Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети

 

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при организации каналов связи с использованием высоковольтных линий. Достигаемым техническим результатом является расширение частотного диапазона при скорости передачи сигналов 50 и 100 Бод, а также повышение помехозащищенности приема сигналов. В предложенном способе используют синхронное детектирование сигналов с применением интегрирования, начало и конец которого определяют характерными точками, которыми являются единые моменты времени, переход общего питающего напряжения через ноль одной из фаз сети в пунктах передачи и приема. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием линий /0,38 - 10 - 35 - 110/ кВ без обработки их высокочастотными заградителями. Новым техническим результатом является расширение частотного диапазона с 1000 Гц до 3000 Гц при скорости передачи сигналов 50 и 100 Бод, а также повышение помехозащищенности приема сигналов.

В предложенном способе используют синхронное детектирование сигналов с применением интегрирования, начало и конец которого определяют характерными точками, которыми являются единые моменты времени перехода через ноль общего питающего напряжения U(t) в пунктах передачи и приема. При этом в качестве гетеродинного напряжения используют кварцованную частоту напряжения сигнала.

Наиболее близким к заявленному способу является способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в патенте на изобретение N 2121759 кл, 6 H 04 В 3/54, Бюл. N 31 10.11.96 г., принят за прототип.

В известном способе напряжение гетеродина образуют из гармоник частоты питающего напряжения F. В связи с тем, что частота F # 50 Гц в аварийных режимах, то гармоники частоты F изменяют свое положение на частотной оси и отфильтровывать в фиксированной полосе частот частоту гетеродина при больших индексах гармоник частоты F сложно. Поэтому, как показала практика, необходимо ограничиваться сверху 20-й гармоникой /1000 Гц /, что сужает частотный диапазон. Заявленный способ решает задачу увеличения частотного диапазона до 3 кГц, так как в качестве частоты гетеродина используют кварцованную частоту сигнала. Усиление неравенства в прототипе c на в заявленном способе позволит улучшить отношение сигнал/помеха. Так, в прототипе при скорости передачи сигналов 100 Бод, где и при максимальной частоте запуска передатчика f₀ ≈ f₂ = 1000 Гц неравенство будет иметь вид: или 0,01 >> 0,001, т.е. левая часть неравенства будет больше в 10 раз. Это значит, что за период интегрирования Т уложится 10 периодов напряжения частоты сигнала /помехи/.

В заявленном способе, например, при n = 3 и f₀ = 1000 Гц, неравенство примет вид: .

С учетом того, что f_Σ= f₁+f₂= 2f₀, неравенство примет вид: или т. е. левая часть неравенства будет больше в 160 раз. Это значит, что за период интегрирования Т уложится 160 периодов напряжения частоты сигнала /помехи/. Известно, что математическое ожидание М амплитуды помехи U_n(t), которая флуктуирует около нуля, описывают выражением: M[U_n](t) ---> 0 при знаменателе в правой части неравенства _→ ∞. Таким образом, чем лучше выполняют неравенство, тем выше будет отношение сигнал/помеха после обработки сигнала в интеграторе. При увеличении частотного диапазона до 3 кГц неравенство еще "усилят" в три раза.

В заявленном способе передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети в пункте передачи преобразуют питающее напряжение U(t) промышленной частоты F в ток сигнала обратной последовательности на частоте f₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₂, где f₂-f₁=2F, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, преобразуют в напряжения преобразуют эти напряжения путем фильтрации соответственно в напряжения U₁(t) = U_m1cosω₁t и U₂(t) = U_m2cosω₂t где ω₁= 2πf₁,ω₂= 2π-f₂ в узкой полосе пропускания частот, перемножают U₁(t) и U₂(t), выделяют путем фильтрации напряжение суммарной частоты U_Σ(t) = U_mΣcosω_Σt, где ω_Σ= 2πf_Σ,f_Σ= f₁+f₂= 2f₀, f₀ - частота запуска передатчика, преобразуют напряжение U_Σ(t) в напряжение U_Σn(t) = U_mΣncos2ⁿt путем n - кратного умножения и n - кратной фильтрации, где n = 1,2,3,4, . ,.., умножают U_Σn(t) на U_Σn(t), из полученного напряжения выделяют путем фильтрации постоянную составляющую U_c, интегрируют U_c в интервале Т, где при скорости передачи сигналов 50 Бод и при скорости передачи сигналов 100 Бод, выполняют неравенство , при этом начало и конец интервалов передачи сигналов и интегрирования соответствуют единым моментам времени перехода общего питающего напряжения U(t) через ноль в пунктах передачи и приема.

