DE2445388A1

DE2445388A1 - Datenuebertragung ueber starkstromleitungen

Info

Publication number: DE2445388A1
Application number: DE19742445388
Authority: DE
Inventors: Howard S Baker; Neil H Jagoda; Klaus Kubierschky
Original assignee: GENERAL PUBLIC UTILITIES CORP
Current assignee: GENERAL PUBLIC UTILITIES CORP
Priority date: 1973-10-04
Filing date: 1974-09-23
Publication date: 1975-04-30
Also published as: SE405924B; TR18263A; GB1487404A; US3909821A; AR203404A1; ES430657A1; CA1022081A; IT1019468B; DE2445388B2; BR7408233D0; IL45649A; FR2247030B1; FR2247030A1; IN140299B; SE7411405L; BE820405A; AU7351574A; NL7412976A; CH595727A5; JPS5062716A

Description

betreffend
Datenübertragung über Starkstromleitungen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenübertragung über Starkstromleitungen mit besonderer Eignung zur automatischen Übertragung der Zählerstände von Verbrauchs- bzw. Elektrizitätszählern.

Die Elektrizitätszähler werden normalerweise von einem Mitarbeiter des Elektrizitätswerkes abgelesen,, der die Zähler periodisch abgeht und den jeweiligen Zählerstand am Ort des Kunden notiert. Wenn Zähler innerhalb eines Gebäudes untergebracht sind und niemand zur Verfügung steht, dem Ableser Zutritt zu verschaffen, muss die Ablesung für die betreffende Zeitperiode ausfallen. Der Ableser kann dann eine an das Elektrizitätswerk adressierte Postkarte zurücklassen, mit welcher der Kunde gebeten wird, den Zähler selber abzulesen, den Zählerstand auf der Postkarte einzutragen und diese dann an das Elektrizitätswerk zu senden. Alternativ kann der Ableser bzw. Mitarbeiter auch den Zählerstand aufgrund der bisherigen Verbrauchsentwicklung schätzen. Bei beiderlei Vorgehen sind natürlich Ungenauigkeiten nicht ausgeschlossen. In jedem Falle ist das manuelle Ablesen und die manuelle Übertragung der Zählerstände in eine für die automatische Datenverarbeitung geeignete Form kostspielig und zeitaufwendig, selbst dann, wenn die Zähler ausserhalb der Gebäude angeordnet und dadurch jederzeit zugänglich sind.

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Zur Vermeidung dieser Nachteile sind bereits verschiedene automatische Zähler-Ablesesysteme vorgeschlagen worden. Gemäss einem Vorschlag werden Telefonleitungen zur Datenübertragung benutzt. Ein anderer Vorschlag sieht Sender-Empfänger an jeder Zählerstelle vor, wobei ein Flugzeug das Kundengebiet abfliegt und über die Sender-Empfänger Messumsetzer an jeder Zählerstelle abfragt. Gemäss einem weiteren Vorschlag werden auch bereits die Starkstromleitungen zur Datenübertragung benutzt; jedoch war eine Übertragung über die Verteiler-Transformatoren bisher nicht möglich, weshalb teure Übertragungsglieder zur Umgehung der Verteiler-Transformatoren eingesetzt werden mussten. Alle vorgeschlagenen Systeme verursachen sehr hohe Kosten.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit ökonomisch vertretbarem Aufwand eine Datenübertragung über Starkstromleitungen zu ermöglichen, bei welcher die Datenübertragung auch über die Verteiler-Transformatoren erfolgen kann. Dabei sollen preiswerte und zuverlässige Sender und Empfänger zum Einsatz kommen. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren und die im Anspruch 5 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung aus den weiteren Unteransprüchen hervorgehen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Datenübertragung über Starkstromleitungen und über die Verteiler-Transformatoren des Starkstromnetzes auch bei bescheidenem Leistungspegel möglich und praktisch durchführbar ist, wenn man zur Übertragung der Informationen Hörfrequenzsignale verwendet, deren Frequenz vorzugsweise so hoch ist, dass sie ausserhalb des Frequenzbereiches der noch mit signifikanter Amplitude vorhandenen Harmonischen der Netzfrequenz liegt, und deren Frequenz noch so niedrig ist, dass beim Durchgang durch die Verteiler-Transformatoren und anderen Bauglieder des Starkstromnetzes keine übermässige Dämpfung eintritt. Der richtige Frequenzbereich in dieser Hinsicht liegt zwischen 1 kHz und 20 kHz, wobei die Frequenz von 5 kHz

