DE1238986B - Fernwirksystem - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. CL:

G05f

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

H04q
Deutsche KL: 21c-47/53

Nummer: 1238 986

Aktenzeichen: E 28742 VIII b/21 c

Anmeldetag: 22. Februar 1965

Auslegetag: 20. April 1967

Die Erfindung betrifft ein aus Sender, Fernwirkverbindung und Empfänger bestehendes System zur Fernübertragung von Signalen, bei dem einer Vielzahl von Sendern sehr geringer Leistung ein gemeinsamer zentraler Empfänger zugeordnet ist und der Fernwirkkanal einen hohen Störpegel aufweist.

Ein Fernwirksystem solcher Art dient z. B. zur Übertragung von Energieverbrauchsinformationen von örtlich verteilten Verbrauchsstellen aus an eine zentrale Sammelstelle, wobei als Fernwirkverbindung ein öffentliches Versorgungsnetz für elektrische Energie benutzt wird, an das Sender und Empfänger, vorzugsweise in galvanisch zusammenhängenden Netzbezirken, angeschlossen sind.

Die Fernwirkaufgabe besteht darin, Signale mit sehr geringem Energiegehalt, die von der Sendeeinrichtung eines Verbrauchsmessers erzeugt werden und die zum Zweck ihrer Fortleitung in einem zur Erfüllung anderer Funktionen bereits vorhandenen Leitungsnetz eine physikalische Form aufweisen müssen, die sich von der Art von im Fernwirkkanal willkürlich und gleichzeitig mit zumeist wesentlich höherem Energieniveau auftretenden Störgrößen nicht grundsätzlich unterscheidet, an einer zentralen Stelle mit großer Sicherheit zur Wirkung zu bringen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verbesserung eines zur Lösung der genannten Fernwirkaufgabe bereits vorgeschlagenen Systems, bei dem eine von der Sendeeinrichtung mit einer von der Grundfrequenz des als Fernwirkkanal dienenden Energieverteilungsnetzes verschiedenen Frequenz getastete und dem Netz überlagerte, periodisch amplitudenmodulierte Tonfrequenzspannung als Informationsträger benutzt und die Frequenz der Amplitudenmodulation in einem Korrelationsempfänger als 3s unterscheidendes Element der Information ausgewertet wird.

Es ist bekannt, Wechselstromsignale durch periodisches Anschalten eines elektrischen Schwingkreises an eine Wechselspannung von z. B. 50 Hz führendes Energieversorgungsnetz zu erzeugen. Dabei entstehen gedämpfte Schwingungen mit der vorzugsweise tonfrequenten Eigenschwingungszahl des Schwingkreises, die nach dem erwähnten Vorschlag periodisch amplitudenmoduliert sind, wenn der Takt der Anschaltung, die sogenannte Tastfrequenz, zur Netzfrequenz in einem nicht ganzzahligen Verhältnis steht. In den Leitern des Versorgungsnetzes wird so ein durch die als Trägerfrequenz für die Signale dienende Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmter Signalkanal für die Signalübertragung gebildet. Der Signalempfänger ist durch ein Bandfilter auf Fernwirksystem

Anmelder:

Electrometre S. A., Zug (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. A. Schulze, Patentanwalt,

Berlin 31, Jenaer Str. 14

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Hansjörg Vonarburg, Luzern;
Dipl.-Ing. Dr. Alfred Spälti, Zug;
Dipl.-Ing. Werner Jose Lüthi, Nussbaumen;
Dipl.-Ing. Carl Kretz, Steinhausen (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 10. Dezember 1964 (16 011)

die Frequenzlage des gewählten Signalkanals abgestimmt und enthält zur Demodulation des Trägers einen Demodulator mit nachgeschaltetem Korrelationssystem, dessen Referenzfrequenz mit der auszusiebenden Modulationsfrequenz identisch ist. Jede Modulationsfrequenz bedingt je ein Korrelationssystem mit einer entsprechenden Referenzfrequenz. Mit Vorteil werden für jede Modulationsfrequenz zwei parallelarbeitende Korrelationssysteme vorgesehen, die durch Referenzspannungen gleicher Frequenz, jedoch mit um 90° verschobener Phasenlage, gesteuert sind.

Als Korrelationssysteme dienen z. B. die bekannten Ringmodulatoren oder andere Mischglieder. Wenn die dem Eingang eines Ringmodulators zugeführte Frequenz mit der dem Ringmodulator eingegebenen Referenzfrequenz identisch ist, ergeben sich am Ausgang des Ringmodulators Ströme mit der doppelten Frequenz und der Frequenz Null, von welchen zur weiteren Auswertung hier vorzugsweise der Gleichstromanteil benutzt wird.

Durch rechnerische Analyse der erwähnten Art von Signalerzeugung und Signalfortleitung läßt sich zeigen, daß im resultierenden Frequenzspektrum des Signalstromes die als Träger dienende Resonanzfrequenz des Schwingkreises unterdrückt ist und lediglich Seitenfrequenzen von Harmonischen der Tastfrequenz auftreten. Die die Lage dieser Seitenfre-

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quenzen bestimmende Modulationsfrequenz ist durch nete, durch einen Signalwähler 5 abwechselnd in die eine feste Beziehung mit der Netzfrequenz und der Reihenschaltung einlegbare Strompfade 6 und 7, Tastfrequenz verknüpft, wenn die Erzeugung der deren erster einen Tastschalter 8 und deren zweiter Modulation beispielsweise mit Hilfe einer netzsyn- einen Tastschalter 9 enthält. Anschlußleitungen 10 chron arbeitenden Einrichtung erfolgt. 5 und 11 verbinden die Reihenschaltung mit den Netz-Ausgehend von diesen Überlegungen und dem leitern 1 und 0.

