СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ ПО ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD FOR RECEIPT AND TRANSMISSION OF INFORMATION VIA AC POWER LINES

Изобретение относится к системам передачи информации по линиям энергоснабжения.
Изобретение может быть использовано для создания эффективных систем телеметрии и дистанционного управления потребителями электроэнергии по линиям энергоснабжения, в том числе в системах управления уличным освещением; бытовыми электроприборами; промышленным оборудованием.
Задача обмена информацией по линиям электроснабжения является актуальной. В большинстве систем обмена информацией по линиям энергоснабжения традиционно используются электросетевые модемы. Но при проектировании и эксплуатации таких модемов имеется ряд проблем и ограничений.
Во-первых, это требования международных и государственных стандартов по электромагнитной совместимости устройств, передающих информацию по распределительным электрическим сетям энергоснабжения, которые 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, это требования к минимизации стоимости системы передачи информации и эксплуатационных расходов.
Цель данного изобретения - предложить надежный, дешевый, легко реализуемый способ обмена информацией по сети энергоснабжения.
Известен способ адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока C1 RU 2390933, 2008.09.29, МПК Н04В 3/54, H02J 13/00, заключающийся в том, что в начале линии размещают передатчик, состоящий из микропроцессорного блока, датчика моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения и управляемого коммутатора, 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.
Существенными признаками, совпадающим с заявляемым изобретением, является то, что в начале линии размещают передатчик, состоящий из микропроцессорного блока, датчика моментов перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения и управляемого коммутатора, который 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.
Недостатком данного способа является невозможность передать ответную информацию от подчиненных узлов, расположенных вдоль линии, к главному узлу, расположенному в начале линии.
Цель данного изобретения - предложить способ двунаправленного обмена информацией по питающей электрической сети переменного тока между главным узлом, распложенным в начале линии, и подчиненными узлами, расположенными вдоль линии.
Техническим результатом применения данного изобретения является возможность двунаправленного обмена информацией между главным и подчиненными узлами по линиям электроснабжения переменного тока.
В предлагаемом способе поставленную задачу решают следующим образом.
Создается система передачи данных по линии электроснабжения переменного тока, состоящая из главного узла, подключенного в начале линии, и множества подчиненных узлов, распределенных вдоль линии. Схема система передачи данных приведена на фиг.1, где цифрами обозначены:
1 - источник синусоидальной э.д.с.;
2 - управляемый коммутатор питающего напряжения главного узла;
3 - управляющий микроконтроллер главного узла;
4 - пороговый датчик напряжения главного узла;
5 - пороговый датчик напряжения подчиненного узла;
6 - управляющий микроконтроллер первого подчиненного узла;
7 - управляемый коммутатор первого подчиненного узла;
8 - резистор первого подчиненного узла;
9 - пороговый датчик напряжения последнего подчиненного узла;
10 - управляющий микроконтроллер последнего подчиненного узла;
11 - управляемый коммутатор последнего узла;
12 - резистор последнего подчиненного узла;
13 - конденсатор.
Главный узел состоит из управляемого коммутатора питающего напряжения 2, управляющего микроконтроллера 3, порогового датчика напряжения 4.
Пороговый датчик напряжения 4 выдает на своем выходе напряжение положительной полярности в случае, если абсолютное значение мгновенного напряжения в электросети меньше заданного уровня, в других случаях напряжение на выходе порогового датчика равно нулю.
Управляемый коммутатор 2 может прерывать подачу питающего напряжения в линию по сигналу, поступающему от управляющего микроконтроллера 3. Переключение коммутатора из замкнутого в разомкнутое состояние происходит по сигналу управляющего микроконтроллера в момент перехода тока в линии через ноль. Переключение коммутатора из разомкнутого в замкнутое состояние происходит по сигналу управляющего микроконтроллера в момент перехода напряжения в линии через ноль.
Управляющий микроконтроллер 3 получает на свой вход сигналы от порогового датчика 4 и выдает сигналы управления коммутатором 2 для прерывания подачи питающего напряжения в линию.
Первый подчиненный узел состоит из порогового датчика напряжения 5, управляющего микроконтроллера 6, резистора 8 и управляемого коммутатора 7. Остальные подчиненные узлы имеют такую же структуру и функции.
Пороговый датчик напряжения подчиненного узла 5 аналогичен пороговому датчику главного узла 4 по выполняемым функциям и выходным сигналам.
Управляющий микроконтроллер подчиненного узла получает на свой вход сигналы от порогового датчика 5 и выдает сигналы управления коммутатором 7.
Управляемый коммутатор подчиненного узла 7 подключает резистор 8 к электросети по сигналам микроконтроллера 6.
Каждый подчиненный узел имеет свой уникальный адрес (идентификатор). Адрес обозначается положительным целым числом, в качестве адреса можно, например, использовать порядковый номер подчиненного узла в линии.
Процесс передачи информации от главного узла к подчиненному происходит следующим образом.
Информация, которую нужно передать, записывается символами определенного алфавита. Каждый символ этого алфавита имеет свой порядковый номер (в дальнейшем используется термин "код символа"). Передаваемая информация представляется последовательностью символов этого алфавита.
Передаваемую информацию делят на пакеты. Каждый пакет состоит из последовательности символов фиксированной длины. Неполный последний пакет дополняют до полной длины, каким либо заполнителем, например, пробелами.
Затем каждый пакет обрабатывают следующим образом: вместо символа алфавита записывают его код.
Для того чтобы указать, какому подчиненному узлу предназначена информация, в начало каждого пакета добавляют идентификатор (адрес) подчиненного узла, также записанный положительным целым числом.
