CN100593143C - 电力线通信接口和电涌保护器 - Google Patents

Abstract

在这里提供了一种系统，其中包括：用于连接到AC电力线(115)的AC电力输入端口(205)，用于提供来自AC电力线的电力的AC电力输出端口(250)，用于限制AC电力输出端口上的电压的AC电力电涌抑制电路(225)，数据端口(260)，用于在AC电力输入端口与数据端口之间耦合数据信号的电容性数据耦合器(240)，以及用于限制数据端口上的电压的数据端口电涌抑制电路(245)。

Description

电力线通信接口和电涌保护器

技术领域

本公开涉及电力线通信，尤其涉及的是在电力线与调制解调器之类的通信设备之间提供接口的系统。

背景技术

电力线通信也被称为电力线宽带通信(BPL)，它是一种包含了经由电源线而在高频执行的数据传输的技术，其中电源线是用于传送强电流的导体。强电流通常是以50～60赫兹(Hz)的频率经由电力线传送的。在低压线路中，强电流是以90～600伏特的电压来传送的。此外，BPL也可以在工作范围为1,000～35,000伏的中压线路上实施。数据信号的频率大约大于或等于1兆赫兹(MHz)，数据信号的电压范围则是从几分之一伏到数十伏。数据通信可以采用不同调制方案，例如幅度调制、频率调制、脉冲调制或扩展频谱调制。

对作为PLC网络一部分使用的调制解调器来说，它可以从低压电力线接收其电力。此外，调制解调器上的电力线端子还可用于传输和接收PLC信号。

PLC调制解调器可以包含在安装于电极的通信节点中，并且可以从架空线路对其供电。但是，对作用于此类线路的闪电和其他瞬变现象来说，其幅度有可能超出在建筑物内部的低压线路出口上发现的幅度。由此，节点的电力输入电路需要保护节点电路免受诸如6,000伏的高压瞬时电涌的影响。

电涌保护组件通常是具有真实电容的分路组件，该电容会使进入或离开其电力线上的节点的高频数据信号短路。电源输入电路必须同时为所有的电源端口以及数据端口提供低损耗的高频数据信号流以及足够的电涌保护。

对架空通信节点来说，另一个需求是对包括输入电力或保险丝断开在内的故障进行检测。节点的电源输入端子还充当了这些状况的传感器端子，由此将会遭遇到电涌瞬变现象的冲击。对具有后备电池电源的通信节点来说，来自传感器的信息可以传送到一个可派遣维护人员的中心操作设施。

通常，节点只需要用于节点电源的相位和中性导线。但是，架空电力线通常具有两个或三个相位，并且较为有益的是使用PLC信号来驱动所有这些相位。如果使用相同的PLC信号来驱动所有这些相位线，那么有可能增大来自这些线路的电磁辐射。在这种情况下，较为优选的是使用相位相反的PLC信号来驱动不同的相位导线，由此获得一定的辐射消除。

目前需要的则是一种可以使PLC调制解调器协调地整合上述需求的电力线接口电路。

发明内容

在这里提供了一种系统，该系统包括：用于连接到AC电力线的AC电力输入端口，用于提供来自AC电力线的电力的AC电力输出端口，用于限制AC电力输出端口上的电压的AC电力电涌抑制电路，数据端口，用于在AC电力输入端口与数据端口之间耦合数据信号的电容性数据耦合器。以及用于限制数据端口上的电压的数据端口电涌抑制电路。

附图说明

图1是包含电力线接口的PLC通信节点的框图。

图2是图1电力线接口的框图。

图3是图1电力线接口的示意图。

图4是用于将信号耦合到两条AC电力线的电力线接口的示意图，其中每一条电力线都包含了多个相位线。

具体实施方式

图1是PLC通信节点100的框图，其中举例来说，该节点可以安装在架空线的电杆上。节点100包括电力线接口(PLI)110，电源160，充电控制器170，电池175，调制解调器120、130和140，以及数据处理器150。交流电(AC)电力是经由电力电缆115而被提供给节点100的。

电力电缆115包括一条中性线路(N)以及三相线路，即相位1(Φ1)、相位2(Φ2)以及相位3(Φ3)。虽然电力电缆115被显示成是具有三相线路的，但是该电力电缆115也可以包含数量恰当的一相或多相线路。

PLI110接收来自电力电缆115的AC电力，并且向电源160提供AC电力。此外，PLI110还经由电缆142而与调制解调器140相耦合，由此在电力电缆115与调制解调器140之间耦合数据通信信号。

