Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обнаружения фазного провода с неизвестным фазным напряжением относительно эталонного фазного напряжения в системе распределения электроэнергии, имеющей многофазную силовую линию.
Современные энергораспределительные системы используют многофазные силовые линии для распределения электроэнергии. Многофазная силовая линия содержит совокупность, обычно из трех, проводников, причем каждый проводник несет определенное фазное напряжение. Общеизвестно, что многофазная силовая линия может иметь или не иметь нейтральный проводник, который, если присутствует, составляет дополнительный проводник многофазной силовой линии. Кроме того, помимо этих проводников обычной многофазной силовой линии, может быть или не быть еще один проводник, несущий потенциал заземления.
Хотя многофазная силовая линия обеспечивает преимущество для определенных типов нагрузок, например, электрических машин, где применяются вращающиеся магнитные поля, существует много потребителей электроэнергии, которые не подключены ко всем фазам, имеющимся в данной многофазной силовой линии. Для многих типов нагрузок достаточно, чтобы нагрузка была подключена между двумя фазами или, что более обычно, между одной из имеющихся фаз и нейтральным проводником. Эта схема проводки особенно широко распространена в низковольтных сетях, используемых для подачи электропитания на бытовые электроприборы в жилых помещениях. В Европе низковольтная энергораспределительная сеть имеет три фазных провода, каждый из которых находится под напряжением от 220 до 240 вольт относительно нейтрали, причем три фазы сдвинуты относительно друг друга на 120°.
В частности, в жилых помещениях большинство электрических нагрузок подключено между одним из трех фазных проводов R, S, T и нейтральным проводником N, причем конкретная фаза R, S или T, к которой фактически подключена нагрузка, несущественна для большинства типов однофазных приложений и нагрузок и поэтому обычно неизвестна. Заметим, что существуют различные соглашения по наименованию трех фазных проводов трехфазной силовой линии. Используемое здесь соглашение по наименованию R, S, T не приводит к какой-либо потере общности.
В ряде случаев желательно обнаруживать фазный провод, к которому подключена данная нагрузка. Например, в системе связи на основе силовых линий, где используется существующая энергораспределительная сеть в целях коммуникаций, может быть очень желательно, чтобы передатчик знал, к какому фазному проводу подключен приемник, поскольку предполагается, что связь между передатчиком и приемником по силовой линии будет лучше в случае, когда передатчик и приемник подключены к одному и тому же фазному проводу, чем в случае, когда передатчик и приемник осуществляют связь друг с другом через разные фазные провода посредством емкостной или индуктивной перекрестной связи между фазными проводами. Если измерительные приборы осуществляют связь с другими узлами в системе дистанционного измерения посредством связи через силовую линию, знание фазы, к которой подключен соответствующий удаленный измерительный прибор в помещении потребителя, является ценной информацией для оптимизации производительности связи системы дистанционного измерения в целом.
В электроизмерительной системе для измерения электроэнергии, потребляемой совокупностью потребителей, существуют веские причины для обнаружения фазного провода электроизмерительного прибора, находящегося внутри или вне помещения потребителя. Например, можно изменить подключение однофазного или многофазного электроизмерительного прибора, подключив его клемму заземления к фазному проводу для энергоснабжения потребителя. Обнаружение, была ли инвертирована фаза измерительного прибора, позволяет принять решение, имело ли место незаконное или ненамеренное изменение подключения электроизмерительного прибора, в результате чего измерительный прибор не может правильно измерять потребляемую энергию.
В патенте US 4626622 предложено идентифицировать неизвестный фазный провод в многофазной сети путем сравнения неизвестной фазы с известной эталонной фазой многофазной сети. Система содержит первое устройство, подключенное к эталонной фазе в первом местоположении, и второе устройство, подключенное к неизвестной фазе в удаленном местоположении. Первое и второе устройства содержат модем для установления телефонного соединения между двумя устройствами. Первое устройство включает в себя схему для создания цифрового переменного сигнала, представляющего фазу переменного напряжения эталонной фазы. Этот представительный сигнал передается через два модема и телефонное соединение с первого устройства на второе. Второе устройство включает в себя схему обнаружения фазы для идентификации неизвестной фазы путем обнаружения фазового угла между переменным напряжением эталонной фазы и переменным напряжением неизвестной фазы. Хотя эта известная система позволяет обнаруживать фазный провод в удаленном местоположении относительно эталонной фазы в опорном местоположении, она непрактична для многих приложений, поскольку предполагает существование телефонной линии между двумя местоположениями.
В IEC 61334-5-2 определен способ идентификации неизвестной фазы в многофазной сети посредством ввода короткого сигнала метки времени в многофазную сеть, когда в эталонном фазном напряжении возникает первая опорная точка, например, прохождение нуля. Сама многофазная сеть позволяет передавать короткий сигнал в местоположение, где нужно идентифицировать неизвестную фазу. В местоположении неизвестной фазы короткий сигнал извлекается из многофазной силовой линии и измеряется интервал времени между появлением короткого сигнала и опорной точки, например, прохождения нуля, в неизвестном фазном напряжении. Этот интервал времени указывает фазовый угол между эталонной фазой и неизвестной фазой. Определенный таким образом фазовый угол позволяет идентифицировать неизвестный фазный провод.
Согласно известным способам сигналы, синхронные с эталонной фазой, переносятся из местоположения известной фазы, именуемое здесь также опорным местоположением, в местоположение неизвестной фазы, именуемого здесь также удаленным местоположением. Удаленное устройство производит сравнение фазы принятого сигнала с неизвестной фазой, к которой оно подключено, для обнаружения своего фазного провода. Если информация фазы повреждена вследствие шума или других помех, правильное обнаружение фазы может быть затруднено. Электрические нагрузки многих типов, подключенные к силовой линии, имеют тенденцию генерировать шум или нарушать синхронизацию с фазами, к которым они подключены. Соответственно, шумовые сигналы, нарушающие синхронизацию фазы, могут создавать помеху для коротких сигналов, синхронных с эталонной фазой, предусмотренных известным способом, используемых для обнаружения фазы, что может препятствовать обнаружению сигналов, синхронных с эталонной фазой. Этот фактор может усиливаться по мере увеличения расстояний между опорным местоположением и удаленным местоположением.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и системы для обнаружения фазного провода с неизвестным фазным напряжением относительно эталонного фазного напряжения в однофазной или многофазной системе распределения электроэнергии, которые не требуют передачи коротких сигналов метки времени, синхронизированных с эталонной фазой.
