СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО СЕТЯМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
METHOD FOR INFORMATION TRANSMISSION VIA POWER SUPPLY NETWORKS

Изобретение относится к области высокочастотной связи по проводам линий электропередачи и может быть использовано для передачи информационных сигналов, например, для диспетчерского управления, противоаварийной автоматики, релейной защиты энергетических объектов и т.п.
Одним из важных компонентов систем передачи информации по электрическим сетям является устройство присоединения аппаратуры связи к линии электропередачи, посредством которого решают две задачи:
- обеспечивают согласование выхода приемо-передающей аппаратуры с входом подключения к кабельной линии по высокой частоте;
- обеспечивают развязку между находящимися под высоким напряжением токоведущими жилами сети электропитания и заземленной аппаратурой связи.
Хотя в последние годы технологии связи по сетям электропитания приобретают все большее значение, достижение высокой степени надежности присоединения аппаратуры связи к линии электропередачи по-прежнему является основной задачей в развитии и расширении технологий передачи данных по линиям электропередачи (PLC-технологий).
Известен способ передачи информации по сетям электропитания, который заключается в том, что исходным информационным сигналом, предназначенным для передачи, модулируют несущий высокочастотный электрический сигнал заданной частоты, формируя тем самым входной информационный высокочастотный сигнал, который посредством устройства присоединения, содержащего высокочастотный трансформатор, преобразуют в выходной информационный высокочастотный сигнал, который через конденсатор связи, вводят в линию электропередачи, причем конденсатор связи используют с возможностью вызывать резонанс с высокочастотным трансформатором на заранее заданной частоте [Патент RU №2254681. Устройство и способ для высокочастотной передачи сетевых данных по линиям. Н04В 3/54, опубликован 27.12.2008]. Известен также способ передачи информации по сетям электропитания, который реализован в [Патент RU №2342782. Устройство передачи информации по линиям наружного освещения. Н04В 3/54, опубликован 27.12.2008]. Данный способ заключается в том, что исходным информационным сигналом, предназначенным для передачи, посредством модема формируют входной информационный высокочастотный электрический сигнал, который посредством устройства присоединения, представляющего собой высокочастотный трансформатор, преобразуют в выходной информационный высокочастотный сигнал, который через конденсатор связи вводят в линию электропередачи, причем заземленная вторичная обмотка трансформатора, конденсатор связи и провода подключения используются в качестве составного резонансного контура с резонансной частотой, максимально приближенной к частоте приема и передачи информации.
К недостаткам данных способов передачи информации по сетям электропитания следует отнести:
- наличие трансформаторной и гальванической связей между силовой высоковольтной линией электросети и низковольтными информационными цепями, обеспечиваемой в системе присоединения. Это значительно снижает надежность устройств, реализующих данный способ, за счет возможности воздействия рабочего высокого напряжения линии электросети на низковольтные цепи ВЧ-аппаратуры;
- уменьшение величины напряжения полезного информационного сигнала, вводимого в электросеть, поскольку высокочастотный трансформатор является понижающим по отношению к информационному сигналу. Это снижает эффективность и надежность связи;
- необходимость использования громоздкого конденсатора связи, что приводит к увеличению габаритов и снижает безопасность эксплуатации устройств реализации известного способа. При этом именно конденсатор связи является основным, наиболее ответственным элементом системы присоединения;
- сложность настройки высокочастотного фильтра на рабочий режим линии электропередачи.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению (его прототипом) является способ передачи информации по сетям электропитания, который реализован в [Пат. RU №2231898. Устройство присоединения аппаратуры высокочастотной связи к проводам линий электропередачи. Н02М 1/12, опубл. 27.06.2004]. Данный способ заключается в том, что исходным информационным сигналом, предназначенным для передачи, модулируют несущий высокочастотный сигнал, формируя тем самым входной информационный высокочастотный сигнал, посредством которого первичной обмоткой высокочастотного трансформатора, представляющего собой устройство присоединения, формируют переменное магнитное поле, которым индуцируют во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора выходной информационный высокочастотный сигнал, который через конденсатор связи вводят в линию электропередачи, при этом высокочастотный трансформатор и конденсатор связи используют в качестве полосового фильтра, обеспечивая пропускание сигналов определенной полосы частот и согласование выходного сопротивления низковольтных высокочастотных электрических цепей с входным сопротивлением низкочастотной высоковольтной линии электросети.
Данный способ передачи информации по сетям электропитания, реализуемый также посредством устройства присоединения в виде высокочастотного трансформатора и конденсатора связи, наряду со сложностью конструкции устройства для его реализации, имеет те же недостатки, что и предыдущие способы. Кроме того, данный способ передачи информации обеспечивает невысокое качество передачи информации, поскольку эксплуатируемые электросети характеризуются высоким уровнем шумов и быстрым затуханием высокочастотного сигнала, а коммуникационные параметры линии электросети существенно меняются во времени в зависимости от текущего варианта распределения нагрузки в этой линии. Следует также отметить, что специфической особенностью линий электросети является весьма разветвленная древовидная топология, что существенно усложняет процесс настройки используемой аппаратуры, прежде всего фильтра присоединения, на рабочий режим.
