Способ и система адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока
METHOD AND SYSTEM FOR TARGETED TRANSMISSION OF INFORMATION OVER ALTERNATING CURRENT POWER SUPPLY LINES

Изобретение относится к системам передачи информации по линиям энергоснабжения, в частности для дистанционного управления потребителями электроэнергии.
Известны системы дистанционного управления потребителями электроэнергии по линиям энергоснабжения путем передачи информации, в том числе системами управления уличным освещением, бытовыми электроприборами, промышленным оборудованием путем передачи информации по линиям электроснабжения.
Задача передачи информации, в частности с целью управления потребителями электроэнергии, по линиям электроснабжения является особо актуальной. В большинстве систем передачи информации по линиям энергоснабжения традиционно используются электросетевые модемы. Сигнал передается по электросети с помощью наложения на основную гармонику питающего напряжения одной или нескольких несущих частот с амплитудным, частотным, фазовым способом модуляции сигнала либо их комбинацией. Но при проектировании и эксплуатации таких модемов имеется ряд проблем и ограничений.
Во-первых, требования международных и государственных стандартов по электромагнитной совместимости устройств, передающих информацию по распределительным электрическим сетям энергоснабжения, ограничивают энергетический уровень и гармонический состав передаваемых сигналов.
Во-вторых, специфические параметры распределительных сетей энергоснабжения обуславливают значительный уровень затухания передаваемых по сети сигналов, а также высокий уровень помех, генерируемых подключенным к сети оборудованием, что приводит к снижению надежности и дальности передачи информации.
В-третьих, требования к минимизации стоимости системы передачи информации и эксплуатационных расходов.
Известен способ контроля балласта флуоресцентных ламп с использованием прерываний питания (патент US 5107184, 21.04.1992, МПК H02J 13/00). Для управления включением/отключением ламп используются управляемые прерывания подачи питающего напряжения в течение полупериода основной гармоники, причем длительность временного интервала между прерываниями питания используется для управления яркостью ламп.
Существенным признаком, характеризующим изобретение, является то, что для передачи сигналов управления используется прерывание напряжения питания, и длительность временного интервала между ними используется как управляющий сигнал.
Недостатки данного способа заключаются в следующем.
Отсутствие адресной передачи сигнала управления ограничивает возможности реализуемой на его основе системы управления. Можно реализовать только групповой вариант управления, когда одна команда предназначена для выполнения ее всеми подчиненными устройствами.
Вторым недостатком является невозможность структурирования информации из-за отсутствия полей в команде.
Известен способ, система и устройство для передачи информации в электрической цепи между двумя аппаратами (заявка РФ № 2003106189 от 03.04.2001, опубл. 10.10.2004, МПК H02J 13/00), причем данные или информацию кодируют посредством регулируемых прерываний подачи сетевого электропитания, последовательности битов, образующей передаваемые двоичные данные, предшествует сигнал (старт) начала передачи данных, в частности, представленный одним из указанных регулируемых прерываний, имеющих длительность, которая больше длительности, ассоциируемой с битом реальных данных, технические средства для кодирования содержат твердотельный прерыватель или реле, например, симметричный триодный тиристор, который управляется посредством микроконтроллера и синхронизируется сигналом, детектирующим переход нуля напряжения электросети, отличающийся ассоциацией одного бита (или нескольких бит) с каждой полуволной напряжения электросети, где логика "1" соответствует наличию одного из указанных регулируемых прерываний (или поглощений мощности), а логика "0" соответствует отсутствию прерываний (поглощений мощности).
Недостаток этой системы заключается в том, что двоичное представление передаваемых данных и способ их кодирования путем комбинаций прерываний питающего напряжения приводит к тому, что количество и частота прерываний питающего напряжения будет зависеть от значения передаваемых двоичных данных и оказывать значительное влияние на качество питающего напряжения сети. Использование такого способа передачи может вывести параметры сети электропитания за пределы, регламентируемые международными и государственными стандартами, а также отрицательно сказаться на работе электросети.