Настоящее изобретение предусматривает решение этой задачи согласно описанному в независимых пунктах формулы изобретения.
Преимущественные варианты осуществления настоящего изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Система согласно варианту осуществления настоящего изобретения для обнаружения фазного провода с неизвестным фазным напряжением относительно эталонного фазного напряжения в системе распределения электроэнергии, имеющей однофазную или многофазную силовую линию, содержит схему для передачи сигнала из первого местоположения во второе местоположение, причем сигнал содержит характеристический шаблон сигнала. Схема обеспечена для определения в первом местоположении первого интервала времени между характеристическим шаблоном сигнала и появлением опорной точки в первом фазном напряжении в первом местоположении. Кроме того, система содержит схему для обнаружения во втором местоположении характеристического шаблона сигнала для сигнала и для определения второго интервала времени между характеристическим шаблоном сигнала и появлением опорной точки во втором фазном напряжении во втором местоположении. Система, кроме того, содержит схему для определения, из первого и второго интервалов времени, фазного провода с неизвестным фазным напряжением среди первого и второго фазных напряжений относительно другого фазного напряжения, служащего эталонным фазным напряжением среди первого и второго фазных напряжений.
Первое фазное напряжение в первом местоположении, из которого передается сигнал, можно принять как эталонное фазное напряжение, а фазное напряжение во втором местоположении может быть неизвестным фазным напряжением фазного провода, которое нужно определить относительно первого фазного напряжения. Альтернативно, второе фазное напряжение на втором устройстве, принимающем сигнал, можно принять как опорное напряжение, а первое фазное напряжение в первом местоположении является неизвестным фазным напряжением, подлежащим определению. Далее, местоположение, имеющее эталонное фазное напряжение, будем называть опорным местоположением, а местоположение, где определяется неизвестное фазное напряжение, будем называть удаленным местоположением. Очевидно, что опорным местоположением может быть либо первое, либо второе местоположение и, соответственно, удаленным местоположением может быть либо второе, либо первое местоположение.
В конфигурации, где опорным местоположением является первое местоположение, откуда передается сигнал, схема для определения фазного провода может располагаться в опорном местоположении. Согласно этому варианту осуществления система, предпочтительно, содержит средство передачи информации, указывающей второй интервал времени, из удаленного местоположения в опорное местоположение. Альтернативно, схема для определения фазного провода может, конечно, находиться в удаленном местоположении, где принимается сигнал, и предусмотрено средство передачи информации, указывающей первый интервал времени из опорного местоположения в удаленное местоположение. Может быть выгодно дополнительно включать в информацию, передаваемую из опорного местоположения, идентификацию фазы, используемой в опорном местоположении в качестве эталонной фазы. Это позволяет, в удаленном местоположении, идентифицировать неизвестную фазу, даже если заранее неизвестно, в удаленном местоположении, какая фаза используется в опорном местоположении в качестве эталонной фазы.
В другой конфигурации, где опорным местоположением является второе местоположение, схема для определения неизвестного фазного провода опять же может находиться в опорном местоположении. Согласно этому варианту осуществления система, предпочтительно, содержит средство передачи информации, указывающей первый интервал времени из удаленного местоположения в опорное местоположение. Альтернативно, схема для определения фазного провода может, конечно, находиться в удаленном местоположении, где передается сигнал, и предусмотрено средство передачи информации, указывающей второй интервал времени, из опорного местоположения в удаленное местоположение. Может быть выгодно дополнительно включать в информацию, передаваемую из опорного местоположения, идентификацию фазы, используемой в опорном местоположении в качестве эталонной фазы. Это позволяет, в удаленном местоположении, идентифицировать неизвестную фазу, даже если заранее неизвестно, в удаленном местоположении, какая фаза используется в опорном местоположении в качестве эталонной фазы.
Фазный провод с неизвестным фазным напряжением можно определять из первого и второго интервалов времени, вычисляя разность между вторым интервалом времени и первым интервалом времени. Затем эту разность можно использовать, например, для поиска в таблице, которая связывает различные значения разности с одним из данного количества возможных фазовых углов.
Поскольку характеристический шаблон сигнала не обязан функционировать как метка времени, синхронная с опорной точкой в эталонной фазе, характеристический шаблон сигнала может, но не обязан быть коротким. Характеристический шаблон сигнала в передаваемом сигнале может даже иметь длительность, большую или равную периоду переменного напряжения на силовой линии. Это позволяет получать характеристический шаблон сигнала с высокой энергией сигнала, который можно легче отличить от шума и помехи, обусловленных нагрузками, подключенными к силовой линии. Характеристический шаблон сигнала, преимущественно, можно обнаруживать посредством аналоговых или цифровых методов корреляции или с использованием согласованных фильтров. Характеристический шаблон сигнала может быть снабжен кодом исправления ошибок и обнаружен с использованием методов декодирования с исправлением ошибок. Конечно, настоящее изобретение допускает применение и других методов обнаружения.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения передаваемый сигнал не является выделенным сигналом для обнаружения фазы, но используется для передачи другой информации по силовой линии. Характеристический шаблон сигнала может представлять собой заранее определенную символьную последовательность или битовую последовательность, которая случайно возникает в сигнале, или же характеристический шаблон сигнала может представлять собой уникальное кодовое слово, например, уникальную последовательность из совокупности передаваемых битов или символов, которая может быть непрерывной или прерывистой в сигнале и которая может быть обеспечена в начале сигнала или в любом другом местоположении в сигнале по желанию. Может быть выгодно использовать методы кодирования с исправлением ошибок и/или перемежать участки характеристического шаблона сигнала другими фрагментами информации, переносимой сигналом, для защиты характеристического шаблона сигнала от шума или других помех на силовой линии и для повышения надежности его обнаружения. Заголовочная часть, предшествующая характеристическому шаблону сигнала, может быть обеспечена в сигнале, например для облегчения синхронизации символов для схемы обнаружения характеристического шаблона сигнала. Заголовочная часть также может представлять собой участок сигнала, который переносит другую информацию из опорного местоположения в удаленное местоположение.
