СПОСОБ ПОДВОДА И СНЯТИЯ СИГНАЛА С ЦИФРОВЫМИ ДАННЫМИ В ЭЛЕКТРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНУЮ СЕТЬ ЗДАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H04B3/54 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к технике электрической связи, а именно к способам подвода и снятия (далее - инжекции) цифровых данных в систему распределения электропитания здания. Изобретение также относится к области телекоммуникационных технологий, а именно к способам передачи информации через энергетические системы посредством технологии PLT (аббревиатура от англ. Power Line Telecommunication), называемой, кроме того, технологией PLC (от англ. Power Line Communication или Power Line Carrier), PLN (от англ. Power Line Networking) или PAN (от англ. Power Area Networking). Изобретение также относится к способам передачи высокочастотных сигналов по электрическим сетям. Передаваемые цифровые данные могут включать данные связи (например, данные Интернет, видео-, аудио-, голосовые данные), данные телеметрии, данные управления и/или другие цифровые данные.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Обширные сети энергоснабжения существуют в Российской Федерации (РФ) и других странах. Принципиальным преимуществом данной инфраструктуры является повсеместная распространенность электрических сетей. Крайне перспективной в силу этого оказывается возможность обеспечивать по электросетям доступ в Интернет, голосовую связь и другие виды передачи цифровых данных. Важную роль при этом играет такой фактор, как отсутствие необходимости дополнительной кабельной канализации. Тем самым закономерен интерес к поиску технических решений по использованию сетей энергоснабжения как альтернативной среды передачи цифровых данных.

Различные способы телекоммуникаций посредством линий энергоснабжения хорошо известны из уровня техники. Подробную информацию относительно классических способов передачи информации по линиям электропередач можно найти в ("Fundamentals Handbook of Electrical and Computer Engineering: Communication Control Devices and Systems". John Wiley & Sons, 1983; Modern power station practice. Ed. British Electricity International, London, UK. Pergamon, 1991-1992, Multi-volume book). Приведем некоторые дополнительные примеры из уровня техники.

Известен способ передачи информации через электрический силовой кабель (Manstorfer К. Data transmission system for transmission of data on at least one power cable. Application EP 0889602 A2. IPC⁶ H04B3/54. Prior. 03.07.1997. Publ. 07.01.1999). На концевых областях электрического силового кабеля производится ввод и вывод цифровых данных, тем самым обеспечивается связь между двумя пунктами, расположенными на концах силового кабеля. Средой передачи цифрового сигнала в описании известного способа является отрезок электрического силового кабеля (без ветвлений). По этой причине известный способ относится к группе способов прямой связи, предназначенных главным образом для целей дистанционного получения информации о работе трансформаторных подстанций и другого электрического оборудования по силовым кабелям среднего и высокого напряжения. Основным недостатком известного способа является невозможность его использования для инжекции PLT-сигнала в электрораспределительную сеть здания. Действительно, в разветвленных электрических сетях отмечаются потери мощности PLT-сигнала из-за ветвлений в сети. Кроме того, в зданиях присутствует значительное количество шумовых помех, возникающих, например, по причине включения и выключения электрических устройств. По своей выраженности такого рода помехи значительно превосходят эфирные шумы, возникающие в неразветвленных электрических кабелях. При ограниченной мощности подаваемого PLT-сигнала все это приводит к низкой скорости и недостаточной надежности передачи информации известным способом. Более того, неохваченным PLT-сигналом достаточной мощности в данном случае оказывается большинство помещений здания, что делает известный способ непригодным для применения в разветвленных электрораспределительных сетях зданий.

Известен также способ инжекции сигнала с цифровыми данными в систему электроснабжения на участке до трансформаторной подстанции (Kline Р.А. Power line communication system and method of using the same. Patent US 6958680. IPC⁶ H04B 3/54. Prior. 16.04.2001. Publ. 25.10.2005). Сущность известного способа состоит в том, что ввод цифровых данных в систему распределения электропитания производят таким образом, что точка инжекции цифрового сигнала приходится на силовой провод среднего напряжения. Далее специальный шунт обеспечивает передачу цифровых данных с силовой сети среднего напряжения на силовую сеть низкого напряжения. Тем самым осуществляется перекидывание сигнала с цифровыми данными, минуя трансформаторную подстанцию, на низковольтную сеть. В результате того, что сигнал с цифровыми данными подается на участок электросети, располагающийся в непосредственной близости от трансформаторной подстанции, охваченными PLT-сигналом оказываются сразу все электрические розетки комплекса жилых домов, снабжаемого этой трансформаторной подстанцией. Основным недостатком известного способа является существенное ослабевание PLT-сигнала на участке линии электроснабжения от трансформаторной подстанции до электрических розеток в квартирах или офисах снабжаемого здания. При этом способом не предусмотрена возможность повторной инжекции сигнала. Указанный недостаток делает неэффективным использование известного способа для инжекции сигнала с цифровыми данными в зданиях с шинной топологией электрораспределительной сети (то есть в большинстве жилых и ряде зданий в РФ), поскольку обеспечивает низкую скорость и надежность передачи цифровых данных, недостаточный охват помещений в здании PLT-сигналом.