geschilderten Stand der Technik wird nun vorge- Eine Abzweigung 12 führt von den Netzleitern 1

schlagen, ein Fernwirksystem mit einem Fernwirk- und 0 außerdem zu einem Frequenzwandler 13, der

kanal, der einem Wechselstrom-Energieversorgungs- die Netzfrequenz /„ in eine erste Tastfrequenz f_n und

netz überlagert ist, und mit wenigstens einem Sender, io in eine zweite Tastfrequenz /_/2 umwandelt und gleich-

der mindestens einen mit charakteristischer Tastfre- zeitig die Tastschalter 8 und 9 mit der ihnen zuge-

quenz betätigten Tastschalter zur impulsweisen An- ordneten Tastfrequenz betätigt. In Sendepausen kann

schaltung eines als Trägerfrequenzerzeuger dienenden der Frequenzwandler 13 durch ein nicht gezeichnetes

passiven elektrischen Schwingkreises an das Wechsel- Schaltorgan von der Netzspannung getrennt sein,

stromnetz enthält, sowie mit einem Empfänger für 15 Wenn der Frequenzwandler 13 einschließlich der

mit wenigstens einer festen Modulationsfrequenz beiden Tastschalter 8 und 9 rein elektronisch ausgeführt

modulierte Wechselstromsignale, der für die vom ist und daher praktisch trägheitsfrei arbeitet, kann

Sender erzeugten Signalfrequenzen mindestens ein seine Ein- und Ausschaltung zweckmäßig durch den

Korrelationssystem mit fester Referenzfrequenz auf- Sendezeitschalter 4 erfolgen. Die Spannung des

weist, gemäß der vorliegenden Erfindung so auszu- 30 Phasenleiters 1 für den Frequenzwandler 13 würde

bilden, daß sowohl die Tastfrequenz jedes Tast- dann von einer Klemme 14 des Sendezeitschalters 4

schalters des Senders als auch die Referenzfrequenz abgegriffen.

jedes Korrelationssystems des Empfängers ein und Zur Betätigung des Sendezeitschalters 4 ist ein derselben Grundfrequenz des als Fernwirkverbindung zeitabhängiges Schaltwerk 15 vorgesehen, welches auf benutzten Energieversorgungsnetzes in jedem Zeit- 25 einen in der Figur durch einen Pfeil 16 angedeuteten moment streng proportional sind, und daß im Emp- Steuerbefehl hin startet. Der Signalwähler 5 wird fänger wenigstens zweien, der Trägerfrequenz nahe durch ein Umschaltorgan 17 gesteuert, das Umschaltliegenden von mehreren zu Harmonischen einer Tast- befehle — versinnbildlicht durch einen Pfeil 18 — frequenz gebildeten Seitenfrequenzen wenigstens je beispielsweise vom Zählwerksantrieb eines Verein eigenes Korrelationssystem mit einer der vom 30 brauchsmessers erhält.

jeweiligen Korrelationssystem auszusiebenden Seiten- Die bisher genannten Teile des Senders sind durchfrequenz identischen Referenzfrequenz zugeordnet ist. wegs aus bekannten Bauelementen zusammengesetzt; Durch die Anwendung der hier vorgeschlagenen ihre Gruppierung entspricht im Prinzip einem frühe-Maßnahmen gelingt es, die Übermittlungssicherheit ren Vorschlag. Wesentlich im vorliegenden Zusameines Fernwirksystems der genannten Art um ein 35 menhang ist am Sender die zwangläufige Koppelung Vielfaches des bisher Erreichten zu steigern. Einzel- der Tastfrequenzen f_tl und/_i2 mit der Netzfrequenz /„ heiten des vorstehend definierten Fernwirksystems derart, daß J_n und /_i2 (sowie allenfalls weitere Tastgehen aus den im folgenden an Hand der Zeichnungs- frequenzen) in jedem Zeitmoment proportional /„ figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor. sind, also jeder Änderung der Netzfrequenz /„ ver-Es zeigt 40 hältnisgleich folgen. Ein hierzu geeigneter Frequenz-Fig. 1 Teile eines Senders, wandler läßt sich rein elektronisch, rein elektro-F i g. 2 ein Arbeitsdiagramm des Senders, mechanisch oder elektromechanisch-optisch mit Fig. 3 ein Frequenzschaubild, elektrooptischen Tastschaltern, vorzugsweise unter F i g. 4 Teile eines Empfängers, Verwendung eines Synchronantriebes, insgesamt je-Fig. 5 ein Blockschaltbild eines vollständigen 45 doch in bekannter Weise, aufbauen.
Empfängers und Das Arbeitsdiagramm der Fig. 2 erläutert, was Fig. 6 eine Variante des Empfängers in Block- unter Tastfrequenz verstanden werden soll. In zwei darstellung. Tastdiagrammen sind über einer Zeitachse mehrere Die F i g. 1 bis 4 sind als geschlossene Darstellung Perioden von Rechteckfunktionen 19 und 20 dargezu betrachten; in der nachfolgenden Detail- und 50 stellt. Eine Tastperiode /_{-' besteht aus einer Zeit-Funktionsbeschreibung werden die F i g. 1 bis 4 da- dauer A und einer Zeitdauer B, ihr Kehrwert /₍ wird her zusammenhängend behandelt. Tastfrequenz genannt. Während der Dauer A ist der In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Phasen- und 0 Tastschalter geschlossen, während der Dauer 1? geeinen Nulleiter eines Dreiphasen-Vierleiter-Dreh- öffnet.

Stromnetzes mit der Netzfrequenz/,,, beispielsweise 55 Der den Bezeichnungen der Fig. 2 beigefügte eines Niederspannungs-Verteilnetzes, das elektrische Index 1 ordnet das obere Tastdiagramm dem Tast-Energie den Einzelabnehmern einer öffentlichen schalter 8 (Fig. 1) zu, während der Index 2 den BeStromversorgung zuführt. Die Leiter 1 und 0 gehen zug des zweiten Tastdiagramms auf den Tastschalter 9 von der Unterspannungsseite eines Transformators2 (Fig. 1) herstellt.

aus (vgl. Fig. 4), der in einer Niederspannungs- 60 Eine im unteren Teil der Fig. 2 gezeichnete

Verteilstation untergebracht ist. DieteilweiseStrichlie- Rechteckkurve 21 ist ein Abbild des zeitlichen Kon-

rung der Leiter 1 und 0 deutet an, daß die Länge der taktzustandes des Sendezeitschalters 4 (Fig. 1) mit

galvanisch durchverbundenen Leitungen relativ groß der Kontaktgabedauer D. In einem vollautomatischen

sein kann. Abfragesystem für Verbrauchsmeßwerte wird die

In der F i g. 1 erkennt man als wesentliche Teile 65 Funktion 21 periodisch sein, wobei ihre Periode der

einer Sendeeinrichtung die Reihenschaltung eines Dauer eines Abfragezyklus entspricht und D sehr

elektrischen Reihenschwingkreises 3 mit einem Sende- klein ist gegen eine Zeitdauer E, in welcher der

zeitschalter 4 über zwei elektrisch parallel angeord- Sendezeitschalter 4 geöffnet ist.

