DE2445388B2

DE2445388B2 - Vorrichtung zur Datenübertragung über Starkstromleitungen

Info

Publication number: DE2445388B2
Application number: DE2445388A
Authority: DE
Inventors: Howard S. Brockton Baker; Neil H. Framingham Jagoda; Klaus North Reading Kubierschky
Original assignee: American Science and Engineering Inc
Current assignee: American Science and Engineering Inc
Priority date: 1973-10-04
Filing date: 1974-09-23
Publication date: 1980-01-17
Also published as: CA1022081A; DE2445388A1; JPS5062716A; CH595727A5; GB1487404A; IN140299B; SE7411405L; ES430657A1; IL45649A0; NL7412976A; BE820405A; SE405924B; TR18263A; FR2247030A1; AR203404A1; FR2247030B1; US3909821A; IT1019468B; BR7408233D0; IL45649A

Description

reaktiven Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Datenübertragung über mit Netzfrequenz in Betrieb befindlichen Starkstromleitungen und gegebenenfalls vorhandenen, zugeordneten Starkstrom-Verteilertrans formatoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 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.

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind bereits verschiedene automatische Zähler-Ablesesysteme bekannt Gemäß einer Ausführung werden Telefonleitungen zur Datenübertragung benutzt. Eine andere Ausführung sieht an jeder Zählerstelle einen Meßumsetzer und einen Sender-Empfänger vor, der von einem das Kundengebiet abfliegenden Flugzeug aus abgefragt wird.

Eine andere Vorrichtung von der im Oberbegriff des

m Anspruchs 1 ausgegangen ist (US-PS 17 24 U 2) benutzt auch bereits die Starkstromleitungen zur Datenübertragung; jedoch war eine Übertragung über die Verteiler-Transformatoren bisher nicht möglich, weshalb teure Übertragungsglieder zur Umgehung der Verteiler- T: ansformatoren eingesetzt werden mußten, auch wenn Arbeitsfrequenzen von 400 Hz und 5 kHz vorgeschlagen wurden. Alle bekannten Systeme verursachen sehr hohe Kosten.

Auch ist bereits bekannt geworden (US-PS 27 43 434), die in einem Gebäude verlegten Leitungsrohre einerseits und in die Rohre eingezogene Leiier eines Starkstromnetzes andererseits nach Art eines Koaxialkabels zur Signalübertragung zu benutzen. Hierdurch wird die Anwendbarkeit im wesentlichen auf Gebäude beschränkt, weil Leitungsrohre außerhalb von Gebäuden praktisch nicht, jedenfalls nicht unterbrechungslos, vorhanden sind. Dieses System sieht die Aussendung eines HF-Signals vor, das ebenfalls über den kleinsten Starkstromtransformator praktisch nicht übertragen werden kann, wenn die Signalquelle mit niedriger Ausgangsimpedanz von z. B. 0,5 bis 5 Ohm an die Leiter und die Leitungsrohre aus Anpassungsgründen an einer zentralen Verteiler-Stelle angekoppelt ist. die dem HF-Signai eine niedrige, von reaktiven Komponenten

J5 weitgehend freie Eingangsinpedanz bietet.

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 können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

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 de,- Information Hörfrequenzsignale verwendet, deren Frequenz 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 2OkHz. insbesondere zwischen 3 kHz und 8 kHz, wobei die Frequenz von 5 kHz bevorzugt wird. Außerdem ist es wichtig, einen Sender zu benutzen, der bei der in Frage kommenden Übertragungsfrequenz eine niedrige Quellenimpedanz besitzt und dabei die Starkstromleitung nicht übermäßig belastet. Das auf den Leistungsverstärker folgende Koppelglied hat die Aufgabe, die Signalabgabe von der Signalquelle bzw. dem Leistungsverstärker auf das

Starkstromnetz, welches eine Last mit einer Impedanz darstellt, die nicht fest ist, sondern von Ankoppelstelle zu Ankoppelsielle und je nach Belastung des Netzes unterschiedlich ist, unter allen Umständen zu optimieren. Auf der Empfängerseite wird u. a. ein Hochpaßfilter zum Durchlaß der Signale mit Übertragungsfrequenz und zur deutlichen Dämpfung aller Signale mit spektralen Komponenten unterhalb der Übertragungsfrequenz eingesetzt

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der darstellt

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

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

F Ί g. 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 Signaipegeis vun Ί00 Mikrovolt am Eingang eines ca. 3 km vom Sender entfernten Empfängers notwendig ist.