Существует также способ инжекции сигнала с цифровыми данными в электрическую сеть самого здания (Crenshaw R.E., Grimes D.W., Larson P.L. Method and apparatus for attaching power line communications to customer premises. Application WO 2004/017621 A1. IPC⁷ H04M 11/04. Prior. 16.08.2002. Publ. 26.02.2004). Данный способ наиболее близок к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату и является его прототипом. При осуществлении известного способа инжекция сигнала с цифровыми данными осуществляется в электрораспределительном щите здания, откуда PLT-сигнал распределяется с проводкой по всем помещениям здания. При этом для сопряжения сигнала с трехфазной сетью электропитания в здании используется система, которая содержит устройство тока несущей частоты, создающее несущий сигнал для передачи по электросети; пассивное соединительное устройство (так называемый пассивный каплер), выполненное с возможностью соединения с распределительным щитом. Основным недостатком известного способа является значительная удаленность конечных пользователей от места инжекции цифрового сигнала (электрораспределительный щит). В многоэтажных зданиях с шинной топологией электросети этот недостаток вновь обусловливает низкую скорость и надежность передачи цифровых данных, невозможность полного охвата помещений PLT-сигналом требуемой мощности.

Необходимо вновь отметить, что в РФ и других странах характерной является шинная топология электрораспределительной сети здания. При такой топологии по зданию пролегают электрические шины, а от них ответвляется проводка, идущая непосредственно к помещениям. Например, при вертикальном расположении электрических шин ответвления осуществляются на каждом этаже. Тем самым расстояние от места инжекции PLT-сигнала (электрораспределительный щит в щитовой на первом этаже или подвальном помещении) до пользователя включает в себя расстояние по электрической шине до соответствующего этажа и далее протяженность электрической проводки от шины до места подключения электрического устройства пользователя к электросети (до электрической розетки). Ясно, что в многоэтажных зданиях эти расстояния зачастую составляют десятки метров, а на таких расстояниях PLT-сигнал сильно затухает. Физические основы данного явления состоят в том, что энергопитающие системы сборных шин с их высокими типовыми токами короткого замыкания и очень низкими полными сопротивлениями для высокочастотных сигналов представляют собой низкоомные сети с большим количеством ветвлений. В подобных сетях, в отличие от обычных кабельных линий, цифровые сигналы сильно затухают уже на расстояниях, сопоставимых с величиной 10 метров.

Кроме того, необходимо учитывать, что на функционирование гибридных сетей международными стандартами (например, Reg TP NB 30 - International Electromechanical Commission (IEC), Comite Europeen de Normalisation Electrotechnique (CENELEC), EN50065-1 1999 года), накладываются существенные ограничения по уровню излучения из линий при передаче информации. Это означает, что беспредельно наращивать мощность подводимого высокочастотного цифрового сигнала нельзя, необходимо разумно распорядиться имеющейся ограниченной мощностью инжектируемого PLT-сигнала с тем, чтобы добиться достаточной мощности сигнала в каждой электрической розетке здания. Следовательно, инжекцию PLT-сигнала было бы желательно производить максимально близко к конечному пользователю, устраняя этим угрозу его чрезмерного затухания. Вместе с тем, подведение цифровой магистрали (например, оптоволоконного кабеля) к каждому помещению в здании оказывается чрезмерно дорогим. Тем самым определяется техническая проблема, для решения которой потребовалось настоящее изобретение.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность изобретения в кратком изложении (раскрытие изобретения).

Техническая проблема, решаемая настоящим способом, состоит в том, чтобы при ограниченной мощности подаваемого сигнала с цифровыми данными таким образом произвести его инжекцию, чтобы при разумных экономических затратах добиться приемлемой мощности цифрового сигнала по всей электрораспределительной сети здания. Согласно изобретению эта задача решается через признаки независимого пункта формулы изобретения. Соответствующие предпочтительные формы дальнейшего развития изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Определим точнее некоторую терминологию для целей дальнейшего изложения. Электрической шиной в области техники называют распределительный кабель, проведенный по зданию для подключения потребителей к электроэнергии. Вертикальная электрическая шина часто называется также стояком (электрическим стояком). От электрической шины ответвляется электрическая проводка, поступающая в помещения здания (например, жилые помещения - комнаты, квартиры). Под инжекцией в настоящем описании и формуле изобретения понимается подвод и/или снятие сигнала с цифровыми данными к и/или из электросети. Тем самым инжекцией мы будем называть любое из следующего: а) подвод сигнала с цифровыми данными к электросети, б) снятие сигнала с цифровыми данными из электросети, в) подвод сигнала с цифровыми данными к электросети и снятие сигнала с цифровыми данными из электросети. В литературе в данном значении часто используется англоязычный термин "injection". Несколько реже находят применение синонимичные термины "агрегирование" (англ. - aggregation) и "сопряжение" (англ. - coupling) в смысле "агрегирование/сопряжение PLT-сигнала с электросетью". PLT-сигналом мы будем называть цифровой сигнал, определенным образом подготовленный для передачи и приема по электросети. О способах подготовки сигналов с цифровыми данными к передаче и приему по электросети см., например, в (Bayliss С., Hardy В. Transmission and distribution electrical engineering. Elsevier. 2006; Modern power station practice. Ed. British Electricity International, London, UK. Pergamon, 1991-1992, Multi-volume book; Power line communication. From Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Power_line_communication).