电源160经由线路165来向负载(未显示)提供直流(DC)电力，此外它还向充电控制器170提供电力。充电控制器对电池175的充电处理进行控制，而所述电池175则在来自电力电缆115的AC电力发生故障的情况下为节点100供电。

调制解调器120、130和140中的每一个分别具有一个耦合器端口121、131和141，以便在低压或中压线路上将调制解调器信号连接到外部的电感性或电容性耦合器。此外，调制解调器140还具有经由电缆142而与PLI110相连的信号端口143，以便将信号耦合到电力电缆115。

当借助耦合数据所需要的低压电力线来为节点100供电时，这时将会经由PLI110来提供一条路径，而耦合器端口141则未被使用。同样，由于只有一个调制解调器、例如调制解调器140会在为节点100供电的低压电力线上进行通信，因此，节点100可以进行配置，以使调制解调器140即为这样一个调制解调器。

数据处理器150发送用于为调制解调器120、130和140配置一组操作参数的命令，并且经由一个或多个调制解调器120、130和140来发送和接收往来于电力线的数字数据，由此对调制解调器120、130和140进行控制。

线路152将逻辑数据从PLI110传送到数据处理器150。该逻辑数据指示的是与一个或多个相位线路相关的状态。

图2是PLI110的框图。PLI110包括AC电力输入端口205、熔丝板210、射频(RF)隔离电路220、AC电力电涌抑制电路225、线路传感器230、电容性数据耦合器240以及数据端口电涌抑制电路245。此外，PLI110还包括AC电力输出端口250、数据端口260以及逻辑端口270。

AC电力输入端口205用于与AC电力电缆115相连。AC电力输出端口250则提供来自AC电力电缆115的电力。AC电力电涌抑制电路225将会限制AC电力输出端口250上的电压。电容性数据耦合器240在AC电力输入端口205与数据端口260之间耦合数据信号。数据端口电涌抑制电路245则限制数据端口260上的电压。

AC电力输入端口205接收电力线115的中性线路(N)以及三相线路(Φ1、Φ2、Φ3)(参见图1)，并且将这些线路接续到熔丝板210。如下文中结合图3更详细说明的那样，中性线路(N)和三相线路(Φ1、Φ2、Φ3)的不同子集都会接续到RF隔离电路220、线路传感器230以及电容性数据耦合器240。RF隔离电路220的输入端接续到AC电力电涌抑制电路225。AC电力电涌抑制电路225的输出端接续到AC电源输出端口250。线路传感器230的输出端接续到逻辑端口270。电容性数据耦合器240耦合到数据端口电涌抑制电路245，并且该电路则转而耦合到数据端口260。

图3是PLI110的示意图，它提供的是关于AC电力输入端口205、熔丝板210、RF隔离电路220、AC电力电涌抑制电路225、线路传感器230、电容性数据耦合器240以及数据端口电涌抑制电路245的实施方式的附加细节。

AC电力输入端口205是由端子301、302、303和304来实施的，并且这些端子分别与中性线路(N)以及三相线路(Φ1、Φ2、Φ3)相连(参见图2)。

端子105是安全接地端。该端子105与电气接地端相连，该电气接地端则可以通过连接到外壳、底盘或是节点100的其他结构组件而被接入。例如，端子105可以连接到PLI110的底盘以及电源160的底盘。

熔丝板210与AC电力输入端口205相连，并且是通过分别与中性线路(N)以及三相线路(Φ1、Φ2、Φ3)串联的熔丝310、311、312和313来实施的。熔丝310、311、312和313保护PLI 110免受中性线路(N)以及三相线路(Φ1、Φ2、Φ3)上的电涌的影响。

RF隔离电路220是由扼流圈343、344、345、346、355和356，电容器350、351和353以及充气管380和381实施的。

AC电力电涌抑制电路225是由电阻器360和361以及五个金属氧化变阻器(MOV)电涌制动器362来实施的。

线路传感器230是由全波整流器电桥389和390，对偶光耦合器393，电阻器387、391、388、392、396和397，以及电容器394和395来实施的。线路传感器230的输出被提供给逻辑端口270。逻辑端口270则是由端子398和399实施的。

