СПОСОБ ШИРОКОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО ЭЛЕКТРОСЕТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR BROADBAND MODULATION AND TRANSFER OF DATA ALONG ELECTRIC NETWORK AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к технике передачи данных по электросетям.
Известны устройства высокочастотной связи, использующие узкополосные каналы [например, Микуцкий Г.В., Скитальцев B.C. Высокочастотная связь по линиям электропередачи. Учебник для учащихся энергетических и энергостроительных техникумов. Изд. 2-е., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977]. Ширина полосы частот одного канала составляет около 4 кГц. Возможно использование нескольких каналов на одной линии электропередачи (ЛЭП), разнесенных по частоте. Таким образом, соответствующие диапазоны частот оказываются занятыми.
Известны адаптивные способы многочастотной (многоканальной) модуляции, когда качество каналов неизвестно или подвержено временным изменениям. При этом постоянно производится адаптация способов модуляции [например, DE 19850050, опубл. 30.03.2000 г., H04L 1/00].
7
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Способ широкополосной модуляции и устройство для передачи данных по распределительной сети» [Патент RU 2264033, опубл. БИ № 31 от 10.11.2005 г., МКП Н04В 3/54]. Положительный эффект этого изобретения состоит в сокращении полосы частот для канала передачи с неоднородным диапазоном частоты. Способ применяется в том случае, когда диапазон частот распадается на несвязанные между собой частотные поддиапазоны частот. Способ позволяет непосредственно использовать выделенный диапазон частот и исключает занятые частоты без дополнительных затрат на аппаратное обеспечение. Диапазон частот разделяется на несколько субканалов, причем несущие тех субканалов, которые содержат занятые частоты, не модулируются. Способ пригоден для коммуникации через высоковольтные сети.
Однако передача информации по высоковольтным сетям сопряжена с рядом влияющих специфических факторов [например, Малышев А.И., Шкарин Ю.П. Специальные измерения высокочастотных каналов по линиям электропередачи. Учебник для техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979. стр.130-132].
1. Линии электропередачи являются многопроводными системами. В передаче сигнала в общем случае участвуют все провода несмотря на то, что присоединение, как правило, осуществляется к одному или двум проводам. При этом изменение коммутационного состояния ЛЭП, т.е. изменение сопротивления, через которое необработанные (нерабочие) провода соединены с землей, приводит к значительному изменению параметров тракта передачи информации.
2. Передача энергии сигнала вдоль многопроводной ЛЭП происходит в общем случае по нескольким волновым каналам (общее число каналов равно числу проводов) с разными коэффициентами затухания и фазовыми скоростями распространения. Многоскоростной процесс распространения энергии многочастотного сигнала вдоль ЛЭП обуславливает возможность интерференции между токами соответствующих частот различных волновых каналов в нагрузке рабочего провода в конце линии и, как следствие, резкого увеличения затухания линии вблизи частот, при которых эта интерференция происходит.
3. На параметры высокочастотного тракта передачи информации оказывают влияние неоднородности ЛЭП: ответвления, изменения профиля подвески проводов, транспозиции, включения промежуточных подстанций и др. Степень неоднородности, а также места ее нарушения могут меняться при изменении схем соединения оборудования высокого напряжения.
4. В ряде случаев паразитная электромагнитная связь между смежными участками высокочастотного тракта с обходом промежуточной подстанции может вызывать увеличение затухания тракта в некотором диапазоне частот. Переключения линии и другого оборудования подстанций, где осуществляется обход, изменяют величину электромагнитной связи, обуславливая нестабильность параметров высокочастотного тракта с обходом.
5. Наличие высокого напряжения обуславливает появление помех от короны на проводах и от разрядов в поврежденной изоляции. Уровень помех от короны весьма велик и в большинстве случаев ограничивает затухание, перекрываемое аппаратурой передачи информации.
Следует отметить существенную зависимость уровня помех (особенно короны) от погодных условий. Например, отмечены случаи, когда уровни помех (от которых напрямую зависит скорость передачи информации) изменялись в десятки раз с течением времени и изменением погоды [например, Микуцкий Г.В., Скитальцев B.C. Высокочастотная связь по линиям электропередачи. Учебник для учащихся энергетических и энергостроительных техникумов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977, стр.137].
Кроме помех от короны, в сети высокого напряжения возникают помехи при переключениях и коротких замыканиях в сети, а также помехи от атмосферных электрических разрядов.
