УСТРОЙСТВО ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЕТЯМ
APPARATUS FOR RECEIVING AND TRANSMITTING INFORMATION OVER ELECTRIC POWER DISTRIBUTION NETWORKS

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системе передачи информации токами высокой частоты по распределительным электрическим сетям.
Одним из важных компонентов систем передачи информации по электрическим сетям является устройство присоединения аппаратуры связи к линии электропередачи, которое по существу является устройством согласования выхода приемо-передающей аппаратуры с входом кабельной линии по высокой частоте. Одновременно это устройство играет роль развязки между находящимися под высоким напряжением токоведущими жилами кабельной линии и заземленной (как правило) аппаратурой связи.
Известно устройство присоединения аппаратуры связи к линии электропередачи, содержащее высокочастотный трансформатор, один вывод первичной обмотки которого соединен с заземленной аппаратурой связи, а второй - заземлен. Вторичная обмотка трансформатора образована пропусканием проводника, заземляющего бронирующую оплетку и металлическую оболочку кабеля электропередачи через кольцевой сердечник трансформатора. Другим концом вторичная обмотка подключена к одному из выводов дросселя, второй вывод которого заземлен, а также через высоковольтные конденсаторы к трем токоведущим жилам кабеля электропередачи (Патент RU 2222103 С2; кл. H04B 3/54; публ. 20.01.2004 г.).
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения оптимального коэффициента передачи по напряжению от аппаратуры связи к токоведущим жилам кабеля. Вторичная обмотка высокочастотного трансформатора "…образована пропусканием проводника через кольцевой сердечник трансформатора…" и не составляет даже одного витка, в то время как первичная "…намотана на кольцевом сердечнике…". То есть, высокочастотный трансформатор является понижающим по отношению к напряжению, формируемому передатчиком. Последнее влечет за собой снижение напряжения полезного сигнала на высоковольтных конденсаторах и в токоведущих жилах кабеля, что затрудняет передачу информационного сигнала в линию и в конечном итоге снижает надежность связи.
Известно также устройство присоединения аппаратуры связи к линии электропередачи, содержащее трансформатор, один вывод первичной обмотки которого соединен с аппаратурой связи, а второй вывод заземлен, причем вторичная обмотка также образована путем пропускания проводника, заземляющего бронирующую оплетку и металлическую оболочку кабеля электропередачи через кольцевой сердечник трансформатора с намотанной на нем первичной обмоткой. Токоведущие жилы кабеля электропередачи заземлены через конденсаторы, последовательно соединенные с индуктивностями (Патент RU 2224360 С2; кл. H04B 3/54; публ. 20.02.2004 г.).
Один из недостатков этого устройства аналогичен приведенному выше. Кроме того, подсоединение токоведущих жил кабеля к контуру заземления через конденсаторы или через конденсаторы и индуктивности, образующие резонансный контур, настроенный на частоту передаваемого сигнала, влечет за собой шунтирование на землю входов шинных проводников трансформаторной или распределительной подстанций по высокой частоте. Это может быть полезным на оконечных подстанциях, там, где сигнал не должен распространяться через саму подстанцию. Однако, если сигнал, для того, чтобы достичь абонента, должен пройти через шинный мост подстанции (т.е. на промежуточных подстанциях) такое решение существенно снижает уровень проходящего сигнала, что отрицательно влияет на надежность и качество связи. Многократные отражения информационного сигнала от скачкообразного изменения волнового сопротивления линии передачи, вызванного таким соединением, может оказаться еще опаснее, чем его ослабление. В распределительных электрических сетях, состоящих из отрезков линий электропередачи небольшой протяженности, отраженный информационный сигнал на входе в приемное устройство может сложиться сам с собой, что приведет к искажению информации, передаваемой в информационном сообщении, вплоть до полного ее уничтожения. От искажения передаваемой информации, возникающего в результате сложения двух (или более) идентичных сигналов, при произвольном временном сдвиге последних, не защищают даже самые совершенные методы модуляции сигнала и способы его входной фильтрации и дешифровки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, является устройство приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям, содержащее передатчик, приемник, устройство согласования и развязки, включающее трансформатор с обмотками, причем входная обмотка трансформатора подключена к выходу передатчика, приемная обмотка - к входу приемника, а выходная обмотка через высоковольтный разделительный конденсатор соединена с электрической сетью (Патент RU 2315425 С2; кл. H04B 3/54, H04B 5/02; публ. 20.01.2008 г.).