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Die elektrischen Vorgänge bei der Tastung des portionalität. Alle Erstamplituden der Tonfrequenz-Sendeorgans, nämlich des Reihenschwingkreises 3, schwingungen sind daher den Amplituden des durch die Tastschalter 8 und 9 des Senders (Fig. 1) ■ Kurvenzuges 32 proportional, welcher alle Momentanveranschaulicht das Frequenzschaubild der Fig. 3, werte der Netzgrundwelle über den Abszissenwerten in dem jene Größen abhängig von der Zeit darge- 5 der Anschaltflanken der Rechteckfunktion 22 verstellt sind, die für das Verständnis der Entstehung bindet. Mithin besitzt auch die Hüllkurve 38 die der hier verwendeten Signale Bedeutung besitzen. Periode/„7' des Kurvenzuges 32.

In der Mitte des Schaubildes ist eine Rechteck- Nach dem Gesagten ist aus der Fig. 3 insgesamt

funktion22 mit der Periode/^¹ aufgetragen; es ist die Entstehung der Modulationsfrequenzf_m aus der dies, mit höherer Zeitauflösung gezeichnet, eine der 10 Netzfrequenz /„ und der Tastfrequenz f_t zu erkennen, Rechteckkurven 19 oder 20 aus der Fig. 2. Wegen wobei die Hüllkurve38 die Amplitudenmodulation der Schaltungsanordnung des Senders mit dem Signal- der getasteten Tonfrequenzschwingungen veranschauwähler 5 (F i g. 1) können nicht gleichzeitig mehrere licht. Zwischen der Netzfrequenz f_n, der Tastfre-Tastfrequenzen wirksam sein; es genügt somit, bei quenz /, und der Modulationsfrequenz f_m besteht die der Betrachtung der elektrischen Vorgänge allgemein 15 feste Beziehung f_m = /„ — af_t, worin α eine ganze nur von der Tastfrequenz f_t zu sprechen. Zahl bedeutet.

Im oberen Diagramm der Fig. 3 bedeutet 23 die Die Fig. 4 schließlich zeigt die Hauptteile eines

Grundwelle des im Versorgungsnetz mit den Leitern 1 Empfängers in vereinfachter Darstellungsweise. Die und 0 zur Energieübertragung verwendeten Wechsel- Bezugszahlen 1 und 0 bedeuten wiederum einen stromes mit der Frequenz /„. In die F i g. 3 einge- 20 Phasenleiter und den Nulleiter des Drehstrom-Enerzeichnete Ordinatenlinien 24, 25, 26 und 27 ordnen gieversorgungsnetzes. Zur Auskopplung der zwischen den Anschaltflanken der Rechteckfunktion 22 Schnitt- je einem beliebigen Phasenleiter und dem Nulleiter punkte 28, 29, 30 und 31 der Netzgrundwelle 23 mit im Netzkomplex an verschiedenen Orten eingespeisten einem sinusförmigen Kurvenzug32 zu, welcher die Signale verschiedener Sender der in der Fig. 1 gePeriode /„7 'besitzt, deren Kehrwert Modulationsfre- 25 zeigten Art ist in der Nullschiene des Transformators 2 quenz f_m genannt wird. ein Stromwandler 39 angeordnet, an dessen Sekundär-

Jeder Zeitabschnitt A der Rechteckkurven 19, 20 wicklung ein Eingangskreis 40 des Empfängers liegt. (F i g. 2) beginnt mit einer Anschaltflanke, die den Der Eingangskreis 40 besteht im wesentlichen aus

Zeitpunkt kennzeichnet, zu dem der Tastschalter 8 einem Saugkreis 41 für die Netzgrundfrequenz, einem bzw. 9 Kontakt gibt. In diesem Zeitmoment erfolgt 30 Saugkreis 42 für deren dritte Harmonische und einer ein elektrisches Anstoßen des Schwingkreises 3 Bürde 43, an welcher die Signalspannung abfällt, (F i g. 1) zu einem gedämpften Schwingungsvorgang sowie aus einem Bandfilter 44 und einem Verstärker 33 oder 34 oder 35 oder 36, wie im unteren Teil der 45 mit einem Ausgangsübertrager 46. Zwischen den F i g. 3 angedeutet. Die Frequenz f_s dieses Schwin- Teilen 42 und 43 oder 43 und 44 kann eine längere gungsvorganges, also die — allerdings von der Netz- 35 Verbindungsleitung, allenfalls eine einen Linienverimpedanz beeinflußte — Eigenfrequenz des Schwing- stärker enthaltende Fernleitung, liegen, kreises 3 (Fig. 1), liegt vorzugsweise im Tonfrequenz- Der Ausgangsübertrager 46 weist mehrere mit

gebiet und beträgt beispielsweise etwa das Zehnfache Mittelabgriffen 47; 48 versehene Sekundärwicklungen der Netzfrequenz f„. 49; 50 auf, die je einem Ringmodulator 51; 52 ange-

Die Dämpfung der mit einem Schwingungseinsatz- 40 hören. Ein Ausgangswiderstand 53 bzw. 54 jedes punkt, z. B. 37, beginnenden Tonfrequenzschwingung, Ringmodulators besitzt ebenfalls je eine Mittelanz. B. 34, wird im wesentlichen durch den Wirkwider- zapfung 55; 56.

stand der Schwingkreisspule und außerdem durch die Die in ihrem Aufbau bekannten Ringmodulatoren

