CN101019080A - 利用自动调整装置将射频信号耦合到中压电源线的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一方面，本发明包括一种用于调整电力线通信感应信号耦合设备的方法，所述设备包括耦合器和多个电容，所述方法包括：使载波频率信号传送通过所述耦合器；检测所述信号的振幅；对所述多个电容进行切换直至所述信号的所述振幅达到最大，所述信号由第二发送器(2)发送；切换至用于数据发送的第一发送器(1)；所述信号在通过所述耦合器传输后由接收器接收；以及从微处理器接收命令的继电器控制器对所述电容进行切换。

Description

利用自动调整装置将射频信号耦合到中压电源线的方法和系统

相关申请

本申请要求2004年8月4日提交的第60/598,783号的美国临时专利申请以及于2005年3月31日提交的第60/667,106号的美国临时专利申请的优先权。上述两个申请的全部内容通过引用而并入本文。

技术领域

背景技术

中压线(medium tension line)将电能传送至终端用电设备。这类电线典型地传送的相电压在4千伏至33千伏之间，并典型地被设置为单相和中性线、无中性线的三相或具有中性线的三相，以及其他形式的组合。输电线通常在到居民区或市区之前是架空的，在居民区或社区通常会转为地下配电的形式。地下中压电缆通常为同轴单相电缆。这些电缆具有同轴的绝缘屏蔽层，用于传送中性电流并且可以保护电缆不受电场的影响(电场对于触碰电缆来说是很危险的)。即使没有绝缘手套或是其它保护措施，触碰良好接地的电缆也是很安全的。

地下电缆与架空电缆连接的接头处得到了特别保护。架空电缆通常是裸露的(没有绝缘)或是仅覆盖有防侵蚀的电缆套。地下电缆在其中心的相电流导线与同轴中性屏蔽层之间具有多层绝缘层，在电缆外还覆盖有绝缘层。为了防止在电缆外产生电弧，在地下电缆的端部连接有“应力锥(stress cone)”。同轴中性屏蔽层在其与应力锥相遇的位置处被剥开并接地。

中压线从将传送电压(典型范围：60～150千伏)降至适当中压的变电站向外发散。输电干线从变电站向外辐射，而输电支线从干线分散出去。

发明内容

本发明中所述的方法是将射频信号耦合至地下输电电缆和架空输电电缆，并且当输电线中的电流发生变化时自动调整信号耦合器至最大效率(最大化信噪比)。

一方面，本发明包括一种用于调整电力线通信感应信号耦合设备的方法，所述设备包括耦合器和多个电容，所述方法包括：使载波频率信号传送通过所述耦合器；检测所述信号的振幅；以及对所述多个电容进行切换直至所述信号的所述振幅达到最大。

在不同的实施方式中：(a)所述信号由第二发送器发送，所述方法还包括：切换至用于数据发送的第一发送器；(b)所述信号在通过所述耦合器传输后由接收器接收；以及(c)从微处理器接收命令的继电器控制器对所述电容进行切换。

另一方面，本发明包括用于电力线通信的系统，所述系统包括：可操作以发送期望频率信号的发送器；与所述发送器通讯的感应耦合器；可操作以接收传输通过所述感应耦合器的信号的接收器；与所述接收器通讯的微处理器；与所述微处理器通讯的继电器控制器；以及多个电容；其中所述控制器可操作以根据从所述微处理器接收的指令对所述电容进行切换，并且其中所述微处理器可操作以分析由所述发送器发送经过所述耦合器并由所述接收器接收的信号的振幅，所述微处理器还可操作以向所述继电器控制器发送指令来控制所述电容，直至所述振幅为最大。

在另一方面，本发明包括这样一种电力线通信的系统，包括感应耦合器，所述感应耦合器被配置以代替从馈电线到支线的引入线。

在更进一步的方面，本发明包括一种用于电力线通信的方法，可包括：识别馈电线和支线之间的引入线；以及用感应耦合器代替所述引入线。在一个实施方式中，耦合器是用来实现自动调整的。

另一方面，本发明包括一种用于电力线通信的方法，可包括：识别从馈电线到一组功率因数修正电容的引入线；以及使用在线感应耦合器代替所述引入线。在一个实施方式中，所述耦合器是自动调整耦合器。