Последовательное включение выходной обмотки трансформатора и разделительного конденсатора обеспечивает большое сопротивление устройства подсоединения на промышленной частоте (за счет большого характеристического сопротивления разделительного конденсатора). Высокое напряжение при этом практически все падает на разделительном конденсаторе, т.к. на частоте сети сопротивление выходной обмотки трансформатора сравнительно мало. Последнее обеспечивает безопасность подсоединения и эксплуатации связевой аппаратуры. В то же время на высокой частоте характеристическое сопротивление конденсатора мало, что способствует беспрепятственной передаче информационного сигнала в сеть и его надежному приему. Наличие многовитковой вторичной обмотки трансформатора позволяет обеспечить оптимальный коэффициент передачи по напряжению от передатчика к токоведущим жилам кабельной линии.
Однако для распределительных электрических сетей, состоящих из участков кабелей электропередачи, токоведущие жилы которых на подстанциях подключены к участкам шинных проводников, подобное исполнение устройства согласования и развязки не свободно от недостатков. К ним, в первую очередь, следует отнести то, что шинные проводники подстанций на частоте передачи имеют существенно большее волновое сопротивление, чем токоведущие жилы силового кабеля, что провоцирует отражения информационного сигнала от мест соединения кабеля и шины. Последнее, как уже упоминалось, влечет за собой искажения в передаваемом сообщении, что ведет к снижению надежности связи, осуществляемой по силовым сетям такой конфигурации.
Распределительные электрические сети, как правило, являются трехфазными, имеющими три токоведущих жилы в составе кабеля электропередачи. Подсоединение только к одной из этих жил, при ее повреждении, приводит либо к полной потере сигнала, либо к трудностям в его дешифровке. Все это уменьшает надежность связи при использовании данного устройства.
Задачей изобретения является повышение степени надежности связи при передаче информации по распределительным электрическим сетям.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявленного изобретения, заключается в достижении более высокой степени надежности связи и снижении уровня искажения сигнала при приеме и передаче информации по электрической сети, состоящей из участков кабелей электропередачи, токоведущие жилы которых подключены к участкам шинных проводников на трансформаторных и распределительных подстанциях сети.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве приема и передачи цифровой информации по электрическим сетям, содержащем передатчик, приемник, устройство согласования и развязки, включающее трансформатор с обмотками, где входная обмотка трансформатора подключена к выходу передатчика, приемная обмотка -к входу приемника, а выходная обмотка через высоковольтный разделительный конденсатор соединена с электрической сетью, состоящей из участков кабеля, устройство согласования и развязки дополнительно снабжено двумя высоковольтными разделительными конденсаторами и оснащено шунтами. Каждый из шунтов своими концами подключен к точкам соединения шинных проводников с соответствующими токоведущими жилами кабеля и состоит из последовательно соединенных емкости и индуктивности. Трансформатор дополнительно оснащен двумя выходными обмотками, причем каждая из трех выходных обмоток трансформатора одним своим выводом через высоковольтный разделительный конденсатор подключена к одному из концов соответствующего шунта, а другим - к заземлению.