Impedanz der am Energieversorgungsnetz angeschlos- 51 und 52 sind unter sich in gleicher Weise ausgesenen allgemeinen Netzlast hervorgerufen. Schwan- 45 führt, bemessen und in die Schaltung des Empfängers kungen der Netzimpedanz wirken bei sonst gleich- einbezogen. Der Ringmodulator 52 wurde in der bleibenden Verhältnissen in geringem Maße auf die F i g. 4 lediglich angedeutet und weist die gleiche Frequenz und Dämpfung der Tonfrequenzschwin- Folgeschaltung auf wie der Ringmodulator 51, nämgungen zurück. Die Tonfrequenz /_s allein stellt also lieh eine Siebkette 57, einen Brückengleichrichter 58 keine eindeutige Größe dar. 50 sowie ein Empfangsrelais 59 mit einem Signal-

Der Maximalwert der Erstamplitude einer Ton- schalter 60.

frequenzschwingung, ζ. B. 34, folgt dem zugehörigen Unmittelbar aus dem Energieversorgungsnetz wird

Schwingungseinsatzpunkt, z. B. 37, im zeitlichen Ab- über eine allenfalls abschaltbare Anschlußleitung 61 stand von einer Viertelperiode der Tonfrequenz- ein netzsynchron arbeitender Frequenzwandler 62 schwingung, die in der Fig. 3 im Interesse einer 55 gespeist, welcher den Mittelanzapfungen47 und 55 deutlichen Darstellung innerhalb der normalen Ab- des Ringmodulators 51 eine Referenzfrequenz /_{r t} zuklingdauer zeitlich stark gedehnt gezeichnet ist. führt. In gleicher Art wird der Ringmodulator 52 mit

Wenn nun, wie erwähnt, die Tonfrequenz f_s groß einer Referenzfrequenz f_{r 2} versorgt. Die Referenzist gegen die Netzfrequenz/„, so wird der zeitliche frequenzen/_{r 1} und f_r3 unterscheiden sich dem Be-Abstand (4/^)^-1 in der Figur sehr klein, so daß die 60 trage nach, sind jedoch in jedem Zeitmoment der Scheitelpunkte aller Erstamplituden der Tonfrequenz- Netzfrequenz /„ streng proportional, schwingungen 33 bis 36 als auf zwei Kurvenzügen 38 Die mit der bisher erläuterten Einrichtung zu

liegend zu denken sind, die Hüllkurve aller Erst- lösende Fernwirkaufgabe läßt sich nun konkreter anamplituden der Tonfrequenzschwingungen 33 bis 36 geben: Die Stellung des Signalwählers 5 (F i g. 1) soll und weiterer ist. 5g im Kontaktzustand der Signalschalter, deren einer in

Zwischen der Erstamplitude der Tonfrequenz- der F i g. 4 dargestellt und mit 60 bezeichnet ist, abschwingung und dem Momentanwert der Netzgrund- gebildet werden. Steht der Signalwähler 5 (Fig. 1) welle im Zeitpunkt einer Anschaltung besteht Pro- in der gezeichneten Stellung, bei welcher der Tast-

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schalter 8 des Senders wirksam ist, so soll während als Folge der Modulation im Frequenzspektrum vor-

einer durch den geschlossenen Zustand des Sende- handenen diskreten Seitenfrequenzen dem Betrage

Zeitschalters4 bestimmten Zeitdauer!) (Fig. 2) bei- nach gleichen Referenzfrequenzen f_r unter Bildung

spielsweise der Signalschalter 60 (F i g. 4) geschlossen der Summen und der Differenzfrequenzen überlagert

sein. Analoges gilt für die zweite mögliche Stellung 5 werden. Der dabei im jeweiligen Ausgangswiderstand

des Signalwählers 5, bei welcher ein — nicht ge- 53 bzw. 54 auftretende Strom mit der Differenz-

zeichneter — Signalschalter eines dem Ringmodu- frequenz Null kann als Gleichstromanteil die folgende

Iator52 nachgeordneten Ausgangsrelais schließen Siebkette, z.B. 57, passieren und gelangt über den

soll, wenn der Sendezeitschalter 4 geschlossen wird. Brückengleichrichter 58 zum Empfangsrelais 59, das

Mit der als Beispiel gezeichneten Einrichtung io sodann seinen Signalschalter 60 schließt. Analoges

lassen sich also zwei Signale von gleicher Natur, trifft auf die dem Ringmodulator 52 nachgeschalte-

jedoch mit verschiedenem Informationsinhalt über- ten, nicht gezeichneten Wirkungsgruppen zu.

tragen. Mittels des Signalwählers5 (Fig. 1) wird Um die geschlossene Darstellung des Fernwirk-

festgelegt, welche der beiden möglichen Informa- systems in den F i g. 1 bis 4 möglichst übersichtlich

tionen an die Empfangsstelle gelangen soll. 15 zu gestalten, wurde in der Fig. 4 nur ein Wirkungs-

Sind mehrere gleichartige Sender in einem Fern- pfad des Empfängers gezeichnet und kurz besprochen, wirksystem vorhanden, so dient die Sendezeit als Den vollständigen Aufbau eines Empfängers zeigt Identifizierungskriterium für die einzelnen Sender. dagegen die Fig. 5, auf weiche sich auch eine ausin der Empfangsstelle ist Beginn und Ende der Zeit- führliche Erläuterung der Wirkungsweise des EmpdauerZ) (Fig. 2) jedes einzelnen Senders bekannt. 20 fängers stützt.