附图说明

图1示出了本发明的优选实施方式；

图2提供的表显示了最大阻抗提供最大信号耦合频率；

图3示出了自动调整箱的优选结构；

图4是描述使用耦合优化器的扫描发射机应答器在分支电路上的优选安装的示意图；

图5示出了优选的感应信号耦合器的现场安装；

图6示出了图5中所示的现场安装，同时也示出了(见插图)一个可选择的安装；以及

图7是图1中的电容的放大。

具体实施方式

设备被优选地安装，信号耦合器装配在配电电缆的分支起点上。由于干线电缆的低阻抗为电流提供了返回通路，因此可以有效地使支线传输的信号最大。同时这也可以有效地把支线从干线部分地隔离，这是由于耦合器在信号频率(大约15～95千赫兹)具有的串联阻抗比干线上的阻抗高。

为了自动改变耦合器的阻抗，优选采用图1框图中的方法。耦合器具有16匝电线，用于构成具有可选的外部电容的并行储能电路。中压隔离功率分配电缆通过耦合器的中心。两根信号电缆通过耦合器；其中一根传递选定频率的载波信号，而另一根传递同样频率的已调制的数据信号。

发送器#2在期望的频率下导通工作，通过250欧姆的电阻和耦合器传送载波频率信号。接收器与同一电路相连接，用于检测耦合器中信号的振幅。微处理器发送MODBUS协议指令至DI-509控制器来控制继电器，继电器将电容从电路中断开或是将其接入电路直至在耦合器接收到最大信号。这将耦合器调整到选定频率的最大阻抗。最大阻抗是理想的，因为这可以提供最大信号耦合效率，如图2所示。

自动调整指令序列结束且实现了最大信号耦合(最高信噪比)后，使用发送器#1发送数据。

在一个优选的实施例中，耦合器装配于一段电缆上(举例来说，2米长左右)并且被防侵蚀的材料围绕(例如，塑模)。这提高了耐用性并加固了安装。

本发明相对于现有技术具有很多有益效果，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，像上面所讨论的，由于干线的相关阻抗较低而支线的相应阻抗相对较高，耦合器趋向于将支线上的信号与耦合器隔离，从而防止这些信号被支线吸收。所以它提供了较高的阻抗用于将信号发送出去，并将这些信号接收回来。在信号到达干线之前需要先经过耦合器，这样耦合器趋向于获取信号(作为接收器)。为了发送，在耦合器后具有较低的阻抗对于沿着支线发送信号是有好处的。

另一个优势在于便于安装，这经常仅需要用本发明的安装电缆耦合器替换用于将干线与支线联接的现有电缆的一部分。

自动调整的一个优势在于，其不仅能够按照需要重新调整以补偿温度变化，并且还能够根据信号频率的变化重新调整。优选使用几个不同的频率(例如，16)，以减少干扰问题或是在相邻的支线上使用不同的频率。

在一个可选的实施例中，耦合器配备有温度传感器或与温度传感器通讯，以能够根据温度值(或是温度变化值)重新调整。在另一个实施例中，耦合器配备有频率检波器或与频率检波器通讯，以能够根据频率的变化重新调整。在另一个实施例中，当检测到温度或频率的变化时，并不需要整体重新调整。而是将耦合器调整为在检测到这一频率或温度时先前使用的状态。这减少了需要进行重新调整的数量。频繁的重新调整是会出现问题的，例如，当频率频繁的改变时。

当连接耦合器的支线馈电线上的客户端多于50～75个时，将耦合器安装在支线(或支路)馈电线与干线(或快速)馈电线分离的位置处是最好的(出于经济原因)。典型地，耦合器与发射机应答器(由美国纽约州的纽约Quadlogic Controls公司(“OLC”)出售的一种双向通讯设备)安装在一起。耦合器和发射机应答器的总费用有利于部署耦合器/发射机应答器的仔细计划。

自动调整耦合器可以被用于更多的情况：

1)在主馈电线上安装高压隔直流电容(例如，金属聚酯0.25微法12千伏AC电容、或商业上提供的充油式功率因数修正电容)。使用这种方法，需要在应用极安装双绝缘套管电容(dual bushingcapacitor)。通过上面所述的耦合器将一个套管与12千伏相电压线连接，而将另一个套管与相邻的相电压线或是中性线相连。这将耦合器与电容串联在一起。这可以通过使用供应商，如ABB(Asea BrownBovari)公司提供的、通过商业方法可得到的具有双绝缘套管的10kVAR电容。