Дополнительно требуется учесть, что существуют узкополосные каналы высокочастотной связи по ЛЭП, входящие в автоматизированные системы управления, имеющие неоднородную по времени потребность использования. Например, автоматизированные системы контроля и учета электрической энергии (АСКУЭ), как правило, осуществляют сбор информации о потреблении электроэнергии не в реальном масштабе времени, а всего один раз в сутки [например, Савельев В.А., Зыков А.В., Лушников A.M. Автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета электроэнергии (мощности): Учеб. пособие / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново: Иван. гос. ун-т, 2004]. При этом занятость частотного диапазона для организации канала передачи данных определяется временем работы системы сбора информации, привязана по времени и краткосрочна.
С другой стороны, внешние по отношению к применяемым в электроэнергетике радиоэлектронные средства (РЭС) могут иметь не постоянный, а регламентированный по времени режим работы. Такое положение обуславливает дополнительную интенсивность помех в отдельных частотных каналах передачи информации, возникающую из-за работающих РЭС в заданные моменты времени и имеющую определенную продолжительность.
Указанные выше обстоятельства обуславливают задачу предлагаемого изобретения - расширение возможностей по передаче информации при сохранении требований электромагнитной совместимости.
Поставленная задача достигается способом широкополосной модуляции и передачи данных по электросети, предназначенным для канала передачи с неоднородным диапазоном частот, параметры которого изменяются с течением времени и под воздействием внешних условий.
Для этого в способе широкополосной модуляции и передачи данных по электросети по каналу передачи, содержащему по меньшей мере один поддиапазон частот, недоступный для передачи, в котором канал передачи разделяют на субканалы, каждый с одной несущей частотой, и несущую по меньшей мере одного субканала, содержащего по меньшей мере один недоступный для передачи поддиапазон частот, не модулируют, характеристики субканалов, а также необходимость модуляции (или снятие запрета на модуляцию) изменяют периодически с течением времени, под воздействием изменений в схеме электрической сети, погодных условий и электромагнитной обстановки.
Предлагаемый способ может быть реализован устройством, содержащим последовательно соединенные конвертер, модулятор, преобразователь, смеситель, блок ввода, распределительную сеть, причем второй вход блока ввода является входом сигнала занятия, отличающимся тем, что дополнительно введены блок усилителей с изменяющимися коэффициентами передачи, а также блок задания характеристик канала, причем выход последнего подключен ко входам модулятора и блока усилителей с изменяющимися коэффициентами передачи, который включен между конвертером и модулятором.
На чертеже представлено устройство, осуществляющее предложенный способ.
Устройство (см. чертеж) содержит конвертер 1, модулятор 2, преобразователь 3, смеситель 4, блок ввода 5, распределительную сеть 6, блок усилителей с изменяющимися коэффициентами передачи 7, блок задания характеристик канала 8.
Последовательно соединены конвертер 1, блок усилителей с изменяющимися коэффициентами 7, модулятор 2, преобразователь 3, смеситель 4, блок ввода 5, распределительная сеть 6. Второй вход блока ввода 5 является входом сигнала занятия, а выход блока задания характеристик канала 8 подключен ко входам модулятора 2 и блока 7 усилителей с изменяющимися коэффициентами передачи.
Устройство работает следующим образом.
Уточним работу устройства в двух частотных диапазонах: в пределах заданной полосы, обеспечиваемой элементами высокочастотного присоединения ЛЭП, и за ее пределами.
В первом случае речь идет об излучении широкополосного сигнала в ЛЭП, полоса высокочастотного присоединения которого ограничена частотой порядка 1 мГц [Микуцкий Г.В. Высокочастотные заградители и устройства присоединения для каналов высокочастотной связи. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984]. В пределах этой полосы, как отмечалось ранее, могут быть организованы высокочастотные каналы связи и передачи данных, использование которых может быть кратковременным или периодическим. В свободные от работы таких каналов временные интервалы их частотные диапазоны могут быть задействованы для передачи данных по электросети. Для этого с блока задания характеристик сигнала 8 выдается управляющий сигнал на входы блока усилителей с изменяющимися коэффициентами передачи 7 и модулятора 2, обеспечивающий передачу данных по временно свободным каналам при одновременном выполнении требований по электромагнитной совместимости. При этом модулятор 2 реализует модуляцию в требуемом канале, а блок усилителей 7 формирует необходимые сигнальные характеристики с учетом электромагнитной совместимости [Микуцкий Г.В., Скитальцев B.C. Высокочастотная связь по линиям электропередачи. Учебник для учащихся энергетических и энергостроительных техникумов. Изд. 2-е., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977, с.419-421].
