Способ передачи и приема 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 помехоустойчивости и скорости передачи сигналов до 50 или 100 Бод. В предложенном способе используют синхронное детектирование сигналов с применением интегрирования, начало и конец которого определяют характерными точками, которыми являются моменты времени перехода общего питающего напряжения через ноль в пунктах передачи и приема. 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 ее обработки высокочастотными заградителями, при этом передачу и прием сигналов производят на стороне 0,38 кВ.

Известен способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в устройстве по а.с. СССР N 1737481 A1, G 08 G 19/12, 1992 г. Недостатками известного способа является низкая помехозащищенность при приеме сигналов и низкая, не более 10 Бод, скорость передачи сигналов.

Наиболее близким к заявленному способу является способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в патенте на изобретение N 2061256 кл. 6 G 08 G 19/12, 1996 г. /прототип/. Данному способу присущи те же недостатки.

Заявленный способ решает задачу повышения помехоустойчивости приема сигналов при достижении нового технического результата - повышение скорости передачи сигналов до 50 или 100 Бод.

В заявленном способе передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети в пункте передачи преобразуют питающее напряжение U(t) промышленной частоты F /питающее напряжение/ в токи сигнала, протекающие соответственно в фазах A, B, C: i_A(t) = 2I_msinΩt·cosω₀t; i_B(t) = 2I_msin(Ωt-120°)·cosω₀t; i_C(t) = 2I_msin(Ωt-240°)·cosω₀t, где 2I_m - амплитуда тока биения колебаний, Ω = 2πF; ω₀ = nΩ, где n >> - натуральное число.

Передают эти токи в пункт приема, где преобразуют токи сигнала в фазах A, В, C в напряжение сигнала U₀(t) = U_m0·cosω₀t; формируют из напряжения U(t) напряжения соответственно первого и второго гетеродинов U_r1(t) = U_mr1cosω₀t; , где U_mг1, U_mг2, U_r2(t) = U_mr2cos2ω₀t; U_m0, U_m2 - амплитуды напряжений, перемножают напряжения U₀(t) и U_r(t), выделяют, путем фильтрации, напряжение U₂(t) = U_m2cos2ω₀t, перемножают напряжения U_r2(t) = Um_r2cos2ω₀t и U₂(t) выделяют, путем фильтрации, постоянную составляющую U_n, интегрируют U_n в интервале времени 0≅t≅T, где T = 0,02 с при скорости передачи сигналов 50 Бод и T = 0,01 с при скорости передачи сигналов 100 Бод, при этом начало и конец соответственно операций передачи сигналов и интегрирования соответствуют единым моментам времени перехода питающего напряжения через ноль в пунктах передачи и приема.

Повышение помехозащищенности при приеме сигналов в заявленном способе осуществляют за счет применения синхронного детектирования с последующим интегрированием одновременного напряжения, при этом можно осуществить прием сигналов при отношении сигнал/помеха меньше единицы. Это объясняется тем, что в заявленном способе отсутствует подавление слабого сигнала более сильным /помехой/. Поэтому качество канала связи практически не зависит от отношения сигнал - помеха /А.П. Мановцев. Введение в цифровую радиотелеметрию. Энергия. М., с. 242/.

Достижение технического результата - повышение скорости передачи до 50 или 100 Бод осуществляют за счет наличия информации на приемном пункте о начале и конце передачи сигналов, что позволяет правильно выбрать начало и конец интервала интегрирования 0≅t≅T в характерных точках, соответствующих единым моментам времени перехода питающего напряжения через ноль в пунктах передачи и приема.

Устройство (см. чертеж), реализующее заявленный способ, содержит в пункте передачи синхронизатор характерных точек 1 /синхронизатор/, передатчик пассивно-активного типа 2, трехфазную электрическую сеть 3, содержит в пункте приема трехфазный выпрямительный мост 4, резистор 5, конденсатор 6, трансформатор 7, узкополосный фильтр /УПФ/ 8, умножитель 9, УПФ 10, трансформатор 11, фазовращатель /ФВ/ 12, преобразователь 13, УПФ 14, ФВ 15, синхронизатор 16, умножитель 17, УПФ 18, умножитель 19, фильтр нижних частот 20, интегратор 21.

Система работает следующим образом.

Синхронизатор 1 формирует, в пункте передачи, импульсы в моменты перехода питающего напряжения U(t) /для частного случая фаза A - "земля"/ через ноль. Импульсы следуют с периодом T = 0,02 с при скорости передачи сигналов 50 Бод и T = 0,01 с при скорости передачи сигналов 100 Бод.