电容性数据耦合器240是由电阻器328、327和326以及电容器323、322和321来实施的。

该数据端口电涌抑制电路245是由充气管330和331，信号变压器335，雪崩二极管串332和333以及电阻器334来实施的。

AC电力输出端口250是由端子370、371和372实施的。并且PLI110是借助AC电力输出端口250而将AC电力提供给电源160的(参见图1)。

数据端口260是作为BNC340来实施的。BNC340与调制解调器140相连(参见图1)。PLI110提供了调制解调器140与电力电缆115之间的数据通信。该数据通信是双向的，但是为了简单起见，在后续的若干段落中将数据通信描述成是从调制解调器140到电力电缆115。

来自调制解调器140的数据信号经由BNC340耦合到信号变压器335的右侧线圈，并且穿越该信号变压器335。从信号变压器335、左侧线圈、较高端子开始，该数据信号将会(a)经由电容器321、熔312和端子302前进到相位1线路，以及(b)经由电容器323、熔310以及端子304前进到相位3线路。从信号变压器335、左侧线圈、中心抽头开始，数据信号将会通过熔313和端子301前进到中性线路。从信号变压器335、左侧线圈较低端子开始，数据信号将会经由跳线338、电容器322、熔丝311以及端子301前进到相位2线路。

对出现在信号变压器335、左侧线圈、底部端子上的数据信号来说，其相位与出现在信号变压器335、左侧线圈、顶部端子上的信号是相反的。相应地，如图3所示，由于放置了跳线38，因此，处于相位2线路的数据信号的相位会与出现在相位1线路以及相位3线路上的信号相反。但是应该指出的是，跳线338是可以移除的，并且取而代之的是，在位置339可以插入一个跳线，由此来自信号变压器335、左侧线圈、顶部端子的数据信号同样会经由电容器322而被传递到相位2线路，这样一来，该数据信号在相位1、2、3线路中的每一条线路上都是彼此同相的。

如果将节点100安装于配电系统的低压线路只具有不到三个可用相位的位置，那么从端子303和304发出的未使用导线可以于相位1相连。这种排列可以减小电力电缆中的RF衰减。

电容器321、322和323必须抵挡出现在AC电力输入端口205上的任何输入电涌，并且必须为其设定相应的额定值，例如6kV。电容器321、322和323应该在工作范围为1～40MHz的频率上具有很低的阻抗以及很低的损耗，并且可以用陶瓷电介质来配置。电阻器326、327和328分别与电容器321、322和323并行连接，如果对电容器321、322和323放电并且随后将其断连，那么为了安全起见，这些电阻器将会充当放电电容器321、322和323的分泄电阻。此外，电阻器326、327和328的额定值是针对高压来设定的。

由于闪电或开关瞬变所产生的脉冲电涌有可能到达AC电力输入端口205。这种电涌将会相对无损地经过耦合电容器321、322和323，但是必须阻止其到达BNC340。初始地电涌保护是由雪崩二极管串332和333提供的，这些雪崩二极管串是通过电阻器334而被局部隔离的。在每一个雪崩二极管串332和333中，通过以串联方式连接雪崩二极管，可以减少所述串相对于单个二极管的电容。通常，对具有三个二极管的串来说，电容是小于3皮法(pF)的，由此，对频率有可能达到数十MHz的PLC信号来说，其只具有可忽略的电容负载效应。与相似电容的相似设备相比，这种串联连接将会提供更高的组合能量吸收性能。

如果出现电涌，那么在经过了通常为100～200纳秒(ns)的延迟之后，充气管330和/或331将会点火，由此会将电涌电压压制到50伏以下，并且会从功率相对较低的雪崩二极管串332和333中移除大部分压力。这种三层保护方案(也就是充气管330、331，雪崩二极管串332，以及雪崩二极管串333)的效果是在短于200ns的时段中将调制解调器端口上的峰值电压限制在60伏以下。

扼流圈343、344、345和346在RF频率上给出了很高的阻抗，由此它们还在数据信号频率上给出了很高的阻抗。它们将会阻止来自BNC340并且到达点315和316的高频信号被电容器350、351和353以及MOV电涌制动器的电容所短路。

在实际的扼流圈中，在其线圈中本身是具有一定数量的匝间电容的，在自谐振频率上，这种电容将会与扼流圈的电感发生并行谐振。在该频率之上，扼流圈会像电容器那样运作，其阻抗大小将会随频率降低。这种自谐振频率应该至少达到接近于使用最多的调制解调器频率。

