СИСТЕМА ДЛЯ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО ЭЛЕКТРОСЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
SYSTEM FOR COLLECTION AND TRANSMISSION OF DATA VIA AC ELECTRIC CIRCUIT

Изобретение относится к технике электросетевой передачи сигналов от контролируемых объектов к центральной станции и может быть использовано в автоматизированных системах коммерческого учета расхода электроэнергии (АСКУЭ), а также в системах автоматического сбора данных по расходу тепла, воды, газа и других аналогичных параметров (далее, в системах учета расхода энергоносителей).
Известна система сбора и передачи данных по патенту US №6021137, H04J 13/02, содержащая центральное устройство сбора и передачи данных (УСПД), связанное по телефонной сети и/или по радиолинии с лицами, заинтересованными в получении информации о расходе энергоносителей. В известную систему входят также терминальные УСПД, выполненные с возможностью приема данных от измерительных приборов-расходомеров и передачи этих данных по электросети переменного тока в центральное УСПД. Центральное УСПД формирует сигнал опроса, предназначенный для синхронизации работы терминальных УСПД, который по электросети поступает в терминальные УСПД. В ответ указанные терминальные УСПД поочередно передают в центральное УСПД показания подключенных к ним измерительных приборов-расходомеров.
Недостатком указанной системы является высокая стоимость терминальных УСПД, обусловленная необходимостью сложной цифровой обработки принимаемого сигнала опроса для синхронизации работы входящих в систему терминальных УСПД.
С целью устранения указанного недостатка вышеупомянутого аналога предложена система по патенту RU №2246136, G08B 25/06, Н04В 3/54, отличающаяся тем, что в центральное УСПД и в каждое терминальное УСПД введен компаратор с гистерезисом, опорный вход которого подключен к нейтрали электросети, а сигнальный вход - к одному из фазных проводов электросети. Моменты переключения состояния компаратора служат командой начала передачи или приема очередного бита информации либо просто увеличения на единицу содержимого внутреннего счетчика полупериодов сетевого напряжения.
Наряду с вышеупомянутым компаратором как центральное УСПД, так и каждое терминальное УСПД содержит:
- блок сопряжения, связанный с указанными выше фазным проводом и нейтралью электросети;
- первую цепь, состоящую из последовательно соединенных полосового фильтра и аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
- вторую цепь, состоящую из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и фильтра нижних частот;
- процессорный блок.
Вход каждого полосового фильтра и выход каждого фильтра нижних частот подключены к соответствующим выходу и входу блока сопряжения, а выход АЦП и вход ЦАП центрального УСПД и каждого терминального УСПД подключены соответственно ко входу и выходу соответствующего процессорного блока, вход прерывания которого подключен к выходу соответствующего компаратора.
Компараторы выделяют моменты, когда сетевое напряжение становится равным нулю, и формируют таким образом синхронную для всех входящих в систему УСПД последовательность меток времени.
Центральное УСПД периодически посылает по электросети синхросигнал, который принимается одновременно всеми терминальными УСПД. Интервалы, в течение которых осуществляются передача и прием синхросигналов, перемежаются с интервалами передачи по электросети от терминальных УСПД данных, принятых ими от измерительных приборов-расходомеров. Центральное УСПД записывает полученные данные в память и через внешний интерфейс отсылает их лицам, заинтересованным в коммерческом учете расхода соответствующих энергоносителей.
Для модуляции сигнала синхронизации используется метод фазовой манипуляции несущей частоты.
В терминальных УСПД процессорное устройство представляет собой обычный микроконтроллер, выполненный с возможностью съема данных с соответствующего измерительного прибора-расходомера и передачи его по цепи. Центральное УСПД отличается от терминальных УСПД наличием более мощного процессорного устройства.
Описанная выше система является ближайшим аналогом предложенной системы сбора и передачи данных по электросети переменного тока.
Ее недостатками, являются:
- невозможность реализации режима постоянного - в реальном масштабе времени - съема данных с измерительных приборов-расходомеров, что не позволяет применить при оплате потребителями расхода энергоносителей гибкие тарифные планы коммерческого учета расхода энергоносителей;
- малая дальность действия и низкая помехозащищенность, являющиеся следствием низкой энергетической эффективности используемого метода модуляции синхросигнала и применения широкополосных фильтров;
- низкая надежность работы системы, являющаяся следствием двухстороннего характера обмена данными между центральным УСПД и терминальными УСПД.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков.
