СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО ПОДКЛЮЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОИЗВОЛЬНОЙ НЕИЗВЕСТНОЙ ФАЗЫ ОТНОСИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕНИЯ ОПОРНОЙ ФАЗЫ

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения фазового подключения напряжения неизвестной фазы относительно напряжения опорной фазы в системе распределения электроэнергии, имеющей многофазную линию электропередачи.

Современные системы распределения электроэнергии используют многофазные линии электропередачи для распределения электроэнергии. Многофазная линия электропередачи содержит множество проводников, как правило, три, причем каждый проводник несет напряжение определенной фазы. Как известно, многофазная линия электропередачи может иметь или не иметь нулевой проводник, который, при его наличии, служит дополнительным проводником многофазной линии электропередачи. Кроме того, помимо этих проводников типичной многофазной линии электропередачи может иметься или не иметься дополнительный проводник, который несет потенциал земли.

Хотя многофазная линия электропередачи имеет много преимуществ для нагрузок определенного типа, например, для электрических машин, использующих вращающиеся магнитные поля, имеется много потребителей электроэнергии, которые не подключены ко всем имеющимся фазам данной многофазной линии электропередачи. Для многих типов нагрузки достаточно, чтобы нагрузка была подключена между двумя фазами или, что более типично, между одной из имеющихся фаз и нулевым проводником. Эта схема подключения особенно широко распространена в низковольтных сетях, используемых для питания электроэнергией бытовых приборов потребителей в жилом секторе. В Европе низковольтная энергораспределительная сеть имеет три питающие фазы, напряжение на каждой из которых составляет от 220 до 240 вольт относительно нуля, причем эти три фазы отстоят друг от друга на угол 120°. Большая часть электрической нагрузки, особенно в жилом секторе, соединена между одной из трех питающих фаз R, S, T и нулевым проводником N, причем для большинства типов однофазных применений и нагрузки не имеет значения, какая именно фаза - R, S или T - подключена, и поэтому фаза обычно неизвестна.

Однако в некоторых случаях желательно определить фазу, к которой подключена данная нагрузка. Например, в системе связи по линии электропередачи, в которой имеющаяся энергораспределительная сеть используется с целью дальней связи, может быть крайне желательно, чтобы передатчик знал фазу напряжения, которое подается на приемник, поскольку можно ожидать, что связь между передатчиком и приемником по линии электропередачи будет лучше, если на передатчик и приемник подается напряжение одной и той же фазы, чем если передатчик и приемник осуществляют связь друг с другом через разные фазы посредством емкостной или индуктивной перекрестной наводки между фазами.

В системе измерения потребления электроэнергии, предназначенной для измерения электроэнергии, потребленной множеством потребителей, есть веские основания для определения фазы, подключенной к электросчетчику, расположенному на территории или за территорией потребителя. Например, определение подключенной фазы позволяет судить, не изменил ли потребитель незаконным образом подключение к электросчетчику, чтобы воспрепятствовать правильному измерению счетчиком потребленной энергии. Если счетчики обмениваются данными с другими узлами в системе дистанционного измерения посредством связи по линии электропередачи, то знание фазы, к которой подключены соответствующие удаленные счетчики на территории потребителей, является ценной информацией для оптимизации эффективности обмена данными в системе дистанционного измерения в целом.

Из патента США 4626622 известен способ определения неизвестной фазы в многофазной сети посредством сравнения неизвестной фазы с известной опорной фазой многофазной сети. Система содержит первое устройство, подключенное к опорной фазе, и второе устройство, подключенное к неизвестной фазе, находящейся в другом месте. Первое и второе устройства содержит по модему для установления телефонного соединения между этими двумя устройствами. Первое устройство включает схему для выработки цифрового сигнала, характеризующего переменное напряжение опорной фазы. Этот характеризующий сигнал посредством двух модемов и телефонного соединения передается от первого ко второму устройству. Второе устройство включает схему определения фазы для определения неизвестной фазы посредством определения угла сдвига фаз между переменным напряжением опорной фазы и переменным напряжением неизвестной фазы.

Хотя способ и система, известные из этого документа, годятся для осуществления определения неизвестной фазы в случае, когда опорное место известной фазы, подключенной в некоей точке многофазной сети, например к выводам подстанционного трансформатора, находится далеко от места неизвестной фазы, эти способ и система обладают тем недостатком, что требуется отдельное телефонное соединение между первым и вторым устройствами. Во многих случаях возможность установить отдельное телефонное соединение отсутствует.

В документе IEC 61334-5-2 определен способ определения неизвестной фазы в многофазной сети посредством введения в многофазную сеть короткого пакета данных или сигнала временной метки в момент, когда напряжение опорной фазы находится в первой опорной точке, например в точке прохождения через нуль. Средством для передачи короткого пакета данных или сигнала временной метки к месту, где требуется определить неизвестную фазу, служит сама многофазная сеть. Короткий пакет данных или сигнал временной метки извлекается из многофазной линии электропередачи в месте неизвестной фазы и измеряется временной интервал между поступлением короткого пакета данных или сигнала временной метки и опорной точкой, например точкой прохождения напряжения неизвестной фазы через нуль. Тогда этот временной интервал указывает на угол сдвига фаз между опорной фазой и неизвестной фазой. Определенный таким образом угол сдвига фаз позволяет определить подключение неизвестной фазы.

Хотя способ определения фазы, установленный этим стандартом, не требует отдельной телефонной линии между местом нахождения известной фазы и местом нахождения неизвестной фазы, этому способу присущ тот недостаток, что связь по линии электропередачи имеет в общем ограниченную дальность действия. Электрические характеристики линий электропередачи далеко не идеальны для передачи сигналов связи. Кроме того, многие виды электрической нагрузки, подключенной к линиям электропередачи, имеют свойство создавать значительный уровень шума, так что даже при умеренных расстояниях от места положения передатчика отношение сигнал/шум при обнаружении короткого пакета данных или сигнала временной метки становится неприемлемо низким. Это ограничивает применение способа определения фазы в соответствии со стандартом IEC.

Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для определения подключенной фазы напряжения неизвестной фазы относительно напряжения опорной фазы в многофазной системе распределения электроэнергии, причем эти способ и устройство позволяют определять фазу подключения, даже если место неизвестной подключенной фазы находится на большем расстоянии от места известной опорной фазы и отсутствуют возможности для создания прямого канала связи, соединяющего место известной фазы и место неизвестной подключенной фазы.

Эта задача решена настоящим изобретением, определенным независимыми пунктами формулы. В зависимых пунктах формулы приводятся предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения для определения фазы подключения напряжения неизвестной фазы в удаленном месте по отношению к напряжению опорной фазы (R) в опорном месте системы распределения электроэнергии, имеющей однофазную или многофазную линии электропередачи (R, S, T, N), между указанным опорным местом и указанным удаленным местом организовано по меньшей мере одно ретрансляционное место для ретрансляции сигнала, которое соединено с подключенной фазой многофазной линии электропередачи. Определяют первое фазовое отношение между опорной подключенной фазой в опорном месте и подключенной фазой в указанном ретрансляционном месте. Кроме того, определяют второе фазовое отношение между подключенной фазой в ретрансляционном месте и подключенной фазой в удаленном месте. На основе первого и второго фазовых отношений можно получить подключенную фазу удаленного места относительно опорной подключенной фазы.

Первое фазовое отношение можно получить несколькими различными способами. Если для расширения имеющейся сети в удаленном месте добавить новый узел, то уже имеющийся узел сети может выполнять функцию ретрансляционного места, фаза подключения которого уже известна из предыдущей процедуры определения. В этом случае достаточно, чтобы ретрансляционное место осуществляло определение второго фазового отношения между подключенной фазой в ретрансляционном месте и во вновь добавленном удаленном месте. Затем на основе определенного таким образом второго фазового отношения и известной подключенной фазы ретрансляционного места можно определить в удаленном месте фазу подключения в удаленном месте или в ретрансляционном месте, либо определенное второе фазовое отношение передают из ретрансляционного места в опорное место, где при помощи знания о подключенной фазе ретрансляционного места можно определить подключенную фазу удаленного места.

Если по меньшей мере одно ретрансляционное место между опорным местом и удаленным местом имеет неизвестную произвольную подключенную фазу, то может быть предпочтительно определить первое фазовое отношение между подключенной фазой в опорном месте и подключенной фазой в ретрансляционном месте и передать его в указанное удаленное место. Определяют второе фазовое отношение между указанным ретрансляционным местом и указанным удаленным местом. На основе указанного первого фазового отношения и указанного второго фазового отношения можно определить подключенную фазу в указанном удаленном месте относительно подключенной фазы в опорном месте.

Эти места предпочтительно являются узлами сети, использующей линию электропередачи в качестве средства передачи сигнала связи.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения подключенную фазу напряжения неизвестной фазы относительно напряжения опорной фазы в системе распределения электроэнергии, имеющей однофазную или многофазную линию электропередачи, определяют посредством передачи первого сигнала временной метки, когда напряжение опорной фазы находится в первой опорной точке. Первый сигнал временной метки принимают в ретрансляционном месте, где измеряют первый временной интервал между появлением первого сигнала временной метки и появлением опорной точки в первой произвольной подключенной фазе линии электропередачи, для получения информации о первом фазовом отношении, характеризующей фазовое отношение между напряжением опорной фазы и напряжением первой произвольной фазы. Из ретрансляционного места отправляют ретрансляционное сообщение, которое содержит эту информацию о фазовом отношении. Кроме того, из ретрансляционного места передают ретрансляционный сигнал временной метки, когда возникает вторая опорная точка в напряжении первой произвольной фазы.

Согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения выработка ретрансляционного сигнала временной метки совместно с ретрансляционным сообщением, содержащим информацию об указанном фазовом отношении, позволяет передать в ретрансляционном месте информацию об опорной фазе в удаленное место, не создавая прямого канала связи между опорным местом и удаленным местом.

За ретрансляционным местом могут следовать дополнительные ретрансляционные места для перекрытия еще больших расстояний между опорным местом и удаленным местом. Дополнительный ретранслятор в третьем месте принимает ретрансляционный сигнал временной метки и ретрансляционное сообщение из предыдущего ретрансляционного места и измеряет второй временной интервал между появлением ретрансляционного сигнала временной метки и появлением опорной точки в напряжении второй произвольной фазы в третьем месте для получения информации о втором фазовом отношении, характеризующей фазовое отношение между напряжениями подключенных фаз в последовательных ретрансляционных местах. Затем в третьем месте объединяют информацию о втором фазовом отношении и информацию о первом фазовом отношении, которая была получена из предыдущего ретрансляционного места. Объединенная информация о фазовом отношении характеризует фазовое отношение между напряжением опорной фазы и напряжением подключенной фазы в третьем месте. Эту информацию можно передать в следующее место в виде следующего ретрансляционного сообщения, либо эту информацию можно использовать для определения неизвестной подключенной фазы в третьем месте.

Термин "опорное место" может относиться к месту или узлу, в котором подключенная фаза линии электропередачи известна, например, просто по определению, как в случае выводов трехфазного трансформатора. Тогда термин "удаленное место" относится к месту или узлу, где подключенная фаза неизвестна. Следует, однако, заметить, что в альтернативном варианте термин "опорное место" может также относиться к месту или узлу, где подключенная фаза неизвестна, а термин "удаленное место" относится к месту или узлу, где подключенная фаза известна. В описанном выше варианте осуществления объединенное фазовое отношение между соседними местами берется в направлении к удаленному месту. При определении неизвестной подключенной фазы нет принципиальной разницы в том, берется ли фазовое отношение в направлении неизвестной подключенной фазы или в противоположном направлении. В первом случае информация, требуемая для определения неизвестной подключенной фазы, доступна в месте неизвестной подключенной фазы, тогда как во втором случае эта информация доступна в месте известной подключенной фазы.