Сущность изобретения состоит в том, что инжекцию сигнала с цифровыми данными в систему распределения электропитания здания для последующей передачи данных по сети энергоснабжения посредством технологии PLT осуществляют следующим образом. Инжекцию цифрового сигнала в электрораспределительную сеть здания производят с цифровой магистрали на электрическую шину, входящую в электрораспределительную сеть здания, при этом инжекция цифрового сигнала осуществляется не менее чем в двух точках данной электрической шины. Расстояния между точками инжекции сигнала могут устанавливаться таким образом, чтобы обеспечить необходимую мощность сигнала с цифровыми данными по всей электрораспределительной сети здания, формируемой от данной электрической шины.

Цели изобретения. Изобретательский замысел, составляющий основу предлагаемого способа, направлен на достижение следующих основных целей:

1) увеличение степени охвата помещений в здании цифровым сигналом с мощностью, достаточной для передачи цифровых данных,

2) повышение надежности передачи цифровых данных посредством технологии PLT в неоднородной среде с большим количеством ветвлений, какой является электрораспределительная сеть зданий с шинной топологией организации электросети,

3) повышение скорости передачи цифровых данных для пользователя по всей электрораспределительной сети здания, формируемой от данной электрической шины.

Достижение перечисленных целей должно обеспечиваться путем разумных затрат.

Осуществление изобретения. Способ осуществляют следующим образом. При осуществлении телекоммуникационных технологий широкополосного обмена пакетами данных по электросети известными способами создают несущий сигнал для последующей передачи по электросети посредством технологии PLT. При передаче цифровых данных с помощью технологии PLT используется набор несущих частот (например, в диапазоне 3-10 МГц) и такая схема подключения, что если на одной несущей имеется угасание сигнала, то передача данных компенсируется другими несущими частотами. При этом осуществляют необходимые операции передачи/приема данных по электросети и обработку цифровых данных аппаратно-программными средствами группового и индивидуального оборудования, применяемыми в телекоммуникационных технологиях высокоскоростного информационного обмена данными с сервисными функциями.

К зданию подводят цифровую магистраль, несущую сигнал с цифровыми данными, подлежащий инжекции. Передаваемые цифровые данные могут включать данные связи (данные Интернет, видео-, аудио-, голосовые данные, другие данные), данные телеметрии (например, цифровые данные по расходам воды, газа, электричества, других коммунальных ресурсов), данные управления (цифровые данные, используемые для управления устройствами в доме и здании с элементами учета) и/или другие типы цифровых данных. Подвод/снятие сигнала с цифровыми данными (инжекцию цифрового сигнала) в сеть электропитания здания производят в двух или большем количестве точек сети электропитания здания. Для равномерного распределения и доставки цифрового сигнала к разным точкам электрической шины может использоваться коаксиальный кабель, присоединяемый к цифровой магистрали.

Цифровая магистраль, от которой производится инжекция сигнала с цифровыми данными в сеть электропитания здания, представлена любым из следующего либо любой комбинацией из следующего: а) проводной магистралью, б) оптоволоконной магистралью, в) магистралью, использующей технологии беспроводного доступа на основе электромагнитных волн (например, радиоволн), г) другой магистралью высокоскоростной передачи цифровых данных.

Инжекция цифрового сигнала осуществляется при этом в любую проводную электрическую сеть. Инжекция может осуществляться в любой провод трехфазной электрической сети либо любую комбинацию проводов трехфазной электрической сети, например, в а) провод первой фазы, б) провод второй фазы, в) провод третьей фазы, г) нулевой провод, д) провод заземления. Тем самым инжекция цифрового сигнала осуществляется в сеть переменного электрического тока низкого или среднего напряжения. Инжекция цифрового сигнала может также осуществляться в сеть постоянного электрического тока.

Расстояния между точками инжекции цифрового сигнала устанавливают таким образом, чтобы обеспечить необходимую мощность сигнала с цифровыми данными по всей электрораспределительной сети здания, формируемой от данной электрической шины. Для этого используют любой из следующих вариантов реализации настоящего изобретения;

1) точки инжекции распределяют по длине электрической шины равномерно,

2) амплитуду или мощность инжектируемого сигнала с цифровыми данными отслеживают по длине электрической шины, и в месте ослабевания амплитуды или мощности сигнала до уровня ниже заданного производят повторную инжекцию сигнала,

3) измеряют величину θ - отношение амплитуды сигнала с цифровыми данными после прохождения по длине электрической шины к амплитуде инжектируемого цифрового сигнала, затем определяют расположение первой точки инжекции цифрового сигнала по формуле

где L - длина электрической шины, а расположение второй точки инжекции цифрового сигнала рассчитывают по формуле х₂=L-x₁; использование данной формулы позволяет оптимизировать расположение двух точек инжекции на электрической шине. При этом любой из концов электрической шины принимается за начало линейной одномерной системы координат, расположение точек инжекции x₁ и х₂ определяется по отношению к данному концу электрической шины.

Возможны также комбинации перечисленных вариантов осуществления настоящего изобретения. В любом случае расстояние между точками инжекции цифрового сигнала устанавливают таким образом, чтобы оно было не менее 2,5 метров. Это делается в целях экономного использования ограниченной мощности подводимого цифрового сигнала.

