Способ передачи и синхронного приема сигналов в трехфазной электрической сети

 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при организации каналов связи с использованием линий 0,38 - 10 - 35 - 110 кВ без обработки ее высокочастотными заградителями. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и скорости передачи сигналов. В предложенном способе применена система модуляции КИМ-ФМ с применением интегрирования в характерных точках, которыми являются моменты времени перехода питающего напряжения через ноль. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазной электротехнической сети 0,38-10-35-110 кВ без обработки ее высокочастотными заградителями, при этом передачу и прием сигналов производят со стороны 0,38 кВ.

Известен способ приема и передачи сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в авт.св. СССР N 1107750. Недостатками известного способа являются низкая помехозащищенность приема сигналов и низкая скорость передачи сигналов.

Известен также способ передачи и приема сигналов, описанный в Научно-техническом бюллетене по электрификации сельского хозяйства, вып. 2/54, М., ВИЭСХ, 1985. Канал связи на тональных частотах по линии 10 кВ, К.И.Гутин и С. А. Цагарейшвили. Трехфазная электрическая цепь используется для передачи сигналов с контролируемых пунктов на диспетчерский пункт. Сигналами являются радиоимпульсы тональной частоты. В данном канале связи применен передатчик пассивно-активного типа (прототип). Данному способу присущи те же недостатки.

Изобретение решает задачу повышения помехозащищенности приема сигналов и повышения скорости передачи сигналов при достижении технического результата - увеличения скорости передачи до 50 или 100 Бод.

В заявленном способе при передаче символа "1" в пункте передачи преобразуют напряжение промышленной частоты F в ток сигнала обратной последовательности на частоте f₁₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₁₂, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, где преобразуют ток сигнала обратной последовательности на частоте f₁₁ в напряжение сигнала U₁₁(t) = U_m11cos₁₁t, (₁₁= 2f₁₁), преобразуют ток сигнала прямой последовательности на частте f₁₂ в напряжение сигнала U₁₂(t) = U_m12cos₁₂t, (₁₂= 2f₁₂), понижают в m раз (m>1) напряжения частот F, f₁₁ и f₁₂, заграждают напряжения на частотах f₁₁ и f₁₂, выделяют напряжение на частоте F - U(t) = U_mcost, ( = 2F), складывают напряжения сигналов U₁₁(t), U₁₂(t) и U(t), преобразуют их в трехфазные напряжения, преобразуют напряжения сигналов U₁₁(t) и U₁₂(t) в напряжение сигнала U₁(t) = U_m1cos₁t, (₁= (₁₁+ ₁₂)/2), обеспечивают необходимую полосу пропускания приемного тракта F в зависимости от заданной скорости передачи сигналов, преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение первого гетеродина U_г1(t) = U_mг1cos₁t, (₁= 2f₁, f₁=nF, n - номер гармоники напряжения промышленной частоты F, n=n_min+1,2,3,...n-1, n_min- минимальное количество периодов частоты f₁, необходимое для приема символа "1", при заданной скорости передачи сигналов), преобразуют напряжение сигнала U₁(t) и напряжение первого гетеродина U_r1(t) в постоянное положительное напряжение сигнала U₁, интегрируют напряжение сигнала U₁ на интервале T, (T=1/F-0,02C при скорости передачи сигналов 50 Бод, T=1/2F=0,01C при скорости передачи сигнала 100 Бод, F= 50 Гц), выделяют сигнал, соответствующий символу "1", при этом начало и конец интервала интегрирования T совмещают с началом и концом передачи символа "1".