Информация о фазовом отношении может быть представлена во временном виде, в виде углов сдвига фаз и в виде "скачков" между последовательными фазами, требующих различения на фазовой диаграмме, которая описывает многофазную систему. В трехфазной системе каждый скачок соответствует углу сдвига фаз 120°. Если требуется также обнаруживать обратное подключение, то в трехфазной системе может иметься шесть различных вариантов подключения, которые требуют различения, и каждый скачок соответствует сдвигу фаз на 60°, так как в этом случае следует учитывать три нормальные фазы плюс три фазы с обратным подключением.

Информацию о фазовом отношении в принятом ретрансляционном сообщении и информацию о фазовом отношении, полученную в результате измерения временного интервала между принятым сигналом временной метки и опорной точкой у напряжения подключенной фазы в месте нахождения приемника, можно объединить различными способами и предпочтительно посредством простого сложения соответствующих временных интервалом, связанных с ними значений угла сдвига фаз или числа скачков. Если информация о фазовом отношении характеризуется временными значениями, то M обозначает период переменного напряжения, передаваемого по многофазной линии электропередачи. Если информация о фазовом отношении характеризуется значениями углов сдвига фаз, то M показывает значение угла сдвига фаз, связанное с полным циклом, который равен 2π или 360°. Если информация о фазовом отношении характеризуется числом скачков между фазами, то M обозначает число возможных вариантов подключенной фазы, которые можно различить в многофазной системе.

Временной интервал между приходом сигнала временной метки и появлением опорной точки предпочтительно измеряют избыточным образом, чтобы повысить достоверность окончательного результата измерений. Для измерения определенного временного интервала передатчик предпочтительно передает более одного сигнала временной метки, причем каждый сигнал временной метки синхронизован с опорной точкой на фазовом напряжении передатчика. Это позволяет приемнику повторить измерение временного интервала между сигналом временной метки и появлением опорной точки на фазовом напряжении, чтобы затем определить измеренный временной интервал на основе мажоритарного принципа и (или) сообщить передатчику о неудачном измерении временного интервала, если определение на основе мажоритарного принципа не дало ясного результата.

Предпочтительно, чтобы те же самые ретрансляторы, которые ретранслируют сигнал временной метки и информацию о фазовом отношении, можно было использовать для передачи из удаленного места подключения неизвестной фазы в место опорной фазы ответного сообщения для информирования места опорной фазы об определенной подключенной фазе в удаленном месте.

Предпочтительно, чтобы соответствующие опорные точки на опорной фазе и на произвольных подключенных фазах в соответствующем ретрансляционном месте (местах) и удаленном месте были заданы в виде повторяющихся событий, которые наступают с периодом T, который равен периоду переменного напряжения многофазной энергораспределительной сети, например 20 мс в случае системы с частотой 50 Гц. Особенно подходит в качестве опорной точки прохождение через нуль напряжений соответствующих фаз с углом наклона определенного знака.

Сигнал временной метки может быть коротким импульсом или подходящим пакетом данных или последовательностью символов любого рода, которые являются короткими по сравнению с периодом T фазового напряжения, деленным на число возможных вариантов подключенной фазы, которые требуется различить. Сигнал временной метки может быть также скачком фазы и (или) скачком амплитуды в более сложном сигнале, последовательностью битов или информативным сигналом.

Предпочтительно, чтобы в многофазной системе с нечетным числом N фаз информация о фазовом отношении отображалась на 2N различных подключенных фаз, например, с промежутком в 60°, если N=3, чтобы учесть возможность, что в ретрансляционном месте или в удаленном месте с неизвестной подключенной фазой определенная фаза может быть подключена с обратной полярностью. Это свойство особенно полезно в применениях, связанных с дистанционным измерением потребленной электроэнергии, для обнаружения ошибочного подключения или незаконного изменения схемы подключения удаленного счетчика, находящегося на территории потребителя.

Сигналы временных меток и сообщения, создаваемые в различных местах, могут предпочтительно передаваться из одного места в следующее посредством связи по линии электропередачи или посредством коммуникационных технологий, которые обеспечивают дальность связи, достаточную для покрытия расстояния до следующего ретрансляционного места, например, посредством оптического кабеля или радиосвязи. Если для передачи сигналов временной метки и сообщений из одного места к следующему используется связь по линии электропередачи, то эти сигналы могут быть введены во все N фаз многофазной линии электропередачи, или может быть достаточно ввести эти сигналы только в одну фазу благодаря довольно сильной емкостной и индуктивной связи, существующей между различными фазами в типичной многофазной линии электропередачи. В применениях с большим числом доступных ретрансляционных мест, например, в системе дистанционного измерения потребленной электроэнергии со значительным числом потребителей, подключенных к одному и тому же участку сети низкого напряжения, подходящей коммуникационной технологией между различными последовательными местами вплоть до удаленного места, для которого требуется определить подключенную фазу, может быть связь по системе bluetooth или любая другая радиосвязь ограниченного радиуса действия.

Настоящее изобретение относится также к устройству для выполнения способа или участия в способе согласно настоящему изобретению. Вариант выполнения ретрансляционного устройства для определения фазового подключения напряжения произвольной неизвестной фазы содержит схему для принятия первого сигнала временной метки, схему для измерения временного интервала между приходом указанного сигнала временной метки и появлением опорной точки на напряжении произвольной подключенной фазы указанной линии электропередачи для получения информации о фазовом отношении, характеризующей фазовое отношение между указанным сигналом временной метки и указанным напряжением произвольной фазы, схему для выработки и передачи ретрансляционного сообщения, которое содержит указанную информацию о фазовом отношении, и схему для выработки и передачи ретрансляционного сигнала временной метки, когда напряжение указанной произвольной фазы проходит через вторую опорную точку. Ретрансляционное устройство согласно этому варианту осуществления предпочтительно содержит также схему для приема информации о фазовом отношении, относящемуся к указанному первому сигналу временной метки, причем эта информация о фазовом отношении может иметь вид ретрансляционного сообщения от ретрансляционного устройства, расположенного в предыдущем ретрансляционном месте. Затем схему создания ретрансляционного сообщения предпочтительно объединяют с принятым фазовым отношением и фазовым отношением, полученным в результате измерения временного интервала, для выработки ретрансляционного сообщения, содержащего объединенную информацию о фазовом отношении.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения устройство для определения подключенной фазы напряжения с произвольной неизвестной фазой содержит схему для принятия сигнала временной метки, схему для измерения временного интервала между приходом сигнала временной метки и появлением опорной точки на напряжении произвольной неизвестной подключенной фазы для получения информации о фазовом отношении, характеризующей фазовое отношение между указанным сигналом временной метки и напряжением произвольной неизвестной фазы, схему для принятия ретрансляционного сообщения, содержащего информацию о фазовом отношении, характеризующую фазовое отношение между опорной фазой и сигналом временной метки, и схему для объединения информации о фазовом отношении, характеризующей фазовое отношение между сигналом временной метки и указанным напряжением с неизвестной произвольной фазой, и указанную принятую информацию о фазовом отношении, а также схему для определения подключенной фазы указанного напряжения с неизвестной произвольной фазой из этой объединенной информации о фазовом отношении. Устройство согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения может обмениваться данными с предыдущим ретрансляционным местом для определения подключенной фазы напряжения с неизвестной произвольной фазой в месте нахождения устройства.

