последовательности 2 настроен на частоту f₁, второй фильтр симметричных составляющих прямой последовательности 3 настроен на частоту f₂. С выходов первого и второго фильтров симметричных составляющих 2 и 3 напряжения поступают на входы первого и второго узкополосных фильтров 4 и 5. Полосы пропускания этих фильтров ΔF выбирают из условия ΔF≅F Гц. Это необходимо для того, чтобы в полосу пропускания фильтра попадало бы не более одной гармонической составляющей промышленной частоты, которая является для приема сигналов помехой. С выходов первого и второго узкополосных фильтров 4 и 5 напряжения частот f₁ и f₂ подают на входы первого умножителя 6.

Пусть с выхода первого узкополосного фильтра 4 имеем напряжение сигнала U₄(t) = U_m4cos(ω₁t+ϕ₁) (1)
С выхода второго узкополосного фильтра 5 имеем напряжение сигнала
U₅(t) = U_m5cos(ω₂t+ϕ₂) (2)
где ϕ₁= ϕ₂ (3)
Это следует из принципа работы передатчика пассивно-активного типа.

При t≅0. Передатчик 10 в пункте передачи не работает. В пункте приема отсутствуют напряжения сигналов U₄(t) и U₅(t), описываемые выражениями (1) и (2).

При t>0. Передатчик 10 в пункте передачи начинает работать. В пункте приема появляются напряжения U₄(t) и U₅(t).

Напряжения сигнала U₄(t) и U₅(t) подают на первый и второй входы первого умножителя 6, с выхода которого напряжение сигнала U₆(t) подают на первый вход смесителя 7, причем

где U_m4, U_m5 амплитудные значения напряжений сигнала на входах первого умножителя 6;
К_д коэффициент передачи амплитудного детектора.

ϕ₆= (ω₁-ω₂)t+ϕ₁-ϕ₂ (5)
где ω₁= 2πf₁; ω₂= 2πf₂ (6)
Причем выполняется условие
f₁ f₂ -2F
С учетом выражений (3) и (6) выражение (5) примет вид
ϕ₆= 2π(f₁-f₂)t+ϕ₁-ϕ₂= -2Ωt (8)
С учетом (7) выражение (4) примет вид
U₆(t) = A₆cos2Ωt (9)
где
Напряжение U₆(t) соответствует напряжению U₁(t) в описании формулы изобретения.

Напряжение сигнала U₆(t) поступает на первый вход первого смесителя 7.

Напряжение гетеродина 9 U_г(t)=U_мгcos2Ωt поступает на второй вход первого смесителя 7. Таким образом, на первый и второй входы первого смесителя 7 подают два напряжения с равными частотами и фазами.

Напряжение на выходе первого смесителя 7 определяют из выражения

где m постоянный коэффициент, зависящий от амплитуды гетеродина;
S_o крутизна характеристики нелинейного элемента первого смесителя 7;
А_o амплитудное значение,
Анализ выражения (10) показывает, что первый и второй члены являются напряжениями, имеющими частоты 2Ω и 4Ω. Последний член является положительным постоянным напряжением.

Напряжение U_o соответствует положительному видеоимпульсу в описании формулы изобретения.

Напряжение U_o действует в течение времени t, где
0≅t≅τ₁
τ₁ длительность передачи символа "1".

Для выделения положительного постоянного напряжения, которое характеризует прием символа "1", напряжение с выхода первого смесителя 7 согласно (10) подают на вход первого фильтра нижних частот 8, с выхода которого имеют положительное постоянное напряжение согласно (11).

2. Прием символа "0".

С выхода второго передатчика пассивно-активного типа 19 в трехфазную электрическую сеть 1 вводят токи обратной последовательности на частоте f₃ и прямой последовательности на частоте f₄. Эти токи образуют в трехфазной электрической сети 1 напряжения сигнала обратной последовательности U₂(f₃) на частоте f₃ и прямой последовательности U₁(f₄) на частоте f₄. Третий фильтр симметричных составляющих обратной последовательности 11 настроен на частоту f₃, четвертый фильтр симметричных составляющих прямой последовательности 12 настроен на частоту f₄. С выходов третьего и четвертого фильтров симметричных составляющих 11 и 12 напряжения поступают на входы третьего и четвертого узкополосных фильтров 13 и 14. С выходов третьего и четвертого узкополосных фильтров 13 и 14 напряжения частот f₃ и f₄ подают на входы второго умножителя 15.