一种用于增大自谐振频率的方法是用多个扼流圈的串联组合来替换单个扼流圈，其中每一个扼流圈与具有组合值的单个扼流圈相比都具有减少的电感和杂散电容。这种方案将会极大提高自谐振频率，并且在图3中是通过借助串联扼流圈343和344而在中性线路中实现扼流圈以及在相位1线路中以同样方式借助扼流圈345和346来实施的。替换的方法是使用所谓的π形缠绕的扼流圈，这种扼流圈通常具有大约四个部分，并且是以最小电容几何形状来缠绕的。

电容器350、351、353、355和356以及扼流圈343、344、345和346合在一起充当了一个低通滤波器。这个低通滤波器与AC端子370和371串联，并且该低通滤波器的主要用途是阻止在电源160(如图1所示)中产生并且经由端子370、371施加的噪声到达AC电力输出端口205，以及阻止其产生过多的传导或放射性的电磁辐射。

对节点100内部的其他电路，例如CPU和调制解调器板卡来说，它们有可能产生环境电磁噪声。对这种噪声来说，如果没有衰减，那么它们有可能被引入到与AC电力输出端口250、数据端口260和/或逻辑端口270相连的线路，并且将会经由PLI110传送，由此导致产生过多的传导或放射性电磁辐射。而上述低通滤波器还用于阻拦这种噪声并且减小这种辐射。

上述电磁噪声还有可能在PLI110内部的导体上感生。由此，PLI110可以封装在屏蔽盒内部，以便将这种感生和由此导致的辐射减至最小。

当一个很强的瞬变脉冲到达端子302或端子301时，扼流圈343、344、345、346、355和356将会充当开路，并且将会阻拦该瞬变脉冲的初始部分。特别地，这一点在MOV电涌制动器362的响应过低，以至于无法吸收瞬变脉冲的初始部分的情况下是很有重要的。

对扼流圈343、344和356的串联排列以及扼流圈345、346和355的串联排列来说，其初始开路特性有可能导致近乎所有的强瞬变脉冲都会出现在这两个串联排列的两端，并且有可能导致击穿其中的一个排列或是所有这两个排列。为了安全地吸收这种初始脉冲能量，在扼流圈的相应串联排列的两端连接了充气管380和381。每一个充气管都具有一个范围在100～300伏的点火电压。充气管380与扼流圈343、344和356的串联排列并行连接，而充气管381则与扼流圈345、346和355并行连接。当扼流圈343、344和356的串联排列两端的电压超出其点火电压时，充气管381将会点火。充气管380和381的点火会将脉冲能量传送到MOV电涌制动器362。在所有其他时间，充气管380和381充当的都是低电容开路，并且不会影响扼流圈343、344、345和346的信号隔离功能。

在典型方案中，端子301(也就是中性)和端子105(也就是电气接地)将会一起连接在电力线上。如果在端子302(也就是相位1)与共同连接的端子301和105之间施加一个很强的瞬变脉冲，那么在扼流圈343、344和356的串联排列以及扼流圈345、346和355的串联排列的两端将会产生电压降，但在直接连接的端子105与372之间则不会出现电压降。因此，在缺少中间措施的情况下，这时会将一个相对于端子372的很高公共模式电压施加于端子370和371，其中该电压有可能超出电源160的额定公共模式输入电压。但是在这类情况下，充气管382将会执行传导，由此将会提供上述中间措施，并且将公共模式电压减小到安全的等级。

电阻器360和361是低值电力电阻器，其中每一个通常是1欧姆和5瓦特。电阻器360和361将会限制MOV电涌保护器362必须吸收的峰值电涌电流，由此提高MOV电涌制动器362的寿命。对大小约为1安培的电源输入电流来说，用于电阻器360和361的大小约为2伏的电压降是不会响应电源160的操作的。

熔丝313(也就是中性)和熔丝312(也就是相位1)具有被设计成在幅度有可能毁坏PLI110的瞬变电涌脉冲到达的时候烧断。用于熔丝312和313的电流额定值要高于适合保护电源160的电流。由此，在与端子371串联的AC电力电涌抑制电路225的下游放置了一条辅助熔丝367。如果节点100的壳内温度超出预设值，那么热断器368则会保护节点100避免其过热，并且截断电源160的电力。