Особенно предпочтительно применение настоящего изобретения в области дистанционного измерения потребления электроэнергии, распределяемой большому числу потребителей через систему распределения электроэнергии общего пользования. Система дистанционного измерения такого рода может содержать концентратор, расположенный, например, на распределительной подстанции, для преобразования напряжения распределительной сети среднего напряжения, например 20 кВ, в низкое напряжение, например 230 В. Распределительная подстанция питает многофазную сеть низкого напряжения, к которой подключено множество потребителей. У каждого потребителя имеется электросчетчик, способный осуществлять связь с концентратором того участка сети, к которому он подключен. Чтобы помочь концентратору определить подключенную фазу удаленных счетчиков, подключенных к участку сети низкого напряжения, каждый удаленный счетчик предпочтительно содержит ретрансляционное устройство по настоящему изобретению и (или) устройство для определения фазового подключения напряжения произвольной неизвестной фазы согласно настоящему изобретению.

Далее будут описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Нижеследующее описание служит для иллюстрации конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, что, однако, не должно ограничивать настоящее изобретение.

Фиг.1 представляет собой общий вид системы для определения подключенной фазы напряжения неизвестной фазы в системе распределения электроэнергии согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет собой временную диаграмму, иллюстрирующую работу системы определения подключенной фазы, приведенной на фиг.1, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 представляет собой вариант осуществления сигнала временной метки.

Фиг.4 представляет собой информативный сигнал, содержащий сигнал временной метки и информативную часть.

Фиг.5 представляет собой блок-схему образующей узел части системы, приведенной на фиг.1.

Фиг.6A представляет собой вариант осуществления схемы обнаружения временных меток на фазовом напряжении.

Фиг.6B представляет собой временную диаграмму, иллюстрирующую работу схемы, приведенной на фиг.6A.

На фиг.1 приведена схема системы определения подключенной фазы напряжения неизвестной фазы в системе распределения электроэнергии согласно настоящему изобретению. На фиг.1 буква L обозначает многофазную линию электропередачи, являющейся частью энергораспределительной системы. Многофазная линия L электропередачи на фиг.1 является трехфазной линией электропередачи, имеющей три фазы, обозначенные R, S и T, а также нулевой проводник N. Сдвиг фаз между любыми двумя из трех фаз R, S и T составляет 120°, что является известным фактом для трехфазной системы распределения электроэнергии. Обозначение PC на фиг.1 означает паразитные распределенные емкости связи между этими тремя фазами R, S и T многофазной линии L электропередачи.

Под номером 1 обозначен узел, подключенный к линии L электропередачи в первом месте. В варианте осуществления, приведенном на фиг.1, узел 1 подключен ко всем трем фазам R, S и T, а также к нулевому проводнику N линии L электропередачи, чтобы иметь возможность вводить и извлекать сигналы связи по линии электропередачи в линию L электропередачи и из нее, хотя благодаря паразитической емкостной связи между тремя фазами было бы достаточно соединить узел 1 не со всеми тремя фазами, а с меньшим количеством. Узел 1 использует одну из трех фаз R, S и T в качестве опорной фазы. В узле 1 любая из имеющихся фаз R, S и T может быть выбрана в качестве опорной. Не ограничивая общности, можно предположить, что буква R обозначает опорную фазу в системе определения подключенной фазы, изображенной на фиг.1.

Под номерами 2 и 3 на фиг.1 обозначены ретрансляционные узлы, соединенные с произвольными, априори неизвестными фазами многофазной линии L электропередачи. В примере, приведенном на фиг.1, ретрансляционный узел 2 подключен между фазой T и нулем N, а ретрансляционный узел 3 подключен между фазой R и нулем N. Подключенная фаза этих ретрансляционных узлов произвольна в том смысле, что может использоваться любая из имеющихся фаз линии L электропередачи и не требуется знать заранее, к какой из фаз подключен узел. Следует заметить, что хотя в этом варианте осуществления приведена многофазная линия электропередачи, настоящее изобретение не ограничивается определением подключенной фазы в многофазных линиях электропередачи. В случае однофазной линии электропередачи может представлять интерес определение обратного подключения, находящегося в удаленном месте. Настоящее изобретение также применимо к однофазным системам.

Под номером 4 обозначен узел, подключенный к неизвестной произвольной фазе многофазной линии L электропередачи. Узел 4 может быть любым устройством или схемой, для которой представляет интерес информация, к какой из трех фаз R, S и T она подключена. Например, узел 4 может быть однофазным или многофазным счетчиком потребления электроэнергии, для которого желательно определить подключенную фазу (фазы) относительно опорной фазы R, например, чтобы иметь возможность обнаружить ошибки или мошенничество по тому, каким образом счетчик подключен к многофазной линии L электропередачи, и (или) чтобы использовать удаленный счетчик 4 в качестве узла, когда линия электропередачи применяется в качестве средства связи, например, при дистанционном снятии показаний со счетчиков электроэнергии наиболее оптимальным способом.