При передаче символа "0" в пункте передачи преобразуют напряжение промышленной частоты F в ток сигнала обратной последовательности на частоте f₀₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₀₂, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, где преобразуют ток сигнала обратной последовательности на частоте f₀₁ в напряжение сигнала U₀₁(t) = U_m01cos₀₁t, (₀₁= 2f₀₁) , преобразуют ток сигнала прямой последовательности на частоте f₀₂ в напряжение сигнала U₀₂(t) = U_m02cos₀₂t, (₀₂= 2f₀₂) , понижают в m раз напряжения частот F, f₀₁ и f₀₂, заграждают напряжения частот f₀₁ и f₀₂, выделяют напряжение промышленной частоты F - U(t), складывают напряжения сигналов U₀₁(t), U₀₂(t) и U(t), преобразуют их в трехфазные напряжения, преобразуют напряжения сигналов U₀₁(t) и U₀₂(t) в напряжение сигнала U₂(t) = U_m2cos₂t, (₂= (₀₁+ ₀₂)/2) , обеспечивают необходимую полосу пропускания приемного тракта F в зависимости от заданной скорости передачи сигналов, преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение второго гетеродина U_г2(t) = U_mг2cos₂t, (₂= 2f₂, f₂= nF+kF, k=1,2,3...k-1) , преобразуют напряжение сигнала U₂(t) и напряжение второго гетеродина U_г2(t) в постоянное положительное напряжение сигнала U₂, интегрируют напряжение сигнала U₂ на интервале T, выделяют сигнал, соответствующий символу "0", при этом начало и конец интервала интегрирования T совмещают с началом и концом передачи символа "0".

Достижение технического результата - повышение помехозащищенности приема сигналов обеспечивают за счет того, что напряжение сигнала на интервале интегрирования является однополярным, а помеха на интервале интегрирования содержит переменную составляющую. В результате интегрирования отношение сигнал/помеха на выходе интегратора будет больше, чем на его входе (см. А.П. Мановцев. Введение в цифровую радиотелеметрию. М.: Энергия, 1967, с.124).

Достижение технического результата - повышение скорости передачи сигналов до 50 или 100 Бод обеспечивают за счет расширения полосы пропускания приемного тракта при одновременном увеличении отношения сигнал/помеха. Начало и конец интервала интегрирования производят в характерных точках, которыми являются моменты времени перехода питающего напряжения U(t) = U_mcost через ноль. Эти моменты времени соответствуют началу и концу передачи символов "1" и "0" на передающем и приемном пунктах.

Функциональная схема устройства передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети приведена на чертеже.

Устройство содержит трехфазную электрическую сеть 1, которая подключена к выходу первого передатчика пассивно-активного типа 2, к входам первого 21 и второго 22 гетеродинов, первого 23 и второго 24 синхронизаторов, к первым входам первого 25 и второго 26 генераторов, к выходу второго передатчика пассивно-активного типа 27, к первичной обмотке третьего трансформатора 7, к входам второго 4 и первого 3 фильтров напряжения симметричных составляющих. Выход последнего подключен к первичной обмотке первого трансформатора 5, выход второго фильтра напряжения симметричных составляющих 4 подключен к первичной обмотке второго трансформатора 6, первый вывод вторичной обмотки которого подключен через конденсатор 9 к первому выводу вторичной обмотки первого трансформатора 5, второй вывод которой подключен к первому выходу заграждающего фильтра 8, второй выход которого подключен к первому входу преобразователя фаз 10, второй вход которого подключен к второму выводу вторичной обмотки второго трансформатора 6. Вторичная обмотка третьего трансформатора 7 подключена к входу заграждающего фильтра 8. Выход преобразователя фаз 10 подключен к входу трехфазного выпрямительного моста 11, выход которого подключен к резистору 12, входам второго 14 и первого 13 узкополосных фильтров. Выход последнего соединен с первым входом первого умножителя 15, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот 17, выход которого соединен с первым входом первого интегратора 19. Выход первого гетеродина 21 соединен с вторым входом первого умножителя 15. Выход второго узкополосного фильтра 14 соединен с первым входом второго умножителя 16, выход которого соединен с входом второго фильтра нижних частот 18, выход которого соединен с первым входом второго интегратора 20. Выход второго гетеродина 22 соединен с вторым входом умножителя 16. Выход первого синхронизатора 23 соединен с вторыми входами первого 19 и второго 20 интеграторов. Выход второго синхронизатора 24 соединен с вторыми входами первого 25 и второго 26 генераторов. Выход первого генератора 25 соединен с входом первого передатчика пассивно-активного типа 2, выход второго генератора 26 соединен с входом второго передатчика пассивно-активного типа 27.