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bevorzugt wird. Ausserdem ist es wichtig, einen Sender zu benutzen, der bei der in Frage kommenden Übertragungsfrequenz eine niedrige Quellenempedanz besitzt und dabei die Starkstromleitung nicht übermässig belastet. Auf der Empfängerseite wird gemäss der Erfindung unter anderem ein Hochpassfilter zum Durchlass der Signale mit Übertragungsfrequenz und zur deutlichen Dämpfung aller Signale mit spektra- . len Komponenten unterhalb der Übertragungsfrequenz eingesetzt.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten an Hand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 bis 4 Schaltbilder typischer Sender zur Übertragung über Starkstromleitungen,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines geeigneten Empfängers, aus dem dessen logische Anordnung hervorgeht,

Fig. 6 ein Schaltbild eines geeigneten Hochpassfilters als typisches Beispiel,

Fig. 7 eine graphische Darstellung, in welcher die Senderleistung als Funktion der Frequenz aufgetragen ist, die zu verschiedenen Tageszeiten zur Erzeugung eines Signalpegels von 100 Mikrovolt am Eingang eines ca. 3 km vom Sender entfernten Empfängers notwendig ist.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform eines Senders gemäss der Erfindung. Ein Oszillator oder eine andere geeignete Tonsignalquelle 11 beaufschlagt den Eingang eines üblichen Audioverstärkers 12, dessen Ausgang über einen normalen Wechselspannungsstecker 13, einen Transformator 14, einen Widerstand 15 und einen Kondensator 16 mit der Starkstromleitung gekoppelt ist, wobei die Werte der Bauglieder in" der Zeichnung angegeben sind. Der Transformator 14 hat auf seiner Sekundärseite eine Impedanz, die das 0,01-Fache der Ausgangsimpedanz des Audioverstärkers 12 ist. Bei einer Ausgangsimpedanz des Audioverstärkers 12 von 4 Ohm trägt die Impedanz auf der Sekundärseite des Transformators 14 demnach 0,04 Ohm.

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Der Widerstand 15 von 27 Ohm und der Kondensator 16 von 0,47 Mikrofarad bilden einen Signalweg mit relativ niedriger Impendanz für die von der Quelle 11 gelieferten Frequenzen und mit relativ hoher Impedanz gegenüber der Starkstromleitung. Bei dem Audioverstärker handelt es sich um das Modell Dynaco 120A, einen HIFI-Endverstärker mit einer Leistung von 60 Watt bei einem Abschluss von 8 Ohm, was dem Abschluss durch die Starkstromleitung mit der in Fig. 1 gezeigten Schaltung entspricht.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Senders, bei welcher die Energieabgabe an die Starkstromleitung mit höherem Wirkungsgrad erfolgt. Der Transformator 14' hat ein Primär-Sekundär-Windungsverhältnis von 2:1. Die Kondensatoren 16* und 17 sind so festgelegt, dass sich mit der Primär-Induktivität des Transformators 15' bei der Frequenz der Quelle 11 Resonanz einstellt, wodurch der höhere Wirkungsgrad bei der Energieabgabe auf die Starkstromleitung erzielt wird.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Kondensator 17 fortgelassen ist, jedoch eine Serien-Induktivität 18 auf der Sekundär- oder Leitungsseite des Transformators 14" eingefügt und der Kondensator 16' durch einen verstellbaren Kondensator 16" ersetzt ist. Der Kondensator 16" wird auf maximalen Signalstrom bei der durch die Quelle 11 vorgegebenen Arbeitsfrequenz abgestimmt. Die Luftkern-Induktivität 18 erzeugt bei Resonanz einen Spannungsabfall, der gross genug ist,, eine Sättigung des Kernes des Transformators 14" zu verhindern. Dadurch werden Kernverluste niedrig gehalten und eine gute Kopplung erzielt. In der Praxis wurde mit dieser Ausführungsform ein Signal von mehr als 15 VA auf der Starkstromleitung erzeugt. Hierbei umfasste der Transformator 14" einen Kern "Ferrox Cube 3622-P-L00-3E" und einen Spulenkörper "Ferrox Cube 3622-FID" mit einer Primärwicklung von 50 Windungen Awg 22 und einer Sekundärwicklung von 25 Windungen Awg 16. Die Induktivität 18 umfasste 108 Windungen Awg 16 in enger Anordnung auf einem Phenol-Spulenkörper von ungefähr 13»25 cm Durchmesser, wobei die Induktivität ungefähr