В варианте осуществления, приведенном на фиг.1, не требуется устанавливать прямой канал связи между опорным местом узла 1 и удаленным местом узла 4, подключенную фазу которого надлежит определить. Чтобы иметь возможность выполнить такое определение, узлы 2 и 3 действуют в качестве ретрансляторов. Описание работы этой системы, изображенной на фиг.1, приводится ниже со ссылкой на фиг.2.

На фиг.2 приведена временная диаграмма, иллюстрирующая работу системы определения подключенной фазы, приведенной на фиг.1, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На верхней части фиг.2 приведены зависимости напряжения трех фаз R, S и T от времени. Как можно видеть, напряжения трех фаз представляют собой синусоидальные колебания, причем напряжение фазы S отстает на 120° от напряжения фазы R, а напряжение фазы T отстает на 120° от напряжения фазы S и тем самым опережает на 120° напряжение фазы R. Напряжение каждой из трех фаз за один период колебаний дважды проходит через нуль, то есть один раз проходит через нуль при заданном угле наклона. На графике на фиг.2 прохождения через нуль с положительным углом наклона обозначены, соответственно, R+, S+ и T+, а прохождения через нуль с отрицательным углом наклона обозначены, соответственно, R-, S- и T-. В изображенном варианте осуществления прохождения через нуль с положительным углом наклона напряжений соответствующих фаз R, S и T были выбраны в качестве опорных точек для соответствующих фазовых напряжений. На фиг.2 горизонтальная ось t обозначает ось времени, а штриховые линии в вертикальном направлении Y на фиг.2 связывают различные события, приведенные на фиг.2, и определенные точки фазовых напряжений R, S и T, что более подробно будет объяснено ниже. Стрелки A и B на фиг.2 показывают, что по соображениям экономии места на чертеже временная ось была проведена в виде трех отрезков, расположенных один над другим. Две точки, соединенные стрелкой A, на самом деле совпадают на временной оси. То же относится и к двум точкам, соединенным стрелкой B. Буквой P обозначен период переменного напряжения для напряжений трех фаз R, S и T, который составляет 20 мс в случае системы с частотой 50 Гц. Числа от 1 до 4 в правой части фиг.2 относятся к узлам 1-4 на фиг.1 и показывают, в каком месте происходят соответствующие события, изображенные на фиг.2.

Для выполнения обнаружения подключенной фазы узла 4 на фиг.2 узел 1, подключенный к опорной фазе R, посылает сообщение S1 вместе с временной меткой TS, в сущности совпадающей с прохождением R+ через нуль опорной фазы R. Вариант осуществления, приведенный на фиг.1, использует связь по линии электропередачи для передачи этой временной метки TS в сообщении S1 узла 1 ретрансляционному узлу 2. Ретрансляционный узел 2 принимает сообщение S1 с временной меткой TS и измеряет временной интервал, обозначенный T1 на фиг.2, между принятой временной меткой TS в сообщении S1 и появлением опорной точки T+ в напряжении T произвольной фазы, к которой подключен узел 2. Затем узел 2 использует измеренный временной интервал T1 для создания сообщения M1 (T1), которое содержит информацию о фазовом отношении между принятым сигналом временной метки TS в сообщении S1 и подключенной фазой узла 2. Узел 2 создает сообщение S2, которое содержит сигнал временной метки TS, совпадающий с появлением другой опорной точки T+ в фазовом напряжении подключенной фазы T узла 2. Сообщение S2, созданное и переданное узлу 2 по линии L электропередачи, дополнительно содержит информационное сообщение о фазовом отношении M1 (T1).

Сообщение S2 принимается на ретрансляционном узле 3 и затем ретрансляционный узел 3 измеряет временной интервал, обозначенный T2 на фиг.2, между принятой временной меткой TS в сообщении S2 от узла 2 и появлением опорной точки R+ в фазовом напряжении, к которому подключен узел 3. В данном примере временной интервал T2 равен промежутку от T+ до R+.

В узле 3 информация о фазовом отношении M1 (T1), содержащаяся в сообщении S2, и измеренный временной интервал T2 объединяются соответствующим образом для получения объединенной информации о фазовом отношении, что будет более подробно проиллюстрировано ниже. Затем узел 3 создает сообщение S3, которое содержит временную метку TS, а также объединенную информацию M2 (T1+T2) о фазовом отношении. Это сообщение S3 передается узлом 3 через линию L электропередачи в тот момент, когда временная метка TS совпадает со следующей опорной точкой R+ на фазовом напряжении R, с которым в приведенном варианте осуществления соединен узел 3.

В узле 4 принимается сообщение S3, содержащее временную метку TS, и узел 4 измеряет временной интервал, обозначенный T3 на фиг.2, между временной меткой TS в сообщении S3 и опорной точкой S+ в фазовом напряжении S, к которому подключен узел 4. Объединенная информация M2 (T1+T2) о фазовом отношении в сообщении S2 и интервал времени T3 являются достаточной информацией для того, чтобы узел 4 определил подключенную фазу относительно подключенной фазы опорного узла 1. Узел 4 может определить относительную фазу своего подключения, объединив информацию M2 (T1+T2) о фазовом отношении в принятом сообщении S3 и измеренный временной интервал T3. Затем узел 4 может создать ответное сообщение S4, которое содержит сообщение M3 (T1+T2+T3) с объединенной таким образом информацией о фазовом отношении. Это сообщение S4 может быть ретранслировано через узлы 3 и 2 обратно к узлу 1 для сообщения узлу 1 информации о подключенной фазе узла 4.