Предпочтительно, схемы обнаружения для обнаружения характеристического участка сигнала обеспечены как в первом местоположении, так и во втором местоположении. Предпочтительно, схемы обнаружения в обоих местоположениях аналогичны или работают аналогичным образом. Это позволяет легко достигать синхронизации при определении появления характеристического участка сигнала в обоих местоположениях, независимо от того, сколько времени фактически занимает процесс обнаружения.
Сигнал, содержащий характеристический участок сигнала, может представлять собой последовательность символов, например, битов, с заранее определенной частотой символа, и схемы для определения первого интервала времени и второго интервала времени, соответственно, могут использовать частоту символа для подсчета количества символов между обнаруженным характеристическим шаблоном сигнала и появлением опорной точки в неизвестном фазном напряжении и опорной точки в эталонном фазном напряжении, соответственно. Альтернативно, счетчик свободного режима может быть тактирован на заранее определенной тактовой частоте. Счетчик запускается при обнаружении характеристического шаблона сигнала, и значение, отсчитываемое счетчиком, считывается при появлении опорной точки. Конечно, можно использовать любое другое средство для обнаружения интервала времени между характеристическим участком сигнала и опорной точкой.
Предпочтительно, сигнал передается таким образом, что характеристический шаблон сигнала не имеет регулярного соотношения хронирования с любой из опорных точек, повторно возникающих в фазных напряжениях многофазной силовой линии. Например, характеристический шаблон сигнала передается со случайным или псевдослучайным хронированием.
Предпочтительно, совокупность характеристических шаблонов сигнала повторно передается со случайным или заранее определенным хронированием и/или в разных участках спектра и/или модулируется с расширением по спектру посредством различных кодов расширения для обеспечения передачи с избыточностью характеристического шаблона сигнала и для каждого из совокупности передаваемых характеристических шаблонов сигнала, в первом местоположении определяется первый интервал времени между характеристическим шаблоном сигнала для сигнала и появлением опорной точки в первом фазном напряжении, и во втором местоположении определяется второй интервал времени между характеристическим шаблоном сигнала и появлением опорной точки во втором фазном напряжении, в результате чего получается совокупность первых интервалов времени и соответствующих вторых интервалов времени. Это позволяет повысить надежность обнаружения фазного провода, например, путем выбора того фазного провода, который имеет большинство из полученной таким образом совокупности из первых и соответствующих вторых интервалов времени. Большинство может быть большинством M/(M+1), где M - целое число, большее или равное 2, чтобы одна из M ошибок при обнаружении первого и соответствующего второго интервала времени не влияла на точность определения фазного провода.
Предпочтительно, для уменьшения корреляции между появлением характеристического шаблона сигнала и нарушениями фазовой синхронизации на силовой линии сигналы передаются таким образом, что интервал времени между двумя последовательными характеристическими шаблонами сигнала больше или меньше периода переменного напряжения многофазной силовой линии и не равен целому кратному периода переменного напряжения.
Предпочтительно, опорные точки в неизвестном фазном напряжении и в эталонном фазном напряжении, соответственно, являются уникальными точками в каждом периоде соответствующего фазного напряжения, заданными их напряжением и/или наклоном, например, прохождениями нуля соответствующих фазных напряжений с наклоном определенного знака или пиковыми напряжениями определенной полярности. Первый интервал времени и второй интервал времени, соответственно, заканчиваются на N-й опорной точке, следующей за характеристическим шаблоном сигнала, где N - заранее определенное положительное целое число, равное или, предпочтительно, большее 1. Особенно пригодным значением для N является 1 или 2.
Предпочтительно, сигналом является сигнал, модулированный посредством частотной манипуляции (FSK), вводимый в первом местоположении в, по меньшей мере, одну фазу или, предпочтительно, все фазы многофазной силовой линии (L), между соответствующей фазой и нейтральным проводником или между двумя фазами. Альтернативно, сигнал может передаваться по каналу радиосвязи или по телефонной сети. Может быть предпочтительно реализовать сигнал как сигнал двухтонального многочастотного набора (DTMF) для повышения его устойчивости к гармоническому шуму.
Перейдем к описанию предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Заметим, что нижеследующее описание приведено исключительно для иллюстрации примера реализации настоящего изобретения. Описанный вариант осуществления никоим образом не следует рассматривать в порядке ограничения объема настоящего изобретения.
Фиг.1 - принципиальная схема варианта осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2a - диаграмма хронирования, иллюстрирующая основной принцип работы варианта осуществления, показанного на фиг.1.
Фиг.2b - пример сигнала, используемого в варианте осуществления, показанном на фиг.1.
Фиг.3 - блок-схема варианта осуществления сетевого узла в системе связи на основе силовых линий для осуществления операции обнаружения фазы.
Фиг.4a - блок-схема, иллюстрирующая внутреннюю структуру детектора 2 характеристического шаблона сигнала, показанного на фиг.3.
Фиг.4b - диаграмма хронирования, иллюстрирующая действие схемы детектора шаблона сигнала.
Фиг.5 - диаграмма хронирования, иллюстрирующая операцию обнаружения фазы схемы, показанной на фиг.3.
На фиг.1 показана принципиальная схема варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг.1 L обозначает трехфазную силовую линию. Силовая линия L содержит три проводника R, S и T, каждый из которых переносит определенное фазное напряжение относительно нейтрального проводника N силовой линии L. Кроме того, силовая линия L может содержать проводник заземления, который не показан на схеме, изображенной на фиг.1. Фазные напряжения, соответственно переносимые по трем проводникам R, S и T, могут составлять от 220 до 240 вольт, которые часто используются в Европе в жилых помещениях, или 110 В, которые обычно используются в США. Заметим, однако, что настоящее изобретение в равной степени применимо к силовым линиям L в энергораспределительных сетях среднего вольтажа, которые переносят, например, 20 кВ, или даже в высоковольтной энергораспределительной сети, которая переносит электроэнергию на дальние расстояния при уровне напряжения 380 кВ или даже выше. Общеизвестно, что в трехфазных энергораспределительных сетях напряжения, переносимые на трех фазах R, S и T, смещены относительно друг друга на фазовый угол 120°.
