CC BY
85
УДК 681.535, 62-50
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ПОСТРОЕНИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ НАРУЖНЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ*
Е.В. Встаеская, Е.В. Костарев
THE MODE OF INFORMATION TRANSFER BY MAINS
AND ITS APPLICATION IN THE CONSTRUCTION
OF COMPUTER-AUTOMATED CONTROL OF EXTERIOR LIGHTING
E.V. Vstavskaya, E.V. Kostarev
Рассматривается способ передачи информации по силовой электропроводке путем широтной модуляции сетевого напряжения. Производится анализ особенностей предложенного способа, даются рекомендации по выбору областей внедрения полученной системы передачи информации по питающей сети.
Ключевые слова: модуляция, управление уличным освещением, передача информации.
The article deals with the mode of information transfer by power electric wiring by means of width modulation of the mains voltage. The article includes the analysis of the peculiarities of the suggested mode and the guidance on the choice of the adoption sphere for the obtained mode of information transfer by mains.
Keywords: modulation, street lighting control, information transfer.
Введение
Передача информации по питающей сети является перспективным направлением создания линий коммуникации. Электрические линии - самые многочисленные и имеются практически везде, где живет и работает человек. Поскольку пользователям услуги широкополосного доступа сетевые провода подведены к любому электрическому прибору, то крайне удобным было бы использовать эти же провода и для передачи управляющих информационных сигналов. С практической точки зрения можно передавать потоки данных по высоковольтным линиям электропередач на большие расстояния, предоставлять доступ в интернет или создавать локальную сеть в рамках одной квартиры. Power Line Communication (англ. PLC, коммуникации по силовой линии) - это собирательный термин, описывающий класс технологий связи, которые в качестве физической среды передачи
* Работа выполнена в рамках реализации федеральной кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
информации используют существующие сети электроснабжения.
1. Передача информации по питающей сети
Самым распространенным на сегодняшний день является способ передачи информации по питающей сети под названием Broadband over Power Lines (англ. BPL, широкополосная передача через линии электропередачи). Эксперименты по передаче данных по электросети велись достаточно давно, но низкая скорость передачи и слабая помехозащищенность были наиболее узким местом данной технологии. С момента появления мощных DSP-процессоров (англ. Digital signal processor — цифровые сигнальные процессоры) появилась возможность использовать более сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM-модуляция (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing - ортогональное частотное
целевой программы «Научные и научно-педагогические
Вставская Елена Владимировна - канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; [email protected]
Костарев Евгений Владимирович - магистрант кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; [email protected]
Vstavskaya Elena Vladimirovna - PhD, assistant professor of the Automation and control department of SUSU; [email protected]
Kostarev Evgeny Vladimirovich - undergraduate of the Automation and control department of SUSU; [email protected]
разделение каналов с мультиплексированием), что позволило значительно продвинуться вперед в реализации технологии PLC.
Основой технологии BPL с OFDM-модуляцией является использование частотного разделения информационного сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбирается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной подне-сущей частоте с последующим их объединением в один сигнал. Реально в технологии BPL используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 МГц.
При передаче сигналов по бытовой электросети могут возникать большие затухания сигнала на определенных частотах, что может привести к потере данных. В технологии BPL предусмотрен специальный метод решения этой проблемы - динамическое включение и выключение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта, использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания.
Однако данная технология и на сегодняшний день имеет ряд серьезных недостатков:
- BPL-устройства являются источником сильных радиопомех в диапазонах СВ, ДВ, КВ;
- не работает через трансформаторные подстанции, сетевые фильтры и источники бесперебойного питания;
- относительно небольшая дальность действия 300-400м.
Указанные особенности BPL-технологии стимулируют поиск альтернативных способов передачи информационных сигналов по силовым линиям электропередач.
2. Способ передачи информации по силовой электропроводке путем широтной модуляции сетевого напряжения
Как было сказано выше, BPL-технология связи использует дополнительный высокочастотный сигнал для передачи информации, «подмешивая» его к сетевому напряжению. Можно предложить и другой метод построения системы связи, если заставить сетевое напряжение переносить информационный сигнал.
Сигналом может быть физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. По этой причине сетевое напряжение в том виде, в каком оно поступает в наши дома, не несет никакой информации. Чтобы превратить сетевое напряжение в источник информационного сигнала нам необходимо произвести его модуляцию.
Можно сказать, что все тиристорные регуля-
торы мощности по сути производят широтную модуляцию напряжения на нагрузке. Тиристорным регулятором мощности называется электронная схема, позволяющая изменять подводимую к нагрузке мощность путём задержки включения тиристора на полупериоде переменного напряжения. Чем больше угол отпирания силовых тиристоров а, тем меньше среднее напряжение на выходе регулятора и тем меньше мощность, отдаваемая в нагрузку. На рис. 1 показана форма входного и выходного напряжений тиристорного регулятора мощности.
