Способ и устройство приема информации по линиям энергопитания переменного тока
METHOD AND APPARATUS FOR RECEIVING INFORMATION VIA ALTERNATE CURRENT POWER SUPPLY LINES

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:
стаб
где: U - напряжение стабилизации стабилитрона.
R
U - падение напряжения на токоограничивающем резисторе при номинальном токе светодиода оптопары.
сд
ΔU - падение напряжения на светодиоде оптопары.
д
ΔU - 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».
пop
пор
При положительной полуволне сетевого напряжения и при мгновенном значении этого натяжения меньше U 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, 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.