При использовании любого из вышеперечисленных вариантов реализации настоящего изобретения может в дополнение учитываться явление интерференции. Тогда при определении расположения точек инжекции на электрической шине учитывают длины волн несущих для того, чтобы за счет волновых свойств инжектируемого цифрового сигнала обеспечить его усиление или, по крайней мере, минимальное ослабление. Для этого расстояние между точками инжекции на электрической шине выбирают кратным длине волны несущей. Для расчета расстояния между точками инжекции может использоваться любое из следующего: а) минимальная длина волны несущей, б) средняя длина волны несущей, в) максимальная длина волны несущей, г) характерная (например, любая примечательная) длина волны несущей, д) любая другая длина волны несущей.

При использовании любого из вышеперечисленных вариантов реализации настоящего изобретения может в дополнение использоваться итеративный принцип. Данный принцип заключается в том, что сначала на основе вышеперечисленных вариантов реализации изобретения определяют координаты расположения точек инжекции в первом приближении. Далее, если необходимо, любую из точек инжекции цифрового сигнала слегка смещают (как правило, в пределах этажа) в произвольном направлении для того, чтобы повысить качество цифрового сигнала в электрических розетках здания, которыми пользуются подключенные к услуге доступа пользователи. Тем самым обеспечивают уточнение расположения точек инжекции на электрической шине здания.

Инжекция осуществляется известными методами (например, методами емкостной или индуктивной инжекции). Подробнее об инжекции см., например, в (Bayliss С.. Hardy В. Transmission and distribution electrical engineering. Elsevier, 2006; Modern power station practice. Ed. British Electricity International, London, UK. Pergamon, 1991-1992, Multi-volume book).

При этом выбирается минимальное количество точек инжекции цифрового сигнала, которое определяется типом электрических шин в здании и их состоянием. Так, чем лучше состояние электрической шины, тем меньшее количество точек инжекции требуется. Аналогично, чем толще диаметр электрической шины и чем равномернее в ней уложен кабель, тем меньшее количество точек инжекции необходимо для обеспечения заданной мощности PLT-сигнала в помещениях здания. Минимальное количество точек инжекции цифрового сигнала зависит также от этажности здания. При этом количество точек инжекции пропорционально высоте здания. На практике достаточной оказывается одна инжекция на 3-6 этажей.

Важно также учесть, что в здании имеется, как правило, более одной электрической шины (например, по одной на подъезд). В таком случае настоящий способ при необходимости повторяют для каждой электрической шины.

Следует отметить и наиболее предпочтительные формы осуществления изобретения. Настоящее изобретение может использоваться для подвода и снятия сигнала с цифровыми данными в электрораспределительную сеть здания в условиях предоставления широкополосного и узкополосного доступа. При этом широкополосный доступ используется, как правило, в области телекоммуникаций, а узкополосный - в области телеметрии и управления.

Рассмотрим вышеперечисленные три варианта реализации настоящего изобретения подробнее.

1. Равномерное распределение точек инжекции по длине электрической шины

После выбора минимального количества точек инжекции (не менее двух) точки инжекции распределяют по длине каждой электрической шины равномерно. Например, в случае двухточечной инжекции точки инжекции располагают на электрической шине таким образом, чтобы расстояния между ними и от концов электрической шины были равны L/3. Если инжекция производится в три точки, то расстояния между ними и от концов электрической шины должны быть равны L/4. При большем количестве точек инжекции расчеты производятся аналогично.

В ряде случаев такого подхода оказывается достаточно для оптимального распределения PLT-сигнала по электрораспределительной сети здания, формируемой от инжектируемой электрической шины. Если это не так, используют другой вариант реализации изобретения (см. ниже).

При осуществлении изобретения в случае равномерного распределения точек инжекции по длине электрической шины учитывают, что при инжекции возможна интерференция PLT-сигнала внутри электрической шины. Интерференция цифрового сигнала возникает, в частности, за счет повторной инжекции в разных точках электрической шины. Поэтому для выбора расстояний между точками инжекции может потребоваться учитывать длины волн составляющих несущего сигнала. Интерференция приводит к тому, что при подключении следующей инжекции в некоторых точках электрической сети здания мощность сигнала становится ниже, чем до ее подключения. Кроме того, каждое подключение новой инжекции "забирает" часть подводимой мощности цифрового сигнала (например, из коаксиального кабеля), что уменьшает мощность сигнала в других точках инжекции. В результате мощность цифрового сигнала в отдельных точках электрической сети может оказаться ниже допустимой.

Тем самым инжекция производится таким образом, чтобы при использовании имеющихся аппаратных и программных средств интерференция не приводила к существенному ухудшению сигнала.

2. Амплитуду или мощность инжектируемого сигнала с цифровыми данными отслеживают по длине электрической шины, в месте ослабевания амплитуды или мощности сигнала до уровня ниже заданного производят повторную инжекцию цифрового сигнала.

Сигнал инжектируют в произвольно выбранном участке электрической шины (он обычно удален от одного из концов электрической шины на несколько метров). Далее отслеживают падение амплитуды или мощности сигнала по длине электрической шины. Это падение в первом приближении описывается моноэкспоненциальной кривой. В месте ослабевания амплитуды или мощности сигнала до уровня ниже заданного производят повторную инжекцию цифрового сигнала, что позволяет добиться необходимого повышения амплитуды или мощности цифрового сигнала на удалении от первой точки инжекции.