F i g. 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 Wechselspannungsstekker 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.

Der Widerstand 15 von 27 Ohm und der Kondensator 16 von 0,47 i.likrofarad bilden einen Signalweg mit relativ niedriger Impedanz 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 oie Energieabgabe an die Starkstromleitung mit höherem Wirkungsgrad erfolgt. Der Transformator 14' hat ein Primär-Sekundär-Windungsverhältnis von 2 : I. 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. J zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Kondensator 17 fortgelassen ist, jedoch eine Serien-Induktivität 18 auf der Sekundäroder Leitungsseite des Tranformators 14" eingefügt und der Kondensator 16' durch einen verstellbaren Kondensator 16" ersetzt ist. Der Kondensator 16" wird auf maximalen Signalsuom bei der durch die Quelle 11 ti vorgegebenen Arbeitsfrequenz abgestimmt. Die Luftkern-Induktivität 18 ei zeugt 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-LOO-3E« und einen Spulenkörper »Ferrox Cube 3622-FID« mit einer Primärwicklung von 50 Windungen Awg 22 und einer Sekundärwicklung von 25 Windungen Agw 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 1 mH betrug. Der Audioverstärker war der gleiche wie bei den Ausführungsformen gemäG F i g. 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 d- ν Verstärkers 12'

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u\.:,uit.i TTM₁J. lyiv iiiuuKllYliai IO IbI ill OTIIC ZwlS&lCII 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' u ,d 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 Tonimpuise (Vursts) übertragen werden, wenn der Arm des Schalters 24 am Ausgang des elektronischen Schalters 22 liegt. Der Impulsgenerator 21 kann eine Quelle codierter, zu übertragende Information seir., wo'^ei in bekannter Weise ein geeigneter Code angewandt wird.

Bei einer praktischen Verwirklichtung dieses Ausführung,beispiels war der Verstärker 12' ein Leistungsverstärker, Modell Bogen. NTB250. Die Induktivität 18' umfaßte 75 Windungen Awg ' 4 in enger Anordnung auf einem Phenol-Spulenkorpur von ungefähr 13,25 cm Durchmesser. Ihre Indukf ;tüt betrug ungefähr 0,b 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 !10-V Klemmstreifen 34 und von dort über ein Hochpaßfilter 35 zu einem Detektor 36. Der Detektor 36 kann beispielsweise einen Spektralanaly^ator, eir, Tonfilter mit anschließendem G ieichrichter oder andere geeignete Schaltungen /ur Diskriminierung zwischen dem Auftreten und dem Ausbleiben cmes Signals mit der von der Quelle 11 vorgegebenen Frequenz umfassen.

Fig. 6 zeigt das Schaltbild eines geeigneten Hochpaßfilters 35, das aus vier WC-Gliedern in Kettenschaltung besteht, wobei die Kapazität C in jedem Glied typischerweise 0,01 inF und der Widerstand R in jedem Glied typischerweise 1OkCl beträgt. Ein Ausgangstransformator 51 dient aus Sicherheitsgründen zur galvanischen Islierung gegenüber dem Starkstromnetz. Das Hochpaüfilter 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.

Ks wurde festgestellt, daß Verteiler-Transformatoren llörfrequenzsignalc mit sinnvoller Information innerhalb des Frequenzbereiches von 60 Hz bis 20 kHz ohne übermäßige Verzerrung oder Dämpfung übertragen können. Eine Analyse der für einen Starkstromtransformitor gültigen Parameter stützt diese Feststellung. F.in Starkstromtransformalor ist so ausgelegt, daß eine maximale Energieübertragung bei der Nominal-Netzfrequenz von 60 bzw. 50 Hz stattfindet. Ein Tranformator läßt sich durch eine effektive Kopplungs-Kapazität (',. kennzeichnen, welche die primäre und sekundäre Nebenschluß-Kapazität C_n b/w. G überbrückt, ferner durch primäre und sekundäre, in Serie liegende l.cck- bzw. Streu-Induktivitäten L_nbzw. /.„durch primäre und sekundäre Wicklungs-Widerstände R₁, bzw. R, und durch einen effektiven Kernverlust-Widerstand R,-Diescr Kcrnverlust-Widerstand wirkt 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 Cp und C\ vorgegebene Reaktanz so 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 Magnetsierungsstrom in der Primärwicklung erzeugen, der zur Sekundärwicklung entweder induktiv oder über die Überbrückung·; bzw. Quer-Kapazität C₁ oder über beide Wege gekoppelt wird. Wenn die Hörfrequenz zu hoch ist. bildet die durch die Nebenschluß-Kapazitäten C_n und G vorgegebene effektive Inpedanz einen wirksamen Kurzschluß für den Eingang des Transformators und verhütet dadurch den Durchgang eines nennenswerten Sipn.ilcs durch den Transformator. Darüber hinaus bildet die Kapazität zwischen den Starkstromleitungen einen zusätzlichen Nebenschluß für Hochfrequenz-Energie.