Задачей изобретения является повышение надежности передачи информации по сети электропитания и улучшение качества передачи, независимо от передаточных характеристик сети и ее электромагнитных помех.
Указанная задача достигается тем, что в способе передачи информации по сетям электропитания, заключающимся в том, что исходным информационным сигналом, предназначенным для передачи, модулируют несущий высокочастотный сигнал, формируя тем самым входной информационный высокочастотный сигнал, который посредством устройства присоединения преобразуют в выходной информационный высокочастотный сигнал и вводят его в линию электропередачи, согласно изобретению, в устройстве присоединения входным информационным высокочастотным сигналом формируют модулированное высокочастотное электрическое поле, посредством которого возбуждают стоячую магнитоэлектрическую волну в ферритовом стержне конечной длины, пучность которой регистрируют индукционным датчиком и формируют этим датчиком выходной информационный модулированный сигнал в виде ЭДС индукции, причем выходной информационный высокочастотный сигнал вводят в линию электропередачи напрямую, при этом высокочастотное электрическое поле возбуждают на частоте электромеханического резонанса таким образом, чтобы в структуре ферритового стержня по всей его длине укладывается один период возбуждаемой стоячей магнитоэлектрической волны. Электрическое поле возбуждают посредством проходного двухэлектродного цилиндрического конденсатора-модулятора с сосредоточенной емкостью, охватывающего входную часть ферритового стержня, а в качестве индукционного датчика используют проходную катушку индуктивности, охватывающую выходную часть ферритового стержня.
вх
вых
Предлагаемый способ передачи информации по сетям электропитания можно интерпретировать схемой его реализации, приведенной на фиг. 1, где 1 - устройство присоединения, состоящее из проходного двухэлектродного цилиндрического конденсатора-модулятора 2 с сосредоточенной емкостью, ферритового стержня 3 и индукционного датчика 4 в виде проходной катушки индуктивности. Проходной двухэлектродный цилиндрический конденсатор-модулятор 2 охватывает входную часть 5 ферритового стержня 3 (фиг. 2), а индукционный датчик 4 охватывает выходную часть 6 ферритового стержня 3. На вход устройства присоединения 1 подается входной высокочастотный модулированный сигнал в виде электрического напряжения U, а выходной высокочастотный модулированный сигнал в виде электрического напряжения U вводится в линию электропередачи 7.
Способ реализуется следующим образом.
вх
вых
В модеме-передатчике (на фиг. 1 не показан) исходным информационным сигналом, предназначенным для передачи, модулируют несущий высокочастотный сигнал, формируя тем самым входной информационный высокочастотный сигнал U, который посредством устройства присоединения 1 преобразуют в выходной информационный высокочастотный сигнал U и вводят его в линию электропередачи 7. Таким образом, устройство присоединения 1 ориентировано на передачу амплитудно-модулированного информационного высокочастотногоа сигнала (ВЧ-сигнала) в симплексном режиме функционирования.
Одним из основных компонентов устройства присоединения 1, фактически осуществляющим трансляцию информационного ВЧ-сигнала в линию электросети, является круглый ферритовый стержень (ФС) 3, физические свойства которого легли в основу предлагаемого способа передачи информации по сетям электропитания. Для объяснения сути предлагаемого способа рассмотрим физические процессы, возникающие при воздействии электрического поля на ферритовый стержень.
По технологии изготовления ферриты можно отнести к объемным композиционным материалам (КМ), которые представляют собой механически взаимодействующие смеси магнитострикционной и пьезоэлектрической подсистем. Существующая взаимосвязь магнитных, электрических и упругих свойств КМ приводит к тому, что в КМ возможны перекрестные эффекты, связывающие между собой магнитные и электрические характеристики материала. Примером такого свойства КМ является магнитоэлектрический эффект (МЭ), под которым, в широком смысле, подразумевается возникновение магнитного момента в структурах КМ при воздействии на эти структуры электрического поля в отсутствие магнитного поля и инициации при этом взаимодействия магнитострикционных и пьезоэлектрических компонент КМ.
Внешнее магнитное поле приводит к появлению деформации и механических напряжений магнитострикционной компоненты, которые передаются в пьезоэлектрическую компоненту. Наличие пьезоэлектрического эффекта приводит к индуцированию электрической поляризации (прямой МЭ эффект) [Брякин, И.В. Способ возбуждения феррозондов на основе магнитоэлектрического эффекта / И.В. Брякин // Проблемы автоматики и управления. - 2016. - №2 (31). - С. 73-83]:
i
j
ij
где P - электрическая поляризация; H - напряженность магнитного поля; α - МЭ восприимчивость.