Innerhalb eines Sendezyklus (Abfragezyklus) D + E In der Fig. 5 bedeutet 0 die Nullschiene des sendet jeder einzelne Sender nur während der ihm Transformators2 aus der Fig. 4, während in einer vorbehaltenen Zeitdauer D₁ ohne daß sich Sendungen Eingangsgruppe 63 die Teile 39 bis 46 des Empzweier Sender überschneiden. Die Dauer eines Sende- fängers nach der F i g. 4 zusammengefaßt sind,
zyklus ist also mindestens gleich wie, besser jedoch 25 Die Eingangsgruppe 63 steht in unmittelbarer Vergrößer als D mal Anzahl der Sender. bindung mit einer Mischstufe 64, der über einen

Alle Sender eines Fernwirksystems erhalten beim Frequenzumsetzer 65 eine Hilfsfrequenz j_h zugeleitet Beginn eines Abfragezyklus beispielsweise durch wird. Ein Ausgang 66 der Mischstufe 64 ist auf der Schaltuhren oder durch Rundsteuerempfänger einen oberen Hälfte der Fig. 5 dargestellte Korrelations-Sendebefehl in Form des Steuerbefehles 16 an das 30 systeme 67, 68, 69, 70 und auf der unteren Hälfte Schaltwerk 15. In jedem Sender startet daraufhin das gezeichnete Korrelaticnssysteme 71,72,73,74 durch-Schaitwerk 15 und schließt den Sendezeitkontakt 4 verbunden, deren erstes Paar 67, 68 an einen ersten während der für den jeweiligen Sender reservierten Frequenzwandler 75 angeschlossen ist; entsprechend Zeitdauer/). Spätestens beim Beginn der Zeitdauer D ist dem zweiten Paar 69, 70 ein zweiter Frequenzwerden auch die Tastschalter 8 und 9 des jeweiligen 35 wandler 76, dem dritten Paar 71, 72 ein dritter Fre-Senders erregt, und je nach der Stellung des Signal- quenzwandler 77 und dem vierten Paar von Korrewählers 5 wird nun der Schwingkreis 3 mit der zu- lationssystemen 73, 74 schließlich ein vierter Fregehörigen Tastfrequenz f_t, bei der in der Fig. 1 quenzwandler78 zugeordnet,
gewählten Stellung mit der Frequenz f_{t v} getastet. Jeder der Frequenzwandler 75 bis 78 liefert zwei

Die schon erläuterte Art der Tastung löst die Ton- 40 gegeneinander um 90° phasenverschobene Ausgangsfrequenzschwingungen 33 bis 36 usw. (F i g. 3) aus, spannungen, wie dies in der F i g. 5 an den Ausderen Erstamplituden mit der Modulationsfrequenz f_m, gangen der Frequenzwandler 75 bis 78 durch die Bedargestellt durch den Kurvenzug 32, moduliert sind. zeichnungen 0° und 90° angedeutet ist. Beide Aus-Der in den Leitern 1 und 0 des Energieversorgungs- gangsspannungen ein und desselben Frequenzwandnetzes nunmehr vorhandene tonfrequente Wechsel- 45 lers besitzen die gleiche, der Netzfrequenz /„ streng strom mit der Frequenz f_s dient als Träger für die in proportionale Frequenz, die als Referenzfrequenz /_ri seiner Modulation enthaltene Information und durch- (z = beliebiger Index) für das dem jeweiligen Freiließt die Primärwicklung des Stromwandlers 39 im quenzwandler zugehörige Paar von Korrelations-Empfänger gemäß der Fig. 4. systemen dient.

50 Jedes der Korrelationssysteme 67 bis 74 ist aus-

Es gilt gangsseitig mit je einem Sieb- und Richtglied 79 bis

χ _ _c χ 86 versehen, wobei die Zuordnung der Reihenfolge

'^{1 1 n} der Aufzählung entspricht. Jedes der Sieb- und Richt-

ft-2 — ^c-ifn glieder 79 bis 86 enthält die in der Fig. 4 gezeigte

f_m — f„ — α i_t 55 Siebkette 57 und den Brückengleichrichter 58.

^{m 1} _ " * * Die Sieb- und Richtglieder 79 bis 86 sind in bezug

Tm 2 ~h~~^a2it-2 _auf einen den ihnen jeweils vorgeschalteten Korrelationssystemen gemeinsamen der Frequenzwandler

wobei C₁ und c₂ Proportionalitätskonstanten und a_v 75 bis 78 paarweise zusammengefaßt, wie dies auch

a.₂ ganze Zahlen sind. 60 in der F i g. 5 zum Ausdruck kommt. Jedem Paar

Im Eingangskreis 40 des Empfängers erfolgt eine von Sieb- und Richtgliedern 79, 80; 81, 82; 83, 84;

Trennung des Signalstromes vom Netzwechselstrom 85, 86 ist je eine Summierstufe 87; 88; 89; 90 nach-

durch die Saugkreise 41 und 42 sowie durch das geschaltet, wobei die Zuordnung wiederum der

Bandfilter 44. Auch der Verstärker 45 kann selektiv Reihenfolge der Aufzählung entspricht,

wirkend ausgebildet sein. Der ihm nachgeschaltete 65 Je zwei Summierstufen 87 und 88 bzw. 89 und 90

Übertrager 46 führt die durch die Modulation arbeiten auf eine logische Torschaltung 91 bzw. 92,

charakterisierten Signalströme dem Korrelations- deren Ausgang mit einem Schwellenschalter 93 bzw.

system 51 bzw. 52 zu, in welchem ausgewählte der 94 verbunden ist. Dem Schwellenschalter nachgeord-

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net erkennt man je ein Relais 95 bzw. 96 mit je i ein beliebiger von allen möglichen Werten

einem Signalkontakt 97 bzw. 98. Die Teile 95 und 96 von b,
bzw. 97 und 98 entsprechen wirkungsmäßig den

Teilen 59 und 60 der F i g. 4. x]

Das bei der an Hand der Fig. 2 und 3 erläuterten 5 J tbestimmte Werte von b,

Tastung entstehende Frequenzspektrum der die In- z)
formation enthaltenden Wechselstromgrößen weist

diskrete Frequenzen f_d = bf_t ± f_m mit dem ganzzah- + als hochgestellter Index: obere Seitenfrequenz, ligen Faktor b auf, nämlich die Seitenfrequenzen von _ ^₅ hochgestellter Index: untere Seitenfrequenz. Harmonischen b^UT Ordnung der Tastfrequenz /₍. In io
der Nähe der Trägertonfrequenz /_s sind diese Seitenfrequenzen besonders stark angehoben, unabhängig Sinngemäß gelten die vorstehenden Überlegungen davon, welcher Tastoberwelle sie zugehören; sie gleichermaßen für die aus der Tastfrequenz f_t2 hertreten naturgemäß gleichzeitig auf und liegen stets vorgegangenen Frequenzen/^₂.
an einer in bezug auf die Netzfrequenz J_n definierten 15 In der weiteren Beschreibung werden zu jeder Stelle des Frequenzspektrums, wenn die Tastfre- Tastfrequenz nur zwei Seitenfrequenzen betrachtet, quenz f_t der Netzfrequenz in jedem Zeitpunkt pro- nämlich diejenigen mit dem höchsten Energieniveau, portional ist. Dabei seien /^₁ und Zf₁ die in bezug auf die spek-