Передача пакета заключается в модуляции основной гармоники питающего напряжения. Модуляция осуществляется путем прерывания питающего напряжения на время, равное половине периода основной гармоники (полуволны), с началом в точке перехода основной гармоники питающего напряжения через ноль. В дальнейшем для обозначения такого прерывания используется термин "маркер". Процесс кодирования передаваемого символа заключается в такой расстановке маркеров, чтобы количество полуволн питающего напряжения, происходящих между двумя маркерами, было равно коду символа. В дальнейшем интервал между двумя маркерами называется "полем" пакета.
Таким образом, максимальное количество полуволн, которое может быть между двумя маркерами, будет равно количеству символов в алфавите, используемом для кодирования информации, а минимальное будет равно одной полуволне. В случаях, когда требуется увеличить минимальное расстояние между маркерами, например, для соблюдения нормативных требований к качеству питающего напряжения, к каждому коду символа в алфавите добавляется положительное целое число (смещение).
Процессом расстановки маркеров управляет микроконтроллер главного узла 3, который подает сигнал на отключение или включение коммутатору 2. Синхронизация управляющих сигналов осуществляется на основании сигналов, поступающих от порогового датчика напряжения 4.
Первым передают маркер начала пакета, после которого в линию пропускают необходимое количество полуволн основной гармоники, равное коду адреса (идентификатора) подчиненного узла. Затем передают маркер - разделитель полей, 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.
Эпюра напряжения в линии, при передаче пакета информации от главного узла к подчиненному, приведена на фиг.2, на которой цифрами обозначены:
14 - маркер начала пакета;
15, 17, 19 - поля пакета;
16, 18 - маркеры - разделители полей пакета;
20 - маркер окончания пакета информации, передаваемой от главного узла.
После маркера окончания пакета через заранее заданное число полуволн главный узел выполняет прерывание питающего напряжения (маркер приема) и ждет ответной информации от подчиненного узла.
Микроконтроллер подчиненного узла 6 на основании сигналов, поступающих от порогового датчика напряжения 5, выявляет маркеры начала пакета и раздельные маркеры между полями, а также подсчитывает количество полуволн напряжения питания между маркерами. По соответствию количества подсчитанных импульсов и кода в заданном алфавите определяют символ, переданный в каждом поле.
Если идентификатор подчиненного узла и адрес, переданный в первом поле пакета, не совпадают, пакет игнорируется и подчиненный узел ждет следующего пакета от главного узла. Так как идентификатор каждого подчиненного узла в линии уникален, ответную информацию будет передавать только тот узел, в адрес которого был направлен пакет от главного узла.
Отключение источника синусоидальной э.д.с. 1 происходит в момент перехода тока в линии через ноль, при этом конденсатор 13 заряжен до уровня напряжения, близкого к амплитудному. Поэтому напряжение в линии после размыкания коммутатора 2 остается выше порога срабатывания порогового датчика главного узла 4 и сигнал на его выходе нулевой.
Информацию, которую необходимо передать от подчиненного узла главному, кодируют двоичной последовательностью заранее заданной длины. Передачу начинают с первого бита двоичной последовательности. Если передаваемый бит равен "1", то микроконтроллер подчиненного узла 6 выдает сигнал управления коммутатору 7 и резистор 8 подключается к линии. При этом происходит разряд конденсатора 13 и пороговый датчик напряжения 4 выдает импульс, поступающий на вход микроконтроллера главного узла 3. Микроконтроллер главного узла 3, получив импульс на интервале маркера приема, записывает бит "1" в принятую двоичную последовательность.
Если передаваемый бит равен "0", то подключения резистора 8 не происходит и конденсатор 13 не разряжается. При этом пороговый датчик напряжения 4 не будет выдавать импульс на интервале маркера приема и микроконтроллер главного узла записывает бит "0" в принятую двоичную последовательность.
Далее процесс повторяют для всех битов двоичной последовательности, которая должна быть передана от подчиненного узла к главному.
1
2
Эпюры напряжения в линии u(t) и сигналов u(t) на выходе порогового датчика напряжения главного узла 4 приведены на фиг.3, со следующими обозначениями:
21 - верхний порог срабатывания порогового датчика напряжения;
22 - напряжение в линии при передаче подчиненным узлом бита "1";
23 - напряжение в линии при передаче подчиненным узлом бита "0";
24 - нижний порог срабатывания порогового датчика напряжения;
25 - сигнал на выходе порогового датчика напряжения при передаче бита "1";
26 - сигнал на выходе порогового датчика напряжения при передаче бита "0".
По окончании сеанса обмена информацией выдерживают гарантированную паузу, прежде чем начать передачу следующего пакета.
Если эквивалентное сопротивление линии электроснабжения имеет емкостной характер, конденсатор 13 можно не устанавливать.
Для реализации описанного выше способа используются следующие промышленные или заказные изделия.
В качестве микроконтроллера можно использовать любой из серийно выпускаемых 8-ми разрядных микроконтроллеров, например, производства фирмы Atmel (http://www.atmel.com).
Пороговый датчик напряжения можно реализовать аналогично датчику, приведенному в C1 RU 2390933, 2008.09.29, МПК Н04В 3/54, H02J 13/00.
В качестве управляемого коммутатора можно использовать оптотриак.
В качестве алфавита для кодирования можно использовать одну из компьютерных кодировок, например, ASCII (англ. American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информацией).
Стоимость используемых комплектующих невысока, поэтому затраты на создание системы обмена информацией по линии электроснабжения будут невелики. Система проста, практически не требует обслуживания, что позволит минимизировать эксплуатационные расходы.
Таким образом, достигнут технический результат, на который направлено данное изобретение, - возможность двунаправленного обмена информацией между главным и подчиненными узлами по линиям электроснабжения переменного тока.