Позиция 100 на фиг.1 обозначает устройство в первом местоположении, подключенное к каждому из трех фазных проводников R, S и T силовой линии L, а также к нейтральному проводнику N силовой линии L. В этом варианте осуществления первое местоположение считают опорным местоположением, в котором R используют как эталонную фазу. Конечно, любую из трех фаз можно использовать как эталонную фазу. Устройство 100 в опорном местоположении может представлять собой узел связи в сети связи на основе силовых линий, которая использует силовую линию в качестве физической среды передачи информации. Устройство 100 может быть размещено, например, вблизи вторичной трансформаторной подстанции для преобразования среднего напряжения 20 кВ энергораспределительной сети в низкое напряжение от 220 до 240 В или в любом другом местоположении вдоль силовой линии L, где одна из трех фаз R, S и T доступна для выбора в качестве эталонной фазы. На трансформаторной подстанции наименование трех фаз R, S, T является исключительно вопросом определения. Пока наблюдается фазовая последовательность напряжений на трех фазных выводах, любую из трех фаз можно назвать R. Тот фазный провод, который переносит напряжение с отставанием от фазного напряжения R на фазовый угол 120°, называется S, и фазное напряжение, отстающее от напряжения R на 240°, называется T. Конечно, вместо этого можно использовать любое другое соглашение по наименованию для различения трех фаз. Согласно варианту осуществления, показанного на фиг.1, устройство 100 подключено к каждой из трех фаз R, S и T, чтобы иметь возможность вводить сигнал связи силовой линии в каждую из трех фаз для передачи по силовой линии L, что позволяет принимать сигнал связи силовой линии в удаленном местоположении на любой из трех фаз R, S и T. Однако может быть достаточно вводить сигнал связи силовой линии только в одну из трех фаз и использовать индуктивную или емкостную перекрестную связь между тремя фазами при приеме сигнала связи силовой линии от другой из трех фаз.
Позиция 200 обозначает дополнительное устройство во втором местоположении, которое может представлять собой другой узел в сети связи на основе силовых линий на силовой линии L. В этом варианте осуществления второе местоположение является удаленным местоположением, где фазный провод неизвестен. Устройство 200 может содержать нагрузку или может быть удаленным измерительным прибором для измерения потребления электроэнергии потребителем, устройством-пробником, предназначенным для обнаружения фазы, или любым другим подходящим устройством. Оно подключено к силовой линии L в местоположении, удаленном от опорного местоположения. Согласно показанному варианту осуществления устройство 200 подключено между одной из фаз и нейтральным проводником N силовой линии L. В удаленном местоположении устройства 200, если просто смотреть на фазные проводники силовой линии L, непонятно, к какому из трех выводов R, S и T на вторичной подстанции подключено устройство 200. Это схематически представлено на фиг.1 посредством круга X. Этот круг указывает, что во многих случаях непросто проследить, как именно три фазы R, S и T проложены на пути из опорного местоположения устройства 100 в удаленное местоположение устройства 200. Например, участок X силовой линии L может быть заглублен или недоступен по другой причине или может быть просто слишком длинным для прослеживания точной прокладки трех фаз R, S и T.
Для отыскания фазного провода устройства 200 в удаленном местоположении, иными словами, для обнаружения, к какой из трех фаз R, S и T устройство 200 подключено в удаленном местоположении, два устройства 100 и 200 осуществляют связь друг с другом наподобие показанного на фиг.2a.
На фиг.2a R, S и T соответственно обозначают три фазных напряжения, где фазное напряжение S отстает на 120° от R и фазное напряжение T отстает на 120° от S. R+, S+ и T+ обозначают прохождения нуля соответствующих фазных напряжений R, S и T с положительным наклоном. R-, S- и T- обозначают прохождения нуля в соответствующих фазных напряжениях R, S и T с отрицательным наклоном.
C1 на фиг.2a обозначает сигнал, который устройство 100, показанное на фиг.1, вводит в, по меньшей мере, один из трех проводников R, S и T силовой линии L. На фиг.1 показан вариант осуществления, в котором сигнал C1 вводится во все фазные проводники силовой линии. Однако в силу эффектов перекрестной связи между фазными проводниками R, S и T вдоль силовой линии может быть достаточно вводить сигнал C1 только в один из фазных проводников. Также может быть полезно вводить сигнал C1 последовательно, по одному, методом проб и ошибок, в каждый из трех фазных проводников и концентрировать мощность введенного сигнала на соответствующем проводнике, чтобы, таким образом, увеличивать дальность распространения сигнала C1 по силовой линии. Сигнал C1 может представлять собой любой сигнал связи для переноса любого рода информации по сети связи на основе силовых линий. Сигнал C1 может представлять собой сигнал связи, специально не предназначенный для обнаружения фазного провода устройства 200 в удаленном местоположении. Сигнал C1 содержит характеристический шаблон сигнала, обозначенный DEL на фиг.2a. Устройство 100 вводит сигнал C1 в силовую линию с хронированием, которое можно, но необязательно синхронизировать с каким-либо из прохождений нуля трех фаз R, S и T. Сигнал C1 может начинаться в любой момент времени, не связанный с периодичностью 50 Гц на силовой линии L, и может определяться, например, потребностями связи между двумя устройствами 100 и 200 или между устройством 100 и любым другим устройством, подключенным к силовой линии L.
На фиг.2a T2 обозначает интервал времени между характеристическим шаблоном сигнала DEL в сигнале C1 и последующим появлением N-го прохождения нуля с положительным наклоном в неизвестном фазном проводе, к которому подключено устройство 200 в удаленном местоположении. N было выбрано равным 2 во избежание чрезмерного сокращения интервала времени T2, хотя, конечно, возможны и другие значения N, в том числе N=1. В примере, показанном на фиг.1, в иллюстративных целях указано, что устройство в удаленном местоположении 200 подключено к фазе S. Согласно фиг.2a интервал времени T2 заканчивается на втором прохождении нуля S+, следующим за характеристическим шаблоном сигнала DEL, переданным устройством 100 в опорном местоположении вдоль силовой линии L в удаленное местоположение. Устройство 200 в удаленном местоположении обнаруживает этот интервал времени T2.