Durch Simultanauswertung geeigneter Seitenfre- trale Lage der Tonfrequenz f_s obere und untere der

quenzen f_ä zu höheren Harmonischen der für das 20 betrachteten Seitenfrequenzen, welche aus der Tast-

Signal charakteristischen Tastfrequenz /, läßt sich frequenz/^ hervorgegangen sind, unabhängig davon,

nun ein hohes Auflösungsvermögen und damit ein welcher Tastoberwelle sie angehören; ein Gleiches

außerordentlich gesteigertes Trennvermögen zwi- gilt für /_dt und f_d;>, entstanden auf f_{t 2}.

sehen Nutz- und Störsignalen erreichen, wodurch Der Empfänger gemäß der F i g. 5 eignet sich zum

sich der Fernübertragung von Tarifinformationen in 25 selektiven Simultanempfang der vier Seitenfrequen-

der Energiewirtschaft neue Wege öffnen. zen ffc τ; seine Eingangsgruppe 63 ist nur für ein

Ein zur Simultanauswertung eingerichteter Emp- schmales Frequenzband durchlässig, in welchem diese fänger besitzt beispielsweise den an Hand der F i g. 5 Seitenfrequenzen liegen. Am Ausgang der Eingangsbeschriebenen Aufbau und arbeitet im Zusammen- gruppe 63 —· es ist dies der in der F i g. 4 gezeichnete wirken des gesamten Fernwirksystems wie folgt: 30 Ausgangsübertrager 46 — treten also die Frequen-

Ein Sender (F i g. 1) sende eine durch die Tast- zen fj[ und Zf₁ oder /ji; und ff« auf, je nachdem,

frequenz f_tl (Fig. 2) charakterisierte Information. ob der Sender (Fig. 1) mit der Tastfrequenz f_tt oder

Die Modulation des tonfrequenten Trägerwechsel- f_t2 sendet.

stromes (33 bis 36 in F i g. 3) besitzt dann die Fre- Die folgenden Erläuterungen beschränken sich quenz f_ml = /„ — a_t1t_v worin f_ti durch die Eigen- 35 wieder auf die beispielsweise zum Zeitpunkt der vorschaften des Tastschalters8 (Fig. 1) und der Fak- liegenden Betrachtung gerade gesendete Modulator α durch die Anzahl der zwischen zwei Tastungen tionsfrequenz/_ml, gelten aber analog auch für die liegenden ganzen Perioden /„-' der Netzgrundwelle Modulationsfrequenz f_{m 2}.

(23 in F i g. 3) bestimmt sind. Im Fernwirkkanal liegt Aus der Eingangsgruppe 63 treten die Frequenzen

somit ein Spektrum von diskreten Frequenzen 40 f£ und ff_L in die Mischstufe 64 ein und werden dort

der aus der Netzfrequenz f„ abgeleiteten und dieser

fd\i ⁼ biftx~t f_mi proportionalen Hilfsfrequenz f_h unter Bildung von

vor. Zwischenfrequenzen/^ ± Λ und/^ ± /^überlagert.

In der Nähe der geeignet gewählten Tonfrequenz f_s Vorzugsweise gilt j_h = pf„, worin ρ eine positive

des unterdrückten Trägers besitzen diese Seiten- 45 ganze Zahl bedeutet. Durch diese Maßnahme lassen

frequenzen j_d ein zur Auswertung ausreichendes sich Frequenzen/^ gewinnen, deren nicht ganzzah-

Energieniveau; insbesondere die beiden der Tonfre- liges Verhältnis zur Netzfrequenz /„ aus niedrigen

quenz /_s am nächsten liegenden. Es können dies die Zahl werten gebildet ist.
Frequenzen

50 Zur weiteren Auswertung werden die entstan-

fdiz — bz/ti +fmi denen Differenzfrequenzen
und

/ils ⁼ bgft-L —fmi JAl — fdl ~fh

und

sein, wenn b_zj_n annähernd gleich /_s ist, jedoch eignet 55 //1 = fin —fh

sich in anderen Fällen z. B. auch ein Frequenzenpaar

in den Korrelationssystemen 67 bis 70 mit den Refe-

fdx _x = bjt i-fmx renzf requenzen

und m=m = ktu

fiiii— by fts. +fmi 60 und

Λτ(=/γ,)=Λγ/»

usw. je nach Lage von /_s in bezug auf bif_tv

überlagert; kt und kr sind Proportionalitätskon-

Die hier verwendeten Indizes bedeuten: stanten.

65 Von dem wiederum entstehenden Mischergebnis

d diskrete Frequenz, interessiert hier der Gleichstromanteil, also ein am

1 aus der Tastfrequenz des Tastschalters 8 Ausgang des jeweiligen Korrelationssystems auftre-

(F i g. 1) entstanden, tender Strom / mit der Frequenz f₀ = f_Δ — f_r = 0.