Выходное напряжение
Рис. 1. Форма входного и выходного напряжений тиристорного регулятора мощности
У данного способа модуляции сетевого напряжения есть один казалось бы очевидный недостаток - уменьшение величины среднего напряжения в модулированной сети. Это означает, что потребители не смогут работать на номинальной мощности. Однако это относится лишь к тем потребителям, которые являются чисто активной нагрузкой, то есть форма потребляемого ими тока в любой момент времени соответствует форме напряжения в питающей сети. Но очень немногие потребители представляют собой чисто активную нагрузку. Рассмотрим, к примеру, структуру, изображенную на рис. 2. Эта несложная схема представляет собой неотъемлемый элемент любого блока питания постоянного тока, будь то блок питания с понижающим трансформатором или же бестрансформаторный понижающий импульсный преобразователь.
Данная схема состоит из двухполупериодного выпрямителя (мост УОБ1) и сглаживающего конденсатора С1.
На рис. 3 показана форма выпрямленного напряжения на выходе диодного моста (пунктирная линия) и напряжение на сглаживающем конденсаторе (сплошная линия). Особенностью схемы на рис. 2 является то, что она потребляет ток от внешней питающей сети только на интервале времени /ч, в течение которого происходит заряд конденсатора С1. Таким образом, на углах отсечки от а, =0° до а2 =50° возможна модуляция сете-
Способ передачи информации по питающей сети и его применение в построении систем автоматизированного управления наружным освещением
Напряжение на конденсаторе
------------- - Напряжение на выходе диодного моста
Рис. 3 Интервалы времени, в течение которых происходит потребление тока
вого напряжения без риска уменьшения коэффициента мощности нагрузки. Форма напряжения в модулированной сети будет такой же, как показано на рис. 1 (внизу), однако максимальный угол отпирания тиристоров будет равен а2 = 50°.
Изменяя угол отпирания тиристоров, мы производим модуляцию сетевого напряжения. На приемной стороне нам достаточно измерить интервал времени, в течение которого сетевое напряжение равно нулю, эта длительность является информационным сообщением, принятым по линии питающей сети. При этом все потребители со структурой блока питания как на рис. 2 в модулированной питающей сети будут работать в номинальном режиме.
3. Применение способа передачи информации по силовой электропроводке путем широтной модуляции сетевого напряжения
Рассмотрим достоинства и недостатки предложенного метода передачи информации.
Достоинства:
- в качестве среды распространения сигнала используются силовые питающие цепи;
- в силовую электропроводку не вносится никаких дополнительных источников сигнала, что не нарушает правила эксплуатации электропроводки зданий и не является источников электромагнитных помех;
- при передаче информации в качестве несущей используется переменное напряжение силовой электропроводки. Мощность такого сигнала ничем не ограничивается, что позволяет получить большую дальность связи;
- низкая стоимость сетевого оборудования и его техническое обслуживание.
Недостатки:
- невозможно построение двунаправленной системы передачи информации;
- в модулированной сети возможна работа только тех потребителей, блоки питания которых построены с использованием выпрямителя и сглаживающего конденсатора, например, приборы с импульсными блоками питания.
Учитывая перечисленные достоинства и недостатки можно заключить, что предложенный способ передачи информации может быть использован при построении систем автоматизированного управления наружным и уличным освещением.
С 27 ноября 2009 года в России вступил в действие Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». В части, касающейся светильных приборов, закон открывает широкие перспективы для использова-
ния всех преимуществ светодиодных технологий в системах освещения. Также перспективным направлением модернизации систем освещения является замена электромагнитных балластов дуговых натриевых ламп высокого давления (ДНАТ) электронными пускорегулирующими аппаратами, способными выполнять функции диммирования.
Электронные балласты ламп ДНАТ и импульсные блоки питания светодиодных светильников оказываются абсолютно нечувствительными к широтной модуляции питающего напряжения. А специальные сетевые платы-демодуляторы, встраиваемые в светильники способны принять сигнал управления и подать команду на диммиро-вание светового потока светильника.
Заключение
В работе предложен способ передачи информации по силовой электропроводке путем широтной модуляции сетевого напряжения. Данный метод передачи информации может быть использован для построения систем автоматического управления без обратной связи. Отсутствие двунаправленной связи в рассмотренной системе передачи информации компенсируется низкой стоимостью сетевого оборудования и его технического обслуживания. Способ передачи информации по
силовой электропроводке путем широтной модуляции сетевого напряжения может применяться для построения автоматизированных систем управления наружным и уличным освещением на основе светодиодных источников света с импульсными источниками питания и ламп ДНАТ, оснащенных электронными балластами.
Литература
1. Патент на полезную модель 99913, Рос. Федерация: МПК7 Н04ВЗ/54. Устройство для приема-передачи информации по питающей сети и управления режимами работы потребителей электрической энергии / Т. А. Барбасова, Е.В. Вставская, В.И. Константинов и др.; заявитель и патентообладатель ЗАО НПП «Южуралэлектрони-ка». -Мв 2010128856/09; заяви. 12.07.2010; опубл. 27.11.2010, Бюл. Мв 33.
2. Баранова, Е.А. Передача данных по электросетям / Е.А. Баранова // Интернет журнал по широкополосным сетям и мультимедийным технологиям. - 2009. -Мв 3.
3. Dietrich, К. Системы ВЧ связи по НЭП. Коммуникационные решения для электрических сетей / К. Dietrich; пер. с англ. Е.А. Малютина // Электротехнический рынок. - 2007- Мв 11.
Поступила в редакцию 21 декабря 2010 г.