3. Расстояние между точками инжекции определяют по специальной формуле, позволяющей оптимизировать расположение точек инжекции по длине электрической шины.

Сначала измеряют величину θ - отношение амплитуды сигнала с цифровыми данными после прохождения по длине электрической шины к амплитуде инжектируемого цифрового сигнала. Расчет параметра θ может быть произведен, например, следующим образом. При одноточечной инжекции цифрового сигнала измеряют мощность PLT-сигнала (P₁) на удалении в несколько этажей от точки инжекции. Далее определяют соотношение P₁/P₀ (меньше единицы), где Р₀ - мощность PLT-сигнала в точке инжекции. Рассчитывают корень квадратный из соотношения P₁/P₀. Определяют, какую долю длины стояка (L) занимает расстояние между точкой инжекции и точкой, где измерялась Р₁, т.е. рассчитывают соотношение z=L/l, где L - длина стояка, a l - расстояние между точкой инжекции и точкой, где измерялась P₁. Если, например, падение мощности сигнала оценивалось на расстоянии, равном трети длины стояка, то z=3. После этого рассчитывают параметр θ как

Подробнее об определении величины θ см. в Приложении.

Обратим внимание на то, что в приведенном примере расчета величины θ используется не амплитуда, а мощность инжектируемого цифрового сигнала. Здесь θ является отношением корня квадратного из мощности сигнала с цифровыми данными после прохождения по длине электрической шины к корню квадратному мощности инжектируемого сигнала с цифровыми данными, что вытекает из основ электродинамики. Если используются данные по амплитуде цифрового сигнала, то формула (2) аналогичным образом приобретает вид:

,

где A₀ - амплитуда PLT-сигнала в точке инжекции;

A₁ - амплитуда PLT-сигнала на выбранном удалении от точки инжекции.

В ряде случаев возможным оказывается использование ранее полученных данных о величине θ.

Затем определяют координату расположения первой точки инжекции цифрового сигнала по формуле

где L - длина электрической шины. Координату расположения второй точки инжекции цифрового сигнала рассчитывают по формуле

Здесь x₁ и x₂ - координаты расположения первой (х₁) и второй (х₂) точек инжекции на инжектируемой электрической шине, любой из концов которой принимается за начало координат.

При использовании указанных формул амплитуду инжектируемого сигнала с цифровыми данными определяют как любое из следующего либо любую комбинацию из следующего: а) амплитуду инжектируемого цифрового сигнала с фиксированной длиной волны несущей, б) среднюю по спектру амплитуду инжектируемого цифрового сигнала на выбранном диапазоне длин волн несущих, в) интегральную амплитуду инжектируемого цифрового сигнала на выбранном диапазоне длин волн несущих, г) амплитуду определяют любым другим образом. Аналогично мощность инжектируемого сигнала с цифровыми данными определяют как любое из следующего либо любую комбинацию из следующего: а) мощность инжектируемого цифрового сигнала с фиксированной длиной волны несущей, б) среднюю по спектру мощность инжектируемого цифрового сигнала на выбранном диапазоне длин волн несущих, в) интегральную мощность инжектируемого цифрового сигнала на выбранном диапазоне длин волн несущих, г) мощность определяют любым другим образом.

Использование приведенных формул позволяет оптимизировать расположение двух точек инжекции на электрической шине. Вывод формул содержится в Приложении.

В завершение данного раздела описания необходимо отметить, что точкой подключения потребителя к электроэнергии является любое из следующего либо любая комбинация из следующего: а) электрическая розетка, б) разъем, в) клемма, г) другое соединительное устройство.

СВЕЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемым способом была осуществлена инжекция цифрового сигнала в жилой 12-этажный дом, расположенный в г.Москве. Инжекция осуществлялась от высокоскоростной цифровой магистрали посредством коаксиального кабеля в три фазы силовой сети. Для инжекции использовались емкостные каплеры. Замеры мощности цифрового сигнала проводили спектр-анализатором "Propower-5" производства испанской фирмы "Promax Electronica, S.A.".

Инжекция цифрового сигнала производилась: а) в одну точку одной электрической шины (на уровне 6-го этажа), б) в две точки одной электрической шины дома, расположенные на уровне 1-го и 12-го этажей дома. Кроме того, для сравнения с прототипом (Crenshaw R.E-, Grimes D.W., Larson P.L. Method and apparatus for attaching power line communications to customer premises. Application WO 2004/017621 A1. IPC⁷ H04M 11/04. Prior. 16.08.2002. Publ. 26.02.2004)) инжекция цифрового сигнала производилась в щитовую (вводно-распределительное устройство).

При выборе уровней расположения точек инжекции цифрового сигнала (1-й и 12-й этажи) основывались на расчетах, сделанных по формулам (3) и (4) для определения координат оптимального расположения двух точек инжекции цифрового сигнала по длине электрической шины. При этом учитывали, что длина электрической шины в данном доме составляет порядка 38 метров, а величина θ принималась на основании предшествующих замеров как близкая к 0,8. Для данной величины θ координаты x₁ и x₂, определяемые по формулам (3) и (4), составляют порядка 1 и 37 метров, что соответствует 1-му и 12-му этажам выбранного дома.