Во втором случае речь идет об излучении сигнала за пределы традиционной полосы высокочастотного присоединения ЛЭП (более 1 мГц). Ограничение полосы высокочастотного присоединения прежде всего связано с ограниченной полосой фильтра присоединения высокочастотного тракта. Поэтому при изменении его характеристик можно добиться значительно более широкополосного излучения в ЛЭП.
Естественно, что такое излучение может вызвать проблемы для работы соседних РЭС. Однако на их работу влияют интенсивные помехи от коротких разрядов на ЛЭП при неблагоприятных погодных условиях. Электромагнитная совместимость и нормальная работа РЭС обеспечивается исходя из наихудших условий работы радиоэлектронных устройств. При благоприятных погодных и др. условиях, когда уровень помех на ЛЭП является низким, целесообразно воспользоваться возможностями по формированию каналов передачи данных в частотных поддиапазонах, не нарушающих работу РЭС. Уровни передачи сигналов в этих частотных поддиапазонах, как правило, не должны превышать уровни помех при неблагоприятных погодных условиях.
Поскольку уровни помех, например, от короны могут изменяться, как уже отмечалось, в десятки и сотни раз, то при благоприятных условиях может быть обеспечена эффективная передача информации.
Дополнительно, в зависимости от режима работы РЭС может использоваться или не использоваться тот или иной частотный поддиапазон для передачи данных.
Необходимые характеристики широкополосной модуляции сигнала в заданных частотных поддиапазонах обеспечиваются соответствующими управляющими сигналами с блока 8 задания характеристик канала на входы модулятора 2 и блока 7 усилителей с изменяющимися коэффициентами передачи. Блок 8 задания характеристик канала дополнительно формирует управляющие сигналы на своем выходе при изменениях схемы электрической сети, обеспечивая требуемые изменения характеристик передачи в частотных поддиапазонах в условиях изменений характеристик высокочастотного тракта ЛЭП. В качестве блока 8 задания характеристик канала может выступать микроЭВМ, в памяти которой записаны требуемые комбинации управляющих сигналов для различных вариантов коммутации электрической схемы, периодичности работы высокочастотных каналов ЛЭП и сторонних РЭС, а также погодных условий. Считывание из памяти может быть реализовано автоматически при необходимости формирования периодических сигналов, вручную (например, зависимость от погодных условий) или с использованием внешних сигналов (их воздействие обозначено штриховой линией на чертеже).
2
Передаваемые данные D вводят во временной последовательности в конвертер 1. Блок данных разбивается на субблоки. Субблоки подаются на блок усилителей с изменяющимися коэффициентами передачи 7. Каждый субблок (или его последовательность битов) однозначно отображается в виде подмножества комплексных чисел. Каждый субблок соответствует определенной несущей частоте субканала. С изменением, напрмер, электрической схемы сети могут изменяться и характеристики ЛЭП (как было указано и ранее), поэтому изменением коэффициентов передачи блока усилителей 7 добиваются оптимизации передачи данных D в условиях таких изменений. Наряду с изменением схемы сети компенсируется зависимость характеристик канала от погодных условий, электромагнитной обстановки и т.д. При этом выдача управляющих сигналов с блока 8 задания характеристик канала осуществляется как на блок усилителей 7, так и на модулятор 2, который не допускает выдачу информации по заблокированным субканалам. Заблокированным субканалам придается нулевая амплитуда, в результате чего по каждому блоку данных определяется вектор модуляции V, включающий как нулевые, так и отличные от нуля комплексные элементы. Последовательностью дальнейших действий вектор V преобразуется в сигнал S(t), зависящий от времени.
2
На стороне приемника действуют в обратной последовательности, преобразуя сигнал S(t) в частотное преобразование с последующим декодированием последовательностей битов, соответствующих несущим частотам и субблокам.
1
1
3
1
2
2
3
В простейшем случае предполагается, что частоты субканалов являются равноудаленными, а передача в субканалах осуществляется одинаковым количеством битов. Для преобразования из частотного в представление во времени применяется обратное преобразование Фурье с формированием реальной и мнимой частот, входящих в сигнал S(t). Величина S(t) соответствует суперпозиции модулированных субканалов и адаптирована к текущим параметрам канала передачи данных по ЛЭП. При передачи данных возможно наложение дополнительного полезного сигнала S(t), занимающего исключенный при формировании сигналов S(t) и S(t) частотный диапазон. При этом блок ввода 5, предусмотренный в составе устройства, используется для одновременной передачи сигналов S(t) и S(t).
Таким образом, предлагаемый способ широкополосной модуляции и передачи данных по электросети позволяет расширить возможности по передаче информации при сохранении требований электромагнитной совместимости.