В приведенном варианте осуществления информация о фазовом отношении, полученная посредством измерения соответствующих временных интервалов T1, T2 и T3, предпочтительно выражается в виде целого числа, полученного преобразованием измеренного временного интервала T1, T2 и T3, соответственно, в одно из N целых чисел, где N является числом возможных вариантов подключенной фазы, которые требуется различить при определении подключенной фазы. Эта операция отображения соответствует делению измеренного временного интервала на величину P/N. В варианте осуществления, приведенном в фиг.2, рассматриваются три возможных варианта подключенной фазы, так что N=3. Соответственно, в приведенном примере T1 отображается на 2 (двойку), T2 отображается на 1 (единицу) и T3 отображается на 1 (единицу). Целые числа, полученные этой операцией отображения, являются подходящим представлением информации о фазовом отношении. Объединение информации о фазовых отношениях можно предпочтительно осуществлять посредством простого сложения этих целых чисел и более предпочтительно посредством сложения по модулю N. В варианте осуществления, приведенном на фиг.3, это приводит к следующему результату: сообщение M1 (T1) содержит в себе целое число 2. Объединенная информация о фазовом отношении, которая содержится в сообщении M2 (T1+T2), представляет собой 2+1 mod 3 = 0, что говорит о том, что узел 3 подключен к той же подключенной фазе, что и опорная фаза. Тогда действие 0+1 mod 3, выполненное на узле 4, показывает, что узел 4 отстает на одну фазу от опорной фазы, то есть узел 4 подключен к фазовому напряжению S. Соответственно, сообщение M3, переданное обратно опорному узлу 1, просто содержит целое число 1.

Следует заметить, что, хотя только что описанное представление информации о фазовом отношении в виде целого числа является особенно предпочтительным вариантом выполнения с точки зрения вычислительной сложности, существуют, разумеется, и другие возможности представления информации о фазовом отношении, полученной в результате измерения временных интервалов T1, T2 и T3. Другие представления могли бы включить явное представление временных интервалов в виде секунд или в виде угла сдвига фаз, или в любом другом подходящем виде. Приведенный на фиг.3 вариант осуществления позволяет различить три подключенные фазы R, S и T. Если учитывать обратные подключения фаз, то это дает шесть различных фаз, то есть N=6. В этом случае опорные точки для обратных фазовых напряжений (не показаны) совпадут с точками R-, S- и T-, изображенными на фиг.2.

В варианте осуществления на фиг.2 информативные части M1, M2 и M3 и временная метка TS объединены в одно сообщение, соответственно, S1, S2, S3 и S4. В альтернативном варианте можно было бы передавать сигнал временной метки TS и связанную с ней информативную часть M1 в отдельных сообщениях, при этом отпадает необходимость передавать информативные части M1-M3 в определенный момент времени.

Сообщение S1, приведенное на фиг.2, не содержит информативной части, потому что это сообщение было создано опорным узлом, и оно не должно содержать дополнительной информации о фазовом отношении. Однако для получения единого протокола связи может быть предпочтительно также снабдить сообщение S1 информативной частью, которая может содержать псевдоинформацию. Сообщение S4 приведено на фиг.2 без сигнала временной метки, так как это сообщение служит для передачи объединенной информации о фазовом отношении, полученной в узле 4, обратно к опорному узлу 1, для чего не требуется задание определенного момента времени. Однако вновь ради единого протокола связи, может быть предпочтительно аналогично другим сообщениями создавать сообщение S4 с временной меткой и передавать сообщение S4 таким образом, что его временная метка совпадает с опорной точкой подключенной фазы узла S4.

На фиг.3 приведен вариант осуществления сигнала временной метки. Сигнал, приведенный на фиг.3, состоит из первой части 31 и второй части 32. Первая часть 31 содержит переменный сигнал заданной частоты. Часть 32 содержит сигнал той же самой частоты, но с обратной фазой относительно фазы сигнала 31. Разрыв фазы между первой частью 31 и второй частью 32 представляет собой временную метку TS.

На фиг.4 приведен вариант осуществления информативного сигнала, который объединяет сигнал временной метки и информативную часть. На фиг.4 числами 31 и 32 обозначены отрезки сигнала, описанные выше со ссылкой на фиг.3. TS обозначает временную метку между частями 31 и 32 сигнала. Две части 31 и 32 сигнала составляют заголовок H, который можно использовать для установления синхронизации битов. Буквой F на фиг.4 обозначена информативная область. Информативная область F может содержать множество информативных подобластей N1, N2, ..., Ni. Сообщения S1-S4, приведенные на фиг.2, предпочтительно структурированы в соответствии с вариантом осуществления, приведенном на фиг.4. Каждая информативная область N1-Ni содержит информацию о фазовом отношении, как описано в связи с фиг.2, и, кроме того, адрес узла, где эта информация о фазовом отношении была получена описанным выше образом, то есть посредством объединения информации о фазовом отношении и измеренного временного интервала. Каждый узел, который принимает информацию о фазовом отношении и объединяет принятую информацию о фазовом отношении с информацией, полученной из измерения временного интервала между временной меткой и опорной точкой на подключенной фазе, предпочтительно присоединяет полученную таким образом объединенную информацию о фазовом отношении вместе с собственным адресом узла к сообщению, которое он ретранслирует следующему узлу. Таким образом, сообщение S4 на фиг.2, направляемое от узла 4 обратно к узлу 1 на фиг.1, содержит информацию о фазовом отношении, которая позволяет узлу 1 получать сведения о подключенной фазе всех узлов, задействованных в определении подключенной фазы узла 4.

На фиг.5 изображена блок-схема образующей узел части системы, приведенной на фиг.1. На фиг.5 R, S, T и N обозначают, соответственно, три фазы и нуль линии L электропередачи, как говорилось выше. Изображенный узел может быть подключен к одной или ко всем трем фазам. TR обозначает схему приемопередатчика для установления связи по линии электропередачи через линию L электропередачи. CCT, CCS и CCR обозначают конденсаторы связи, которые позволяют схеме TR приемопередатчика передавать и принимать сигналы связи по линии электропередачи от тех фаз линии электропередачи L, к которым подключен узел. Разумеется, альтернативно для этой цели можно использовать средство индуктивной связи, например трансформаторы связи, что также хорошо известно. Сигналы связи по линии электропередачи можно вводить только в один проводник и извлекать только из одного проводника, или их можно вводить в несколько или во все проводники и извлекать из нескольких или из всех проводников, причем на каждой фазе имеется отдельный входной каскад приемопередатчика либо имеется один входной каскад приемопередатчика для всех линий, подключенных параллельно. ZD обозначает датчик опорной точки, например схема датчика прохождения через нуль, которая подключена таким образом, чтобы определить прохождение через нуль заданной фазы из трех фаз R, S и T, к которым подключен узел, приведенный на фиг.5. Заданная фаза - это фаза узла, подключение которой требуется определить. MC обозначает схему микроконтроллера. MEM обозначает область памяти, а TM обозначает схему таймера. IF обозначает схему сопряжения для сопряжения узла, изображенного на фиг.5, с другими схемами, не приведенными на чертеже, например со схемами для измерения потребления электроэнергии или для выполнения других функций, непосредственно не связанных с принципами настоящего изобретения. B обозначает шину для обмена данными и информацией об адресах между блоком MC микроконтроллера, областью MEM памяти, схемой TR приемопередатчика, датчиком ZD прохождения через нуль, схемой TM синхронизации и схемой IF интерфейса. IRQ обозначает линию запроса на прерывание для извещения блока MC микроконтроллера о прерываниях, создаваемых, соответственно, схемой TR приемопередатчика и схемой ZD датчика прохождения через нуль, о чем подробно говорится ниже.