Отличие заявляемого технического решения от ближайшего аналога заключается в том, что в предлагаемой схеме параллельно шинным проводникам включены шунты, состоящие из последовательно соединенных емкости и индуктивности и позволяющие уменьшить амплитуду тока высокой частоты в шинах подстанций, в то время, как ток промышленной частоты продолжает полностью проходить по прежнему пути, т.к. сопротивление шунтов для него очень велико. Наличие двух дополнительных выходных обмоток трансформатора совместно с дополнительными разделительными конденсаторами дает возможность введения сигнала в каждую из фаз трехфазной сети электропитания и позволяет избежать потери информации при повреждении одной или даже двух из них, что повышает надежность связи и полностью отвечает поставленной в изобретении задаче.
Повышению степени надежности связи способствует и то, что в заявленном изобретении емкости и индуктивности шунтов подобраны с условием согласования волновых сопротивлений шунтов с волновыми сопротивлениями соответствующих токоведущих жил кабеля.
Отражение информационного сигнала от точек соединения токоведущих жил кабеля с шинными проводниками будет тем меньше, чем больше соответствуют друг другу их волновые сопротивления. При меньшем уровне отражений уменьшается опасность наложения информационного сигнала самого на себя при приеме, уменьшается степень искажения передаваемой информации, следовательно, повышается надежность связи.
Повышение надежности связи достигается и тем, что выходные обмотки трансформатора устройства согласования и развязки включены синфазно.
При таком включении информационный сигнал, синфазный во всех трех токоведущих жилах кабеля, передается на приемную обмотку без каких-либо потерь, в то время как прошедший через разделительные конденсаторы остаточный ток промышленной частоты (имеющий в трехфазной сети фазовый сдвиг в 120°) практически полностью уничтожается и в приемное устройство не попадает, что способствует снижению уровня помех в последнем и, в конечном итоге, содействует решению поставленной задачи. В то же самое время наличие трех выходных обмоток трансформатора оставляет возможность пофазной тонкой регулировки и согласования каналов связи, например, за счет установки подстроечных резисторов между выводами выходных обмоток и заземлением. Последнее может быть полезно при некоторой асимметрии электрических параметров фазных проводников кабеля электроснабжения.
Таким образом, применение предложенного устройства обеспечивает решение поставленной задачи для всех оговоренных выше разновидностей линий электропередачи распределительных электрических сетей.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг.2 приведен вариант исполнения устройства с подстроечными резисторами в цепи заземления выходных обмоток трансформатора.
Устройство приема и передачи информации по распределительным электрическим сетям, состоящим из участков кабеля электропередачи, токоведущие жилы которых на подстанциях подключены к участкам шинных проводников, в своем составе содержит передатчик 1, приемник 2, устройство согласования и развязки 3, включающее трансформатор 4 с обмотками, причем входная обмотка 5 подключена к выходу передатчика 1, приемная обмотка 6 - к входу приемника 2, а три выходных обмотки 7 через высоковольтные разделительные конденсаторы 8 соединены с шунтами 9, каждый из которых своими концами подключен к точкам соединения шинных проводников 10 с токоведущими жилами 11 кабелей 12 и состоит из последовательно соединенных емкости 13 и индуктивности 14, подобранных из условия согласования волнового сопротивления шунта с волновым сопротивлением соответствующей токоведущей жилы 11 кабеля 12. Выходные обмотки 7 трансформатора 4 включены синфазно и одним из своих концов подключены к заземлению 15 непосредственно (см. фиг.1) или через подстроечные сопротивления 16 (фиг.2).
Предлагаемое устройство приема и передачи информации по распределительным электрическим сетям работает следующим образом.