Передача и прием символа "1".

Работает устройство следующим образом.

На входе первого гетеродина 21 имеют напряжение гетеродина U_г1(t) = U_mг1cos₁t, (1) где U_mг1 - амплитудное значение напряжения первого гетеродина; ₁= 2f₁, f₁= nF, n - номер гармоники напряжения промышленной частоты, n = 2,3,..., n-1; ₁ - круговая частота.

Получить напряжения с частотами nF не вызывает затруднений. Например, для n= 2,4,6, . . . и т. д. выпрямляют напряжение промышленной частоты F U(t) = sint, ( = 2F) . После двухполупериодного выпрямления имеют Далее фильтруют необходимую гармонику частоты F.

Если необходимо иметь нечетные гармоники промышленного напряжения частоты Fn = 3,5,7... и т.д., синусоидальное напряжение частоты F преобразуют в последовательность видеоимпульсов. Разложение в ряд Фурье дает Далее фильтруют необходимую гармонику частоты F, при этом напряжение гетеродина не имеет помех.

На выходе второго гетеродина 22 имеют напряжение
U_г2(t) = U_mг2cos₂t, (2)
что обеспечивает "идеальный" прием,
где U_mг2 - амплитудное значение напряжения второго гетеродина;
₂= 2f₂, f₂= nF + kF, k = 2,3...k-1
С выхода первого передатчика, пассивно-активного типа 2 в трехфазную электрическую сеть 1 (сеть) вводят два тока на частотах ₁₁ и ₁₂ . Это следует из принципа работы передатчика пассивно-активного типа. Несмотря на то, что ключ передатчика 2 (ключ передатчика на фиг.1 не показан) коммутирует с частотой ₁ , ₁ = (₁₁+ _12)/2, в сеть 1 вводят два тока с разными частотами ₁₁ и ₁₂, при этом выполняется условие . Это обусловлено тем, что источником питания передатчика 2 является напряжение трехфазной электрической сети 1 промышленной частоты F . Эти токи образуют в сети 1 два напряжения, которые присутствуют на приемном пункте, т.е. на входах первого 3 и второго 4 фильтров напряжения симметричных составляющих. Фильтр 3 настраивают на частоту (f₁₁+f₀₁)/2 (частоту f₀₁ образуют при передаче символа "0"). Частоты f₁₁ и f₀₁ отличаются друг от друга на величину 100, 150, 200 Гц. Полоса пропускания фильтра 3 равна 600-800 Гц. Таким образом, напряжения частот f₁₁ и f₀₁ обратной последовательности принимаются фильтром 3. По аналогии напряжения частот f₁₂ и f₀₂ (напряжение частоты f₀₂ образуют при передаче символа "0") прямой последовательности принимаются фильтром 4, который настроен на частоту (f₁₂ + f₀₂)/2. Напряжения на частотах f₁₁ и f₁₂ подают также на первичную обмотку трансформатора 7. На его вторичной обмотке будут присутствовать три напряжения с частотами f₁₁, f₁₂ и F - U(t). Напряжения на частотах f₁₁ и f₁₂ ослабляют заграждающим фильтром 8 (см. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Л.: Энергия, 1966, с. 172).