Пусть с выхода третьего узкополосного фильтра 13 имеем напряжение сигнала
U₁₃(t) = U_m13cos(ω₃t+ϕ₃) (12)
С выхода четвертого узкополосного фильтра 14 имеем напряжение сигнала
U₁₄(t) = U_m14cos(ω₄t+ϕ₄) (13)
где ϕ₃= ϕ₄
По аналогии с приемом символа "1" напряжение на выходе второго умножителя 15 будет равно
U₁₅(t) = A₁₅cos2Ωt (14)
где
Сравнивая выражения (9) и (14), делаем вывод, что они идентичны. Для того, чтобы отличить символ "0" от символа "1", напряжение с выхода второго умножителя подают на вход инвертора 16. Напряжение с его выхода будет равно
U₁₆(t) = -A₁₅cos2Ωt (15)
Следует отметить, что изменение фазового сдвига 180^o в выражениях (1) и (2), которые можно получить на передающей стороне, не изменяют знака в выходном напряжении умножителя, так как согласно (5) прибавление одинаковых углов к ϕ₁+π и ϕ₂+π даст угол ϕ по выражению (8). В данном случае напряжение гетеродина 9 и напряжение сигнала на выходе инвертора 16 сдвинуты на 180^o.

Напряжение U₁₆(t) соответствует напряжению U₂(t) в описании формулы изобретения.

Это напряжение подают на первый вход второго смесителя 17, на второй вход которого подают напряжение с гетеродина 9.

Напряжение на выходе второго смесителя 17 U₁₇(t), по аналогии c (10), определяют из выражения
Это напряжение подают на второй фильтр нижних частот 18, где выделяют отрицательное постоянное напряжение, которое характеризует прием символа "0". На выходе второго фильтра нижних частот 18 имеют напряжение

Напряжение U_o соответствует отрицательному видеоимпульсу в описании формулы изобретения.

Напряжение U_o действует в течение времени t, где
0≅t≅τ_o
τ_o длительность передачи символа "0".

Таким образом доказано, что предлагаемое устройство реализует предлагаемый способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети.

Формула изобретения

1. Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, в котором передают символ "1", для чего на передающей стороне преобразуют напряжение промышленной частоты F в ток обратной последовательности на частоте f₁ и ток прямой последовательности на частоте f₂, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, а "0" передают в пассивной паузе, а на приемной стороне выделяют сигналы "1" и "0", отличающийся тем, что на приемной стороне преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение гетеродина
U_г(t)=U_мгcos2Ωt(Ω=2πF),
где U_мг. амплитудное значение напряжения гетеродина,
преобразуют токи на частотах f₁ и f₂ в напряжение U₁(t)=U_m1cos2Ωt, а напряжение U_г(t) и U₁(f) преобразуют в видиоимпульс, соответствующий сигналу "1".

2. Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, при котором передают символ "1", для чего на передающей стороне преобразуют напряжение промышленной частоты F в ток обратной последовательности на частоте f₁ и ток прямой последовательности на частоте f₂, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, а "0" передают в пассивной паузе, а на приемной стороне выделяют сигналы "1" и "0", отличающийся тем, что на приемной стороне преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение гетеродина U_г(t)=U_мгcos2Ωt(Ω=2πF), преобразуют токи на частотах f₁ и f₂ в напряжение U₁(t)=U_m1cos2Ωt, а напряжения U_г(t) и U₁(t) преобразуют в видиоимпульс, соответствующий сигналу "1", а при формировании видиоимпульса, соответствующего сигналу "0", который передают в активной паузе, на передающей стороне преобразуют трехфазное напряжение промышленной частоты F в ток обратной последовательности на частоте f₃ и ток прямой последовательности на частоте f₄, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, где преобразуют токи на частотах f₃ и f₄ в напряжение U₂(t)=U_m2cos2Ωt, преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение гетеродина U_г(t)=U_мгcos2Ωt(Ω=2πF), а напряжения U_г(t) и U₂(t) преобразуют в видиоимпульс, соответствующий сигналу "0".

3. Устройство передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, содержащее на передающей стороне первый передатчик пассивно-активного типа, выход которого подключен к трехфазной электрической сети, к которой подключен вход приемника, отличающееся тем, что введен второй передатчик пассивно-активного типа, а приемник содержит гетеродин, первый четвертый фильтры напряжения симметричных составляющих, входы каждого из которых подключены к трехфазной электрической сети, к которой подключен выход второго передатчика пассивно-активного типа, первый четвертый узкополосные фильтры, первый и второй умножители, первый и второй смесители, первый и второй фильтры нижних частот, инвертор, при этом выходы первого и второго фильтров напряжения симметричных составляющих соответственно через первый и второй узкополосные фильтры соединены с первым и вторым входами первого умножителя соответственно, выход которого подключен к первому входу первого смесителя, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, причем выход гетеродина подключен к вторым входам первого и второго смесителей, а выходы третьего и четвертого фильтров напряжения симметричных составляющих соответственно через третий и четвертый узкополосные фильтры соединены с первым и вторым выходами второго умножителя, выход которого через инвертор подключен к первому входу второго смесителя, выход которого соединен с входом второго фильтра нижних частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1