СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК H04B3/54 

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 сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в авт.св. СССР N 1107750. Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность приема сигналов. Известен также способ передачи и приема сигналов, описанный в научно-техническом бюллетене 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. 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 принимаемых сигналов.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения помехозащищенности приема сигналов в трехфазной электрической сети с достижением технического результата - повышение отношения сигнал/помеха.

В заявленном способе при передаче символа "1" в пункте передачи преобразуют напряжение промышленной частоты F в токи на частотах ω₁₁ и ω₁₂, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, преобразуют токи на частотах ω₁₁ и ω₁₂ в напряжение U₁(t)=U_m1cos ω₁t[ω₁=(ω₁₁+ω₁₂)/2 = 2πf, f₁=nF, n- номер гармоники напряжения промышленной частоты F, n = 2,3,.. . n-1] , преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение первого гетеродина U_г1(t)=U_m1cos ω₁t, преобразуют напряжения U₁(t) и U_r1(t) в постоянное положительное напряжение U₁, интегрируют напряжение U₁ на интервале T₁(T₁=τ₁, τ₁- длительность передачи символа "1"), при этом начало и конец интервала интегрирования T₁ совмещают с началом и концом передачи символа "1", т.е. получают τ₁=T₁.
При передаче символа "0" в пункте передачи преобразуют напряжение промышленной частоты F в токи на частотах ω₀₁ и ω₀₂,, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, преобразуют токи на частотах ω₀₁ и ω₀₂ в напряжение U₂(t) = U_m2 cos ω₂t [ω₂=(ω₀₁+ω₀₂)/2, f₂=nF+kF, k=2,3, ...,k-1], преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение второго гетеродина U_г2(t)=U_mг2cos ω₂t, преобразуют напряжения U₂(t) и U_r2(t) в постоянное отрицательное напряжение U₂, интегрируют напряжение U₂ на интервале T₂(T₂=τ₀,τ₀- длительность передачи символа "0"), при этом начало и конец интервала интегрирования T₂ совмещают с началом и концом передачи символа "0", т.е. получают τ₀=T₂ .
Достижение технического результата обеспечивают за счет того, что напряжение сигнала в интервале интегрирования является однополярным, а помеха на интервале интегрирования содержит переменную составляющую (см. Мановцев А.П. Введение в цифровую радиотелеметрию. -М.: Энергия, 1967, с.124).

Функциональная схема устройства для реализации способа передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, приведена на чертеже.

Устройство содержит трехфазную электрическую сеть 1, которая подключена к выходу первого передатчика пассивно-активного типа 2, подключена к входам первого 11 и второго 17 гетеродинов, к входам первого и второго 19 синхронизаторов, к первым входам первого 20 и второго 21 генераторов, к выходу второго передатчика пассивно-активного типа 22, к входу трехфазного выпрямительного моста 3, выход которого подключен к резистору 4 и последовательной цепи из конденсатора 5 и первичной обмотки трансформатора 6, вторичная обмотка которого соединена соответственно с входами второго узкополосного фильтра 12 и первого 18 узкополосного фильтра 7, выход которого соединен с первым входом первого умножителя 8, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот 9, выход которого соединен с первым входом первого интегратора 10, выход первого гетеродина 11 соединен со вторым входом первого умножителя 8, выход второго узкополосного фильтра 12 соединен с первым входом второго умножителя 13, выход которого соединен с входом второго фильтра нижних частот 14, выход которого соединен с входом инвертора 15, выход которого соединен с первым входом второго интегратора 16, выход второго гетеродина 17 соединен со вторым входом второго умножителя 13, выход первого синхронизатора 18 соответственно соединен со вторыми входами первого 10 и второго 16 интеграторов, выход второго синхронизатора 19 соответственно соединен со вторыми входами первого 20 и второго 21 генераторов, выход первого генератора 20 соединен с входом первого передатчика пассивно-активного типа 2, выход второго генератора 21 соединен с входом второго передатчика пассивно-активного типа 22.