Узел, изображенный на фиг.5, работает под управлением программного обеспечения в соответствии с программой, хранящейся в области MEM памяти, для выполнения действий, описанных выше со ссылкой на фиг.2. Если узлом на фиг.5 управляют таким образом, что он выполняет функцию узла 1, находящегося в опорном месте, то фаза, к которой подключен вход IN1 датчика ZD прохождения через нуль, является опорной фазой для выполнения определения подключенной фазы, то есть фазой R на фиг.5. Каждый раз, когда датчик ZD прохождения через нуль обнаруживает прохождение через нуль с положительным углом наклона, ZD вырабатывает запрос на прерывание по линии IRQ для микроконтроллера MC и выдает в шину B информацию об том, что имело место прохождение через нуль с заданным наклоном. В ответ на запрос на прерывание микроконтроллер считывает с шины B информацию, относящуюся к источнику прерывания, и затем дает команду схеме TR приемопередатчика выдать заданный сигнал в линию L электропередачи, который содержит временную метку, например, такую, о которой говорилось в связи с фиг.3 или 4. Узел в опорном месте 1 предпочтительно также передает сообщение, которое содержит адрес удаленного узла 4, подключенную фазу которого требуется определить. Каждое сообщение, переданное узлом, предпочтительно содержит не только адрес удаленного узла, но и список адресов всех узлов, участвующих в определении подключенной фазы удаленного узла 4, а также поле указания узла, которое содержит адрес соответствующего следующего узла, которому должно быть адресовано сообщение. Каждый узел, содержащийся в списке, обновляет поле указания узла в соответствии с элементами в списке адресов узлов, чтобы ретранслируемые сообщения следовали последовательности узлов, определенной в списке адресов узлов.

Схема TR приемопередатчика прослушивает обмен данными по линии L электропередачи. Всякий раз, когда схема TR приемопередатчика принимает сообщение, адресованное ее собственному узлу, она выполняет необходимые этапы демодуляции и декодирования, сообщает микроконтроллеру MC о приеме нового сообщения и выдает принятые данные в шину B. Если микроконтроллер MC опознает сообщение как ответное сообщение S4 от удаленного узла, подключенную фазу которого требуется определить, микроконтроллер MC оценивает информацию, содержащуюся в полученном сообщении, в соответствии с вышеописанными действиями для получения подключенной фазы удаленного узла и сохранения результата в области MEM памяти.

Если узел, изображенный на фиг.5, принимает сообщение об определении подключенной фазы, схема TR приемопередатчика принимает такое сообщение, сообщает о принятом сообщении микроконтроллеру MC посредством запроса на прерывание и, как и ранее, выдает его содержание в шину B данных. Микроконтроллер MC оценивает адрес и содержание сообщения, чтобы определить, следует ли ретранслировать сообщение другому узлу. Если да, то он дает команду блоку TM таймера начать действие по измерению времени. При появлении опорной точки на фазе, к которой подключена схема датчика нуля узла, вырабатывается следующий запрос микроконтроллеру на прерывание, на этот раз датчиком прохождения через нуль, и в ответ на этот запрос на прерывание микроконтроллер останавливает действие по измерению времени, выполняемое схемой TM таймера, и соответствующим образом обрабатывает данные о временном интервале, измеренном схемой TM таймера в соответствии с вышеописанными принципами. Затем полученная таким образом информация о времени и информация о фазовом отношении, извлеченная из принятого сообщения, объединяются при программном управлении микроконтроллера MC, и микроконтроллер MC составляет новое сообщение, которое содержит результирующую объединенную информацию о фазовом отношении. Посредством шины B данных обеспечивается доступ к этому сообщению для схемы TR приемопередатчика. При появлении следующей опорной точки в фазе, к которой подключен датчик ZD прохождения через нуль, микроконтроллер MC дает команду схеме TR приемопередатчика создать и передать сообщение, которое содержит временную метку и объединенную информацию о фазовом отношении, а также адрес узла, подключенную фазу которого требуется определить, причем этот адрес содержался в ранее принятом сообщении. Как говорилось выше, сообщение предпочтительно содержит также список адресов указанного поля указания адреса, который был обновлен узлом с целью указания адреса следующего узла для сообщения.

С другой стороны, если микроконтроллер определяет по адресу и содержанию принятого сообщения, что оно содержит запрос обнаружения подключенной фазы, касающийся его собственного узла, микроконтроллер MC извлекает информацию о фазовом отношении, содержащуюся в принятом сообщении, и измеряет время между временной меткой в принятом сообщении и появлением опорной точки в фазе, к которой подключен датчик ZD прохождения через нуль, в соответствии с теми же описанными выше принципами, с использованием схемы TM таймера. Результат этого измерения временного интервала затем объединяется микроконтроллером MC с информацией о фазовом отношении в принятом сообщении. Полученная таким образом объединенная информация о фазовом отношении затем включается микроконтроллером в ответное сообщение, создаваемое схемой TR приемопередатчика с целью сообщить опорному узлу о подключенной фазе текущего узла относительно опорной фазы запрашивающего узла.