T1 на фиг.2a обозначает интервал времени между появлением характеристического шаблона сигнала DEL в сигнале C1 и N-м прохождением нуля с положительным наклоном эталонной фазы. В показанном примере в качестве эталонной фазы выбрана R. По аналогии с тем, что было описано в отношении устройства 200, измеряющего интервал времени T2, устройство 100 в опорном местоположении измеряет интервал времени T1.
Интервал времени T3 обозначает разность между интервалом времени T1 и интервалом времени T2. Эта разность указывает неизвестную фазу, S в показанном примере, относительно эталонной фазы R в показанном примере. Когда информация T3 доступна, неизвестную фазу можно идентифицировать. Для получения разницы во времени T3 в этом варианте осуществления устройство 200 передает информацию о длительности T2, обнаруженной устройством 200, на устройство 100 в опорном местоположении, что позволяет устройству 100 получать разность T2-T1 и, таким образом, идентифицировать неизвестную фазу S в удаленном местоположении. Согласно альтернативному варианту осуществления устройство 100 в опорном местоположении передает информацию о длительности интервала времени T1 на устройство 200 в удаленном местоположении, и затем устройство 200 получает T3 из разности между T2 и T1 для идентификации своего фазного провода относительно эталонной фазы R. Какой из этих альтернативных вариантов осуществления предпочтителен, зависит от того, требуется ли информация обнаружения фазы в удаленном местоположении или в опорном местоположении.
Информацию относительно длительности соответствующего интервала времени T2 и T1, соответственно, можно передавать любым подходящим способом из одного местоположения в другое. Например, эту информацию можно передавать в формате цифрового кодирования в качестве сообщения сетевой связи с использованием силовой линии в качестве среды передачи. При передаче этой информации из одного местоположения в другое не предусмотрено никаких ограничений хронирования. После того, как информация передана, в результате чего длительности T1 и T2 доступны в одном и том же местоположении, можно вычислить разность T3 и обнаружить неизвестный фазный провод.
На фиг.2b показан пример структуры сигнала C1, передаваемого устройством 100 в опорном местоположении. Согласно примеру, показанному на фиг.2b, сигнал C1 является сигналом связи цифровой сети, передаваемым, например, посредством модулирования методом частотной манипуляции (FSK) несущей, пригодным для передачи по силовой линии, который сам по себе общеизвестен. Сигнал C1 распространяется в течение одного или нескольких периодов переменного тока по силовой линии и содержит преамбулу PRB, после которой следует начальный ограничитель кадра DEL, используемый для отделения последующего фрагмента информации от преамбульной части сигнала C1. Этот начальный ограничитель кадра является характеристическим шаблоном сигнала в сигнале C1, который можно использовать для определения интервалов времени T1 и T2, описанных со ссылкой на фиг.2a. Фрагмент информации, следующий за начальным ограничителем кадра DEL, можно структурировать любым подходящим способом, например, в соответствии с подходящим протоколом сети связи на основе силовых линий. В показанном примере LT обозначает длину кадра сигнала C1, после которой следует MAC-адрес IND, поле управления CTL, параметры повторения PR для избыточной передачи сигнала C1 в сети связи на основе силовых линий, после чего следует поле фактической информации, например, блок служебных данных уровня MAC, после которого следуют поле контроля CRC и конечный ограничитель кадра EFD. Информация об интервале времени T1, обнаруженном устройством, передающим сигнал, может быть включена в подходящий участок в сигнале C1, например, в информационное поле INF или в выделенное поле (не показано), которое появляется достаточно поздно в сигнале C1, чтобы интервал времени T1 закончился и, таким образом, перестал быть доступным. Ее можно разместить, например, перед полем PR или между полем PR и полем INF. Однако следует заметить, что формат сигнала, показанный на фиг.2b, является лишь одним примером, взятым из большого количества различных форматов сигнала и протоколов, которые можно использовать в сети связи на основе силовых линий. Любой характеристический шаблон сигнала наподобие начального ограничителя кадра DEL или конечного ограничителя кадра EFD можно использовать для измерения интервалов времени T1 и T2, показанных на фиг.2a. Конечно, вместо того, чтобы использовать ограничитель кадра, выделенный характеристический шаблон сигнала можно включить, например, в информационное поле INF, или в поле управления CTL, или в любое другое место в кадре сигнала C1. Характеристический шаблон сигнала может представлять собой уникальное кодовое слово или битовую последовательность в сигнале C1. Кроме того, характеристический шаблон сигнала может появляться в сигнале с кодированием с исправлением ошибок или без него. Если характеристический шаблон сигнала появляется в сигнале C1 в форме, кодированной для исправления ошибок, надежность обнаружения характеристического шаблона сигнала можно дополнительно повысить.
На фиг.3 показана блок-схема компонентов устройства 100, показанного на фиг.1, для передачи сигнала C1 в опорном местоположении. Предпочтительно, аналогичные компоненты также обеспечиваются в устройстве 200 в удаленном местоположении для обнаружения характеристического шаблона сигнала и для измерения интервала времени T1.
На фиг.3 позиция 1 обозначает цифровую схему связи, включающую в себя микропроцессор, выполняющий программы для передачи, приема, генерации и обработки сетевых сообщений в сети связи на основе силовых линий. Внутренние структуры схемы связи такого рода не существенны для показанного варианта осуществления. Они зависят от индивидуальных задач и функций сети связи на основе силовых линий и сами по себе общеизвестны. Цифровая схема связи имеет средство, например, выходной порт микропроцессора, для генерации сигнала C1, содержащего характеристический шаблон сигнала для передачи по силовой линии L. Позиция 2 обозначает схему для обнаружения появления характеристического шаблона сигнала в сигнале C1, которая будет объяснена ниже более подробно со ссылкой на фиг.4a. C2 обозначает выходной сигнал детектора 1 характеристического шаблона сигнала, причем сигнал C2 указывает появление характеристического шаблона сигнала в сигнале C1. Позиция 3 обозначает схему приемопередатчика, имеющую усилитель 32 передатчика и схему 31 приемника, которые подключены к силовой линии через разделительный конденсатор 4 или любое другое пригодное средство для изоляции схемы 3 приемопередатчика от силовой линии без блокировки передачи сигналов связи между силовой линией и схемой 3 приемопередатчика. Усилитель 32 передатчика получает цифровой сигнал C1 из схемы 1 связи и модулирует этим сигналом подходящую несущую для передачи. Приемник 31 принимает сигналы связи силовой линии через подходящее средство фильтрации, осуществляет подходящую операцию демодуляции и выдает сигнал данных на схему связи 1 для дальнейшей обработки. В устройстве 100 в опорном местоположении приемопередатчик 3, предпочтительно, подключен к, по меньшей мере, одному из трех проводников R, S и T, чтобы сигналы связи силовой линии, передаваемые схемой 100, были доступны на трех фазах согласно объясненному выше. Позиция 20 обозначает детектор прохождения нуля, подключенный к эталонной фазе R. Этот детектор может быть реализован просто посредством компаратора, который сравнивает входной сигнал фазы с нулем и выводит прямоугольный сигнал, синхронизированный с сигналом фазы на своем входе.