线路传感器230是一个对偶线路电压传感器。电阻器387与端子302相连，并且电阻器388与熔丝312的下游端即点316相连，以便干色在端子302上是否给出了相位电压以及熔丝312是否烧断。电阻器387和388具有很高的值，并且其用于至少6kV的额定值通常是120千欧，由此经受住端子301和302上的输入瞬变电涌。电阻器387和388将少量线路电流传导到全波桥式整流器389和390。全波桥式整流器389对电阻器387感测的电压进行转换，并且提供一个DC输出。该全波桥式整流器389和390的DC输出经由电流限制电阻器391和392而被传送到对偶光学隔离器393的发光二极管(LED)。在接通端子302以及点316时，电容器394和395会将波纹减至最小，并且会在整个电力频率周期中保持LED处于传导状态。对偶光学隔离器393经由电阻器396和397而向端子398和399提供隔离信号。如果端子398和399上发生短路故障，那么电阻器396和397将会限制输出电流。来自端子398和399的输出则被提供给数据处理器150(参见图1)的逻辑输入电路(未显示)。

图4是图3实施方式的概念性子集，它显示的是一种在不需要AC能流的时候与电容性耦合相关的替换方案。图4引入了耦合电容器421、422和423及其相应的分泄电阻器426、427和428，以便连接到AC电力输入端口405。AC电力输入端口405由熔丝410、411和412单独熔合，这样做会在耦合电容器421、422和423因为短路发生故障时防止过量电流。如上所述，AC电力输入端口205与电力电缆115相连。而AC电力输入端口405则与一条具有三个之多的相位的附加电力线相连。

这里描述的技术是例示性的，并且不应该被视为是隐含了针对本发明的任何特定限制。应该理解的是，本领域技术人员是可以想到不同的替换、组合和修改的。本发明则旨在包含所有这些落入附加权利要求范围以内的替换、修改和变更。

Claims (15)

1.一种在电力线与通信设备之间提供接口的系统，包括：

AC电力输入端口，用于连接到AC电力线；

AC电力输出端口，用于提供来自所述AC电力线的电力；

AC电力电涌抑制电路，用于限制所述AC电力输出端口上的电压；

数据端口；

电容性数据耦合器，用于在所述AC电力输入端口与所述数据端口之间耦合数据信号；

数据端口电涌抑制电路，用于限制所述数据端口上的电压；以及

将所述AC电力电涌抑制电路与所述AC电力输入端口隔离开来的电感性扼流圈，其中所述电感性扼流圈在所述数据信号的频率上具有高阻抗。

2.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，

其中所述AC电力线包括多个电力相位线路；以及

其中所述AC电力输入端口连接到所述多个电力相位线路。

3.权利要求2的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，其中所述电容性数据耦合器在所述数据端口与所述多个电力相位线路中的一个以上的线路之间耦合数据信号。

4.权利要求3的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，

其中所述电容性数据耦合器将具有第一相位的第一数据信号耦合到所述多个电力相位线路中的第一线路；以及

其中所述电容性数据耦合器将具有第二相位的第二数据信号耦合到所述多个电力相位线路中的第二线路。

5.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，其中所述电感性扼流圈包括与所述AC电力输入端口串联的多个扼流圈。

6.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，还包括：

用于保护所述AC电力输出端口的熔丝；

其中所述AC电力电涌抑制电路包括低电容电涌制动器，它具有(a)与最接近所述AC电力输入端口的所述电感性扼流圈的端子相连的第一端子；以及(b)与最接近所述AC电力输出端口的所述电感性扼流圈的端子相连的第二端子。

7.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，其中所述AC电力电涌抑制电路包括并联在所述电感性扼流圈两端的电涌制动器。

8.权利要求7的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，其中所述电涌制动器包括充气管制动器。

9.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，还包括与所述AC电力输出端口串联的低通滤波器。

10.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，其中所述AC电力电涌抑制电路包括连接在所述AC电力输出端口与电气接地之间的电涌制动器。

11.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，其中所述数据端口电涌抑制电路包括充气管制动器以及雪崩二极管制动器。

12.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，还包括：

感测来自所述AC电力输入端口的电压的电阻器；

将所感测的电压转换成DC电压的转换器，以及

接收所述DC电压并且向逻辑输出端口提供隔离信号的光学隔离器。

13.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，还包括：

与所述AC电力输入端口串联并具有第一电流额定值的第一熔丝；以及

与所述AC电力输出端口串联并具有第二电流额定值的第二熔丝，

其中所述第一和第二电流额定值是互不相同的。

14.权利要求1的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，

其中所述AC电力输入端口是第一AC电力端口，并且所述AC电力线是第一AC电力线；以及

其中所述系统还包括用于连接到第二AC电力线的第二AC电力输入端口。

15.权利要求14的在电力线与通信设备之间提供接口的系统，

其中所述第AC电力线包括多个电力相位线路；以及

其中所述第二AC电力输入端口连接到所述多个电力相位线路。

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