Предметом изобретения является система для сбора и передачи данных по электросети переменного тока, содержащая центральное УСПД, вход которого подключен к каналу связи с лицами, заинтересованными в учете данных, а входы - к электросети переменного тока, служащей транспортной магистралью для передачи данных от терминальных УСПД в центральное УСПД, вход каждого терминального УСПД подключен к соответствующему измерительному прибору, а выходы - к электросети переменного тока, при этом центральное УСПД содержит последовательно соединенные первый блок сопряжения, входы которого являются входами центрального УСПД, полосовой фильтр и АЦП, а также блок внешнего интерфейса, выполненный с возможностью подключения к упомянутому каналу связи, а каждое терминальное УСПД содержит второй блок сопряжения, выходы которого являются выходами данного терминального УСПД, последовательно соединенные ЦАП и фильтр нижних частот, а также микроконтроллер, вход которого является входом данного терминального УСПД, а информационный выход подключен ко входу ЦАП, при этом в центральное УСПД введены последовательно соединенные блок быстрого преобразования Фурье (блок БПФ), вход которого подключен к выходу АЦП, и решающий блок, выход которого подключен ко входу блока внешнего интерфейса, а в каждом терминальном УСПД, которому для передачи данных отведена своя узкая полоса частот, микроконтроллер выполнен с дополнительным выходом, а также введены модулятор, вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, и генератор синусоидального сигнала, выход которого подключен ко входу второго блока сопряжения, модулирующий вход - к выходу модулятора, а управляющий вход - к дополнительному выходу микроконтроллера.
Задачей настоящего изобретения является создание системы для сбора и передачи данных по электросети переменного тока, которая позволяла бы постоянно - в реальном масштабе времени - собирать данные о расходе энергоносителей от соответствующих измерительных приборов и передавать эти данные лицам, заинтересованным в правильном коммерческом учете расхода энергоносителей. Такая система должна обладать более высокими, чем ближайший аналог, дальностью действия, помехозащищенностью и надежностью в работе.
Обеспечиваемый технический результат заключается в достижении более высокого отношения сигнал/помеха, что определяет повышенные (по сравнению с ближайшим аналогом) показатели эффективности предлагаемой системы.
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой системы для сбора и передачи данных по электросети переменного тока.
На фиг.2 показана структурная схема терминального УСПД.
На фиг.1 и 2 использованы следующие обозначения: 1 - измерительный прибор; 2 - терминальное УСПД; 3 - электросеть; 4 - центральное УСПД; 5 - микроконтроллер; 6 - ЦАП; 7 - фильтр нижних частот; 8 - модулятор; 9 - генератор синусоидального сигнала; 10 - первый блок сопряжения; 11 - второй блок сопряжения; 12 - полосовой фильтр; 13 - АЦП; 14 - блок БПФ; 15 - решающий блок; 16 - блок внешнего интерфейса.
Предлагаемая система для сбора и передачи данных по электросети переменного тока (фиг.1) содержит центральное УСПД 4 и подключенные к нему через электросеть 3 переменного тока терминальные УСПД 2, ко входу каждого из которых подключен измерительный прибор 1, учитывающий расход соответствующего энергоносителя. Например, в качестве измерительного прибора 1 может быть использован счетчик электроэнергии. Центральное УСПД 4, в свою очередь, содержит последовательно соединенные первый блок 10 сопряжения, выполненный с возможностью подключения к электросети 3, полосовой фильтр 12, АЦП 13, блок 14 БПФ, решающий блок 15 и блок 16 внешнего интерфейса, выполненный с возможностью подключения к каналу связи.
Каждое терминальное УСПД 2 (фиг.2) содержит микроконтроллер 5, вход которого является входом данного терминального УСПД 2, второй блок 11 сопряжения, выходы которого являются выходами терминального УСПД 2, предназначенными для подключения к электросети 3, и генератор 9 синусоидального сигнала, выход которого подключен ко входу второго блока 11 сопряжения. В состав терминального УСПД 2 входят также последовательно соединенные ЦАП 6, вход которого соединен с информационным выходом микроконтроллера 5, фильтр 7 нижних частот и модулятор 8, выход которого подключен к модулирующему входу генератора 9 синусоидального сигнала. При этом управляющий вход генератора 9 синусоидального сигнала соединен с дополнительным выходом микроконтроллера 5.
Большинство показанных на фиг.1 и 2 блоков предлагаемой системы используются в системе, являющейся ближайшим аналогом настоящего изобретения (патент RU №2246136, G08B 25/06, Н04В 3/54).