Позиция 5 обозначает заранее устанавливаемый счетчик, который осуществляет операцию обратного отсчета в соответствии с тактовым сигналом на входе CK1 счетчика 5. PST обозначает входы обратного счетчика 5 для программирования начального значения счетчика 5 для обратного отсчета. Начальное значение в двоичной форме, присутствующее на входах предварительной установки PST, загружается в счетчик в соответствии с сигналом «предварительная установка разрешена» на входе PE счетчика 5. 20 и 21 обозначают два младших бита выходного сигнала счетчика 5. Позиция 6 обозначает дополнительный счетчик, который осуществляет операцию отсчета тактовых импульсов, поступающих на вход CK2 счетчика 6. BT1 обозначает выходной сигнал счетчика 6, который является двоичным представлением длительности интервала времени T1. Позиции 7 и 9 обозначают логические элементы И, а позиция 8 обозначает логический элемент ИЛИ. На первый вход логического элемента И 7 поступает сигнал ZC из детектора 20 прохождения нуля. Другой вход логического элемента И 7 подключен к выходу логического элемента ИЛИ 8 для приема сигнала C3. Выход логического элемента И 7 соединен со входом тактового сигнала CK1 счетчика 5. На два входа логического элемента ИЛИ 8 поступают два младших бита 20 и 21 с выхода счетчика 5. Логический элемент И 9 принимает битовый тактовый сигнал BCK, генерируемый схемой восстановления тактового сигнала (не показана) в схеме связи 1 из сигнала C1 общеизвестным традиционным способом. На другой вход логического элемента И 9 поступает выходной сигнал C3 логического элемента ИЛИ 8. Выход логического элемента И 9 подключен ко входу тактового сигнала счетчика 6. BT2 обозначает информацию о длительности интервала времени T2, обнаруживаемого устройством 200. В этом варианте осуществления эта информация поступает посредством сети связи на основе силовых линий через приемник 31 от устройства 200 в удаленном местоположении.
Информация BT1 и BT2 надлежащим образом обрабатывается в схеме, не показанной на фиг.3, для отображения этой информации в значение фазы относительно эталонной фазы, которое указывает неизвестную фазу, к которой подключено устройство 200, или непосредственно в одну из трех фаз R, S и T. Эта операция может быть реализована разнообразными способами. Предпочтительно, разность между BT1 и BT2 вычисляется, и поисковая таблица используется для поиска фазного провода в зависимости от разности между BT1 и BT2. Согласно показанному варианту осуществления частота битового тактового сигнала выбрана равной 48 битам за период переменного тока 20 мс. Поисковая таблица содержит следующие записи:
В этой таблице записи 1, 3 и 5 указывают, что удаленное устройство 200 подключено к одному из трех фазных проводов силовой линии. Записи 2, 4 и 6 указывают провода инвертированной фазы удаленного устройства 200, в котором фазный вывод удаленного устройства 200 подключен к нейтрали, а нейтральный вывод удаленного устройство 200 подключен к одному из фазных проводов силовой линии. В схеме 1 связи может содержаться схема обработки для осуществления этой операции поисковой таблицы для отображения BT1-BT2 в одну из записей с 1 по 6. Конечно, можно использовать другие реализации для получения неизвестного фазного провода устройства 200.
На фиг.4a показан вариант осуществления детектора 2 характеристического шаблона сигнала. На фиг.4a позиция 19 обозначает сдвиговый регистр, имеющий восемь отводов в показанном примере. Конечно, в равной степени пригодны другие количества отводов, например, 12 отводов, в зависимости от количества битов, образующих характеристический шаблон сигнала, подлежащий обнаружению. Данные сдвигаются в сдвиговом регистре 19 в направлении сверху вниз на фиг.4a, показанном стрелкой, в соответствии с битовым тактовым сигналом BCK. Сдвиговый регистр 19 поддерживает в восьми позициях вывода историю восьми последних старших битов, переданных в сигнале C1, причем текущий бит поддерживается в самом верхнем показанном положении. На фиг.4a конкретное состояние сдвигового регистра 19 показано в целях иллюстрации. В показанном состоянии самый старый бит, а также текущий бит равны "0", тогда как шесть битов между ними равны "1". Этот битовый шаблон является начальным ограничителем кадра DEL, используемым в сигнале C1, который также используется в качестве характеристического шаблона сигнала. Соответственно, в целях иллюстрации на фиг.4a показано состояние обнаружения характеристического шаблона сигнала. Конечно, это состояние изменяется с каждым следующим импульсом битового тактового сигнала BCK. Позиции с 10 по 17 обозначают логические элементы исключающего ИЛИ (EXOR), каждый из которых имеет два входа. Один из двух входов каждого логического элемента исключающего ИЛИ 10-17 соединен с соответствующим одним из восьми выходных отводов сдвигового регистра 19. Один из входов логического элемента исключающего ИЛИ 10 подключен к верхнему отводу сдвигового регистра, удерживающему текущий бит, а на другой его вход поступает сигнал с логическим уровнем "1". То же самое справедливо к логическому элементу исключающего ИЛИ 17, один из входов которого подключен к отводу, удерживающему самый старый из восьми битов в сдвиговом регистре 19. На входы других логических элементов исключающего ИЛИ 11-16, не подключенные к сдвиговому регистру, поступает сигнал с логическим уровнем "0". Таким образом, детектор 2 характеристического шаблона сигнала запрограммирован на обнаружение конкретного заранее определенного характеристического шаблона сигнала 01111110. Выходы логических элементов исключающего ИЛИ 10-17 подключены к соответствующим входам логического элемента И 18. Выходной сигнал логического элемента И 18 несет позицию C2. Этот выходной сигнал указывает появление характеристического шаблона сигнала в сигнале C1. Конечно, характеристический шаблон сигнала 01111110 приведен лишь в качестве примера. Возможны, конечно, и другие реализации характеристического шаблона сигнала как в отношении его длины, так и в отношении его битовой последовательности.
