CN100440747C - 在低压电网上传输高频信号的方法及相应的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过电力传输网络的母线系统传输千赫和兆赫范围信息信号的方法和设备。在本发明的方法和设备中，为改善传输特性，不是将信号馈送给电源的母线，而是馈送给一送电线或配电线远离该电源的一端。在此，通过一个PLC-耦合线路(10)实现通信技术的耦合，其中该耦合线路通过PLC-耦合单元(12，12’，...)与配电线或者送电线(2，2’，...)相连接。

Description

在低压电网上传输高频信号的方法及相应的设备
技术领域
本发明涉及一种在低压电网上传输高频信息信号的方法。此外，本发明还涉及一种带有为实施该方法的措施的设备。
背景技术
在电网导线上进行高频信号的数据传输是公知的。由此，可以补充或者有选择性地传输普通电话信息，因此这种方法特别具有优越性，因为实际上到处都有带电源接线的电网。尤其对于具有母线系统和配电线的工业用低压网，由此还可以建立一个自身的数据传输系统。
通常，工业设备的供电是通过一个由位于附近的变压器供电的母线系统来实现的。负载通过送电线以单线回路或者配电线的形式连接在母线系统上。配电线是纵向可延伸、且带外壳的截面积较小的实心导体，该导体在生产设备中，多数是水平安装在待供电负载的下方或者上方。另外，配电线具有以一定栅网(Raster)方式布置的输出端，负载可以借助所谓的输出接线箱连接在该输出端上。
低压电网的母线系统和配电线，在通信技术上被认为是具有几百欧姆的高特性阻抗范围的导体。此外，尤其是供电母线系统对频率范围从100千赫到几兆赫(最新的供电线路通信系统，即PLC系统就在该频率范围工作)的信号具有预期的大短路电流和很低的阻抗，相当于低阻旁路。由此，直接供给母线系统的信号电平衰减很大。由于在低压电网上出现高的干扰电平，采用这种馈送方式，在经过比较短的几十米距离后，已不可能再可靠地进行数据交换。
欧洲专利申请公开说明书EP 0 889 602 A2公开了一种通过至少一个电力电缆进行数据传送的数据传输系统，其中在一个电力传输电缆的终端范围进行数据的输入和输出。另外，德国专利申请公开说明书DE 44 18 296 A1公开了在耦合位置上设置一个经过一带有相应滤波器的分电网进行数据传输的网络耦合。最后，德国专利申请公开说明书DE 1 504 587 A1公开了一种位于一低压电网中的、用于电力供应网的两路通信系统，数据在此低压电网中进行传输。
此外，在日本专利申请公开说明书JP平01-221028A公开了一种电力传输线的传送系统(PLC)，其负载线路具有允许供电源电网频率(50Hz或60Hz)的电流通过而抑止高频信号的带阻滤波器。此外，在那些向各负载线路馈送的PLC设备之间设置了一个通过所谓的专用线路实现数字式数据交换的逻辑电路。
发明内容
本发明针对上述现有技术所要解决的技术问题是减小传输时的信号衰减。为此应当提供一种相应的设备。
根据本发明，上述技术问题首先通过这样一种在低压电网上传输高频信号的方法来解决，在该低压电网中由一个带母线的集中供电电源提供电能，并且经过送电线或者配电线将电能输送到负载上，该低压电网具有馈送千赫和兆赫范围内信号的输入点，和接收在导体系统上传输的信号和电能的输出点，其包括下述措施：
-为改进传输特性而将信号馈送给所述送电线或者配电线上与电网频率电源相对置的一端，
-所述导送高频信号的送电线或者配电线在与电源相对置的一端借助一个同样导送高频信号的、具有信号正常化处理功能的PLC-耦合线路来连接，这样在不同送电线或者配电线上的用户之间能进行数据交换。
按照本发明方法的一扩展设计，通过一个对通信所使用频率范围内的信号为高电阻的滤波器来减小在两个动力供电的送电线或者配电线之间的旁路。
本发明相应提供一种带有实施上述方法的措施的设备，其中该措施包括导体系统在通信技术上的耦合，其中，所述通信技术的耦合是通过一个导送高频信号的PLC-耦合线路实现，并且该PLC-耦合线路通过PLC-耦合单元与送电线或配电线相连接。
按照本发明的设备的一扩展设计，所述PLC-耦合单元为电容式/变压器式结构。按照另一种设计，所述PLC-耦合单元包含有源元件。该有源元件优选是放大器。
按照本发明的设备的另一扩展设计，所述PLC-耦合线路包含双向放大器，亦即所谓的转发器。