Заграждающий фильтр 8 настроен на частоту (f₁ + f₂)/2, при этом полоса заграждения F (f₁+ f₂)/2 , в результате чего в приемный тракт попадают ослабленные напряжения с вторичной обмотки третьего трансформатора 7 с частотами f₁₁ и f₁₂, которые для приема являются помехой, т.к. третий трансформатор 7 не улучшает отношения сигнал/помеха, как это происходит в фильтрах 3 и 4. На входе преобразователя фаз 10 происходит сложение трех напряжений U(t), U₁₁(t) и U₁₂(t) (для простоты изложения рассматривают в данном случае прохождение через приемный тракт только напряжений сигналов). С выхода преобразователя 10, который настроен на частоту F, получают трехфазные напряжения с частотами f₁₁, f₁₂ и F. Эти напряжения поступают на вход моста 11 (См. Фабрикант В.П. Глухов В.П., Паперно Л.В. Элементы устройств релейной защиты и автоматики энергосистем и их проектирования. М.: Высшая школа, 1968). Амплитуда напряжения с частотой F больше амплитуд напряжений сигналов с частотами f₁₁ и f₁₂, поэтому диоды трехфазного выпрямительного моста коммутируют с частотой F. Мост 11 преобразует напряжение сигналов с частотами f₁₁ и f₁₂ в напряжение сигнала с частотой f₁ = (f₁₁ + f₁₂/2), причем амплитуда напряжения сигнала на частоте f₁ в раз больше, чем амплитуды напряжений сигналов на частотах f₁₁ и f₁₂.

На выходе моста 11 отношение сигнал/помеха будет больше в раз, чем на его входе.

Передатчик 2 имеет точно такой же мост (мост передатчика 2 на чертеже не показан), поэтому на выходе моста 11 имеет демодулированное напряжение сигнала, которое имеет вид
U₁(t) = U_m1cos₁t, где ₁= 2f₁, f₁= (f₁₁+ f₁₂)/2. (1)
Резистор 12 необходим для создания цепи протекания токов через диоды моста 11, которые должны быть открыты. Напряжения сигнала U₁(t) подают на первый узкополосный фильтр 13, который настроен на частоту f₁. С выхода первого узкополосного фильтра 13 имеют напряжение сигнала
U₁₃(t) = U_m13cos₁t, (2)
Узкополосный фильтр 13 имеет полосу пропускания F , которую задают в зависимости от скорости передачи сигналов. Это напряжение подают на первый вход первого умножителя 15. На его второй вход подают напряжение первого гетеродина 21, которое имеет вид
U_г1(t) = U_mг1cos₁t. (3)
Таким образом, на первый и второй входы первого умножителя 15 подают два напряжения с равными частотами и фазами. Напряжение на выходе первого умножителя 15 определяют из выражения

где m - постоянный коэффициент, зависящий от амплитуды напряжения первого гетеродина 21;
- крутизна характеристики первого умножителя 15;
A₀ - амплитудное значение.

Анализ выражения (4) показывает, что первый и второй члены являются напряжениями, имеющими частоты ₁ и 2₁. Последний член является положительным постоянным напряжением U₁.

Напряжение U₁ соответствует положительному видеоимпульсу в описании формулы изобретения при передаче символа "1". Напряжение U₁ действует в течение времени t, где 0 t ₁ = T ; ₁ - длительность передачи символа "1":
U₁= mA₀/2. (5)
Для выделения положительного постоянного напряжения сигнала U₁, которое характеризуется прием символа "1", напряжение с выхода первого умножителя 15 согласно (4) подают на вход первого фильтра нижних частот 17, с выхода которого имеют положительное постоянное напряжение согласно (5). Второй синхронизатор 24 формируют видеоимпульсы длительностью ₁, которые поступают на второй вход первого генератора 25, с выхода которого имеют пачки радиоимпульсов с частотой заполнения f₁. В первом генераторе 25 вырабатывают напряжение с f₁. Формируют эту частоту по аналогии с гетеродином 21, работа которого описана выше. Эти пачки радиоимпульсов поступают на запуск первого передатчика 2. Начало и конец пачек радиоимпульсов соответствуют переходу питающего напряжения U(t) = U_mcost ( = 2f) через ноль. Данную операцию производит второй синхронизатор 24, который вырабатывает импульсы в моменты перехода питающего напряжения U(t) через ноль. Первый синхронизатор 23 формирует импульсы перехода питающего напряжения через ноль, которые подаются на второй вход первого интегратора 19 для его обнуления в моменты начала и конца передачи символа "1" в пункте передачи. В связи с тем, что приемный и передающий пункты имеют единую трехфазную электрическую сеть с напряжением частоты F, моменты перехода питающего напряжения через ноль в этих пунктах будут идентичны.