Работает устройство следующим образом.

На входе первого гетеродина 11 имеют напряжение гетеродина
U_г1(t)=U_mг1cosω₁t (1)
где
U_mr1 - амплитудное значение напряжения первого гетеродина;
ω₁=2πf₁, f₁=nF ;
n - номер гармоники напряжения промышленной частоты, n=2,3,...n-1;
ω₁- круговая частота.

Получить напряжение с частотой nF не вызывает затруднений. Например, для n=2,4,6... и т.д. выпрямляют промышленное напряжение частоты F U(t)=sinΩt , (Ω=2πF). После двухполупериодного выпрямления имеем

Далее фильтруют необходимую гармонику частоты F.

Если необходимо иметь нечетные гармоники промышленного напряжения F n= 3,5,7. . . и т.д. синусоидальное напряжение частоты F преобразуют в последовательность видеоимпульсов. Разложение в ряд Фурье дает

Далее фильтруют необходимую гармонику частоты F.

Следует отметить, что напряжение гетеродина не имеет помех.

На выходе второго гетеродина 17 имеют напряжение
U_г2(t)=U_mг2cosω₂t (2)
где
U_mr2 - амплитудное значение напряжения второго гетеродина;
ω₂=2πf₂, f₂=nF+kF, k=2,3...k-1.
1. Передача и прием символа "1".

С выхода первого передатчика пассивно-активного типа 2 в трехфазную электрическую сеть 1 (сеть) вводят два тока на частотах ω₁₁ и ω₁₂. Это следует из принципа работы передатчика пассивно-активного типа. Несмотря на то что ключ передатчика 2 (ключ передатчика на чертеже не показан) коммутирует с частотой ω₁ f₁=(ω₁₁+ω₁₂)/2, в сеть 1 вводят два тока с разными частотами ω₁₁ и ω₁₂, при этом выполняется условие . Это обусловлено тем, что источником питания для передатчика 2 является трехфазная электрическая сеть 1 промышленной частоты F. Эти токи образуют в сети 1 два напряжения, которые присутствуют на приемном пункте, т.е. на входе трехфазного выпрямительного моста 3 (мост), который является входом приемного устройства.

Передатчик 2 содержит точно такой же мост (мост передатчика 2 на чертеже не показан), поэтому на выходе приемного моста 3 имеет демодулированное напряжение, которое имеет вид
U₁(t)=U_m1cosω₁t (3)
где ω₁ =(ω₁₁+ω₁₂)/2
Резистор 4 необходим для протекания токов через диоды моста 3, которые должны быть открыты. Напряжение сигнала U₁(t) подают со вторичной обмотки трансформатора 6 на первый узкополосный фильтр 7, который настроен на частоту f₁. С выхода первого узкополосного фильтра имеем напряжение сигнала
U₇(t)=U_m7cosω₁t . (4)
Это напряжение подают на первый вход первого умножителя 8. На его второй вход подают напряжение первого гетеродина 11, которое имеет вид
U_г1(t)=U_mг1cosω₁t .
Таким образом, на первый и второй входы первого умножителя 8 подают два напряжения с равными частотами и фазами. Напряжение на выходе первого умножителя 8 определяют из выражения

где
m - постоянный коэффициент, зависящий от амплитуды напряжения первого гетеродина 11;
ρ - крутизна характеристики первого умножителя 8;
A₀ - амплитудное значение.