Известен способ адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока (заявка РФ № 2016114220 от 12.04.2016, опубл. 17.10.2017, МПК H04B 3/54), заключающийся в том, что в начале линии размещают передатчик, состоящий из микропроцессорного блока, датчика моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения и управляемого устройства коммутации, которое может прерывать подачу питающего напряжения в линию на время, равное половине периода основной гармоники питающего напряжения, с началом в точке перехода основной гармоники через ноль, вдоль линии размещают множество приемников, каждый из которых состоит из микроконтроллера, к которому подключен датчик моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения, каждый приемник имеет свой порядковый номер (уникальный идентификатор приемника), передаваемую информацию кодируют последовательностью символов из заранее заданного алфавита, причем каждому символу соответствует его порядковый номер в алфавите (код символа), затем полученную последовательность символов формируют в пакеты фиксированной длины, каждый пакет состоит из поля идентификатора приемника и фиксированного количества числовых полей, в каждое числовое поле записывают соответствующий код символа передаваемой последовательности, затем пакет передают по линии электроснабжения, отличающийся тем, что в начале пакета выполняют первое прерывание питающего напряжения (маркер начала), затем значение поля идентификатора приемника кодируют подачей в линию соответствующего ему количества полуволн питающего напряжения, затем выполняют второе прерывание питающего напряжения (разделитель полей), после которого значение второго поля пакета кодируют подачей в линию соответствующего коду символа количества полуволн питающего напряжения, после которого выполняют следующее прерывание - разделитель полей и далее аналогично передают все остальные поля пакета, в каждом приемнике определяют моменты прерываний питающего напряжения по отсутствию импульсов, поступающих от датчика моментов перехода через ноль, с помощью микропроцессора приемника подсчитывают количество полуволн основной гармоники напряжения, прошедших между прерываниями, затем подсчитанному в каждом поле пакета количеству полуволн ставят в соответствие по значению кода символ заданного алфавита и таким образом восстанавливают переданный пакет, если принятый идентификатор не равен собственному идентификатору приемника, пакет игнорируют, по окончании приема пакета все приемники переводят в состояние ожидания маркера начала следующего пакета. Особенностью способа является то, что в процессе создания электродвижущей силы в электричество вводят идентификатор по крайней мере одного из источников электричества, или одного из потребителей электричества, или одной из линий электропередачи, или одного из распределителей электричества.
Недостатком данного способа и системы для его реализации является отсутствие возможности предоставления информации о запаздывании/опережении тока в линии, что вызывает погрешности в передаче информации.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Способ адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока» по патенту РФ № 2390933 (заявка РФ № 2008138801/09 от 29.09.2008 на изобретение, МПК Н04В 3/54, опубл. 27.05.2010), который заключается в том, что в начале линии размещают передатчик, состоящий из микропроцессорного блока, датчика моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения и управляемого устройства коммутации, которое может прерывать подачу питающего напряжения в линию на время, равное половине периода основной гармоники питающего напряжения, с началом в точке перехода основной гармоники через ноль, вдоль линии размещают множество приемников, каждый из которых состоит из микроконтроллера, к которому подключен датчик моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения, каждый приемник имеет свой порядковый номер (уникальный идентификатор приемника), передаваемую информацию кодируют последовательностью символов из заранее заданного алфавита, причем каждому символу соответствует его порядковый номер в алфавите (код символа), затем полученную последовательность символов формируют в пакеты фиксированной длины, каждый пакет состоит из поля идентификатора приемника и фиксированного количества числовых полей, в каждое числовое поле записывают соответствующий код символа передаваемой последовательности, затем пакет передают по линии электроснабжения, отличающийся тем, что в начале пакета выполняют первое прерывание питающего напряжения (маркер начала), затем значение поля идентификатора приемника кодируют подачей в линию соответствующего ему количества полуволн питающего напряжения, затем выполняют второе прерывание питающего напряжения (разделитель полей), после которого значение второго поля пакета кодируют подачей в линию соответствующего коду символа количества полуволн питающего напряжения, после которого выполняют следующее прерывание - разделитель полей и далее аналогично передают все остальные поля пакета, в каждом приемнике определяют моменты прерываний питающего напряжения по отсутствию импульсов, поступающих от датчика моментов перехода через ноль, с помощью микропроцессора приемника подсчитывают количество полуволн основной гармоники напряжения, прошедших между прерываниями, затем подсчитанному в каждом поле пакета количеству полуволн ставят в соответствие по значению кода символ заданного алфавита и таким образом восстанавливают переданный пакет, если принятый идентификатор не равен собственному идентификатору приемника, пакет игнорируют, по окончании приема пакета все приемники переводят в состояние ожидания маркера начала следующего пакета. Отключение нагрузки происходит следующим образом. Оптосимистор выполняет прерывание напряжения в нагрузке при переходе тока нагрузки через ноль. Оптосимистор выполняет восстановление напряжения в нагрузке при переходе напряжения питания через ноль. Это обусловлено физическими свойствами коммутатора (оптосимистора, твердотельного реле).