В результате фактических замеров была получены следующие данные (Фиг.1). Средняя мощность цифрового сигнала при двухточечной инжекции на всем протяжении электрической шины была не меньше -48 дБ/Гц, характерная величина этого показателя составляла около -40 дБ/Гц, отмечалась равномерность распределения мощности сигнала по длине электрической шины. Было установлено, что пороговая величина средней мощности сигнала, необходимая для передачи цифровых данных, составляет -50 дБ/Гц. Следовательно, настоящий способ позволяет достичь заявленного технического результата.

При одноточечной инжекции на уровне 6-го этажа распределение по длине электрической шины было значительно менее равномерным: мощность сигнала на уровне инжекции оказывалось достаточно высокой, однако по краям электрической шины (ниже 3-го и выше 10-го этажей) была ниже допустимой. Это приводит к выводу о невозможности обеспечить посредством одноточечной инжекции необходимое качество цифрового сигнала на нижних и верхних этажах подъезда.

При инжекции сигнала на уровне щитовой, как это предлагается авторами способа-прототипа, мощность цифрового сигнала практически на всем протяжении электрической шины оказывается недостаточной для надежной передачи данных. Необходимо отметить случайный выброс мощности сигнала на уровне 11-го этажа. Расположение данного выброса непредсказуемо и может меняться с течением времени, что, по всей видимости, связано с терминальной интерференцией PLT-сигнала. Поэтому наличие случайного всплеска мощности цифрового сигнала на уровне 11-го этажа не позволяет говорить о возможности использовать прототипный способ для надежной передачи цифровых данных.

Тем самым, инжекция цифрового сигнала заявленным способом позволила добиться значительно более высокого качества PLT-сигнала по сравнению с прототипом, несопоставимо большего охвата помещений сигналом с мощностью, достаточной для надежной и быстрой передачи цифровых данных.

В завершение отметим, что приведенный пример не исчерпывает все возможности инжекции сигнала с цифровыми данными в электрическую сеть. Специалистами могут быть найдены модификации настоящего изобретения, не выходящие за рамки прилагаемых пунктов формулы изобретения или эквивалентных им положений. При нахождении таких модификаций изменения сущности заявленного изобретения не происходит.

Любое из положений (в том числе квалифицируемых как признаки настоящего изобретения), приведенных в любом из следующего: 1) в разделе описания "Область техники, к которой относится изобретение", 2) в разделе описания "Уровень техники", 3) в разделе описания "Сущность изобретения", 4) в разделе описания "Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения", 5) в Приложении, 6) в реферате - может быть и при необходимости будет включено в формулу настоящего изобретения. Последнее предложение следует расценивать как указание на необходимость включения в формулу изобретения признаков изобретения, приведенных в перечисленных разделах описания и реферате.

Благодарности. Авторы изобретения считают своим приятным долгом выразить искреннюю признательность Корабельщикову Роману Владимировичу, руководителю PLC-лаборатории ЗАО "Электро-Ком" и Свиридову Ивану Николаевичу, директору департамента развития сети ЗАО "Электро-Ком", оказавших необходимую техническую помощь в выполнении замеров и проверке в реальных условиях осуществимости настоящего изобретения.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВЫВОД ФОРМУЛ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ТОЧЕК ИНЖЕКЦИИ PLT-СИГНАЛА

Система инжекции сигнала с цифровыми данными внутри здания состоит из двух компонентов - электрической шины и отводки от нее в направлении помещений (например, квартир). Уменьшение амплитуды силовой компоненты фазного тока V₁(t) по длине электрической шины малосущественно. В то же время амплитуда высокочастотного PLT-сигнала, инжектируемого в фазный ток, V₂(t), затухает более ощутимо при прохождении по электропроводке, и это затухание подчиняется экспоненциальному закону со скоростью затухания, зависящей от несущей частоты, ω_н.

Если в точке подключения к электрической шине амплитуда V₂(t) равна А_с, то в розетке (или другой точке присоединения), подключенной к шине по внутриквартирной линии длины l, она будет составлять

.

В данном выражении константа α является скоростью затухания PLT-сигнала в пределах внутриквартирной разводки.

Рассмотрим вертикальную электрическую шину длины L и связанную с ней систему координат, так что точка с координатой х находится на расстоянии х от одного из концов (например, верхнего) шины. Константа β соответствует скорости затухания при прохождении PLT-сигнала рассматриваемой несущей частоты по электрической шине. (Ясно, что характер расположения шины может быть любым: вертикальным, горизонтальным или наклонным. В этом случае один из концов электрической шины принимается за начало координат (координату х=0), от которого отсчитываются координаты расположения точек инжекции цифрового сигнала.)

Тогда если сигнал с амплитудой А подается на электрическую шину через точку с координатой х, а внутриквартирная разводка - через точку с координатой y, то на уровне электрической розетки высокочастотный сигнал будет иметь амплитуду

.

Так как величина падения амплитуды PLT-сигнала во время прохождения по внутриквартирной разводке не зависит от того, каким образом производится инжекция сигнала на электрической шине (для заданной длины l) и не зависит от схемы подключения электрической шины к цифровой магистрали, то далее на этот член особого внимания обращать не будем.