Анализ выражения (5) показывает, что первый и второй члены являются напряжениями, имеющими частоты ω₁ и 2ω₁. 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 умножителя 8 согласно (5) подают на вход первого фильтра нижних частот 9, с выхода которого имеют положительное постоянное напряжение согласно (6). Второй синхронизатор 19 формирует видеоимпульсы длительностью τ₁, которые поступают на второй вход первого генератора 20, с выхода которого имеем пачки радиоимпульсов с частотой заполнения f₁. В первом генераторе 20 вырабатывают напряжение с частотой f₁. Формируют эту частоту по аналогии с гетеродином 1, работа которого описана выше. Эти пачки радиоимпульсов поступают на запуск первого передатчика 2. Начало и конец пачек радиоимпульсов соответствует переходу питающего напряжения U(t)=U_mcosΩt (Ω=2πf) через ноль при dU(t)/dt≥0. Данную операцию производит второй синхронизатор 19, который вырабатывает импульсы в моменты перехода питающего напряжения U(t) через ноль. Первый синхронизатор 18 формирует импульсы перехода питающего напряжения через ноль, которые подаются на второй вход первого интегратора 10 для его обнуления в моменты начала и конца передачи символа "1".

2. Передача и прием символа "0"
С выхода второго передатчика 22 в сеть 1 вводят два тока на частотах ω₀₁ и ω₀₂ . Аналогично передаче символа "1" эти токи образуют в сети 1 два напряжения на частотах ω₀₁ и ω₀₂ , которые присутствуют на приемном пункте, т. е. на входе трехфазного выпрямительного моста 3, который является входом приемника.

На выходе моста 3 имеем напряжение сигнала
U₂(t)=U_m2cosω₂t (7)
где
ω₂=(ω₀₁+ω₀₂) /2.
Напряжение сигнала U₂(t) подают со вторичной обмотки трансформатора 6 на второй узкополосный фильтр 12, который настроен на частоту f₂.

С выхода узкополосного фильтра 12 имеем напряжение сигнала
U₁₂(t)=U_m12cosω₂t (8)
Это напряжение подают на первый вход второго умножителя 13. На его второй вход подают напряжение второго гетеродина 17, которое имеет вид
U_г2(t)= U_mг2cosω₂t (9)
Напряжение на выходе второго умножителя 13 определяют из выражения

где
m - постоянный коэффициент, зависящий от амплитуды напряжения второго гетеродина 17;
ρ- крутизна характеристики второго умножителя 13;
A₀ - амплитудное значение.

Для выделения постоянной составляющей в (10) mA_oρ//2 , напряжение подают на вход второго фильтра нижних частот 14. Для того чтобы отличить символ "1" от символа "0", напряжение с выхода второго фильтра нижних частот 14 подают на вход инвертора 15. Напряжение на его выходе будет равно

Напряжение U₂ соответствует отрицательному видеоимпульсу в описании формулы изобретения.

Напряжение U₂ действует в течение времени t,
где 0≤t≤τ_o ;
τ_o- длительность передачи символа "0".

Принимают длительности сигналов "1" и "0" равными, т. е. получают τ₁=τ_o=τ .
Напряжение U₂ подают на первый вход второго интегратора 16.

Второй синхронизатор 19 формирует видеоимпульсы длительностью τ, которые поступают на второй генератор 21, с выхода которого имеем пачки радиоимпульсов с частотой заполнения f₂. Эти пачки радиоимпульсов поступают на запуск второго передатчика 22. Начало и конец радиоимпульсов соответствует переходу питающего напряжения U(t) через ноль при dU(t)/dt>0. На второй вход второго интегратора 16 подают импульсы с первого синхронизатора 18 для его обнуления в моменты начала и конца передачи символа "0".

Выше мы рассмотрели прохождение через приемные тракт напряжения сигнала.

Образование напряжения помех есть случайный процесс, где ее амплитуда и фаза зависят от времени. Если измерять уровень напряжения помех U_п на выходах первого 10 и второго 16 интеграторов (передачу символов "0" и "1" не производят) получим уровень напряжения помех в виде напряжения, которое изменяется в интервале интегрирования -U_mах ≤ U_п ≤ U_mах, при этом математическое ожидание M[U_п] = 0. Чем выше частота этого процесса, или чем больше время интегрирования, тем выше будет вероятность опознавания символа. Именно в этом и состоит смысл применения интегрирования (см. Мановцев А.П......с. 124). Из вышесказанного следует, что отношение сигнал/помеха на выходах первого 10 и второго 16 интеграторов будет выше, чем на их входах.