Конденсатор 9 служит для ограничения тока промышленной частоты F-U(t) через обмотки первого 5 и второго 6 трансформаторов.

Передача и прием символа "0".

С выхода второго передатчика 27 в сеть 1 вводят два тока сигналов на частотах f₀₁ и f₀₂ [f₂= (f₀₁ + f₀₂)/2]. По аналогии с передачей символа "1" эти токи образуют на входах фильтров 3 и 4 напряжения сигналов на частотах f₀₁ и f₀₂. На входе преобразователя фаз 10 происходит сложение трех напряжений U(t), U₀₁(t) и U₀₂(t). С выхода преобразователя 10 трехфазные напряжения с частотами f₀₁, f₀₂ и F поступают на вход трехфазного выпрямительного моста 11, в котором преобразуют напряжения с частотами f₀₁ и f₀₂ в напряжение с частотой f₂ = (f₀₁ + f₀₂)/2, причем амплитуда напряжения сигнала на частоте f₂ в раз больше, чем амплитуды напряжений сигналов на частотах f₀₁ и f₀₂. На выходе моста 11 отношение сигнал/помеха больше в раз, чем на его входе.

U₂(t) = U_m2cost , (6)
где ₂= (₀₁+ ₀₂)/2.
Напряжение сигнала U₂(t) подают на второй узкополосный фильтр 14, который настроен на частоту f₂, с заданной полосой пропускания F.

С выхода узкополосного фильтра 14 имеют напряжение сигнала
U₁₄(t) = U_m14cos₂t. (7)
Это напряжение подают на первый вход второго умножителя 16. На его второй вход подают напряжение второго гетеродина 22, которое имеет вид
U_г2(t) = U_mг2cos₂t. (8)
Напряжение на выходе второго умножителя 16 определяют из выражения

где m - постоянный коэффициент, зависящий от амплитуды напряжения второго гетеродина 22;
- крутизна характеристики второго умножителя 16;
A₀ - амплитудное значение.

Для выделения постоянной составляющей в (9) напряжение U₁₆(t) подают на вход второго фильтра нижних частот 18. Напряжение с выхода второго фильтра нижних частот 18 подают на первый вход второго интегратора 20.

Второй синхронизатор 24 формирует видеоимпульсы длительностью T, которые поступают на второй генератор 26, с выхода которого имеют пачки радиоимпульсов с частотой заполнения f₂. Эти пачки радиоимпульсов поступают на запуск второго передатчика 27. Начало и конец радиоимпульсов соответствуют переходу питающего напряжения U(t) через ноль. На второй вход второго интегратора 20 подают импульсы с первого синхронизатора 23 для его обнуления в моменты начала и конца передачи символа "0". Напряжение U₂ соответствует положительному видеоимпульсу в описании формулы изобретения. Напряжение U₂ действует в течение времени t, где 0 t T = ₀ ; где T - длительность передачи символа "0"; ₀ - длительность символа "0";

Выше мы рассмотрим прохождение через приемные тракты напряжений сигналов.

Образование напряжений помех есть случайный процесс, где их амплитуда и фаза зависит от времени. Если измерять уровень напряжений помех U_п на выходах первого 19 и второго 20 интеграторов (передачу символов "0" и "1" не производят), получат уровни напряжений, которые изменяются в интервале интегрирования - U_max U_п U_max, при этом математическое ожидание M[U_п] = 0. Чем выше частота этого процесса или чем больше время интегрирования T, тем выше будет вероятность опознавания символа "0" или "1". Именно в этом и состоит смысл применения интегрирования (см. А.П. Мановцев ... с. 124]. Из вышесказанного следует, что отношение сигнал/помеха на выходах первого 19 и второго 20 интеграторов будет выше, чем на их входах.

Учитывая увеличение отношения сигнал/помеха в мосте 11 и интеграторах 19 и 20, при одной и той же мощности передатчиков 2 и 27 имеют возможность расширить полосу пропускания F узкополосных фильтров 13 и 14. F₁ 50 Гц при скорости передачи сигналов 50 Бод, F₂ 100 Гц при скорости передачи сигналов 100 Бод. Мы доказали, что предложенное устройство реализует заявленный способ при достижении технического результата - увеличена скорость передачи сигналов до 50 или 100 Бод.