Устройство (см. чертеж), реализующее заявленный способ, содержит в пункте передачи синхронизатор 1 характерных точек /синхронизатор/, передатчик 2 пассивно-активного типа /передатчик/, трехфазную электрическую сеть 3 /сеть/, фильтр напряжения симметричных составляющих /ФСС/ обратной последовательности 4, ФСС прямой последовательности 5, узкополосный фильтр 6 /УПФ/ частоты f₁, УПФ 7 частоты f₂, умножитель 8, УПФ частоты f_Σ= f₁+f₂ 9, первый 10, второй 11,.. n-й 12 преобразователь частоты /преобразователь/, умножитель 13, фильтр нижних частот /ФНЧ/ 14, интегратор 15, синхронизатор 16, фазовращатель 17.

Работает устройство следующим образом: Синхронизатор 1 формирует в пункте передачи импульсы в единые моменты времени перехода питающего напряжения U(t) частоты F через ноль. Начало и конец передачи сигнала совпадают с едиными моментами времени перехода питающего напряжения U(t) частоты F через ноль в пунктах передачи и приема. При работе передатчика 2 в его фазных проводах A, B, C образуют следующие токи сигналов по аналогии с прототипом мгновенные значения которых описывают выражениями: где I_m - амплитудное значение токов на частотах ω₁ и ω₂, ω₁= (ω₀-Ω) и ω₂= (ω₀+Ω); ω₀= 2πf₀; Ω = 2πF, f₁=f₀-F, f₂=f_0+F;
f₀ - частота запуска передатчика.

Эти токи образуют на входах ФСС 4 и ФСС 5 трехфазные напряжения обратной и прямой последовательностей , мгновенные значения которых описывают выражениями:

где U_A, U_B, U_C - разные напряжения сигнала.

Из выражения /2/ следует, что на частоте ω₁ имеют напряжения обратного чередования фаз A, C, B на частоте ω₂ - прямого чередования фаз A, B, C. Напряжение сигнала обратной последовательности на частоте ω₁ принимает ФСС 4. Напряжение сигнала прямой последовательности на частоте ω₂ принимает ФСС 5. Выражение мгновенных значений напряжений сигнала на соответствующих выходах ФСС 4 и ФСС 5 имеют вид:,
U₄(t) = U_m4cosω₁t (3)
U₅(t) = U_m5cosω₂t (4)
В связи с тем, что в качестве напряжения гетеродина используют напряжение сигнала кварцованной частоты, фазовые сдвиги опускаем. Эти напряжения получены в широкой полосе ФСС 4 и ФСС 5, их соответственно подают на УПФ 6 и УПФ 7. На выходе УПФ 6 имеют напряжение U₁(t), а на выходе УПФ 7 - U₂(t) согласно описанию формулы изобретения:
U₁(t) = U₆(t) = U_m1cosω₁t (5)
U₂(t) = U₇(t) = U_m2cosω₂t (6)
В умножителе 8 перемножают U₁(t) и U₂(t), в результате получают напряжения разностной и суммарной частот
U₈(t) = U_m8cos(ω₂-ω₁)t+U_m8cos(ω₂+ω₁)t (7)
В прототипе выделяют разностную частоту, в заявленном способе выделяют суммарную частоту с помощью УПФ 9 согласно формуле изобретения:
U_Σ(t) = U₉(t) = U_mΣcosω_Σt (8)
где
ω_Σ= 2πf_Σn f_Σ= f₁+f₂= 2f₀
Напряжение U_Σ(t) подают на вход первого преобразователя 10. Преобразователь состоит из умножителя 10', который твоими объединенными входами подключен к выходу УПФ 9, а выход умножителя 10¹ подключен к входу УПФ 10², выход которого является выходом преобразователя 10, который подключен к входу второго преобразователя 11. Так как работа преобразователей идентична, рассмотрим работу первого, второго и n-ного преобразователей.