Если имеется подключение электрической шины к цифровой магистрали через n точек с координатами х_k и все подключения имеют одинаковую амплитуду PLT-сигнала, равную А, то в точке с координатой у амплитуда PLT-сигнала будет равна

.

Поскольку ни в одной точке электрической шины амплитуда PLT-сигнала не должна быть больше некоторого максимальной величины А_max, то задачи выбора наилучших точек подключения x_k при их заданном количестве n можно сформулировать так: требуется найти такой набор координат точек подключения x_k чтобы отношение

было максимальным.

Для того чтобы сделать величины падения амплитуды более осязаемыми, положим . Здесь θ - падение амплитуды PLT-сигнала с заданной частотой при прохождении по длине электрической шины (θ<1). При определении технических параметров электрической шины может быть затруднительным измерять падение амплитуды PLT-сигнала вдоль всей шины. Поскольку амплитуда падает экспоненциально, то по величине падения на некоторой доле электрической шины можно получить величину падения амплитуды PLT-сигнала при прохождении участка шины другой длины. В частности, если θ_z - величина падения амплитуды при прохождении участка электрической шины длины L/z, то . Отсюда .

Так как функции f и g гладкие, то их экстремумы могут быть либо в тех точках, в которых производная равна нулю, либо на границах области х_k∈[0,L].

Ниже будет решаться задача оптимизации отношения максимальной и минимальной амплитуды сигнала. При этом если оптимизируется отношение по любой монотонной функции (например, по экспоненте, по логарифмической функции или любой другой), то оптимальные точки инжекции будут располагаться на шине там же.

1. Решение задачи оптимизации для одноточечной инжекции

Так как достигается в точке х=y, то знаменатель выражения

не зависит от координаты х, а для числителя максимум минимального значения мощности сигнала при x=L/2. Для оптимального одноточечного подключения максимальное падение амплитуды высокочастотного сигнала равно или . Следовательно, при одноточечной инжекции точка инжекции PLT-сигнала должна располагаться посредине электрической шины.

2. Решение вышеописанной задачи оптимизации для двухточечной инжекции

Рассмотрим

.

Без ограничения общности будем считать x₁≤x₂ (здесь х₂ - та точка инжекции, которая располагается дальше от начала электрической шины).

Введем переменную d, такую что d>0. Тогда

,

тогда как

.

Следовательно, максимальное значение функции

достигается в точке y∈[x₁, x₂], и можно искать максимум функции

на этом отрезке.

Тогда

,

и равенство нулю производной достигается при

,

откуда

и

y=(x₁+x₂)/2.

Так как в этой точке вторая производная

положительна, то точка y=(х₁+x₂)/2 является локальным минимумом. Следовательно, максимальное значение функции h достигается на границе области определения, или

,

где, как и ранее, x₁≤х₂. Тем самым мы находим подтверждение тому, что при двухточечной инжекции, как и при одноточечной, максимумы мощности PLT-сигнала находятся в точках инжекции.

Рассмотрим

.

В соответствии с вышеизложенными результатами о величине производной функции

минимум может достигаться в трех точках: а) y=0, б) y=L, в) y=(x₁+x₂)/2. Здесь y - координата расположения на электрической шине точки подключения внутриквартирной проводки. Если y=0, то имеется в виду начало электрической шины.

При y=0 имеем:

,

при y=L:

,

а при y=(x₁+x₂)/2:

.

Тем самым получено три локальных минимума функции h. Глобальный минимум - один из них.

Найдем максимум f=ψ/Ψ. Вначале рассмотрим изменения x₁ и х₂ такие, что разность х₂-x₁ не меняется, то есть х₂=b+x₁, где b фиксировано. Иными словами, фиксируется расстояние между точками инжекции, сами же точки смещаются в произвольном направлении по длине электрической шины. Тогда

,

то есть не зависит от x₁, и максимум f достигается при том же x₁, что и максимум ψ.

Если реализуется случай в), при котором y=(x₁+х₂)/2, то (в этих пределах) изменение b не приводят к изменению ψ. Если нет, то ψ равна минимуму из

и

Так как при увеличении х₁ первое выражение уменьшается, а второе увеличивается, то максимум их минимума будет при равенстве

что имеет место при x₁+b/2=L/2. Следовательно, при любых вариантах можно считать, что при оптимальном выборе х₂=L-x₁. Таким образом, оптимальное расположение двух точек инжекции предполагает симметричность их расположения на электрической шине.

Рассмотрим теперь параметризацию х₂=L-x₁, где х₁ - свободный параметр. Тогда

,

а ψ равно минимуму из

в точках у=0 и y=(х₁+x₂)/2 (так как случаи y=0 и y=L дают одинаковое значение).

В случае y=0 имеем, что

,

а в случае y=(х₁+x₁)/2 получаем, что

,

Если реализуется случай y=0, то для f=ψ/Ψ

.

Если реализуется случай y=(x₁+х₂)/2, то

.

Если положить , то для случая y=0 имеем f=q, а для случая y=(x₁+x₂)/2-

.

