Способ и устройство приема информации по линиям энергопитания переменного тока Российский патент 2021 года по МПК H04B3/54 H02J13/00 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для приема информации по линиям энергопитания переменного тока.

Передача и прием информации, в основном в целях мониторинга и/или дистанционного управления энергопотребителями, подключенных к линиям энергопитания переменного тока достаточно актуальна.

Для обмена информацией между двумя устройствами необходим канал связи. Известны технические решения организации отдельных каналов связи, в качестве которых можно использовать:

- дополнительно проложенные проводные каналы (например, витая пара);

- телефонные сети; радиосети;

- радиосети операторов мобильной связи GPRS (англ. General Radio Service - пакетная радиосвязь общего пользования) с выходом в сеть Интернет.

Наличие оконечного оборудования (интерфейсные блоки, модемы, маршрутизаторы и др.) приводит к лишним материальным затратам, уменьшает надежность и иногда помехозащищенность передачи информации. Например, малое применение систем, использующих радиоканалы, обусловлено недостаточной помехозащищенностью, необходимостью выделения отдельной частоты в радиоэфире, и следовательно получение разрешения от государственных служб радиоконтроля, а также большими затратами на их создание и эксплуатацию.

Наиболее актуально в качестве канала связи использовать линии энергопитания переменного тока, к которым подключены энергопотребители. На сегодняшний день чаще всего используются два способа передачи информации по силовым сетям: с модуляции наложенного напряжения и с модуляцией основной гармоники питающего напряжения.

Передача и прием информации с модуляцией наложенного напряжения имеет недостатки:

- нестабильность электромагнитных характеристик сетей энергопитания;

- высокий уровень электромагнитных помех, источниками которых являются потребители электроэнергии;

- жесткие ограничения на параметры передаваемых сигналов, и следовательно, высокий уровень технических и экономических требований к оборудованию систем передачи информации.

Обмен информацией с модуляцией основной гармоники питающего напряжения представляется более целесообразным исходя из простоты реализации, технических и экономических требований к оборудованию.

Заявляемый способ приема информации применим при реализации способа передачи информации по линиям энергопитания переменного тока, заявленного в патенте RU 2725756 (опубликован 06.07.2020), при котором информация, предназначенная для приема, представляет собой пакеты. Каждый пакет состоит из поля адреса и поля данных, ограниченных маркерами. Первый и второй маркер ограничивают поле адреса - номер устройства, для которого предназначены последующие данные. Второй и третий маркер ограничивают поле данных. Маркер представляет собой пониженный по амплитуде один полупериод сетевого напряжения. Информационный пакет показан на фиг. 1.

Известны селекторы импульсов, описанные в патентах RU 2309532, (опубликован 27.10.2007), RU 2317640 (опубликован 20.02.2008), RU 2173935(опубликован 20.09.2001), также селекторы, описанные в 8 главе книги Гольденберг Л.М. Импульсные устройства: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1981 и в 8 главе книги Браммер Ю.А., Пашук И.Н. Импульсная техника: Учеб. для учащихся электрорадиоприборостроительных техникумов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985, принятые за аналог.

Недостатки представленных селекторов амплитуды:

1. Рассчитаны на относительно малые амплитуды входных сигналов и соответственно требуют дополнительное согласующее устройство.

2. Пороговый уровень чаще всего задается дополнительным источником напряжения.

3. Отсутствие гальванической развязки.

4. Отсутствие селекции биполярных импульсов.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является упрощение приема информации при передаче информационных пакетов, выделение сигналов маркеров, адреса и данных. Задача решается следующим поэтапным способом:

1. Формирование положительного и отрицательного пороговых уровней.

2. Формирование токового сигнала, если мгновенное значение сетевого напряжения больше положительного порогового уровня или меньше отрицательного порогового уровня.

3. Преобразование токового сигнала в потенциальный сигнал.

4. Формирование инверсного сигнала из потенциального сигнала.

Устройство, реализующее данный способ, представляет собой селектор импульсов с амплитудой, выходящей за заданные пределы, строится по структуре, показанной на фиг. 2. Данное устройство подключается к питающей сети переменного тока параллельно потребителю электроэнергии.

Схемотехническая реализация способа представлена на фиг. 3.

Пороговое устройство состоит из последовательно включенных стабилитронов (например, по четыре на каждую полуволну питающего напряжения VD1-VD4 и VD5-VD8) и токоограничивающего резистора R1.

Абсолютное значение порогового напряжения составит:

где: U_стаб - напряжение стабилизации стабилитрона.

U_R - падение напряжения на токоограничивающем резисторе при номинальном токе светодиода оптопары.

ΔU_сд - падение напряжения на светодиоде оптопары.

ΔU_д - падение напряжения на стабилитронах в прямом включении.

Гальваническая развязка осуществляется транзисторными оптопарами U1 и U2. В качестве формирователя импульсов применен транзисторный ключ, построенный по схеме «общий эмиттер».