按照本发明的设备的又一扩展设计，该设备具有一个对数据线路的频率范围为高电阻、而对电网频率为低电阻的滤波器，其中，所述滤波器由可磁化的材料构成。此外，所述滤波器可由一个包围住导线的单芯线的套筒构成。为方便导线使用，所述套筒优选为分成两部分的套筒。
按照所述滤波器的另一实施形式，所述滤波器由两个带有多个平行凹槽的扁平件构成，这两个扁平件组装成一个带有多个通道的箱体，一根导体可多次往返在这些通道中通过。
按照所述滤波器的又一实施形式，所述滤波器由一个带有多个平行通道的圆柱体构成，一根导体可多次往返在此圆柱体中通过。
在本发明中，该信号不仅仅是通过送电线与母线系统相对置的一端来馈送，而且在馈送信号处借助一个将高频通信信号以极高质量送至馈送点的PLC-耦合线路来完成信号正常化处理。于是在各种送电线或者配电线的用户之间完成具有良好传输特性的数据交换。另一方面，通过一个对高频通信信号为高阻而对网络频率却为低阻的滤波器来减小旁路，由此可大大改善传输特性。
因此，在本发明的设备中，送电线/母线系统在通信技术上的耦合通过一PLC-耦合线路来实现，该PLC-耦合线路必要时包括所谓的转发器(即双向放大器)，且通过PLC-耦合单元与送电线/配电线连接。PLC-耦合单元可以构成电容式的或者变压器式的，但是也可以包括像放大器这样的有源元件。
滤波器优选由一个包围住导线的单芯线的磁化材料套筒构成，其中该套筒优选为分开的两部分，从而无需将导线拆开就能方便地使用。
附图说明
下面结合附图所示实施方式对本发明的细节和优点作进一步说明：
图1示出将高频信号传送到工业用低压网上的一种设备。
图2示出一个图1所示设备中使用的滤波器的第一种实施方式。
图3和图4为图2所示滤波器的另两种可供选择的实施方式。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示工业用低压网的一条母线。经过这样的母线将电能传输到负载。由变压器5供给电功率。
送电线或者配电线从母线系统引出。例如图中示出了配电线2和2’。还可以有其它的送电线或者配电线。
各个负载3、3’、...，例如电动机，可以接在送电线/配电线2、2’、...上。
图1中，在送电线或配电线远离母线系统的一端，有一个供电线路通信(PLC)耦合线路，在这个耦合线路上以必要的间隔接连着双向放大器11、11’、...，双向放大器实际上也可以称作为所谓的转发器(Repeater)。耦合线路10通过PLC-耦合单元12、12’、...与送电线2、2’、...，或有关配电线相连接。高频信号通过耦合单元12、12’、...耦合到送电线或者配电线上。
PLC-耦合单元采用公知的电容结构或者变压器结构，它也可以包括其它现有技术的元件，尤其像放大器这样的元件。
在图1的设备上，分别为送电线2、2’、...或者相应形成的配电线配设了PLC控制单元15、15’、...。借助于这个控制单元保证定时提供信息信号。
于是，利用所述的设备，将信号提供给送电线或配电线远离母线系统的一端。为了防止母线系统和信号馈送产生旁路(Nebenschluβ)，分别在送电线或者配电线上接上一个滤波器18、18’、...。所述的滤波器18、18’、...对于供电线频率范围内的信号为高电阻，而对于网络频率为低电阻，这样就避免了出现旁路。
在图2中示例地给出这样一种滤波器的结构，该滤波器由一个磁性材料做成的圆柱形套筒20构成，该套筒20为了便于使用，由两个半圆柱体21和22组成，两者组装在一个带有中空通道23的圆柱形套筒，在该中空通道23中有一带电导体25以电绝缘方式穿过。
对于图1中的滤波器18，还给出了替换图2的其它实施方式。在图3和图4中示出两种替换方式：图3中，该滤波器为一个由两块分别带有多个彼此相对置凹槽的磁性材料板31和32构成的扁平箱体30，这两块扁平的磁性材料板在组装状态下围成多个平行通道33，一个实心导体35可在其中多次往返穿过。在端侧为导体35设有横向连接片36。
在图4中，相应的由磁性材料构成的圆柱体40具有多个可供一个导体45在其中往返穿过的平行的细长通道43，所述的导体45端侧有横向连接片46，这些在圆柱体40相对侧的横向连接片46互相垂直，从而可使滤波器的圆柱体40的材料体积得到最佳利用。
尤其在图3和图4的实施方式中，产生了十分有利的特性：这样构成的滤波器是低电容的，且在较小的空间就具有一个高电感。它不需要采用线圈，因此由构件30和40构成的滤波器也可用大电流的实心导体棒来实现。