Начало и конец передачи сигналов совпадает с моментами перехода питающего напряжения через ноль. При работе передатчика пассивно-активного типа 2 в его фазных проводах A, B, C образуют следующие токи сигнала: Примечание: Если раскрыть /1/, то следует, что в сеть вводят, как и у прототипа, ток сигнала обратной последовательности i₂(f₁) на частоте f₁ и ток прямой последовательности i₁(f₂) на частоте f₂, где индексы 1, 2 соответственно определяют ток прямой и обратной последовательностей
Ω = 2πF;
Ω₀ = 2πf₀ = Ω·n;
n >> 1 - натуральное число,
2Im - амплитуда тока биения колебаний.

В связи с тем, что обработку сигналов в пункте приема осуществляют другим способом, чем в способе, принятым за прототип, более удобной формой для анализа реализации заявленного способа является запись токов сигналов, согласно /1/.

Токи /1/ передают по сети 3 в пункт приема, которые поступают на входы трехфазного выпрямительного моста 4. Токи во вторичной обмотке трансформатора 7 - i₇(t), который служит для гальванической развязки от напряжения сети U(t), и с учетом того, что диоды моста 4 открывают питающим напряжениям сети U(t), частоты F имеют вид

где I_m = 0,5 амплитуды токов биения колебаний согласно /1/
/Л. А. Бессонов Теоретические основы электротехники. - М, Энергия, 1978 г., 305 с./
Для заявленного способа представляет интерес только ток с частотой сигнала ω₀, т.е. согласно /2/ ток сигнала равен

В дальнейшем токи с комбинационными частотами


и т.д. будут отфильтрованы фильтром частоты Ω₀-8.
Элементы трехфазного выпрямительного моста 4 выполняют следующие функции: через резистор 5 протекает постоянная составляющая выпрямленного тока частоты F. Конденсатор 6 и индуктивности обмоток трансформатора 7 образуют последовательный L, C контур, который настраивают в резонанс на частоту ω₀. Напряжение сигнала U₀(t) на выходе фильтра частоты ω₀-8 с учетом /3/ и значений коэффициентов передачи элементов устройства равно
U₀(t) = U₈(t) = U_m0cosω₀t. (4)
Напряжение сигнала /4/ подают на первый вход умножителя 9. Элементы устройства /чертеж/ 3-8 образуют приемный тракт сигнала.

Рассмотрим тракт формирования напряжения гетеродина U_r(t) на приемном пункте. Напряжение сети /для частного случая фаза A - "земля"/ поступает на понижающий трансформатор 11. С его вторичной обмотки получают напряжение
U₁₁(t) = U_m11cosΩt, (5)
где U_m11 - амплитуды напряжения.

Напряжение /5/ подают через ФВ - 12 на вход преобразователя 13, с выхода которого /для частного случая, когда n является нечетным число/ образуют напряжение типа "меандр", которое можно математически выразить в координатах:
ось Y - U₁₃(t)
ось X - t

где 2U_m13 - максимальное значение "меандра".

где T_F = 0,02 с - период частоты F.

Разложив в ряд Фурье /6/, имеют

Таким образом, напряжение /7/ имеет напряжение постоянной составляющей и набор напряжений с нечетными гармониками частоты Ω-3Ω,5Ω...nΩ. Фильтром частоты ω₀-14 выделяют напряжение с заданной нечетной гармоникой n частоты Ω, т.е. ω₀ = nΩ.
На выходе фильтра частоты ω_o-14 имеют напряжение гетеродина
U_r1(t) = U₁₄(t) = U_mr1·cosω₀t. (8)
Фазовые набеги в устройстве устраняют ФВ-12. Напряжение первого гетеродина /8/ подают на второй вход умножителя 9. Известно, что при подаче на входы умножителя напряжений с одинаковыми частотами ω₀ =ω_r1 и фазами ϕ₀ = ϕ_r1 на его выходе имеют напряжение:
U₉(t) = U_m0K₁cosω₀t+U_m0K₂cos2ω₀t+U_m0K₂, (9)
где K₁ и K₂ - коэффициент преобразования умножителя 9.

U_m0 - амплитудное значение.

Следует отметить, что выбор значения n >> 1 имеет ограничение, которое определяет длина трехфазной электрической сети - L.

Для того чтобы в линии не возникали волновые процессы (в этом случае необходимо устанавливать заградители)? следует выполнить условие

где λ - длина волны.

Для передачи сигналов по линиям 10/35/110 Кв обычно принимают следующий диапазон частот:
500 Гц ≅ f₀≅ 2000 Гц, (11)
при этом 10 ≅ n ≅ 40.