Коммутация активной нагрузки (cos φ=0) выполняется при переходе напряжения через ноль, т.к. фазы напряжения и тока резистивной нагрузки совпадают.
упр
дет
Микропроцессорный блок передатчика 2 формирует управляющий сигнал U, коммутатор (оптосимистор, твердотельное реле) выполняет прерывание и восстановление напряжения в нагрузке при переходе напряжения через ноль, детектор правильно считает количество полуволн (U).
На практике фазовый сдвиг между током и напряжением в линии электропитания равный нулю не встречается, т.к. осветительные приборы с импульсными источниками питания всегда вносят сдвиг фаз между током и напряжением в линии, т.е. всегда cos φ≠0. Коммутация реактивной нагрузки (cos φ≠0) может не совпадать с фазами напряжения. Восстановление напряжения в реактивной нагрузке выполняется при переходе напряжения через ноль ввиду отсутствия тока до коммутации. Прерывание напряжения в реактивной нагрузке выполняется только при переходе тока через ноль.
упр
дет
Микропроцессорный блок передатчика формирует управляющий сигнал U, коммутатор (оптосимистор, твердотельное реле) выполняет восстановление напряжения в нагрузке при переходе напряжения через ноль. Прерывание напряжения в реактивной нагрузке выполняется при переходе тока через ноль, в это время напряжение на нагрузке присутствует и детектируется как лишний импульс (U). Из Фиг. 8 видно, что передатчик передает числа 3 и 7, а приемники информации воспринимают искаженную информацию как числа 4 и 8.
Недостатком данного способа и системы для его реализации является наличие погрешности в передаче информации, обусловленной отсутствием возможности предоставления информации о запаздывании/опережении тока в линии. Предложенный способ и устройство для его реализации не позволяют учитывать сдвиг фаз между напряжением и током в питающей сети, в результате приемник получает искаженную информацию. Указанные способ и устройство для его реализации позволяют контролировать только напряжение в сети, и работоспособны лишь при отсутствии сдвига между напряжением и током в линии электроснабжения. Однако на практике в линии электроснабжения всегда имеется сдвиг между напряжением и током, особенно в режиме понижения мощности осветительных приборов, что в конечном итоге вызывает погрешность и предоставление искаженной передаваемой информации.
Этот недостаток способа и устройства по прототипу обусловлен использованием в качестве управляемого устройства коммутации питающего напряжения – твердотельного прерывателя, например симметричного триодного тиристора. Датчик переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль срабатывает только по напряжению и не может предоставить информации о запаздывании/опережении тока в линии.
Особенностью твердотельных прерывателей, например симметричных триодных тиристоров, является их способность изменить свою проводимость, а именно прерывать ток, только в моменты перехода тока через ноль, независимо от момента времени приложения управляющего напряжения к управляющему электроду.