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1 mti betrug. Der Audioverstärker war der gleiche wie bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 1 und 2.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Verstärker 12' eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz besitzt und 200 Watt bei einem Abschluss von 0,625 Ohm abgeben kann, wenn der entsprechende 0,625 Ohm-Anschluss des Verstärkers 12' benutzt wird. Die Induktivität 18' ist in Serie zwischen den Ausgang des Verstärkers 12' und einen Kondensator 16'" geschaltet, wenn die von der Quelle 11 gelieferte Frequenz kleiner als 2 kHz ist. Für Frequenzen oberhalb von 2 kHz ist eine direkte Verbindung zwischen dem Ausgang des Verstärkers 12' und dem Kondensator 16'" vorgesehen. Ein Strom-Nebenschluss-Widerstand 23 liegt in Serie zwischen dem gemeinsamen Anschluss 25 des Verstärkers 12' und der anderen Starkstromleitung 26; er dient zur Erzeugung einer Spannung, welche den an die Starkstromleitung abgegebenen Strom darstellt und bequem gemessen werden kann. Ein Impulsgenerator 21 betätigt einen elektronischen Schalter 22-derart, dass kurze Tonimpulse (Bursts) übertragen werden, wenn der Arm des Schalters 24 am Ausgang des elektronischen Schalters 22 liegt. Der Impulsgenerator 21 kann eine ßuelle codierter, zu übertragende Information sein, wobei in bekannter Weise ein geeigneter Code angewandt wird.

Bei einer praktischen Verwirklichung dieses Ausführungsbeispiels war der Verstärker 12' ein Leistungsverstärker, Modell Bogen, NTB250. Die Induktivität 18' umfasste 75 Windungen Awg 14 in enger Anordnung auf einem Phenol-Spulenkörper von ungefähr 13,25 cm Durchmesser. Ihre Induktivität betrug ungefähr 0,6 mH.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild, aus dem die logische Anordnung eines an die Starkstromleitung angeschlossenen Empfängers hervorgeht. Das Signal vom Sender kommt auf der 2,4 kV-Leitung an und wird über einen Abwärts-Transformator 31 auf die 110 V-Leitung 30 gekoppelt. Von dort gelangt das Signal über eine Hauptsicherung 32 und eine Hilfssicherung 33 zu einem 110--V-Klemmstreifen 34 und von dort über ein Hochpass-

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filter.35 zu einem Detektor 36. Der Detektor 36 kann beispielsweise einen Spektralanalysator, ein Tonfilter mit anschliessendem Gleichrichter oder andere geeignete Schaltungen zur Diskriminierung zwischen dem Auftreten und dem Ausbleiben eines Signals mit der von der Quelle 11 vorgegebenen Frequenz umfassen.

Fig. 6 zeigt das Schaltbild eines geeigneten Hochpassfilters 35, das aus vier RC-Gliedern in Kettenschaltung besteht, wobei die Kapazität C in jedem Glied typischerweise 0,01 mF und der Widerstand R in jedem Glied typischerweise 10 k/l beträgt. Ein Ausgangstransformator 51 dient aus Sicherheitsgründen zur galvanischen Isolierung gegenüber dem Starkstromnetz. Das Hochpassfilter 35 trägt zur Verhütung einer Übersteuerung der nachfolgenden Detektorschaltung bei, die ohne das Filter durch Signale mit der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz und deren Harmonische verursacht werden könnte,