Согласно варианту осуществления, изображенному на фиг.5, каждый из узлов 1-4 имеет в сущности одну и ту же конфигурацию и работает под управлением программного обеспечения посредством микроконтроллера в соответствии с содержанием сообщения, которое он принял. Как описано выше, по меньшей мере один узел выполнен с возможностью создавать сообщение с запросом на определение подключенной фазы, адресованное определенному удаленному узлу. Любой узел, участвующий в процессе ретрансляции, который принимает сообщение с запросом на определение подключенной фазы не для себя, а для другого узла берет принятое сообщение и выполняет операцию ретрансляции, описанную выше. Узел, который принимает сообщение с запросом на определение подключенной фазы для себя, выполняет описанные действия с целью направления ответного сообщения запрашивающему узлу, который является первоисточником сообщения с запросом на определение подключенной фазы, с целью сообщить этому узлу о своей подключенной фазе относительно подключенной фазы запрашивающего узла.

Когда прохождение через нуль запускает выработку сигнала временной метки, может возникнуть временной сдвиг между прохождением через нуль и временной меткой. Этот сдвиг может быть из-за заголовка, предшествующего фактической временной метке, как показано, например, на фиг.3, и (или) из-за ограниченного быстродействия микроконтроллера MC. Вследствие этого временная метка и связанное с нею прохождение через нуль не вполне совпадают. Если число возможных вариантов подключения фазы невелико (например, N=3), то этим сдвигом можно пренебречь. Простой способ компенсации задержки между прохождением через нуль и связанной с ним временной метки заключается в том, чтобы добавлять к каждому измеренному временному интервалу известное значение сдвига.

На фиг.6A приведен вариант осуществления схемы датчика временной метки для обнаружения сигнала временной метки, изображенного на фиг.3. Схема датчика временной метки на фиг.6A может быть частью схемы TR приемопередатчика, приведенной на фиг.5. На фиг.6A IN2 обозначает вход схемы датчика временной метки. Этот вход подключен таким образом, чтобы принимать входной сигнал от приемника и демодулятора (не показан) схемы TR приемопередатчика на фиг.5. A обозначает операционный усилитель или компаратор, положительный вход которого соединен с выходом делителя R1, R2 напряжения, а отрицательный вход соединен с землей. C1 и R3 обозначают, соответственно, конденсатор и резистор, которые включены для дифференцирования выходного сигнала на отрицательном выходе операционного усилителя A. Аналогично C2 и R4 обозначают дифференцирующую цепочку, которая включена для дифференцирования выходного сигнала на положительном выходе усилителя A. D1 обозначает диод, включенный параллельно резистору R3, так что катод этого диода соединен с конденсатором C1, а анод соединен с землей. D3 обозначает диод, включенный параллельно резистору R4, так что катод диода D3 соединен с конденсатором C2, а анод диода D3 соединен с землей. Катод диода D1 соединен с резистором R5 через диод D2. Катод диода D3 соединен с тем же узлом резистора R5 через диод D4. Этот узел резистора R5 связан со ждущим мультивибратором MF. Другой выход резистора R5 соединен с землей. Выход этого ждущего мультивибратора представляет собой выход OUT схемы датчика временной метки. Длительность сигнала ждущего мультивибратора примерно в 1,5 раза превышает промежуток между двумя обычными последовательными границами части 31 сигнала, изображенного на фиг.4.

Фиг.6B иллюстрирует работу датчика временной метки, изображенного на фиг.6A. На верхней диаграмме на фиг.6B показан сигнал напряжения на входе IN2 датчика временной метки. Операционный усилитель преобразует этот входной сигнал в комплементарные цифровые сигналы на своих положительном и отрицательном выходах. Дифференцирующая цепочка и следующая за ней диодная сборка, соединенные с соответствующими выходами, выделяют только положительные края выходных сигналов с соответствующих выходов. Эти дифференцированные и выпрямленные сигналы объединяются в резисторе R5, в результате чего на резисторе R5 возникает выходной сигнал, изображенный на средней диаграмме фиг.6B. Сигнал на резисторе R5 запускает ждущий мультивибратор, который находится в запущенном состоянии до тех пор, пока, как показано на диаграмме, импульсы на R5 приходят с постоянным интервалом. Как только возникает метка времени, то есть инвертирование фазы сигнала на входе IN2, произойдет пропуск импульса на R5, так что ждущий мультивибратор MF вернется в ждущее состояние и тем самым выработает сигнал обнаружения на выходе OUT. Чтобы не допустить ложных выходных импульсов на выходе OUT, предпочтительно маскировать выходной сигнал OUT посредством его подачи на схему И вместе с управляющим сигналом, который указывает на запертое состояние при обнаружении начальной части 31 сигнала временной метки.

Альтернативные варианты выполнения схемы датчика временной метки могут быть основаны на интегрировании сигнала на входе IN2 и сравнении интегрированного сигнала с порогом, который достигается в том случае, когда продолжительность части сигнала постоянной амплитуды больше обычной, то есть когда происходит инвертирование фазы. Другие альтернативные варианты обнаружения сигнала временной метки согласно варианту осуществления, приведенному на фиг.3, могут включать датчик цифрового сигнала или любую другую подходящую схему, известную из уровня техники.

Датчик ZD прохождения через нуль можно осуществить различными способами, известными из уровня техники. Подходящий вариант выполнения датчика ZD прохождения через нуль содержит схему, имеющую компаратор, дифференцирующую схему и выпрямитель, соединенный с его выходом, что, в сущности, аналогично конденсатору, резистору и диодной сборке, соединенной с одним или двумя выходами компаратора A, изображенного на фиг.6A.

Настоящее изобретение не ограничивается конкретными механизмами определения, описанными в настоящем документе. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что для определения подключенной фазы согласно настоящему изобретению можно применить любой механизм определения фазового отношения, который предоставляет информацию о фазовом отношении между двумя последовательными местами. Изобретение не ограничивается сигналом временной метки, описанным в настоящем документе, или конкретной схемой обнаружения временной метки. Необходимо подчеркнуть, что изображенные схемы и сигналы служат исключительно для иллюстрации частных вариантов выполнения настоящего изобретения. Приведенные в формуле обозначения позиций на чертежах служат для улучшения ее понимания. Их не следует считать ограничивающими формулу.