В результате при наличии существенных сдвигов между напряжением и током в линии искажается временная диаграмма, приведенная в описании прототипа, вплоть до искажения передаваемой информации как в адресном поле, так и в поле данных. Например, передатчик хочет отправить число 10, а приемник воспринимает это как число 9, т.е. описанный в прототипе способ на практике не позволяет обеспечить точность и качество передаваемой по линиям электроснабжения электрического тока адресной информации.
Понятия и определения, используемые в описании изобретения
Коммутация электрических цепей
.
– разнообразные переключения, производимые во всевозможных электрических соединениях, а также в кабелях, проводах, трансформаторах, машинах, различных приборах и аппаратах, которые, так или иначе генерируют, распределяют и потребляют электроэнергию. Как правило, коммутацию сопровождают переходные процессы, возникающие в результате того, что токи и напряжение очень быстро перераспределяются в ветвях электрических цепей.Источник: https://electric-220.ru/news/kommutacija_ehlektricheskikh_cepej/2013-04-26-375
Пакет
– определенное количество информации, образованной последовательностью чисел, каждому из которых соответствует свое количество полуволн основной гармоники питающего напряжения.
Поле
– понимается временной интервал, ограниченный прерываниями питающего тока и напряжения, в течение которого выполняется счет полуволн основной гармоники питающего напряжения приемником.
Микроконтро́ллер
(
–англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электроннымиустройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи. Отличается от микропроцессора интегрированными в микросхему устройствами ввода-вывода, таймерами и другими периферийными устройствами.
Целью заявленного изобретения является повышение достоверности адресной передачи и приема информации по линиям электроснабжения переменного тока, в частности для обеспечения качественного дистанционного управления потребителями электроэнергии.
Технический результат заключается в повышении качества дистанционного приема и передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока и достоверности передаваемой информации.
Отличием заявленного технического решения от прототипа, обеспечивающим достижение указанного технического результата, является обеспечение возможности управления коммутацией с учетом величины сдвига между током и напряжением в линии электропитания, что повышает достоверность передаваемой информации.
Одним из существенных отличий от прототипа, обуславливающих достижение указанного технического результата, является выполнение каждого прерывания питающего напряжения и тока с учетом заранее (перед подачей пакета) измеренного угла сдвига между напряжением и током в линии электроснабжения (разделитель полей), после которого значение поля пакета передают подачей в линию электроснабжения соответствующего количества полуволн питающего напряжения, а также то, что после последнего разделителя полей в линию электроснабжения передают признак окончания передачи по линии электропитания передачей количества полуволн основной гармоники питающего напряжения, превышающего максимальное количество полуволн для полей.
Заявленный способ позволяет устранить погрешности в передаче информации путем использования информации о запаздывании/опережении тока в линии относительно напряжения.
Технический результат достигается тем, что для реализации способа адресной передачи информации по линии электроснабжения переменного тока:
в начале линии размещают передатчик, состоящий из микропроцессорного блока, датчика моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения и управляемого устройства коммутации, которое может прерывать подачу питающего напряжения в линию электроснабжения на время, равное половине периода основной гармоники питающего напряжения, с началом в точке перехода основной гармоники через ноль;
вдоль линии электроснабжения размещают множество приемников, каждый из которых состоит из микроконтроллера, к которому подключен датчик моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения, каждый приемник имеет свой уникальный порядковый номер;
информацию передают последовательностью чисел. Каждому числу соответствует свое количество полуволн основной гармоники питающего напряжения. Определенное количество информации образует пакет. Количество чисел в пакете фиксировано;
из полученной последовательности чисел формируют пакеты установленной длины, каждый пакет состоит из поля уникального порядкового номера приемника и установленного количества числовых полей, определяют максимальное количество полуволн для всех полей, в каждое числовое поле записывают количество полуволн основной гармоники питающего напряжения передаваемой последовательности;