Es wurde festgestellt, dass Verteiler-Transformatoren Hörfrequenzsignale mit sinnvoller Information innerhalb des Frequenzbereiches von 60 Hz bis 20 kHz ohne übermässige Verzerrung o.der Dämpfung übertragen können. Eine Analyse der für einen Starkstromtransformator gültigen Parameter stützt diese Feststellung. Ein Starkstromtransformator ist so ausgelegt, dass eine maximale Energieübertragung bei der Nominal-Netzfrequenz von 60 bzw. 50 Hz stattfindet. Ein Transformator lässt sich durch eine effektive Kopplungs-Kapazität C kennzeichnen, welche die primäre und senkundäre Nebenschluss-Kapazität C bzw. C überbrückt, ferner durch primäre und sekundäre, in Serie liegende Leck- bzw. Streu-Induktivitäten L

bzw. L , durch primäre und sekundäre Wicklungs-Widerstände R s ρ

bzw. R und durch einen effektiven Kernverlust-Widerstand R. s c

Dieser Kernverlust-Widerstand v/irkt als Nebenschluss zu den primären und sekundären Wicklungs-Induktivitäten. Es wurde festgestellt, dass es für jeden Verteiler-Transformator einen Audiofrequenz-Bereich gibt, innerhalb welchem die durch die Nebenschluss-Kapazitäten C und C vorgegebene Reaktanz so

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ausreichend hoch ist, dass Audio- bzw. Hörfrequenzsignale auf der Primärseite des Transformators seine Sekundärseite erreichen. Dies beruht darauf, dass die Signale auf der Primärseite einen Magnetisierungsstrom in der Primärwicklung erzeugen, der zur Sekundärwicklung entweder induktiv oder über die Überbrückungs- bzw. Quer-Kapazität C oder über beide Wege gekoppelt wird. Wenn die Hörfrequenz zu hoch ist, bildet die durch die Nebenschluss-Kapazitäten C und C vorgegebene effektive Impedanz .einen wirksamen Kurz-Schluss für den Eingang des Transformators und verhütet dadurch den Durchgang eines nennenswerten Signales durch den Transformator. Darüber hinaus bildet die Kapazität zwi-" sehen den Starkstromleitungen einen zusätzlichen Nebenschluss für Hochfrequenz-Energie.

Im Rahmen eines umfangreichen Versuchsprogramms, das Feldversuche einschloss, wurde ermittelt, dass eine praktisch durchführbare Datenübertragung nach den Prinzipien der Erfindung über eine Entfernung von ca. 3 km in einem Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 20 kHz möglich ist, wobei die optimale Frequenz in der Grössenordnung von 5 kHz liegt.

Fig. 7 zeigt in einer graphischen Darstellung mit logarithmischem Maßstab die Ergebnisse einer experimentellen Bestimmung der am Sender notwendigen Scheinleistung (VA) als Funktion der Frequenz, mit der ein Empfängersignal von 100 mV an einem ca. 3 km entfernten Empfänger erzeugt werden kann. Beträchtlich weniger Leistung ist notwendig, wenn die Übertragung in den frühen Morgenstunden nach Mitternacht erfolgt. Daher sieht die Erfindung vor, die Übertragung über Starkstromleitungen in den frühen Morgenstunden stattfinden zu lassen, wenn sich der Energieverbrauch auf einem Minimum befindet. Der geringere Leistungsbedarf hat verschiedene Gründe. Erstens führt die geringere Lastanschaltung an die Starkstromleitungen nach Mitternacht zu einer höheren Impe-

so
danz der Starkstromleitungen,/dass ein bestimmter Strom eine höhere Spannung an der Leitung erzeugt. Zweitens besitzen

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viele · 'Verteiler- und Zwischenstationen des Starkstromnetzes Leistungs-Korrektur-Kondensatoren, welche in den frühen Morgenstunden, wenn der Energieverbrauch gering ist und daher auch nur eine geringere Korrektur des Leistungsfaktors notwendig ist, vom Starkstromnetz getrennt werden. Durch die Trennung dieser Kondensatoren wird ebenfalls die Impedanz der Starkstromleitung erhöht.

Es wurde ferner festgestellt, dass die zur Übertragung verwendete Signalfrequenz so niedrig wie praktisch durchführbar sein sollte, um die Einflüsse wechselnder Abnahme-Lasten möglichst klein zu halten; gleichzeitig sollte jedoch die Signalfrequenz so hoch sein, dass sie ausserhalb des Bereichs signifikanter Harmonischer der Netzfrequenz von 60 bzw. 50 Hz liegt.