На выходе умножителя 10¹ по аналогии с /7/ имеют напряжения разностной и суммарной частот:

Выделяют с помощью узкополосного фильтра 10² напряжение суммарной частоты, которое будет выходным для преобразователя 10 и входным для второго преобразователя 11.

U₁₀(t) = U_m10cos2ω_Σt (10)
По аналогии с /10/ напряжение на выходе второго преобразователя 11 будет равно:
U₁₁(t) = U_m11cos4ω_Σt (11)
Напряжение на выходе n-го преобразователя будет равно:
U_Σn(t) = U₁₂(t) = U_mΣncos2ⁿ·ω_Σt (12)
Таким образом, каждый последующий преобразователь дает напряжение с двойной частотой. Путем n-кратного умножения и n- кратной фильтрации получают нужное значение частоты 2ⁿω_Σ. Напряжение U_Σn(t) с выхода n-го преобразователя 12 подают на умножитель 13, имеющий объединенные входы. С выхода умножителя 13 имеют напряжения с разностной и суммарной частотами:

С помощью ФНЧ 14 выделяют напряжения разностной частоты, т.е. напряжение постоянной составляющей U_c согласно формуле изобретения:
U_c=U_m13 · cos 0^o=U_m13 (14)
U_c будет являться амплитудой /огибающей/ сигнала. U_c подают на первый вход интегратора 15, на второй вход которого подают импульсы синхронизатора 16 через фазовращатель 17, с помощью которого совмещают единые моменты времени начала и конца интервала интегрирования Т с началом и концом передачи сигнала. Выход интегратора 15 является информационным.

Таким образом, мы доказали, что в заявленном способе:
1. Диапазон рабочих частот в тональном диапазоне увеличен с 1 кГц до 3 кГц и выбор частоты запуска передатчика f₀ не зависит от нестабильности частоты F питающего напряжения U(t).

2. Помехозащищенность в заявленном способе повышена за счет выполнения более жесткого неравенства , где n выбирают в зависимости от технических требований получения заданного отношения сигнал/помеха на информационном выходе интегратора 15.

Формула изобретения

Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, в соответствии с которым в пункте передачи преобразуют питающие напряжение U(t) промышленной частоты F в ток сигнала обратной последовательности на частоте f₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₂, где f₂ - f₁ = 2F, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, преобразуют в напряжения преобразуют эти напряжения путем фильтрации соответственно в напряжения U₁(t) = Um₁COSω₁t и U₂(t) = Um₂COSω₂t где ω₁= 2πf₁,ω₂= 2πf₂ в узкой полосе пропускания, перемножают U₁(t) и U₂(t), при этом начало и конец интервалов передачи сигнала и интегрирования Т соответствуют единым моментам времени перехода общего питающего напряжения U(t) частоты F в пунктах передачи и приема через ноль, отличающийся тем, что из произведения U₁(t) на U₂(t), выделяют путем фильтрации напряжение суммарной частоты UΣ(t) = Um_ΣCOSω_Σt, где f_Σ= f₁+f₂= 2f₀, f₀ - частота запуска передатчика, преобразуют напряжение U_Σ(t) в напряжение U_Σn(t) путем n = 1,2,3,..., последовательных операций, каждая из которых включает действие умножение с последующим выделением путем фильтрации напряжения двойной частоты, умножают U_Σn(t) на U_Σn(t), из полученного напряжения выделяют путем фильтрации постоянную составляющую U_c, интегрируют U_c в интервале Т, где при скорости передачи сигналов 50 Бод и при скорости передачи сигналов 100 Бод, выполняют неравенство

РИСУНКИ

Рисунок 1