затем пакет передают по линии электроснабжения, при этом измеряют угол сдвига между напряжением и током в линии электроснабжения;
в начале пакета выполняют первое прерывание питающего напряжения и тока (маркер начала пакета) с учетом измеренного угла сдвига между напряжением и током в линии электроснабжения;
затем значение поля уникального порядкового номера приемника передают подачей в линию электроснабжения соответствующего ему количества полуволн питающего напряжения, затем выполняют второе прерывание питающего напряжения и тока (разделитель полей) с учетом измеренного угла сдвига между напряжением и током в линии электроснабжения;
после которого значение второго поля пакета передают подачей в линию электроснабжения соответствующего количества полуволн питающего напряжения, после которого выполняют следующее прерывание питающего напряжения и тока с учетом измеренного угла сдвига между напряжением и током в линии электроснабжения (разделитель полей)
и далее аналогично передают все остальные поля пакета;
после последнего разделителя полей в линию электроснабжения передают признак окончания передачи по линии электропитания передачей количества полуволн основной гармоники питающего напряжения, превышающего максимальное количество полуволн для полей;
в каждом приемнике определяют моменты прерываний питающего напряжения по отсутствию импульсов, поступающих от датчика моментов перехода через ноль;
с помощью микропроцессора приемника подсчитывают количество полуволн основной гармоники напряжения, прошедших между прерываниями;
затем подсчитанному в каждом поле пакета количеству полуволн присваивается уникальный порядковый номер и номер команды и, таким образом, восстанавливают переданный пакет; если принятый уникальный порядковый номер не равен собственному уникальному порядковому номеру приемника, пакет игнорируют;
после приема признака окончания передачи все приемники переводят в состояние ожидания маркера начала следующего пакета.
Максимальное количество полуволн для любых полей любых пакетов – это константа, она известна заранее. Угол фаз между напряжением и током измеряется один раз перед отправлением пакета, затем выполняется первое прерывание, отсчитывается количество полуволн, затем второе прерывание, следующее количество полуволн, следующее прерывание и т.д. Пакет формируется еще до измерения угла.
Заранее известно, какому приемнику (уникальный порядковый номер) и что (команда) необходимо передать. Далее данные собирают в пакет, при этом известно, сколько полуволн должно быть в каждом поле между прерываниями. Далее измеряют угол между напряжением и током в линии электропитания и вычисляют необходимый сдвиг по времени момента прерывания напряжения. Все прерывания в пакете производят с учетом один раз измеренного угла. После пакета отправляют количество полуволн, которое максимально для полей пакетов (это известно изначально).
После этого можно готовить следующий пакет, измерять угол и передавать пакет.
Система, позволяющая реализовать заявленный способ, обеспечивающий устранение искажения принимаемой информации за счет предварительного измерения сдвига фаз (например, счетчиком электроэнергии) и вычисления необходимого сдвига по времени момента прерывания напряжения, включает: передатчик, включающий микропроцессор, соединенный с датчиком моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения, измерителем угла фаз между током и напряжением и управляемым устройством коммутации, выполненным с возможностью прерывания подачи питающего напряжения в линию электроснабжения; приемники, размещенные вдоль линии электроснабжения, каждый из которых включает микроконтроллер, соединенный с датчиком моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения. Каждый приемник имеет свой уникальный порядковый номер.
В качестве измерителя углов фаз напряжения и тока может использоваться, например, счетчик электроэнергии с функцией измерения косинуса φ (фи). Микропроцессор считывает значение косинуса фи со счетчика, вычисляет необходимый сдвиг по времени перед подачей каждого прерывания в линию.
t
Сдвиг по времени (∆) вычисляется из угла фазы между током и напряжением (φ). Угол фазы между током и напряжением (φ) измеряется в явном виде или вычисляется из параметра косинуса фи. Если известен косинус фи, то из него вычисляется угол фи по формуле ϕ=arccos(cos(ϕ)). Далее из угла фи вычисляется сдвиг по времени .