В ходе работы детектор характеристического шаблона сигнала, показанный на фиг.4a, непрерывно сдвигает последовательность входящих битов сигнала C1 через сдвиговый регистр 19. Цепочка логических элементов исключающего ИЛИ 10-17 проверяет битовый шаблон, хранящийся в сдвиговом регистре 19, на предмет совпадения этого битового шаблона с инвертированным битовым шаблоном, присутствующим на соответствующих других входах логических элементов исключающего ИЛИ 10-17. Только в случае полного совпадения пары входов всех логических элементов исключающего ИЛИ 10-17 имеют разные логические уровни, и все выходы логических элементов исключающего ИЛИ 10-17 соответственно имеют логический уровень сигнала "1", поэтому выходной сигнал C2 логического элемента И 18 принимает значение логической "1". На фиг.4b показана диаграмма хронирования для иллюстрации сигнала C1, битового тактового сигнала BCK и выходного сигнала C2 детектора характеристического шаблона сигнала, изображенного на фиг.4a.
На фиг.5 показана диаграмма хронирования, иллюстрирующая работу схемы, показанной на фиг.3. Согласно фиг.5 в сигнале C2 появляется импульс, когда схема 2 обнаруживает появление характеристического шаблона сигнала в сигнале C1. Этот импульс C2 появляется во входном сигнале «предварительная установка разрешена» счетчика 5 и выполняет предварительную установку счетчика на значение N, задающее количество опорных точек между появлением характеристического шаблона сигнала и концом интервала времени T1. Это количество N опорных точек может быть равно 1 или больше 1, например, N=2, чтобы гарантировать, что интервал времени T1, измеренный схемой, показанной на фиг.3, имеет определенную длительность, даже если характеристический шаблон сигнала появляется вблизи опорной точки, обнаруженной схемой, показанной на фиг.3.
Сигнал ZC, показанный на фиг.5, это выходной сигнал детектора прохождения нуля, указывающий появление прохождений нуля в эталонной фазе R. Логический элемент ИЛИ 8 в схеме, показанной на фиг.3, удерживает сигнал C3 на логическом уровне "1", пока обратный счетчик 5, предварительно установленный посредством импульса сигнала C2, не достигнет нулевого значения. Поскольку вариант осуществления, показанный на фиг.3, предусматривает использование значения N=2, простого логического элемента ИЛИ достаточно для генерации этого сигнала C3, который принимает логический уровень единицы, начиная с появления характеристического шаблона сигнала и заканчивая моментом, когда обратный счетчик 5 достигает нуля. Пока C3 находится на логическом уровне 1, импульсы от детектора 20 прохождения нуля появляются на входе тактового сигнала CK1 обратного счетчика 5 благодаря логическому элементу И 7. Два выходных сигнала 20 и 21, показанных на фиг.5, указывают, что происходит на выходе обратного счетчика 5 при поступлении сигнала C2 на вход «предварительная установка разрешена» PE. Пока сигнал C3 находится на логическом уровне 1, логический элемент И 9 обеспечивает на своем выходе стробированный битовый тактовый сигнал BCK из схемы восстановления битового тактового сигнала, который предписывает счетчику 6 осуществлять операцию отсчета, в результате чего счетчик 6 осуществляет измерение интервала времени T1 между появлением характеристического шаблона сигнала и последующим появлением второй опорной точки в эталонном фазном напряжении. Согласно фиг.5 в ходе этой операции измерения длительности интервала времени T1 два фронта тактового импульса появляются на входе тактового сигнала CK1 обратного счетчика 5. Длительность состояния логической 1 в сигнале CK1 после второго фронта тактового импульса очень мала вследствие того, что переход в выходном сигнале 20 от "1" к "0" в ответ на второй фронт тактового импульса вынуждает сигнал C3 принять логический уровень 0, в результате чего логический элемент И 7 также выдает логический "0".
Схема и ее действие, описанные со ссылкой на фиг.3, 4a, 4b, 5, обеспечены в устройстве 100, показанном на фиг.1. Аналогичная схема обеспечена в устройстве 200, показанном на фиг.1, где вход детектора 20 прохождения нуля подключен к неизвестной фазе, а не к эталонной фазе R, как показано. Интервал времени, отсчитываемый счетчиком 6 в устройстве 200, равен T2. Кроме того, устройство 200 отличается от схемы в устройстве 100, показанном на фиг.3, тем, что информация, полученная счетчиком 6, о длительности интервала времени T2 поступает на узел связи 1 для передачи в форме явного сообщения на устройство 100. Нет необходимости обеспечивать средство вычисления разности между T1 и T2 в устройстве 200. Эти адаптации схемы, показанной на фиг.3, для устройства 200 являются незначительными модификациями, которые непосредственно следуют из вышеприведенного описания структуры и функции варианта осуществления.
Первое и второе местоположения могут представлять собой узлы в системе связи на основе силовых линий, например, в системе связи на основе силовых линий для дистанционного измерения потребления электроэнергии. Такая система может содержать совокупность дистанционных электроизмерительных приборов, а также концентратор, действующий как главное устройство при осуществлении связи с совокупностью удаленных измерительных приборов. Когда удаленный измерительный прибор принимает сигнал C1 от концентратора, он подсчитывает количество битов от характеристического шаблона сигнала до следующего (или в более общем случае N-го) прохождения нуля напряжения фазы, к которой он подключен. Измерительный прибор возвращает на концентратор ответное сообщение, несущее эту информацию. Концентратор может определять разность между количеством битов, подсчитанным и переданными удаленным измерительным прибором, и количеством битов от характеристического шаблона сигнала до следующего (или N-го) прохождения нуля, подсчитанным концентратором, чтобы определить, к какой фазе подключен удаленный измерительный прибор. Если удаленный измерительный прибор принимает в сообщении от концентратора информацию о количестве битов, подсчитанном концентратором, измерительный прибор может определить свой фазный провод из этого количества и количества битов, подсчитанного им. Измерительный прибор может передавать результат, например, одну из записей от 1 до 6 в вышеприведенной таблице, на концентратор, чтобы информировать его о фазном проводе удаленного измерительного прибора, обнаруженном удаленным измерительным прибором.