С другой стороны, для оптимальной обработки сигнала с использованием интегрирования необходимо выполнить условие

т. е. чем больше частота обработки, тем выше качество обработки сигнала. Условие /12/ невыполнимо при малых значениях n. Так, при скорости передачи сигналов 100 Бод, т.е. T = 0,01 с и f₀ = 500 Гц (n = 10) неравенство /12/ не будет выполняться. Примем частоту обработки сигнала 2f₀. При этом неравенство /12/ будет иметь вид
0,01 >> 0,001, (13)
что вполне допустимо.

Второй член выражения /9/ имеет частоту 2ω₀. С помощью УПФ 10 выделяют напряжение U₂(t) этой частоты:
U₂(t) = U₁₀(t) = U_m2cos2ω₀t. (14)
Это напряжение подают на первый вход умножителя 19.

Напряжение U_г1(t) подают также на два входа умножителя 17. На его выходе, по аналогии с /3/, имеют напряжение
U₁₇(t) = U_m0K₃cosω₀t+U_m0K₄cos2ω₀t+U_moK₄, (15)
(Гоноровский И. С., Радиотехнические цепи и сигналы. Часть II, М-.: Советское радио, 1961, с. 144),
где K₃ и K₄ - коэффициенты преобразования умножителя 17.

С помощью УПФ 18 выделяют напряжение второго гетеродина с частотой 2ω₀.
U_r2(t) = U₁₈(t) = U_mr2cos2ω₀t. (16)
Это напряжение подают на второй вход умножителя 19. Напряжение на его выходе имеет вид
U₁₉(t) = U_m0K₅cos2ω₀t+U_m0K₆cos4ω₀t+U_m0K₆,
где K₅ и K₆ - коэффициенты преобразования умножителя 19.

С помощью фильтра нижних частот 20 выделяют напряжение постоянной составляющей U_m0·K₆
U_n=U₂₀=U_m0·K₆;
Это напряжение подают на первый вход интегратора 21. На его второй вход подают импульсы синхронизатора 16, причем с помощью ФВ 15 получают одновременное следование этих импульсов с импульсами синхронизатора 1. Частоту ω₀, для запуска передатчика пассивно-активного типа 2, формируют из частоты Ω = 2πF аналогично с формированием частоты ω₀ = nΩ в тракте первого гетеродина.

Повышение помехозащищенности при приеме сигналов обеспечивают следующим образом:
1. Напряжение U_n на входе интегратора 21 является однополярным на интервале времени интегрирования O≅t≅T.

2. Напряжение помех U_помех(t) на интервале времени интегрирования O≅t≅T имеет переменную /флуктуирующую около нуля/ составляющую с математическим ожиданием:
M[U_помех(t)]=O
3. Выполняют условие:

Возможность приема сигналов при отношении сигнал/помеха меньше, чем в прототипе, доказывает достижение поставленной цели - повышение помехозащищенности приема сигналов.

Получен новый технологический результат - повышена скорость передачи сигналов до 50 или 100 Бод.

Формула изобретения

Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, в соответствии с которым в пункте передачи преобразуют питающее напряжение U(t) промышленной частоты F в токи сигнала, протекающие соответственно в фазах А, В, С:
i_A(t) = 2I_msinΩtcosω_ot
i_B(t) = 2I_msin(Ωt-120°)cosω_ot
i_C(t) = 2I_msin(Ωt-240°)cosω_ot
где 2I_m - амплитуда тока биения колебаний, Ω = 2ПF, ω_o= 2Пf_o= Ωn, n >> 1 - натуральное число, ω_o-частота запуска передатчика пассивно-активного типа, П = π, передают токи сигнала в пункт приема, отличающийся тем, что в пункте приема преобразуют токи сигнала в фазах А, В, С в напряжение сигнала U_o(t) = U_mocosω_ot, где U_mo - амплитуда напряжения, формируют в пункте приема из напряжения U(t) напряжение соответственно первого и второго гетеродинов:
U_г1(t) = U_mг1cosω_ot и
U_г2(t) = U_mг2cos2ω_ot,
где U_mг1 и U_mг2 - амплитуды напряжений, перемножают напряжения U_o(t) и U_г1(t), выделяют путем фильтрации напряжение U₂(t) = U_m2cos2ω_ot, где U_m2 - амплитуда напряжения, перемножают напряжения U_г2(t) и U₂(t), выделяют путем фильтрации постоянную составляющую U_n, интегрируют U_n в интервале времени 0 < t < T, где T = 0,02 с при скорости передачи сигналов в 50 Бод и Т = 0,01 с при скорости передачи сигналов в 100 Бод, при этом начало и конец, соответственно, операций передачи сигналов и интегрирования, соответствуют единым моментам времени перехода питающего напряжения U(t) через ноль в пунктах передачи и приема, при этом выполняют условие
е

РИСУНКИ

Рисунок 1