Тогда микропроцессорный блок передатчика будет иметь информацию о текущих фазах тока и напряжения в линии и сможет управлять управляемым устройством коммутации питающего напряжения таким образом, что приемники информации смогут принимать переданную информацию без искажений. При этом сдвиги фаз не устраняются, но устраняются искажения принимаемой информации приемниками за счет предварительного измерения сдвига фаз (косинуса фи) счетчиком электроэнергии и вычисления микропроцессором необходимого сдвига (смещения) по времени момента каждого прерывания в линию относительно сигналов с датчика перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения.
Данный способ позволяет устранить погрешности в передаче информации путем использования информации о запаздывании/опережении тока в линии относительно напряжения.
Система адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока включает передатчик, состоящий из микропроцессорного блока и измерителя углов фаз межу напряжением и током, например счетчика электроэнергии с функцией измерения косинуса φ(фи);датчик моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения и управляемого устройства коммутации, которое может прерывать подачу питающего напряжения в линию электроснабжения; вдоль линии электроснабжения размещают множество приемников, каждый из которых состоит из микроконтроллера, к которому подключен датчик моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения, при этом каждый приемник имеет свой уникальный порядковый номер.
Заявленные изобретения наглядно иллюстрируются на прилагаемых рисунках.
На фигурах 1–9 приведены временные диаграммы – эпюры питающего напряжения сети и импульсов, выдаваемых датчиком переходов основной гармоники через ноль.
На фиг 1. Временная диаграмма отключения идеальной резистивной нагрузки на 1 полупериод.
На фиг. 2. Временная диаграмма отключения емкостной нагрузки на 1 полупериод.
На фиг. 3. Временная диаграмма отключения индуктивной нагрузки на 1 полупериод.
На фиг 4. Временная диаграмма отключения идеальной резистивной нагрузки на 2 полупериода.
На фиг 5. Временная диаграмма отключения емкостной нагрузки на 2 полупериода.
На фиг 6. Временная диаграмма отключения индуктивной нагрузки на 2 полупериода.
На фиг. 7. Временная диаграмма коммутации активной нагрузки.
На фиг. 8. Временная диаграмма коммутации реактивной нагрузки.
На фиг. 9. Временная диаграмма коммутации реактивной нагрузки с компенсацией разности фаз между током и напряжением.
На фиг. 10. Система адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока.
На фиг. 11. Пример выполнения схемы датчика переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль.
Система адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока, приведенная на фиг. 10, включает:
1. Передатчик
2. Микропроцессорный блок передатчика.
3. Датчик моментов перехода основной гармоники питающего напряжения через ноль.
4. Управляемое устройство коммутации питающего напряжения.
5. Приемники информации.
6. Микропроцессорный блок приемника.
7. Линию электроснабжения.
8. Источник питающего переменного напряжения;
9. Измеритель угла фаз между током и напряжением.
Передатчик состоит из микропроцессорного блока передатчика 2, датчика переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль 3, управляемого устройства коммутации питающего напряжения 4 и измерителя фаз между током и напряжением 9.
Способ адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока осуществляется следующим образом.
Датчик переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль 3 непрерывно выдает импульсы напряжения с провалами в моменты перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения.
Управляемое устройство коммутации питающего напряжения 4 может прерывать подачу питающего напряжения в линию по сигналу, поступающему на его управляющий вход.
Микропроцессорный блок передатчика 2 получает на свой вход импульсы синхронизации от датчика 3 в моменты переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль. При этом измеритель фаз между током и напряжением измеряет значение косинуса φ (фи), это значение считывает микропроцессорный блок передатчика 2, вычисляет необходимое (для устранения искажений передаваемой информации) значение сдвига по времени момента подачи сигнала управления устройством коммутации.
Микропроцессорный блок передатчика 6 выдает сигналы управления устройством коммутации 4 для прерывания подачи питающего напряжения в линию электроснабжения 7.
Каждый приемник информации 5 включает датчик 3 переходов через ноль основной гармоники питающего напряжения и микропроцессорного блока приемника 6.
Микропроцессорный блок приемника 6 получает на свой вход импульсы с выхода датчика переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль 3, которые соответствуют переходам через ноль основной гармоники напряжения.