Формула изобретения

Способ передачи и синхронного приема сигналов в трехфазной электрической сети, в котором в пункте передачи символа "1" преобразуют напряжение промышленной частоты F в ток сигнала обратной последовательности на частоте f₁₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₁₂, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, отличающийся тем, что в него введены следующие операции: в пункте приема преобразуют ток сигнала обратной последовательности на частоте f₁₁ в напряжение сигнала U₁₁(t) = U_m11cos₁₁t(₁₁= 2f₁₁), преобразуют ток сигнала прямой последовательности на частоте f₁₂ в напряжение сигнала U₁₂(t) = U_m12cos₁₂t(₁₂= 2f₁₂), понижают в m раз (m > 1) напряжения частот F, f₁₁ и f₁₂, заграждают напряжения на частотах f₁₁ и f₁₂, выделяют напряжение на частоте F-U(t) = U_mcost( = 2F), складывают напряжения сигналов U₁₁(t), U₁₂(t) и U(t), преобразуют их в трехфазные напряжения, преобразуют напряжения сигналов U₁₁(t) и U₁₂(t) в напряжение сигнала U₁(t) = U_m1cos₁t(₁= (₁₁+₁₂)/2) обеспечивают необходимую полосу пропускания приемного тракта F в зависимости от заданной скорости передачи сигналов, преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение первого гетеродина U_г1(t) = U_мг1cos₁t,(₁= 2f₁,f₁= nF, n - номер гармоники напряжения промышленной частоты F, n = n_min + 1, 2, 3,..., n-1 n_min - минимальное количество периодов частоты f₁ необходимое для приема символа "1", при заданной скорости передачи сигналов преобразуют напряжения сигнала U₁(t) и напряжения первого гетеродина U_г1(t) в постоянное положительное напряжение сигнала U₁, интегрируют напряжение сигнала U₁ на интервале T(T = 1/F = 0,02 с при скорости передачи сигналов 50 Бод, T = 1/2F = 0,01с при скорости передачи сигнала 100 Бод, F = 50 Гц), выделяют сигнал, соответствующий символу "1", при этом начало и конец интервала интегрирования T совмещают с началом и концом передачи символа "1", при передаче символа "0" в пункте передачи преобразуют напряжение промышленной частоты F в ток сигнала обратной последовательности на частоте f₀₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₀₂, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, где преобразуют ток сигнала обратной последовательности на частоте f₀₁ в напряжение сигнала U₀₁(t) = U_{м 01}cos₀₁t_x(₀₁= 2f₀₁), преобразуют ток сигнала прямой последовательности на частоте f₀₂ в напряжение сигнала U₀₂= U_{м 02}cos₀₂t(₀₂= 2f₀₂), понижают в m раз напряжения частот F, f₀₁ и f₀₂, заграждают напряжения частот f₀₁ и f₀₂, выделяют напряжение промышленной частоты F - U(t), складывают напряжения сигналов U₀₁(t), U₀₂(t) и U(t), преобразуют их в трехфазные напряжения, преобразуют напряжения сигналов U₀₁(t) и U₀₂(t) в напряжение сигнала U₂(t) = U_м2cos₂t_x(₂= (₀₁+₀₂)/2, обеспечивают необходимую полосу пропускания приемного тракта F в зависимости от заданной скорости передачи сигналов, преобразуют напряжение промышленной частоты F в напряжение второго гетеродина U_г2(t) = U_{м г2}cos₂t(₂= 2f₂, f₂ = nF + kF, k = 1, 2, 3, ..., k - 1), преобразуют напряжение сигнала U₂(t) и напряжение второго гетеродина U_г2(t) в постоянное положительное напряжение сигнала U₂, интегрируют напряжение сигнала U₂ на интервале T, выделяют сигнал, соответствующий символу "0", при этом начало и конец интервала интегрирования T совмещают с началом и концом передачи символа "0".

РИСУНКИ

Рисунок 1