Способ приема и передачи сигналов в трехфазной электрической сети

 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием линий (0,38-10-35-110) кВ без обработки ее высокочастотными заградителями. Изобретение решает задачу повышения скорости передачи сигналов до 50 Бод. В предложенном способе применена система модуляции КИМ-ФМ с применением интегрирования в характерных точках, которыми являются моменты времени перехода питающего напряжения через ноль. Устройство содержит два передатчика пассивно-активного типа, 4 фильтра напряжения симметричных составляющих, 4 узкополосных фильтра, два умножителя, два смесителя, два фильтра нижних частот, два интегратора, два синхронизатора, гетеродин, инвертор. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазной электрической сети (0,38-10-35-110) кВ без обработки ее высокочастотными заградителями.

Известен способ приема и передачи сигналов в трехфазной электрической сети (авт. св. N 1107750). Недостатком известного способа является низкая скорость передачи сигналов.

Известен также способ передачи и приема сигналов (Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства, выпуск 2/54, М., ВИЭСХ, 1985, "Канал связи на тональных частотах по линии 10 кВ". К.И. Гутин и С.А. Цагарейшвили), где трехфазная электрическая сеть используется для передачи сигналов с контролируемых пунктов на диспетчерский пункт. Сигналами являются радиоимпульсы тональной частоты. В данном канале связи применен передатчик пассивно-активного типа (прототип). Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения скорости передачи сигналов в трехфазной электрической сети с достижением технического результата - передача сигналов со скоростью 50 Бод.

В заявленном способе при передаче символа "1" в пункте передачи 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.

Вновь введены следующие операции: в пункте приема преобразуют токи на частотах f₁ и f₂ в напряжение U₁(t) = U_m1cosnΩt,(n = 1,2,....,n-1,Ω ≡ 2πF), преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение гетеродина U_г(t) = U_mгcosnΩt, преобразуют напряжения U₁(t) и U_г(t) в постоянное положительное напряжение U₁, интегрируют напряжение U₁ на интервале T₁ (T₁= τ₁, τ₁ - длительность передачи символа "1"), выделяют сигнал, соответствующий символу "1", при этом начало и конец интервала интегрирования T₁ совмещают с началом и концом передачи символа "1".

При передаче символа "0" вновь введены следующие операции: в пункте передачи преобразуют 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, преобразуют токи на частотах f₃ и f₄ в напряжение U₂(t) = U_m2 cos (nΩt - 180^o), преобразуют напряжения U₂(t) и U_г(t) в постоянное отрицательное напряжение U₂ на интервале (T₂= τ₂, τ₂ - длительность передачи символа "0"), выделяют сигнал, соответствующий символу "0", при этом начало и конец интервала интегрирования T₂ совмещают с началом и концом передачи символа "0".

Достижение технического результата обеспечивают за счет применения на приемном пункте операции интегрирования, причем начало и конец интегрирования производят в характерных точках, которыми являются моменты времени перехода питающего напряжения U(t) = U_mcosΩt через ноль при dU(t)/dt ≥ 0. Эти моменты времени соответствуют началу и концу передачи символов "1" и "0" на передающем пункте.

На чертеже представлена функциональная схема устройства приема и передачи сигналов в трехфазной электрической сети.

Устройство 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, выход второго передатчика пассивно-активного типа 19 подключен к трехфазной электрической сети 1, входы первого 20 и второго 21 синхронизаторов подключены к трехфазной электрической сети 1, выход первого синхронизатора 20 подключен соответственно к первым входам первого 22 и второго 23 интеграторов, выход второго синхронизатора 21 подключен соответственно к входам первого 10 и второго 19 передатчиков пассивно-активного типа, выход первого фильтра нижних частот 8 подключен ко второму входу первого интегратора 22, выход второго фильтра нижних частот 18 подключен ко второму входу второго интегратора 23.

Работает устройство следующим образом.

На выходе гетеродина 9 имеют напряжение гетеродина U_г(t) = U_mгcos2Ωt(n=2) , где U_mг - амплитудное значение напряжения гетеродина; Ω = 2πF - круговая частота; F - частота промышленного напряжения.

Передача и прием символа "1".

С выхода первого передатчика пассивно-активного типа 10 в трехфазную электрическую сеть 1 вводят токи обратной последовательности на частоте 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 ω₁ имеют обратное чередование фаз (A, C, B), т.е. ток в фазе C отстает от тока в фазе A на 120^o, а ток в фазе B отстает на 120^o от тока в фазе C. На частоте ω₂ имеют прямое чередование фаз (A, B, C).

Эти токи образуют в трехфазной электрической сети напряжение сигнала обратной последовательности U₂(f₁) на частоте f₁ и напряжение сигнала прямой последовательности U₁(f₂) на частоте f₂, причем = 2F. Первый фильтр напряжения симметричных составляющих обратной последовательности 2 настроен на частоту f₁, второй фильтр напряжения симметричных составляющих прямой последовательности 3 настроен на частоту f₂. С выходов первого и второго фильтров напряжения симметричных составляющих 2 и 3 напряжения поступают на входы первого и второго узкополосных фильтров 4 и 5. С выходов первого и второго узкополосных фильтров 4 и 5 напряжения частот f₁ и f₂ поступают на входы первого умножителя 6.

Пусть с выхода первого узкополосного фильтра 4 имеют напряжение сигнала
U₄(t) = U_m4cos(ω₁t+ϕ₁) (1) .