Каждый приемник информации 5 имеет свой уникальный порядковый номер.
Процесс передачи информации происходит следующим образом.
Информацию передают количеством полуволн основной гармоники питающего напряжения. Адрес обозначается положительным целым числом, в качестве адреса можно, например, использовать порядковый номер приемника в системе.
Информация, которую нужно передать, должна быть записана целыми положительными числами в пакете фиксированной длины. Каждое число соответствует своему количеству полуволн питающего напряжения и именуется в дальнейшем термином «код символа». Затем из полученной последовательности кодов формируют пакеты установленной длины.
Для того чтобы указать, какому приемнику предназначена информация, в начало каждого пакета добавляется идентификатор (адрес) приемника, также записанный положительным целым числом.
Передача пакета заключается в модуляции основной гармоники питающего напряжения. Модуляция осуществляется путем прерывания питающего напряжения на время, равное от половины периода основной гармоники до одного периода основной гармоники, с началом в точке перехода основной гармоники питающего тока через ноль и концом в точке перехода основной гармоники питающего напряжения через ноль. В дальнейшем для обозначения такого прерывания будет использоваться термин "маркер". Процесс кодирования символов информации заключается в такой расстановке маркеров, что количество переходов основной гармоники через ноль (равное количеству полуволн питающего напряжения), происходящих между двумя маркерами, должно быть равно передаваемому коду символа.
Таким образом, максимальное количество полуволн, которое может быть между двумя маркерами, будет равно максимальному значению кода символа кодированной информации, а минимальное будет равно одной полуволне. В случаях, когда требуется увеличить минимальное расстояние между маркерами, например, для соблюдения качества питающего напряжения, ко всем кодам символов добавляется фиксированное положительное целое число (смещение).
Процессом расстановки маркеров управляет микропроцессорный блок, который подает сигнал на отключение или включение устройству коммутации. Синхронизация управляющих сигналов осуществляется по импульсам, поступающим с датчика переходов через ноль.
В начале передачи пакета передают маркер начала, после которого в линию пропускают необходимое количество полуволн основной гармоники, равное коду адреса (идентификатора) приемника. Затем передают маркер-разделитель символов, после которого в линию пропускают количество полуволн, равное коду первого символа в пакете. Затем передают второй маркер-разделитель, и процесс повторяют до тех пор, пока не будет передан последний символ пакета и маркер окончания.
По окончании передачи пакета выдерживают гарантированную паузу, прежде чем начать передачу следующего пакета.
Эпюры питающего напряжения сети и импульсов, выдаваемых датчиком переходов основной гармоники через ноль, приведены на фиг. 1–9.
На практике фазовый сдвиг между током и напряжением в линии электропитания равный нулю не встречается, так как осветительные приборы с импульсными источниками питания всегда вносят сдвиг фаз между током и напряжением в линии, т.е. всегда cos φ≠0.
Коммутация реактивной нагрузки (cos φ≠0) может не совпадать с фазами напряжения. Восстановление напряжения в реактивной нагрузке выполняется при переходе напряжения через ноль ввиду отсутствия тока до коммутации. Прерывание напряжения в реактивной нагрузке выполняется только при переходе тока через ноль.
Блок передатчика формирует управляющий сигнал Uупр, коммутатор (оптосимистор, твердотельное реле) выполняет восстановление напряжения в нагрузке при переходе напряжения через ноль. Прерывание напряжения в реактивной нагрузке выполняется при переходе тока через ноль, в это время напряжение на нагрузке присутствует и детектируется как лишний импульс (Uдет) и проиллюстрировано на фиг. 8.
Из фиг. 8 видно, что передатчик передает числа 3 и 7, а приемники информации воспринимают искаженную информацию как числа 4 и 8.
Искажений принимаемой информации можно избежать, если управлять коммутатором линии с учетом величины сдвига между током и напряжением в линии электропитания.