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

Изобретения относятся к области электротехники и могут найти применение при организации каналов связи с использованием линий (0,38-10-35-110)кВ без обработки ее высокочастотными заградителями. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приема сигналов. В предложенном способе применена система модуляции КИМ-ФМ с применением интегрирования в характерных точках, которыми являются моменты времени перехода питающего напряжения через ноль. Устройство, реализующее способ, содержит два передатчика пассивно-активного типа, трехфазный выпрямительный мост, резистор, конденсатор, трансформатор, два узкополосных фильтра, два умножителя, два фильтра нижних частот, два интегратора, два гетеродина, инвертор, два синхронизатора, два генератора. 2 c.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, в котором в пункте передачи символа "1" преобразуют напряжение промышленной части F в токи на частотах ω₁₁ и ω₁₂, 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 ω₁₁ и ω₁₂ в напряжение U₁(t) = U_m1cosω₁t, [ω₁= ω₁₁+ω₁₂)/2 = 2πf₁, f₁ = nF, n = 2,3,4... n-1 - номер гармоники напряжения промышленной частоты F], преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение первого гетеродина U_г1= U_мг1cosω₁t, преобразуют путем синхронного детектирования напряжения U₁(t) и U_г1(t) в постоянное положительное напряжение U₁, интегрируют напряжение U₁ на интервале T₁(T₁= τ₁, τ₁ - длительность передачи символа "1"), при этом начало и конец интервала интегрирования T₁ совмещают с началом и концом передачи символа "1", при передаче символа "0" в пункте передачи преобразуют напряжение промышленной частоты F в токи на частотах ω₀₁ и ω₀₂ передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, преобразуют токи на частотах ω₀₁ и ω₀₂ в напряжение U₂(t) = U_m2cosω₂t, [ω₂= ω₀₁+ω₀₂)/2 = 2πf₂, f₂ = nF + kF, k = 2,3 ... k-1], преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение второго гетеродина U_г2= U_мг2cosω₂t, преобразуют путем синхронного детектирования напряжения U₂(t) и U_г2(t) в постоянное отрицательное напряжение U₂, интегрируют напряжение U₂ на интервале T₂(T₂= τ₀, τ₀ - длительность передачи символа "0"), при этом начало и конец интервала интегрирования T₂ совмещают с началом и концом передачи символа "0". 2. Устройство передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, содержащее трехфазную электрическую сеть, которая подключена к выходу первого передатчика пассивно-активного типа, отличающееся тем, что в него введены трехфазный выпрямительный мост, резистор, конденсатор, трансформатор, первый, второй, узкополосные фильтры, первый, второй умножители, первый, второй фильтры нижних частот, первый, второй интеграторы, первый, второй гетеродины, инвертор, первый, второй синхронизаторы, первый, второй генераторы, второй передатчик пассивно-активного типа, причем трехфазная электрическая сеть подключена соответственно к входам первого и второго гетеродинов, к входам первого и второго синхронизаторов, к первым входам первого и второго генераторов, к выходу второго передатчика пассивно-активного типа, к входу трехфазного выпрямительного моста, выход которого подключен к резистору и последовательной цепи из конденсатора и первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого соответственно соединена с входами второго узкополосного фильтра и первого узкополосного фильтра, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом первого интегратора, выход первого гетеродина соединен с вторым входом первого умножителя, выход второго узкополосного фильтра соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второго интегратора, выход второго гетеродина соединен с вторым входом второго умножителя, выход первого синхронизатора соответственно соединен с вторыми входами первого и второго интеграторов, выход второго синхронизатора соответственно соединен с вторыми входами первого и второго генераторов, выход первого генератора соединен с входом первого передатчика пассивно-активного типа, выход второго генератора соединен с входом второго передатчика пассивно-активного типа.