В свою очередь, при воздействии внешнего электрического поля возникает деформация пьезоэлектрической компоненты с последующей передачей механических напряжений в магнитострикционную компоненту, вследствие чего и происходит ее намагничивание (инверсный МЭ эффект):
i
j
ij
ij
где M - намагниченность; E - напряженность электрического поля; α=α - МЭ восприимчивость.
Обобщая, можно констатировать, что при воздействии внешнего магнитного поля в структуре КМ происходит изменение поляризации, и наоборот, при приложении внешнего электрического поля происходит изменение намагниченности. Подобные МЭ взаимодействия в КМ, в линейном приближении, могут быть описаны системой уравнений вида [Брякин, И.В. Способ возбуждения феррозондов на основе магнитоэлектрического эффекта / И.В. Брякин // Проблемы автоматики и управления. - 2016. - №2 (31). - С. 73-83]:
где Т и S - механические напряжение и деформация; D - электрическая индукция; Е - электрическое поля; В - магнитная индукция и Н - магнитное поля; s - коэффициент податливости; ε и μ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости; d и q - соответственно пьезоэлектрический и пьезомагнитный коэффициенты; α - МЭ коэффициент (восприимчивость).
В связи с тем, что МЭ эффект в КМ обусловлен взаимодействием электрической и магнитной подсистем через упругие деформации, то значительное усиление МЭ эффекта наблюдается в области электромеханического резонанса (ЭМР). Частота такого резонанса определяется в первую очередь геометрическими размерами образца, модулями податливости и плотностью материала, а величина МЭ пропорциональна пьезоэлектрическому и пьезомагнитному модулям и обратно пропорциональна модулю упругости и диэлектрической проницаемости материала. Рассматриваемый МЭ интересен тем, что позволяет создавать принципиально новые функциональные устройства различного назначения для твердотельной электроники. С учетом МЭ эффектов (3) рассмотрим особенности работы нового типа устройство присоединения 1.
вх
m
0
При подаче входного высокочастотного модулированного сигнала в виде электрического напряжения u(t)=U(t)×sinωt на проходной цилиндрический конденсатор-модулятор 2, образованный двумя полуцилиндрическими металлическими электродами (фиг. 2), охватывающими входную часть 5 ферритового стержня 3, в рабочем пространстве между этими электродами создается переменное электрическое поле (ЭП)
m
где h - средняя величина зазора между электродами конденсатора-модулятора 2; E(t) - амплитуда огибающей напряженности переменного ЭП.
Это ЭП направленно воздействует на элементы структуры материала ФС 3, расположенного в этом рабочем пространстве. В результате воздействия на материал ФС 3 переменного электрического поля, направленного вдоль поперечного сечения ФС 3, в структуре материала ФС 3 проявляется соответствующий физический МЭ эффект, описанный выше. При воздействии переменного ЭП в некотором объеме V ферромагнетика возникает локальное напряженно-деформированное состояние, изменяющееся во времени по гармоническому закону . С учетом этого, используя уравнения электродинамики и электростатики, можем записать уравнения смещения элементов среды КМ в следующем виде:
i
ij
ij
p
m
р
m
p
m
где δ - смещение элементов среды КМ; ρ=V⋅ρ+(1-V)⋅ρ - средняя плотность вещества КМ, V - объемная доля пьезоэлектрика; ρ и ρ - плотности соответственно пьезоэлектрической и ферромагнитной составляющих КМ; T и T - компоненты тензора напряжений соответственно пьезоэлектрической и ферромагнитной составляющих КМ.
Из анализа выражения (5) следует, что все без исключения параметры и характеристики рассматриваемого состояния определяются вектором смещения материальных элементов структуры ФС 3:
*
V
n
где δ(x) - модулированное действующее значение гармонически изменяющегося во времени векторного поля .
В результате этого смещения возникающая локальная деформация элементов структуры ФС 3 будет сопровождаться соответствующим изменением намагниченности локального объеме V:
где λ - коэффициент преобразования энергии смещения элементов среды КМ в энергию магнитного поля.