Новыми (по сравнению с ближайшим аналогом) существенными признаками являются:
- введение в центральное УСПД 4 последовательно соединенных блока 14 БПФ и решающего блока 15, выполненного с возможностью подключения через блок 16 внешнего интерфейса к каналу связи;
- исполнение в терминальных УСПД 2 микроконтроллера 5 с дополнительным выходом, выполненным с возможностью выдачи индивидуального идентификационного кода данного терминального УСПД 2;
- введение в каждое терминальное УСПД 2 модулятора 8 и генератора 9 синусоидального сигнала, выполненного с возможностью обеспечения передачи сообщений терминального УСПД 2 на несущей частоте, соответствующей индивидуальному идентификационному коду данного терминального УСПД 2.
Цепочка "блок 14 БПФ - решающий блок 15" широко применяется в системах передачи данных, которые используют "прыгающие" частоты. В частности, эта цепочка используется в ранее запатентованных предприятием-заявителем системах (RU №2228275, B60R 25/10, G08B 25/10, G08B 29/16, RU №2278415, G08B 25/10, G08B 29/12, Н04В 1/713 и в других аналогичных системах).
Модулятор 8 и генератор 9 синусоидального сигнала применяются в любой радиостанции.
Микроконтроллер 5, в котором хранится идентификационный код, контроль которого может быть проведен по сигналам на дополнительном выходе микроконтроллера 5, является достаточно распространенным узлом в автомобильных противоугонных системах.
Таким образом, все составные части предлагаемой системы хорошо известны. Поэтому возможность ее практической реализации не вызывает сомнений.
Рассматриваемая система сбора и передачи данных по электросети переменного тока (фиг.1) работает следующим образом.
Передача показаний измерительных приборов 1 осуществляется с помощью терминальных УСПД 2 по электросети 3 на некоторой несущей частоте, строго фиксированной для каждого из терминальных УСПД 2. В отличие от ближайшего аналога, в котором транспортная магистраль является двунаправленной, в рассматриваемой системе передача сообщений осуществляется только в одном направлении - сообщения от терминальных УСПД 2 передаются в центральное УСПД 4. При этом синхронизация работы терминальных УСПД 2 с помощью сигнала синхронизации, передаваемого из центрального УСПД 4, не производится.
В терминальном УСПД 2 (фиг.2) снимаемые с измерительного прибора 1 показания, например по расходу электроэнергии, подаются на вход микроконтроллера 5.
Микроконтроллер 5 дополняет эти показания контрольной суммой и со своего информационного выхода пересылает их в ЦАП 6. ЦАП 6 формирует последовательный многопозиционный (например, четырехпозиционный) сигнал показаний измерительного прибора 1 и контрольной суммы.
После фильтрации с помощью фильтра 7 нижних частот сигнал показаний измерительного прибора 1 и контрольной суммы подается на вход модулятора 8, выход которого подключен к модулирующему входу генератора 9 синусоидального сигнала. На управляющий вход генератора 9 синусоидального сигнала поступает идентификационный код с дополнительного выхода микроконтроллера 5.
Собственный идентификационный код устанавливается для каждого терминального УСПД 2 (или для каждого измерительного прибора 1) и является его индивидуальной характеристикой. Генератор 9 синусоидального сигнала формирует синусоидальный сигнал, частота которого определяется идентификационным кодом. То есть частота синусоидального сигнала, формируемого генератором 9 синусоидального сигнала, является индивидуальной характеристикой каждого терминального УСПД 2.
Модулятор 8 осуществляет фазовую модуляцию частоты генератора 9 синусоидального сигнала (например, четырем позициям сигнала модулятора 8 соответствуют сдвиги фазы синусоидального сигнала на 0°, 90°, 180°, 270°).
При этом перед сигналами показаний измерительного прибора 1 и контрольной суммы формируется специальный маркер строго фиксированного вида, предназначенный для того, чтобы после приема сообщения первым блоком 10 сопряжения, входящим в состав центрального УСПД 4, в центральном УСПД 4 обеспечивалась бы возможность определения момента начала поступления показаний измерительного прибора 1.
Для передачи по электросети 3 модулированные сигналы с выхода генератора 9 синусоидального сигнала преобразуются в специальный формат сообщения, который вырабатывает на выходе терминального УСПД 2 второй блок 11 сопряжения. При этом каждое сообщение начинается с маркера сообщения специального вида, после которого следует код показаний измерительного прибора 1. Сообщение заканчивается контрольной суммой.