Заметим, что описанные варианты осуществления могут быть модифицированы различными способами. Например, схема 2 обнаружения характеристического шаблона сигнала была показана для осуществления операции сопоставления между заранее запрограммированным битовым шаблоном и битовой последовательностью в сдвиговом регистре 19. Однако может быть выгодно использовать код исправления ошибок для защиты характеристического битового шаблона и для реализации схемы, оценивающей содержимое сдвигового регистра 19 в качестве декодера для декодирования характеристического шаблона сигнала, кодированного для исправления ошибок, с целью повышения устойчивости к шуму схемы 2 детектора характеристического шаблона сигнала. Надлежащие методы кодирования с исправлением ошибок общеизвестны и описаны в любом учебнике по кодам исправления ошибок их применения. Кроме того, следует заметить, что схема, показанная на фиг.3 для измерения интервала времени между появлением характеристического шаблона сигнала в сигнале C1 и появлением N-й опорной точки в эталонной фазе и неизвестной фазе соответственно, является лишь одним примером из большого количества различных схем, которые можно использовать для осуществления этого измерения интервала времени. Хотя варианты осуществления, показанные на фиг.3, предусматривают использование битового тактового сигнала в сигнале C1 для измерения интервала времени T1 и T2 соответственно, для генерации тактового сигнала, отсчитываемого счетчиком 6, альтернативно, можно использовать генератор тактового сигнала в режиме свободной генерации.
Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения фазного провода с неизвестным фазным напряжением в удаленном местоположении (200) относительно эталонного фазного напряжения (R) в опорном местоположении (100) в системе распределения электроэнергии, имеющей однофазную или многофазную силовую линию (L), содержит схему (1, 3, 32) для передачи сигнала (С1) из опорного местоположения (100) в удаленное местоположение (200), причем сигнал содержит характеристический шаблон сигнала (DEL). Кроме того, предусмотрена схема для обнаружения, в удаленном местоположении, характеристического шаблона сигнала (DEL) для сигнала (С1) и для определения первого интервала времени (Т1) между характеристическим шаблоном сигнала и появлением опорной точки (S+) в неизвестном фазном напряжении. Предусмотрена схема (2, 5 до 9) для определения, в опорном местоположении (100), второго интервала времени (Т2) между характеристическим шаблоном сигнала и появлением опорной точки (R+) в эталонном фазном напряжении (R). Система определяет фазный провод (S) с неизвестным фазным напряжением из первого интервала времени Т1 и второго интервала времени Т2. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.
схему (1, 3, 32) для передачи сигнала (С1) из первого местоположения (100) во второе местоположение (200), причем сигнал содержит характеристический шаблон сигнала (DEL),
схему (2, 5-9) для измерения в первом местоположении (100) первого интервала времени (Т1) между характеристическим шаблоном сигнала (DEL) и появлением опорной точки (R+) в фазном напряжении (R) в первом местоположении (100),
схему (2, 5-9) для обнаружения во втором местоположении характеристического шаблона сигнала для сигнала (С1) и для измерения второго интервала времени (Т2) между характеристическим шаблоном сигнала (DEL) и появлением опорной точки (S+) во втором фазном напряжении во втором местоположении (200), и
схему (1) для определения из первого (Т1) и второго (Т2) интервалов времени фазного провода (S) с неизвестным одним из первого и второго фазных напряжений относительно другого из первого и второго фазных напряжений, служащего эталонным фазным напряжением.
средство (7, 16) передачи информации, указывающей второй интервал времени (Т2), из второго местоположения (200) в опорное местоположение (100).
система содержит средство передачи информации, указывающей первый интервал времени (Т1), из первого местоположения во второе местоположение.
средство запуска счетчика свободного режима при обнаружении характеристического шаблона сигнала (DEL) и
средство считывания значения, подсчитанного счетчиком, при появлении опорной точки.
передачи совокупности характеристических шаблонов сигналов (DEL) с разным хронированием, и/или в разных участках спектра, и/или модулированных с расширением по спектру посредством различных кодов расширения и
для каждого из совокупности шаблонов передаваемого сигнала
определения во втором местоположении (200) первого интервала времени (Т1) между характеристическим шаблоном сигнала для сигнала и появлением опорной точки (S+) во втором фазном напряжении,
определения в первом местоположении (100) первого интервала времени (Т1) между характеристическим шаблоном сигнала (DEL) и появлением опорной точки (R+) в первом фазном напряжении (R),
позволяющее получить совокупность первых интервалов времени (Т1) и соответствующих вторых интервалов времени (Т2),
причем схема (1) для определения фазного провода способна определять фазный провод из совокупности первых и вторых интервалов времени (Т1, Т2).
средство вычисления разности между каждым первым интервалом времени и связанным с ним вторым интервалом времени,
средство определения предварительного фазного провода из каждой полученной таким образом разности и
средство выбора того фазного провода, который имеет большинство среди определенных таким образом предварительных фазных проводов.
передают сигнал (С1) из первого местоположения (100) во второе местоположение (200), причем сигнал содержит характеристический шаблон сигнала (DEL),
измеряют в первом местоположении (100) первый интервал времени (Т1) между характеристическим шаблоном сигнала (С1) и появлением опорной точки (R+) в первом фазном напряжении (R),
обнаруживают во втором местоположении (200) характеристический шаблон сигнала и измеряют второй интервал времени (Т2) между характеристическим шаблоном сигнала (С1) и появлением опорной точки (S+) во втором фазном напряжении (S), и
определяют из первого (Т1) и второго (Т2) интервалов времени фазного провода (S) с неизвестным одним из первого и второго фазных напряжений относительно другого из первого и второго фазных напряжений, служащего эталонным фазным напряжением.
| DE 4405809 A1, 31.08.1995 | |||
| US 2003169029 A1, 11.09.2003 | |||
| Устройство для контроля последовательности фаз и пропадания фазы трехфазной сети | 1987 |
|
SU1458838A1 |
| Индикатор фаз | 1990 |
|
SU1739317A1 |