Die Dämpfung ist auch eine Funktion der Transformator-Streu- Induktivität. Daher ist es zweckmässig, wenn die Streu-Induktivität der Verteiler-Transformatoren so niedrig wie möglich ist. Die neueren, blattgewickelten Verteiler-Transformatoren haben niedrige Streu-Induktivitäten und verursachen daher eine geringere Dämpfung. Ferner ist es vorteilhaft, an der Unterstation einen unbelasteten Transformator zur Überwachung von Signalen zu verwenden, die von den Verbrauchsstellen beim Kunden zurückkommen, um dadurch den Einfluss wechselnder Verbrauchslasten mindestens auf diesen Transformator zu begrenzen.

Versuche haben auch gezeigt, dass die Signalsfrequenz zur Datenübertragung im Bereich zwischen 1 kHz und 20 kHz, bevorzugt im Bereich von 3 kHz bis 8 kHz und ganz bevorzugt bei 5 kHz. liegen sollte.

Vorzugsweise wird ferner eine Übertragungsgeschwindigkeit von 6o bit pro Sekunde oder weniger gewählt, um die Anforderungen an die Empfänger-Filter niedrig zu halten und gleichzeitig ein relativ niedriges Signal-Rausch-Verhältnis

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zu ermöglichen. Die genannte Übertragungsgeschwindigkeit reicht aus, um von einer einzigen zentralen Kontrollstelle aus bis zu 36OO Verbrauchszähler pro Stunde bei einem 6O-bit-Ab£ragezyklus abzufragen.

/Ansprüche

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Datenübertragung über Starkstromleitungen, dadurch gekennzeichnet , dass man ein Hörfrequenzsignal erzeugt, dessen Frequenz im Bereich zwischen 1 kHz und 20 kHz liegt, dass man dieses Hörfrequenzsignal so verstärkt, dass sein Leistungspegel grosser als 1 V/att bei einem Impedanzpegel von weniger als 2 Ohm ist, und dass man das verstärkte Hörfrequenzsignal mit diesem Impedanzpegel mit Netzfrequenz in Betrieb befindlichen Starkstromleitungen zuführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass man das verstärkte Hörfrequenzsignal auf den Starkstromleitungen über einen Starkstrom-Verteiler-Transformator zu einem von der Einspesestelle des Hörfrequenzsignales entfernten Punkt überträgt und dort ermittelt bzw. feststellt.
3.. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Frequenz des Hörfrequenzsignales im Bereich zwischen 3 kHz und 8 kHz liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Frequenz des Hörfrequenzsignales ungefähr 5 kHz beträgt.
5. Vorrichtung zur Datenübertragung über Stakrstromleitungen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Quelle(ii) für Hörfrequenzsignale mit einer Frequenz im Bereich zwischen 1 kHz und 20 kHz, durch einen an die Quelle

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(11) angeschlossenen Leistungsverstärker (12) zur Verstärkung des Hörfrequenzsignales, Suren einen zweipoligen Ausgangsanschluss (13) zur Verbindung mit einer Starkstromleitung, und durch eine Kopplung (14-18) zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Leistungsverstärker, durch welche am Ausgangsanschluss eine Ausgangsimpedanz im Bereich zwischen 0,1 und 4 Ohm für den angegebenen Frequenzbereich erzeugt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers (12) deutlich kleiner als 2 Ohm bei der von der Quelle (11) vorgegebenen Signalfrequenz ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , dass an den Ausgangsanschluss (13) zwei mit Netzfrequenz in Betrieb befindliche Starkstromleitungen angeschlossen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennze. ichn e t durch einen an die Starkstromleitungen an einen entfernten Punkt angeschlossenen Detektor (36) zur Erkennung des vom Leistungsverstärker (12) gelieferten Signals und durch mindestens einen in die Starkstromleitungen zwischem dem-Ausgangsanschluss (13) und dem Detektor eingefügten Leistungs-Verteiler-Transformator, über welchen das verstärkte Hörfrequenzsignäl übertragen wird.

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