Im Rahmen eines umfangreichen Versuchsprogramms, das Feldversuche einschloß, wurde ermittelt, das 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) ate 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

ι 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

κι Starkstromleitungen nach Mitternacht zu finer höheren Impedanz der Starkstromleitungen, so daß ein bestimmter Strom eine höhere Spannung an der Leitung erzeugt. Zweitens besitzen viele Verteiler- und Zwischenstationen des Slarkstromnetzes Leistungs-Korrekuir-Kon^r> densatoren, 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. IJurch die Trennung dieser Kondensatoren wird ebenfalls die

m 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

2^r, sollte iedoch die Signalfrequenz so hoch sein, daß sie außerhalb des tlereichs signifikanter Harmonischer der Netzfre^iienz von 60 bzw. 50 Hz liegt.

Die Dämpfung ist auch eine Funktion der Transformator-Streu-Induktivität. Daher ist es /weckmäßig,

jo wenn die Streu Induktivität der Verteiler-Transformatoren so niedrig wie möglicn ist. Die neueren, blattgewickelten Verteiler-Transformatoren haben niedrige Streu-Induktivitäten und verursachen daher eine geringere Dämpfung. Ferner ist es vorteilhaft, an

!S der Unterstation einen unbelasteten Transformator zur Überwachung von Signalen zu verwenden, die von den Verbrauchsstellen beim Kunden zurückkommen, um dadurch den Eünfluß wechselnder Verbrauchslasten mindestens auf diesen Transformator zu begrenzen.

Versuche haben auch gezeigt, daß die Signalfrequenz 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 60 bit pro Sekunde oder weniger gewählt, um die Anforderungen an die Empfänger-Filter niedrig zu halten und gleichzeitig ein relativ niedriges Signal-Rausch-Verhältnis zu ermöglichen. Die genannte Übertragungsgeschwindigkeit reicht aus, um von piner

v> einzigen zentralen Kontrollstelle aus bis zu 3600 Verbrauchszähler pro Stunde bei einem 60-bit-Abfragezy klus abzufragen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Datenübertragung über mit Netzfrequenz in Betrieb befindlichen Starkstromleitungen und gegebenenfalls vorhandenen, zugeordneten Starkstrom-Verteilertransformatoren mit einer mit vorbestimmter Frequenz im NF-Bereich arbeitenden Signalquelle, welche über ein Koppelglied und einen zweipoligen Anschluß mit der Starkstromleitung verbindbar ist und mit einem hiervon entfernt an die Starkstromleitung anschließbaren Detektor für das Signal der Signalquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenz der Signalquelle (It) zwischen 1 kHz und 20 kHz liegt, daß der Signalquelle ein Leistungsverstärker (12) mit niedriger Ausgangsimpedanz nachgeschaltet ist und daß das auf den Leistungsverstärker folgenden Koppelglied (14 bis 18) eine Ausgangsimpedanz im Bereich zwischen 0,1 Ohm und 4 Ohmbei der Arbeitsfrequenz aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsinpedanz des Leistungsverstärkers (12) Signalübertragung als 2 Ohm bei der Arbeitsfrequenz ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenz zwischen 3 kHz und 8 kHz liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenz ungefähr 5 IcHz beträgt.

5. Vorrichtu..g nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Her Anpassungsgründen (13) mit zwei Leitern der Starkstromleitung verbindbar ist.