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Die Größe dieses Stromes I ist proportional dem cos Die Mischstufe 64 sowie die Korrelationssysteme,

des Phasenwinkels λ zwischen den überlagerten z.B. 67 bis 74, können Ringmodulatoren oder an-

Strömen mit den Frequenzen /^ und f_r. dere, an sich bekannte, vorzugsweise transistorisierte

Zur Referenzfrequenz /_rt beispielsweise werden Mischglieder sein.

außer der Gleichstromkomponente /„i —f2\ —f_r ⁺i die 5 Eine Variante eines für das beschriebene Fern-

Frequenzen /J₁ + fä, /J₁ + fj[ und /J₁ — /_rl ge- wirksystem ebenfalls brauchbaren Empfängers ist in

bildet, welche die Siebkette (57 in F i g. 4) der Sieb- der F i g. 6 vereinfacht dargestellt,

und Richtglieder 79 und 80 nicht passieren dürfen. Einer gleichartig wie in der F i g. 5 aufgebauten

Der Summierstufe 87 fließt nun aus dem Sieb- und Eingangsgruppe 99 folgt ein Korrelationssystem 100 Richtglied 79 ein Gleichstrom I₁ ⁺^, zu, dessen Betrag io mit einem Ausgang 101 und nachfolgender Verzweizwischen den Werten 1 und 0 je nach Größe des gung 102. Dem Korrelationssystem 100 ist ein Fre-Phasenwinkels ;. schwanken kann. Analog kann der quenzwandler 103 zugeordnet. Der Ausgang 101 Betrag des aus dem Sieb- und Richtglied 80 in die steht mit einem Sieb- und Richtglied 104 in Verbin-Summierstufe 87 eintretenden Gleichstromes If₁ ^ dung, während an die Verzweigung 102 ein weiteres zwischen den Weiten 0 und 1, liegen, so daß die in 15 Korrelationssystem 105 mit einem Frequenzwandler der Summierstufe 87 gebildete Summe 106 angeschlossen ist. Dem Korrelationssystem 105 J₊ _ j₊ _l /+ folß* ^m <*^er Schaltung ein Sieb- und Richtglied 107, ¹ ι!«*» ' ι:!*> _{das e}b_{enso w}j_e das Sieb- und Richtglied 104 mit stets einen endlichen Wert aufweist und abhängig einer gemeinsamen logischen Torschaltung 108 vervom Phasenwinkel λ höchstens im Verhältnis ]ß : 1 20 bunden ist. Der Signalausgang der logischen Torunterschiedlich groß sein kann. Die gleichen Über- schaltung 108 mündet in einen Schwellenschalter 109 legungen gelten für die Auswertung der Frequenz mit nachgeordnetem Relais 110, das einen Signal-/J₁. Aus den Summierstufen 87 und 88 treten also kontakt 111 aufweist.

Gleichströme + I₁ ⁺ und + I₁" gleichzeitig aus, Der vorstehend erläuterte Aufbau des Empfängers

wenn beide aus der Tastfrequenz f_tl hervorgegan- 25 nach der Fig. 6 entspricht funktionell der unteren

genen Seitenfrequenzen /<£ und f_dl ordnungsgemäß Hälfte des Empfängers nach der F i g. 5, wobei der

empfangen worden sind. Einfachheit halber in der F i g. 6 die Auftrennung in

Sind beide Ströme + Z₁ ⁺ und /f gleichzeitig 0°- und 90°-Zweige nicht vorgenommen wurde,

vorhanden, so läßt die logische Torschaltung 91 den praktisch jedoch vorhanden sein soll. Nach dem

kleineren davon als Strom I₁ zum Schwellenschalter 30 Gesagten dient der in der F i g. 6 dargestellte Emp-

93 gelangen, der anspricht, wenn der Gleichstrom I₁ fängerteil zum Empfang von Signalen mit der Modu-

den Schwellenwert überschreitet, was bei sonst ord- lationsfrequenz/„₂. Für die Aufnahme von Signalen

nungsgemäßer Funktion des Fernwirksystems vor- mit der Modulationsfrequenz f_{m 1} sind die Teile 100

aussetzt, daß die Referenzfrequenzen /J₁ und /.7 der bis 111 an dem durch einen Pfeil bezeichneten

Netzfrequenz J_n in jedem Zeitmoment streng propor- 35 Leitungszweig 112 in gleicher Anordnung vorzu-

tional sind, da eine auch nur geringfügige gegen- sehen; natürlich mit Referenzfrequenzen /^ und/7.

seitige Verstimmung des Systems Sender-Empfänger Der Empfänger nach der Fig. 6 arbeitet wie folgt:

durch Disproportionalität zwischen /₍, f_h und f_r ein Das mit Hilfe der Eingangsgruppe 99 ausgekoppelte

starkes Absinken des Gleichstromes I₁ zur Folge hat. SignalwirdinFormderSeitenfrequenzen/^und/^dem

Beim Ansprechen des Schwellenschalters 93 40 Korrelationssystem 100 zugeleitet und dort mit schließt das Relais 95 seinen Signalkontakt 97. Damit einer Referenzfrequenz /_rt = //₂ überlagert,
ist der Schaltzustand des Signalwählers 5 (F i g. 1) im Es entstehen unter anderen die Frequenzen
Kontaktzustand des Signalkontaktes 97 (Fig. 5) abgebildet und die gestellte Fernwirkaufgabe erfüllt. M ~M = ./O⁺ = 0 (Gleichstrom I₂ ⁺)

Nimmt bei einer folgenden Sendung der Signal- 45 ^und
wähler 5 seine zweite mögliche Stellung ein, so ist die />ί —/da ~ 2/„,-.
Tastfrequenz f₍₂ wirksam, und die gleichen Überlegungen gelten für den unteren Teil des Empfängers von welchen f₀ das Sieb- und Richtglied 104 passiert, mit den Korrelationssystemen 71 bis 74, wobei alle wobei der Strom Z₂ ⁺ zur logischen Torschaltung 108 bisher mit dem Index 1 bezeichneten Größen mit 50 gelangt, während 2/_m., im Korrelationssystem 105 mit dem Index 2 zu lesen sind. einer Referenzfrequenz /.τ, = 2/_mS gemischt wird.

Die Ableitung der Referenzfrequenzen f_r aus der Als Mischergebnis resultiert neben anderen Misch-

Netzfrequenz/„ erfolgt beispielsweise mittels eines frequenzen
von einem Synchronmotor angetriebenen Laufwerkes

mit verschiedenen Zahnradübersetzungen, welchen 55 /<T = 2/„,₂—/_rl = 0 (Gleichstrom /r).
photoelektrisch abgetastete Lochscheiben zugeordnet

sind. Vorzugsweise werden zunächst Oberwellen der welche das Sieb- und Richtglied 107 passiert, so daß

Referenzfrequenzen erzeugt und diese dann elek- an der logischen Torschaltung 108 gleichzeitig mit

ironisch digital unter Verwendung von Flip-Flop- If ein Strom If auftritt.