Сигнал от передатчика 1 поступает на входную обмотку 5 трансформатора 4 устройства согласования и развязки 3 и наводится в его выходных обмотках 7, один конец каждой из которых через разделительный конденсатор 8 соединен с шунтом 9 в одной из точек его подсоединения к шине 10 и токоведущей жилы 11 одного из кабелей электропередачи 12. Таким образом, высокочастотный сигнал подается во все три токоведущие жилы 11 правого кабеля электропередачи (см. фиг.1). В левый кабель электропередачи 12, связанный с правым кабелем через шинный мост подстанции высокочастотный сигнал подается по шунтам 9. Сигнал беспрепятственно проходит через последовательные резонансные контуры шунтов 9, каждый из которых состоит из емкости 13 и индуктивности 14, подобранные так, чтобы их характеристический импеданс был согласован с импедансом токоведущих жил 11 кабеля 12. Вторые концы каждой из трех выходных обмоток 7 трансформатора 4 подключены к заземлению 15 либо непосредственно, либо через подстроечные сопротивления 16 (см. фиг 2). Таким образом, высокочастотный сигнал поступает в оба кабеля электропередачи 12 и передается абоненту, подключенному аналогичным образом на противоположных концах кабелей 12, либо на конце одного из этих кабелей. Там сигнал проходит через шунты, разделительные конденсаторы, выходные обмотки высокочастотного трансформатора и приемную обмотку 6, аналогичные описанным выше, и поступает на приемник 2 абонента, где проходит демодуляцию и расшифровку. Подбор реактивных элементов (13 и 14) шунтов 9 может быть произведен либо на основании предварительных расчетов, либо по экспериментальным данным.
ш
ш
Волновое сопротивление токоведущей жилы кабеля может быть определено исходя из основных геометрических размеров кабеля и электрических параметров его изоляции и брони по известным из литературы формулам (А.И. Листратенков. Теоретические основы конструирования силовых кабелей и проводов. - М: Полиграф сервис, 2006), а также путем непосредственного измерения с применением известных методов (Электрические системы. Режимы работы электрических систем и сетей. Под ред. В.А. Веникова. Учебн. пособие для электроэнерг. вузов. М., «Высш. школа», 1975, 344 с.с ил.). Волновое сопротивление шунта, как последовательного резонансного контура, также определяется согласно известному выражению
, поэтому согласование характеристических импедансов линии и шунтов за счет подбора величин индуктивностей L и емкостей С шунтов в заранее заданной полосе частот не вызывает каких - либо трудностей. Величина волнового сопротивления типовой шины подстанции существенно (примерно в три раза) превосходит волновое сопротивление жилы типового трехфазного силового кабеля, поэтому при расчете необходимых характеристик шунта может не учитываться. Однако, если необходимо более детальное согласование, то расчет электрических характеристик шунта тоже не вызывает затруднений, т.к. суммарное волновое сопротивление шинного проводника, оборудованного шунтом, в первом приближении определяется по правилам для параллельных сопротивлений (А.И. Листратенков. Теоретические основы конструирования силовых кабелей и проводов. - М: Полиграф сервис, 2006). Окончательное согласование волновых сопротивлений шунтов 9 и токоведущих жил 11 кабелей 12 может быть произведено на основании измерения уровня отражения высокочастотного сигнала от шинного моста подстанций на обесточенном участке сети. При небольшой асимметрии электрических параметров токоведущих жил 11 кабеля 12 связь по ним может быть оптимизирована регулировкой подстроечных сопротивлений 16 в цепи каждой из трех фаз линии электропередачи (фиг.2).
При создании данного изобретения стояла задача разработки такого устройства приема и передачи информации, которое позволило бы снизить негативное влияние рассогласованности волновых сопротивлений типовых шин подстанций и кабелей электропередачи на прохождение высокочастотного сигнала по распределительной силовой сети, состоящей из последовательного каскада кабельных линий и подстанций. Подавляющее большинство силовых сетей представляют собой именно такое чередование, что препятствует организации качественной и надежной связи по самой кабельной сети. Очевидно, что в решении данной задачи технически и экономически нецелесообразна направленность на замену существующего оборудования подстанций, на трансформацию его под вспомогательную цель. Решение этой задачи следует искать в такой модернизации сетей, которая никаким образом не влияет на состав и работоспособность силового оборудования по своему основному назначению. Решение, приведенное в данном предложении, во-первых, находится в русле именно такого направления и, во-вторых, позволяет обеспечить надежную и качественную связь по кабельным линиям силовой распределительной сети.