СПОСОБ АДРЕСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD OF ADDRESS TRANSMISSION OF INFORMATION VIA AC POWER LINES

Изобретение относится к системам передачи информации по линиям энергоснабжения.
Изобретение может быть использовано для создания эффективных систем дистанционного управления потребителями электроэнергии по линиям энергоснабжения, в том числе в системах управления: уличным освещением; бытовыми электроприборами; промышленным оборудованием.
Задача передачи информации по линиям электроснабжения, является 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, 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 передачи информации по сети энергоснабжения.
Известен способ контроля балласта флуоресцентных ламп, с использованием прерываний питания (US Patent №5107184, April 21, 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, совпадающим с заявляемым изобретением, 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 (A, RU 2003106189, 2004.10.10, 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).
Существенными признаками, совпадающими с заявляемым изобретением, являются:
1) то, что для кодирования используются регулируемые прерывания подачи сетевого электропитания;
2) 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.
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 электроприборов, которые подключены к этой сети.
Цель данного изобретения - предложить способ передачи информации по питающей электрической сети переменного тока, используя прерывания подачи питающего напряжения, обеспечивающие возможность адресного направления информации и структурирования передаваемых данных.
Техническим результатом применения данного изобретения является уменьшение затрат на создание и эксплуатацию эффективной системы передачи данных по линиям электроснабжения переменного тока.
В предлагаемом способе поставленную задачу решают следующим образом.
Создается система передачи данных по линии электроснабжения переменного тока, состоящая из передатчика, подключенного в начале линии и множества приемников, распределенных вдоль линии. Схема система передачи данных приведена на фиг.1, где цифрами обозначены:
1 - передатчик;
2 - микропроцессорный блок передатчика;
3 - датчик переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль;
4 - управляемое устройство коммутации питающего напряжения;
5 - приемники информации;
6 - микропроцессорный блок приемника;
7 - линия электроснабжения;
8 - источник питающего переменного напряжения.
Передатчик состоит из микропроцессорного блока 2, датчика переходов основной гармоники питающего напряжения через ноль 3 и управляемого устройства коммутации питающего напряжения 4.
Датчик 3 непрерывно выдает импульсы напряжения с провалами в моменты перехода через ноль основной гармоники питающего напряжения.
Управляемое устройство коммутации 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. Микропроцессорный блок выдает сигналы управления устройством коммутации 4 для прерывания подачи питающего напряжения в линию.
Каждый приемник информации 5 состоит из датчика 3 переходов через ноль основной гармоники питающего напряжения и микропроцессора 6.
Микропроцессор приемника 6 получает на свой вход импульсы с выхода датчика 3, которые соответствуют переходам через ноль основной гармоники.
Каждый приемник информации имеет свой уникальный адрес (идентификатор). Адрес обозначается положительным целым числом, в качестве адреса можно, например, использовать порядковый номер приемника в системе.
Процесс передачи информации происходит следующим образом.
Допустим, что информация, которую нужно передать, записана символами определенного алфавита. Каждый символ этого алфавита имеет свой порядковый номер (в дальнейшем используется термин "код символа"). Любая информация представляется последовательностью символов этого алфавита.
Передаваемую информацию делят на пакеты фиксированной длины и структуры. 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 записывается его код.
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 половине периода основной гармоники, с началом 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, было равно передаваемому коду символа.
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 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.2, на которой цифрами обозначены:
9 - эпюра основной гармоники питающего напряжения;
10 - прерывание напряжения питания (маркер начала пакета);
11 - прерывание напряжения питания (маркер-разделитель полей);
12 - эпюра напряжения на выходе датчика переходов основной гармоники через ноль;
13 - поле адреса (количество импульсов соответствует идентификатору приемника);
14 - поля данных (количество импульсов соответствует коду символа).
Прием пакета происходит следующим образом. Микропроцессор приемника получает от датчика переходов через ноль основной гармоники питающего напряжения импульсы, определяет моменты отсутствия полуволны питающего напряжения (маркеры), подсчитывает количество импульсов, выдаваемых датчиком в интервале между маркерами. Подсчитанному количеству импульсов ставится в соответствие символ алфавита с равным кодом. Таким образом, восстанавливается переданный пакет.
Если идентификатор, переданный в поле адреса пакета, не равен собственному идентификатору приемника, пакет игнорируется.
У приемника кроме индивидуального идентификатора может быть дополнительно один или несколько групповых идентификаторов, в этом случае игнорируются только те пакеты, идентификатор которых не совпал ни с одним из идентификаторов приемника.
Для реализации описанного выше способа используются следующие промышленные или заказные изделия.
В качестве микропроцессорного блока можно использовать любой из серийно выпускаемых современных микропроцессоров, например микроконтроллеры фирмы Atmel (http://www.atmel.com).
Схема одного из вариантов датчика переходов через ноль основной гармоники питающего напряжения приведена на фиг.3. В схеме используются следующие элементы:
R1, R2 - резисторы 150 кОм;
R3 - резистор 10 кОм;
VD1 - ограничитель напряжения, например Р6КЕ100СА;
VD2 - оптрон, например, SFH620;
~220 В - линия подвода питающего напряжения сети;
+Еп - источник постоянного напряжения.
В качестве управляемого выключателя можно использовать тиристоры или симисторы с подходящими параметрами по допустимому напряжению и току.
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 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 направлено данное изобретение, что в итоге позволит существенно сократить расходы, направленные на создание и эксплуатацию систем передачи информации по линиям электроснабжения.