Предлагаемый способ и устройство его реализации исключают искажение принимаемой информации благодаря возможности управления коммутатором линии с учетом величины сдвига между током и напряжением в линии электропитания.
В заявленном способе коммутация выполняется со смещением по времени, которое рассчитывается исходя из разности фаз между током и напряжением (cos φ).
При активной нагрузке опережение равно нулю.
При реактивной нагрузке смещение рассчитывается таким образом, чтобы прерывание напряжения в нагрузке выполнялось в момент максимума тока.
Блок передатчика формирует управляющий сигнал Uупр с учетом необходимых опережений, далее так же коммутатор (оптосимистор, твердотельное реле) выполняет прерывание и восстановление напряжения в нагрузке. Смещение компенсирует появление лишнего импульса, в результате чего датчик переходов через ноль правильно вырабатывает счетные импульсы и микропроцессорный блок приемника правильно считает количество полуволн (Uдет).
t
Управление коммутации линии в заявленном изобретении осуществляется с учетом величины сдвига между током и напряжением в линии электропитания, для чего выполняют отключение нагрузки с учетом сдвига по времени Δ, что позволяет устранить искажение принимаемой информации.
Предлагаемый способ и система для его реализации позволяют обеспечить передачу информации по линиям энергоснабжения, в частности для дистанционного управления потребителями электроэнергии без искажений направляемых данных.
Коммутация реактивной нагрузки с компенсацией разности фаз между током и напряжением представлена на фиг. 9.
Система передачи данных, представленная на фиг. 10, выполнена следующим образом. Передатчик 1 включает микропроцессорный блок передатчика 2, соединенный с датчиком переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль 3, измерителем фаз между током и напряжением 9 и управляемым устройством коммутации питающего напряжения 4.
Приемники информации 5 содержат датчики переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль 3, связанные с микропроцессорными блоками приемника 6. Датчики переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль 3 соединены с линией электроснабжения 7, соединенной с источником питающего переменного напряжения 8.
Датчик переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль 3 может быть реализован в соответствии со схемой, представленной на фиг. 11. В микропроцессорном блоке передатчика 2 и в микропроцессорном блоке приемника 6 могут быть использованы микропроцессоры серий STM32, STM8 производства компании STMicro, AVR производства компании Atmel, PIC производства компании Microchip. На фиг. 11 представлен датчик переходов через ноль, не содержащий микропроцессора.
В качестве управляемого устройства коммутации питающего напряжения 4 может быть использован оптосимистор или твердотельное реле, например SSR-40, SSR-100, производимые компанией Crydom, HD-4044.ZD3, производимые компанией KIPPRIBOR, или подобные.
В качестве измерителя фаз между током и напряжением 9 может быть использован счетчик электроэнергии с функцией измерения cos φ и возможностью считывания этой информации через цифровой интерфейс, например производимый компанией Инкотекс электросчетчик «Меркурий 234» или «Меркурий 236» или аналогичный.
В качестве микропроцессорного блока передатчика 2 или приемника 6 можно использовать любой из серийно выпускаемых современных микропроцессоров, например микроконтроллеры фирмы Atmel (http://www.atmel.com).
Вариант схемы выполнения датчика переходов через ноль основной гармоники питающего напряжения приведен на фиг. 11.
В схеме используются следующие элементы:
R1 – резистор 3 кОм;
R2 – резистор 220 кОм;
R3 – резистор 10 кОм;
DA1 – оптрон IDL207;
~220 В – линия подвода питающего напряжения сети;
Ucpu – напряжение питания микроконтроллера;
Uдет – сигнал датчика перехода через ноль.
Стоимость используемых комплектующих невысока, поэтому затраты на создание системы передачи информации по линии электроснабжения будут невелики. Система проста, практически не требует обслуживания, что позволит минимизировать эксплуатационные расходы.
Таким образом, достигнут технический результат, на который направлены данные изобретения, что в итоге позволит существенно сократить расходы, направленные на создание и эксплуатацию систем передачи информации по линиям электроснабжения.