Исходя из (6) и (7), можно утверждать, что в зоне непосредственного воздействия переменного электрического поля в структуре КМ возникает область переменной намагниченности:
При этом магнитострикционные и пьезоэлектрические компоненты структуры ФС 3, представляющие собой скоррелированные системы, начинают механически взаимодействовать друг с другом в локальном объеме V, что приводит к возникновению соответствующих перекрестных МЭ эффектов. В результате этого активизируются подобные процессы и на других участках структуры ФС 3, соседних с локальным объемом V, что в итоге превращает весь физический объем ФС 3 в самоорганизующуюся систему перекрестных МЭ эффектов.
pm
1
Таким образом, эволюционирующий процесс возникновения перекрестных МЭ эффектов по всей длине и во всем объеме ФС 3 приводит к возникновению потока стоячей МЭ волны Ф, состоящей из элементарных составляющих dP и dM, каждая из которых создана соответственно элементарным намагниченным или электрически поляризованным объемом dV. Причем, на частоте электромеханического резонанса (ЭМР) на всей длине ФС 3 фактически укладывается один период стоячей МЭ волны, возбужденной в структуре материала ФС 3, в пучности которой расположен индукционный датчик (ИД) 4 с индуктивностью L.
pm
1
m
Поток МЭ индукции Ф пересекает витки ИД 4 с индуктивностью L, в результате чего его составляющая в виде переменного потока намагниченности Ф индуцирует в обмотке ИД соответствующий электрический сигнал:
m
где Ф=q⋅s⋅μ⋅M; w - число витков ИД; q - соответствующая константа связи; s и μ - соответственно площадь поперечного сечения и магнитная проницаемость ФС 3; М - переменная намагниченность материала ФС 3, реструктуризирующее магнитное поле окружающего ФС 3 пространства.
С учетом (8) для стоячей волны намагниченности, можем записать:
m
0
0
0
где M (t) - модулированная амплитуда переменной намагниченности; k=2π/λ - волновое число материала ФС 3; λ - длина стоячей МЭ волны на циклической частоте ω ЭМР.
Подставив (10) в (9), окончательно получим:
или для комплексного значения напряжения на обмотке ИД:
где  - действующее значение огибающей напряжения выходного высокочастотного модулированного сигнала устройства присоединения 1.
m
0
0
Обобщая, можно констатировать, что резонансное воздействие переменного ЭП напряженностью E(t)×sinωt с циклической частотой ω ЭМР на компоненты структуры материала ФС 3 активизирует следующую последовательность физических процессов:
Из выражения (12) следует, что трансляция ВЧ информационного сигнала из низковольтной информационной части в фазные провода высоковольтной линии электросети 7 осуществляется на частоте ЭМР ФС 3 и определяется фактически только конструктивными параметрами самого ФС 3.
Аналогично описанному, можно осуществить передачу информационного сигнала из высоковольтной сети электропитания в низковольтные цепи приемного модуля, где осуществляется соответствующая окончательная обработка этих сигналов. Отличие будет состоять лишь в том, что источником ВЧ информационного сигнала в этом случае будут являться непосредственно фазные провода линии электропитания. В этом случае по отношению к фиг. 1 необходимо будет поменять местами входные и выходные зажимы устройства присоединения 1, т.е. конденсатор-модулятор 2 подключить к проводам линии 7, а выходной информационный высокочастотный сигнал снимать с индукционного датчика 4. При этом, входной информационный сигнал в виде ВЧ напряжения посредством конденсатора-модулятора будет возбуждать в структуре материала ФС 2 соответствующие МЭ процессы, которые будут индуцировать в ИД выходное ВЧ напряжение, являющееся передаваемым информационным сигналом. Таким образом, будет осуществляться трансляции ВЧ информационного сигнала из высоковольтных линий электросети в низковольтные цепи электронных преобразователей для последующей его обработки.
Основным отличительным свойством предложенного способа передачи информации по сетям электропитания является полное отсутствие какой-либо трансформаторной и гальванической связей между высоковольтной линией электросети и низковольтными информационными цепями, т.к. в данном случае функционирование устройства присоединения основано на новых физических принципах. Следует отметить, что именно это свойство гарантированно обеспечивает блокировку воздействия рабочего высокого напряжения линии электросети на низковольтные цепи ВЧ аппаратуры PLC-технологий. Тем самым обеспечивается повышение надежности передачи информации по сети электропитания и улучшение качества передачи, независимо от передаточных характеристик сети и ее электромагнитных помех.
Благодаря этой особенности, предложенный способ передачи информации по сетям электропитания может быть легко реализован в используемой типовой ВЧ аппаратуре для PLC-технологий, обеспечивая тем самым новый качественный уровень ее функционирования. Это в свою очередь позволяет использовать типовую ВЧ аппаратуру для PLC-технологий без существенных изменений и без особых настроечных процедур для линий электросети с различными параметрами и условиями эксплуатации, что, в конечном счете, обеспечит эффективность применения PLC-технологий для различных систем удаленного мониторинга, осуществляющих оперативный контроль работоспособности технологического оборудования посредством сбора и передачи данных. В частности, применение нового способа передачи/приема информации для ВЧ аппаратуры PLC-технологий позволит достаточно просто решать задачи объединения различных приборов и устройств в рамках концепции «умного дома» с возможностью централизованного управления ими.