Schaltungen geteilt, wobei gleichzeitig bequem die 60 Die weitere Auswertung geschieht in völliger

0°- und 90°-Referenzen zu gewinnen sind. Analogie zu dem an Hand der F i g. 5 beschriebenen

Eine andere Art der Erzeugung der Referenzfre- Beispiel. Wiederum gilt die Bedingung, daß die Refe-

quenzen /_r besteht in einer digitalen Teilung einer ge- renzfrequenzen f_r2 der die Modulationsfrequenz f_mt

eingneten höheren Harmonischen Netzfrequenz /„. erzeugenden Tastfrequenz j_tt über die Netzfrequenz

Die 0°- und 90°-Referenzen lassen sich dabei z. B. 65 /„ in jedem Zeitmoment proportional sind,

auch mit /ÜC-Phasenschiebern bilden. Geeignete Für die praktische Anwendung des beschriebenen

Schaltungen hierfür sind an sich aus der Elektronik Fernwirksystems wurde die folgende Bemessung der

bekannt. unabhängig wählbaren elektrischen Größen als be-

Claims (11)

sonders geeignet für normale Netzverhältnisse ermittelt: /„ = 50Hz U1 = 18,75Hz ft2 = 21,45 Hz U = 514Hz fh =450Hz 10 Die genannten Werte sollen wenigstens annähernd erreicht werden. Die Angabe dieses Beispiels schließt jedoch die Eignung anderer Werte keineswegs aus. Im Rahmen der realisierbaren Möglichkeiten liegt demnach auch der Bemessungsfall aft = fn mit bx ungleich by. Patentansprüche:

1. Fernwirksystem mit einem Fernwirkkanal, der einem Wechselstrom-Energieversorgungsnetz überlagert ist, und mit wenigstens einem Sender, der mindestens einen mit charakteristischer Tastfrequenz betätigten Tastschalter zur impulsweisen Anschaltung eines als Trägerfrequenzerzeuger dienenden passiven elektrischen Schwingkreises an das Wechselstromnetz enthält, sowie mit einem Empfänger für mit wenigstens einer festen Modulationsfrequenz modulierte Wechselstromsignale, der für die vom Sender erzeugten Signalfrequenzen mindestens ein Korrelationssystem mit fester Referenzfrequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Tastfrequenz (f_t) jedes Tastschalters (8; 9) des Senders als auch die Referenzfrequenz (/_r) jedes Korrelationssystems (51,52; 67 bis 74; 100,105) des Empfängers ein und derselben Grundfrequenz (/„) des als Fernwirkverbindung benutzten Energieversorgungsnetzes (1,0) in jedem Zeitmoment streng proportional sind, und das im Empfänger wenigstens zweien, der Trägerfrequenz (/_s) nahe liegenden von mehreren zu Oberwellen einer Tastfrequenz (f_t) gebildeten Seitenfrequenzen (f_d) wenigstens je ein eigenes Korrelationssystem (51, 52; 67 bis 74; 100, 105j mit einer der vom jeweiligen Korrelationssystem auszusiebenden Seitenfrequenz (f_d) identischen Referenzfrequenzen (f_r) zugeordnet ist.

2. Fernwirksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastfrequenzen (f_t) und die Referenzfrequenzen (/_r) aus der Netzfrequenz (/„) abgeleitet sind.

3. Fernwirksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastfrequenzen (f_t) und die Referenzfrequenzen (f_r) mit Hilfe rein elekironischer oder elektromechanischer und/oder elektrooptischer mit der Netzfrequenz (/„) synchron laufender Frequenzwandler gebildet sind.

4. Fernwirksystem nach Anspruch 2, dadurct gekennzeichnet, daß die Tastfrequenzen (f_t) sowie die Referenzfrequenzen (f_r) durch elektronisch digitale Teilung aus einer höheren Harmonischen der Netzfrequenz (/„) gebildet sind.

5. Fernwirksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfänger eine Mischstufe (64) zur Überlagerung der Seitenfrequenzen (f_d) mit einer Hilfsfrequenz (f_h) angeordnet ist.

6. Fernwirksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden, der Tonfrequenz (/_s) des Trägerwechselstromes am nächsten liegenden Seitenfrequenzen (//, fi) im Empfänger je ein Paar eigener Korrelationssysteme (67, 68; 69,70; bzw. 71, 72; 73, 74) mit je einer Referenzfrequenz (/_r ⁺ bzw./^zugeordnet ist, wobei die Ausgangsspannungen je eines einem Paar von Korrelationssystemen zugehörigen Frequenzwandlers (75; 76; 77; 78) einen Phasenunterschied von 90° aufweisen.

7. Fernwirksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrelationssysteme elektronische Ringmodulatoren dienen.

8. Fernwirksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrelationssysteme transistorisierte Mischglieder dienen.

9. Fernwirksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Korrelationssystemen (51, 52; 67 bis 74; 100,105) des Empfängers Sieb- und Richtglieder (57; 79 bis 86; 104, 107) und für jede Modulationsfrequenz (/_m) des Senders je eine logische Torschaltung (91, 92; 108) mit Schwellschalter (93, 94; 109) nachgeschaltet sind.

10. Fernwirksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch annähernd folgende Bemessung der elektrischen Größen: ..

Netzfrequenz /„ = 50 Hz
Tastfrequenz f_tl = 18,75Hz
Tastfrequenz j_tt = 21,45 Hz
Tonfrequenz f_s = 514 Hz
Hilfsfrequenz f_h = 450 Hz

11. Fernwirksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfrequenz (/_Λ) aus der Netzfrequenz (/„) abgeleitet und dieser proportional ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift: »Elektrizitätswirtschaft«, 1959, H. 24, . 831 bis 834, und 1960, H. 2, S. 36 bis 44.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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