При использовании фазовой модуляции диапазон частот, требуемый для передачи сообщений от каждого терминального УСПД 2, может быть очень узким. Поэтому в области частот, отведенных для использования в данной системе для сбора и передачи данных по электросети переменного тока, может быть обеспечена передача сообщений от достаточно большого количества терминальных УСПД 2. Опытный образец системы, испытания которого проводятся на предприятии-заявителе, рассчитан на 512 терминальных УСПД 2.
Переданные по электросети 3 сообщения принимаются первым блоком 10 сопряжения, который установлен на входе центрального УСПД 4. Первый блок 10 сопряжения демодулирует и совмещает сообщения, переданные по каждому из фазных проводов электросети 3 и нейтрали. После демодуляции сообщения подаются на вход полосового фильтра 12. В нем выделяется достаточно узкая полоса частот, в которую входят все диапазоны частот терминальных УСПД 2. То есть полосовой фильтр 12 выделяет полосу частот, необходимую для дальнейшей цифровой обработки сигналов сообщений. Такое выделение позволяет снизить уровень помех. Соответственно увеличивается отношение сигнал/помеха, благодаря чему возрастает дальность передачи данных и повышается помехозащищенность.
Сигнал с выхода полосового фильтра 12 поступает на вход АЦП 13, который осуществляет его дискретизацию по уровню и времени и подает на вход блока 14 БПФ.
В блоке 14 БПФ осуществляется параллельная цифровая обработка для каждого из используемых для передачи диапазонов частот терминальных УСПД 2. При этом для каждого измерительного прибора 1 и соответственно для каждого терминального УСПД 2 существует определенный номер цифрового фильтра в блоке 14 БПФ. Благодаря этому, показания всех входящих в систему измерительных приборов 1 идентифицируются по источнику сообщения, независимо от времени появления сообщения на выходе соответствующего терминального УСПД 2.
Цифровые фильтры в блоке 14 БПФ выделяют настолько узкие полосы частот, что вероятность попадания помехового сигнала в каждую из этих полос частот достаточно мала. Соответственно еще увеличивается отношение сигнал/помеха, благодаря чему дополнительно возрастает дальность передачи сообщений и повышается их помехозащищенность.
Выходные данные по расчету расхода любого вида энергоносителя получаются после пороговой обработки и группирования в решающем блоке 15. При этом по каждому полученному показанию измерительного прибора 1 решающий блок 15 определяет контрольную сумму и сравнивает ее код с кодом контрольной суммы, переданным в соответствующем сообщении. При несовпадении кодов контрольных сумм сообщение считается недостоверным, и решающий блок 15 аннулирует это сообщение. Производительность решающего блока 15 является определяющей для всей системы. Частота обращений микроконтроллера 5 к измерительному прибору 1 в каждом из терминальных УСПД 2 должна обеспечивать такое количество сообщений, принимаемых в единицу времени центральным УСПД 4, чтобы решающий блок 15 мог обеспечивать их обработку в реальном масштабе времени. Это означает, что частота передачи сообщений терминальными УСПД 2, как правило, существенно превышает частоту изменения показаний измерительного прибора 1. Таким образом, даже если маловероятные искажения сообщений приведут к аннулированию ряда сообщений, большая информационная избыточность, которую может позволить себе заявляемая система, дает возможность для безошибочного учета всех показаний измерительных приборов 1.
С выхода решающего блока 15 выходные данные через блок 1 6 внешнего интерфейса подаются в канал связи для передачи лицам, заинтересованным в правильном коммерческом учете расхода энергоносителей. Роль блока 16 внешнего интерфейса может выполнять, например, радиомодем - при передаче данных по радиоканалу или телефонный модем - при передаче по телефонному каналу связи.
Поскольку съем данных с измерительных приборов 1, передача их по электросети 3, обработка в центральном УСПД 4 и передача результатов потребителям осуществляются в реальном масштабе времени, становится возможным применение гибких тарифных планов коммерческого учета расхода энергоносителей, в частности, варьирование оплаты в дневное и ночное время, изменение оплаты в зависимости от нагрузки и другие возможные варианты. Односторонний характер передачи данных и отсутствие синхронизации упрощают техническую реализацию системы, делают эту систему более надежной в работе, а применение узкополосной фильтрации позволяет снизить уровень шумов и помех, следствием чего является увеличение дальности действия и помехозащищенности системы.
Таким образом, решается поставленная задача изобретения - создание системы для сбора и передачи данных, которая позволяет реализовать режим постоянного в реальном масштабе времени съема показаний измерительных приборов 1, учитывающих расход любого вида энергоносителей. При этом такая система обладает значительно большими, чем ближайший аналог, дальностью действия, помехозащищенностью и надежностью в работе.