С выхода второго узкополосного фильтра 5 имеют напряжение сигнала
U₅(t) = U_m5cos(ω₂t+ϕ₂) (2) ,
где
ϕ₁= ϕ₂. (3)
Это следует из принципа работы передатчика пассивно-активного типа 10. 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 сигналов 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 первого смесителя 7, причем
,
где
U_m4, U_m5 - амплитудные значения напряжений сигналов на входах первого умножителя 6;
K - коэффициент передачи.

ϕ₆= (ω₁-ω₂)t+ϕ₁-ϕ₂ (5) ,
где
ω₁= 2πf₁; ω₂= 2πf₂. (6)
Причем выполняется условие = 2F (7).

С учетом выражений (3) и (6) выражение (5) примет вид
ϕ₆= 2π(f₁-f₂)t+ϕ₁-ϕ₂= 2Ωt (8) .

С учетом (8) выражение (4) примет вид
U₆(t) = A₆cos2Ωt (9) ,
где
.

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

Напряжение гетеродина 9 U_г(t) = U_mгcos2Ωt 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 напряжения гетеродина;
ρ₀ - крутизна характеристики первого смесителя;
A₀ - амплитудное значение.

Анализ выражения (10) показывает, что первый и второй члены являются напряжениями, имеющими частоты 2Ω и 4Ω. Последний член является положительным постоянным напряжением U₁.

Напряжение U₁ соответствует положительному видеоимпульсу в описании формулы изобретения.

Напряжение U₁ 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).

Второй синхронизатор 21 формирует видеоимпульсы длительностью τ₁, которые поступают на первый передатчик 10, причем начало и конец видеоимпульса соответствует переходу питающего напряжения U(t) через ноль при dU(t)/dt ≥ 0. Таким образом, длительность τ₁= 0,02 c (при частоте питающего напряжения F= 50 Гц). Эти импульсы поступают на вход передатчика 10, что обеспечивает передачу символа "1" в строго фиксированные моменты времени. Первый синхронизатор 20 формирует импульсы перехода питающего напряжения через ноль при dU(t)/dt ≥ 0. Эти импульсы обнуляют первый интегратор 22 в моменты начала и конца передачи символа "1", т.е. выполняют условие T₁= τ₁.
Передача и 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 сигналов обратной последовательности U₂(f₃) на частоте f₃ и прямой последовательности U₁(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 соответственно 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

По аналогии с приемом символа "1" напряжение на выходе второго умножителя 15 будет равно
U₁₅(t) = A₁₅cos 2Ωt,
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 на его выходе будет равно
U₁₆(t) = -A₁₅cos 2Ωt (15) .

Следует отметить, что изменение фазового сдвига на 180^o в выражениях (1) и (2), которые можно получить на передающей стороне, не меняет знака в выходном напряжении умножителя, т.к. 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 гетеродина 9.

Напряжение на выходе второго смесителя 17 U₁₇(t) по аналогии с (10) определяют из выражения
.

Это напряжение подают на второй фильтр нижних частот 18, где выделяют отрицательное напряжение, которое характеризует прием символа "0". На выходе второго фильтра нижних частот 18 имеют напряжение
.

Напряжение U₂ соответствует отрицательному видеоимпульсу в описании формулы изобретения.

Напряжение U₂ действует в течение времени t, где
0 ≅ t ≅ τ₀,
τ₀ - длительность передачи символа "0".

Второй синхронизатор 21 формирует видеоимпульсы длительностью τ₀ , которые поступают на второй передатчик 19.

Принимают длительности символов "1" и "0" равными, т.е. τ₁= τ₀= τ = 0,02 c.
Импульсы первого синхронизатора 20 обнуляет также и второй интегратор 23 в моменты начала и конца передачи символа "0".

Скорость передачи сигналов V при этом будет равна

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

Формула изобретения

Способ приема и передачи сигналов в трехфазной электрической сети, в котором в пункте передачи при передаче символа "1" 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, отличающийся тем, что в него введены следующие операции: в пункте приема преобразуют токи на частотах f₁ и f₂ в напряжение U₁(t) = U_n1cosnΩt, (n = 1,2,3,...,n-1,Ω = 2πF), преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение гетеродина U_г(t) = U_mгcosnΩt, преобразуют напряжения U₁(t) и U_г(t) в постоянное положительное напряжение U₁, интегрируют напряжение U₁ на интервале T₁ (T₁= τ₁, τ₁ - длительность передачи символа "1"), выделяют сигнал, соответствующий символу "1", причем начало и конец интервала интегрирования T₁, а также начало и конец передачи символа "1" соответствует моментам перехода напряжения промышленной частоты F в пунктах передачи и приема через ноль при dU/dt ≥ 0 (U - напряжение промышленной частоты f), при передаче символа "0" в пункте передачи преобразуют 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, преобразуют токи на частотах f₃ и f₄ в напряжение U₂(t) = U_m2cos(nΩt-180°), преобразуют напряжения U₂(t) и U_r(t) в постоянное отрицательное напряжение U₂, интегрируют напряжение U₂ на интервале T₂ (T₂= τ₂, τ₂ - длительность передачи символа "0"), выделяют сигнал, соответствующий символу "0", причем начало и конец интервала интегрирования T₂, а также начало и конец передачи символа "0" соответствуют моментам перехода напряжения промышленной частоты F через ноль при dU/dt ≥ 0.

РИСУНКИ

Рисунок 1