下面专门用于图1中的滤波器的计算举例表明，用所述的滤波器可满足所要求的特性。例如，滤波器的形状和材料的数据如下：
长度10cm，外径
Figure C0181446700081
8cm，内径
Figure C0181446700082
4cm，μr＝5*104，
Perlenorm  5050  H4  0.1mm。
阻抗与相对的磁导率有关，磁导率又与磁场强度有关，因此归根结底受电流i的影响。
由这些数据可以得出：
当i＝0A，在500KHZ时阻抗X为3KΩ，在50HZ时阻抗X为0.3Ω；
当i＝1A，在500KHZ时阻抗X为3KΩ，在50HZ时阻抗X为0.3Ω；
当i＝10A，在500KHZ时阻抗X为900Ω，在50HZ时阻抗X为90mΩ；
当i＝100A，在500KHZ时阻抗X为100Ω，在50HZ时阻抗X为10mΩ；
当i＝1000A，在500KHZ时阻抗X为10Ω，在50HZ时阻抗X为1mΩ。
上面的结果表明，阻抗在通过一个50HZ的电流时随着磁化而改变。由上述的参数值得出：对峰值为1KA的50HZ电流来说，在500HZ下，其在过零点时的阻抗X为3KΩ，而在50HZ电流峰值时的阻抗X为10Ω。在设计时必须考虑这个关系。
就供电线路信号而言，在所述的设备中，借助滤波器保证防止提供电能的母线系统出现高频旁路。在与送电线或者配电线的高频连接线相连时，借助于PLC-耦合线路，包括在双向放大器/转发器上进行可能的信号正常化处理在内，都能通过较长的线路进行数据交换。

Claims (12)

1.一种在低压电网上传输高频信号的方法，在该低压电网中由一个带母线的集中供电电源提供电能，并且经过送电线或者配电线将电能输送到负载上，该低压电网具有馈送千赫和兆赫范围内信号的输入点，和接收在导体系统上传输的信号和电能的输出点，其包括下述措施：
-为改进传输特性而将信号馈送给所述送电线或者配电线上与电网频率电源相对置的一端，
-所述导送高频信号的送电线或者配电线在与电源相对置的一端借助一个同样导送高频信号的、具有信号正常化处理功能的PLC-耦合线路来连接，这样在不同送电线或者配电线上的用户之间能进行数据交换。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：通过一个对通信所使用频率范围内的信号为高电阻的滤波器来减小在两个动力供电的送电线或者配电线之间的旁路。
3.一种带有实施权利要求1或2所述方法的措施的设备，其中该措施包括导体系统在通信技术上的耦合，其特征在于：为改进传输特性而将信号馈送给所述送电线或者配电线上与电网频率电源相对置的一端，所述通信技术的耦合是通过一个导送高频信号的PLC-耦合线路(10)实现，并且该PLC-耦合线路(10)通过PLC-耦合单元(12，12’，...)与送电线或配电线(2，2’，...)相连接。
4.按照权利要求3所述的设备，其特征在于：所述PLC-耦合单元(12，12’，...)为电容式/变压器式结构。
5.按照权利要求3所述的设备，其特征在于：所述PLC-耦合单元(12，12’，...)包含有源元件。
6.按照权利要求5所述的设备，其特征在于：所述有源元件是放大器。
7.按照权利要求3所述的设备，其特征在于：所述PLC-耦合线路包含双向放大器(11，11’，...)，即所谓的转发器。
8.按照权利要求3所述的设备，其具有一个对数据线路的频率范围为高电阻、而对电网频率为低电阻的滤波器，其特征在于：所述滤波器(20，30，40)由可磁化的材料构成。
9.按照权利要求8所述的设备，其特征在于：所述滤波器(20)由一个包围住导线的单芯线(2)的套筒构成。
10.按照权利要求9所述的设备，其特征在于：为方便导线使用，所述套筒为分成两部分(21，22)的套筒。
11.按照权利要求8所述的设备，其特征在于：所述滤波器由两个带有多个平行凹槽的扁平件(31，32)构成，这两个扁平件组装成一个带有多个通道(33)的箱体(30)，一根导体(35)可多次往返在这些通道中通过。
12.按照权利要求8所述的设备，其特征在于：所述滤波器由一个带有多个平行通道(43)的圆柱体(40)构成，一根导体(45)可多次往返在此圆柱体中通过。
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