Как легко проверить, при значениях q от 0 до 1 производная второго выражения f(q) отрицательна. Поэтому максимум из двух выражений для f получается, когда они равны, то есть

,

откуда

,

и

,

или, в терминах максимального падения амплитуды θ,

.

А так как

,

то

,

откуда

и

Следовательно, оптимальное подключение PLT-сигнала следует производить в точках

и

x₂=L-x₁.

При этом максимальное падение амплитуды PLT-сигнала на электрической шине будет составлять:

.

Для иллюстрации преимущества двухточечной инжекции по сравнению с одноточечной см. Фиг.2.

ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1. Результаты фактических замеров средней мощности цифрового сигнала при различных способах инжекции в одну из электрических шин 12-этажного дома.

Фиг.2. График максимального падения амплитуды PLT-сигнала при одно- и двухточечной инжекции сигнала на длине электрической шины. Отмечается, что двухточечная инжекция сигнала, осуществляемая по формулам (3) и (4), значительно превосходит по качеству одноточечную инжекцию.

Изобретение относится к способам передачи цифровых данных (например, данных Интернет, видео-, аудио-, голосовых и/или других данных) через энергетические системы посредством технологии PLT (Power Line Telecommunication). Его применение позволяет получить технический результат в виде повышения надежности и скорости передачи цифровых данных, а также увеличение степени охвата помещений в здании (например, квартир в жилом доме) PLT-сигналом с мощностью, достаточной для передачи цифровых данных. Этот результат достигается благодаря тому, что инжекцию цифрового сигнала в сеть электропитания здания производят на электрическую шину, входящую в электрораспределительную сеть здания. При этом инжекцию цифрового сигнала осуществляют не менее чем в двух точках электрической шины. Расстояния между точками инжекции цифрового сигнала могут устанавливаться таким образом, чтобы обеспечить необходимую мощность сигнала с цифровыми данными по всей электрораспределительной сети здания, формируемой от данной электрической шины (например, точки инжекции располагают равномерно по длине электрической шины или с использованием специальной формулы). 34 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подвода и снятия сигнала с цифровыми данными в электрораспределительную сеть здания при осуществлении телекоммуникационных технологий обмена пакетами цифровых данных по электросети посредством технологии PLT (Power Line Telecommunication), отличающийся тем, что подвод/снятие сигнала с цифровыми данными (далее - инжекцию цифрового сигнала) в электрораспределительную сеть здания производят с цифровой магистрали на электрическую шину, входящую в электрораспределительную сеть здания, при этом инжекция цифрового сигнала осуществляется не менее чем в двух точках данной электрической шины, а расстояние между точками инжекции цифрового сигнала устанавливают таким образом, чтобы оно было не менее 2,5 м.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цифровая магистраль, от которой производится инжекция сигнала с цифровыми данными в сеть электропитания здания, представлена любым из следующего либо любой комбинацией из следующего: а) проводной магистралью, б) оптоволоконной магистралью, в) магистралью, использующей технологии беспроводного доступа на основе электромагнитных волн (например радиоволн), г) другой магистралью высокоскоростной передачи цифровых данных.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что инжекция сигнала осуществляется в любой провод трехфазной сети либо любую комбинацию проводов трехфазной сети.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что инжекция сигнала осуществляется в любое из следующего либо любую комбинацию из следующего: а) провод первой фазы, б) провод второй фазы, в) провод третьей фазы, г) нулевой провод, д) провод заземления.5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что инжекция сигнала осуществляется в любую проводную электрическую сеть.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что инжекция сигнала осуществляется в сеть постоянного электрического тока.7. Способ по п.5, отличающийся тем, что инжекция сигнала осуществляется в сеть переменного электрического тока низкого или среднего напряжения.8. Способ по п.5, отличающийся тем, что точкой подключения потребителя к электроэнергии является любое из следующего либо любая комбинация из следующего: а) электрическая розетка, б) разъем, в) клемма, г) другое соединительное устройство.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что точки инжекции распределяют по длине электрической шины равномерно.10. Способ по п.9, отличающийся тем, что по длине электрической шины равномерно распределяют две точки инжекции.11. Способ по п.9, отличающийся тем, что по длине электрической шины равномерно распределяют три точки инжекции.12. Способ по п.9, отличающийся тем, что по длине электрической шины равномерно распределяют четыре точки инжекции.13. Способ по п.9, отличающийся тем, что по длине электрической шины равномерно распределяют более четырех точек инжекции.14. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуду или мощность инжектируемого сигнала с цифровыми данными отслеживают по длине электрической шины, в месте ослабевания амплитуды или мощности сигнала до уровня ниже заданного производят повторную инжекцию сигнала.15. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют величину θ - отношение амплитуды сигнала с цифровыми данными после прохождения по длине электрической шины к амплитуде инжектируемого цифрового сигнала, затем определяют координаты расположения точек инжекции на электрической шине по следующим формулам:

x₂=L-x₁,

где L - длина электрической шины, x₁ и x₂ - координаты расположения первой (x₁) и второй (х₂) точек инжекции на инжектируемой электрической шине, любой из концов которой принимается за начало координат х.

x₂=L-x₁,

где L - длина электрической шины, x₁ и x₂ - координаты расположения первой (x₁) и второй (х₂) точек инжекции на инжектируемой электрической шине, любой из концов которой принимается за начало координат х.