При положительной полуволне сетевого напряжения и при мгновенном значении этого натяжения меньше U_пop ток в цепи очень мал, транзистор оптопары закрыт, а транзистор VTI открыт положительным потенциалом на базе и на выходе всей схемы присутствует логический «0». При превышении мгновенного значения сетевого напряжения больше U_пор, стабилитроны VD1-VD4 переходят в режим пробоя. От тока, протекающего по цепи «сеть - стабилитроны VD1-VD4 - резистор R1 - светодиод оптопары U1 - стабилитроны VD5-VD8 - сеть», светодиод оптопары U1 создаст оптическое излучение и транзистор оптопары U1 открывается. Потенциал базы транзистора VT1 падает и он закрывается, формируя на выходе всей схемы логическую «1». При отрицательной полуволне сетевого напряжения процессы аналогичные, с той лишь разницей, что в режиме пробоя находятся стабилитроны VD5-VD8 и задействована оптопара U2.

Таким образом, схема селектора импульсов с амплитудой, выходящей за заданные пределы, формирует сигналы маркера в виде логического «О» и сигналы адреса и данных в виде логической «1», поступающие к приемнику информации потребителя электроэнергии. Отличительным фактором распознавания маркера является наличие на выходе схемы уровня логического «О» по времени длиннее, чем время полупериода сетевого напряжения». Процесс формирования импульсов представлен на фиг. 4.

Изобретение предназначено для приема информации по линиям энергопитания переменного тока, в том числе по распределительным электрическим сетям переменного тока напряжением 0,4 кВ и может быть использовано для дистанционного мониторинга и/или управления режимами работы потребителей электроэнергии, подключенных к линии энергопитания переменного тока.

Использование: в области электротехники для приема информации по линиям энергопитания переменного тока с модуляцией основной гармоники питающего напряжения. Технический результат - упрощение схемного решения приема информации при передаче информационных пакетов и выделения сигналов маркеров, адреса и данных и обеспечение гальванической развязки. Информация передается информационными пакетами, состоящими из поля адреса и поля данных, ограниченных маркерами. На приемной стороне для выделения сигналов маркеров применяют селектор импульсов, выделяющий сигналы с амплитудой, выходящей за установленные пределы. Сигналы маркера формируют в виде логического «0», по времени большего, чем время полупериода сетевого напряжения, а сигналы адреса и данных в виде логической «1». Устройство, реализующее способ, содержит последовательно соединенные стабилитроны, выполняющие функцию порогового устройства, транзисторные оптопары, выполняющие функцию гальванической развязки, и транзисторный ключ, выполняющий функцию формирователя импульсов. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ приема информации по линиям энергопитания переменного тока, предназначенный для выделения сигналов маркера, адреса и данных, из передаваемой в линию энергопитания информации, которая представляет собой информационные пакеты, причем каждый пакет состоит из поля адреса и поля данных, ограниченных маркерами, представляющими собой пониженный по амплитуде один полупериод сетевого напряжения, отличающийся тем, что для выделения сигналов маркеров адреса и данных из информационного пакета на приемной стороне применяется селектор импульсов с амплитудой, выходящей за заданные пределы, и состоящий из последовательно соединенных порогового устройства, гальванической развязки и формирователя импульсов, причем вход порогового устройства соединен с линией энергопитания, при этом пороговым устройством формируются положительный и отрицательный пороговые уровни, которые по абсолютному значению больше абсолютного значения амплитуды маркера и меньше абсолютного значения амплитуды сетевого напряжения и при превышении абсолютной величины мгновенного значения сетевого напряжения абсолютного значения пороговых уровней, пороговое устройство выдает выходной ток для последующей гальванической развязки, подключенной к выходу порогового устройства, при этом светодиод оптопары создает оптическое излучение, транзистор оптопары открывается, а при отсутствии входного тока светодиод и транзистор оптопары закрыты, выход гальванической развязки подключен к входу формирователя импульсов, на выходе которого формируются сигналы маркера в виде логического «0», по времени большего, чем время полупериода сетевого напряжения, и сигналы адреса и данных в виде логической «1», поступающие к приемнику информации потребителя электроэнергии.

2. Устройство приема информации по линиям энергопитания переменного тока, предназначенное для выделения сигналов маркера адреса и данных, если принимаемая информация, передаваемая в линию энергопитания представляет собой информационные пакеты, причем каждый пакет состоит из поля адреса и поля данных, ограниченных маркерами, представляющими собой пониженный по амплитуде один полупериод сетевого напряжения, отличающееся тем, что представляет собой селектор импульсов с амплитудой, выходящей за заданные пределы, и состоит из последовательно соединенных порогового устройства, гальванической развязки и формирователя импульсов, причем вход порогового устройства соединен с линией энергопитания, пороговое устройство представляет собой встречно-последовательно включенные две группы стабилитронов и последовательно включенный ограничивающий ток резистор, при этом стабилитроны формируют положительный и отрицательный пороговые уровни, которые по абсолютному значению больше абсолютного значения амплитуды маркера и меньше абсолютного значения амплитуды сетевого напряжения, ток с выхода порогового устройства поступает на вход гальванической развязки, реализованной на транзисторной оптопаре, с выхода гальванической развязки сигнал поступает на вход формирователя импульсов, представляющего собой транзисторный ключ, построенный по схеме «общий эмиттер», на выходе которого формируются сигналы маркера в виде логического «0», по времени большего, чем время полупериода сетевого напряжения, и сигналы адреса и данных в виде логической «1», поступающие к приемнику информации потребителя электроэнергии.