2)如果在耦合器安装前已经安装了多组功率因数修正电容，这耦合器应被安装于已有电容组上。已有的电容组安装在干线或是其它馈电线上以达到修正功率因数的目的。这些电容组最适合使用如同上面1)中描述的电容。这种方式的最终结果与上面1)是一样的。耦合器竖着(end up)与电容串联，既可以为相与相连接也可以是相和中性线连接。唯一的区别是电容组既可以在耦合器被安装之前已经存在，也可以作为耦合器安装的一部分被安装。

发射机应答器/耦合器的布局与选择

发射机应答器/耦合器的布局：影响发射机应答器/耦合器的位置的主要因素是支线(支路)的数目以及每一条支线上客户端的数目。如果在支线上具有足够的米数(meter)，以保证发射机应答器/耦合器的安装，则发射机应答器/耦合器就应该被安装在该支线上。一些通用的经验规则如下：

1.每一发射机应答器/耦合器的位置的最大米数-200。

2.信号能够通过：

a.一个变压器

b.三条支线(举例来说，可以表示为：支线到下一级支线或是支线到下一级支线到再下一级支线)

c.快速线路(express line)超过15公里(实地证明为15公里)

3.每一发射机应答器/耦合器的耦合器的最小数目为：

a.3ph.3W.-1个耦合器

b.3ph.4W.-3个耦合器

c.单相负载-每相一个耦合器。

信号耦合单元(SCU)部署选项：

1.在线支线耦合器(Inline lateral coupler)：

这个单元替代了从馈电线到支线的引入线(drop wire)。该耦合器可以被用于具有很多客户端(多于75个)的支线上。

2.快速传输馈电线耦合器

这个单元与增加的10 KVAR 12千伏的双绝缘套管电容一起直接安装在快速传输馈电线(ABB为此应用加工的电容)。它既可以安装在相与相之间也可以安装在相与中性线之间。这在带有支线的快速传输馈电线的具有较少客户端的、长距离的支线上是有用的(最多为200个或15公里的快速传输馈电线长度)。

3.电容性耦合器：

与在线支线耦合器相似，本装置替代从支线至一组现有的功率因数修正电容的引入线。只要在任意的馈电线-直接传输馈电线(干线)和支线上安装有电容组，就需要使用该装置。

4.分裂铁心耦合器：

这些装置是为地下绝缘电缆设计的，并且只要存在功率因数修正电容就需要。典型地，这些装置被用于具有地下配电的郊外再次分配。

保守的设计注意事项：

1.在任何有功率因数修正电容的地方都须安装发射机应答器/耦合器。

2.发射机应答器/耦合器-200的最大可容纳200个客户端。(除了密度大的支线的情况，例如，支线上有75～100个客户端，为这些客户端的子集应该安装一个发射机应答器/耦合器。)

3.每15千米的快速传输馈电线需要一组发射机应答器/耦合器。

4.发射机应答器/耦合器应横贯不超过3根支线(例如，从快速线路到支线再至下一级支线，或是从支线至下一级支线至再下一级支线)。

5.不能通过多于一个变压器发送客户端数据至发射机应答器/耦合器(这是非常罕见的)。

6.耦合器可用作为用于相邻的发射机应答器/耦合器的阻断器(block)，以旁路掉支线，耦合器还与该耦合器远处的仪表通讯。例如，发射机应答器/耦合器“A”与具有密集度小的、15个客户端的支线的地理区域通讯。在那个区域中，具有一根密集度大的支线(75～100个客户端)，这就需要发射机应答器/耦合器“B”。发射机应答器/耦合器“B”不会允许发射机应答器/耦合器“A”的PLC信号通过它的支线(“PLC”是电力线通信)。因此，发射机应答器/耦合器“B”允许发射机应答器/耦合器“A”从根本上忽略密集度大的支线，并且绕过该支线与剩下的密集度小的支线通讯。

7.由于每个系统都是唯一的，使用不同的耦合系统，通过对每一个系统仔细设计，可以用最少的发射机应答器/耦合器装置对通讯完整性进行优化，从而减少了付给第三方供应商每月的昂贵的费用。

8.耦合器设计最高可达到35千伏，并且都设计为用于室内或户外并用于铜或铝之上。

信号耦合单元(SCU)的应用：设计高架耦合器是为了在支线馈电线或快速馈电线上使用时可以使用带电安装技术。这就表示耦合器可以在不断电的情况下被安装。见图5和图6。分裂铁心可以通过这种方式在地下被安装，其中同轴的中性线被剥光或不存在。

耦合器也可以作为一个上游信号到下游信号的阻断器，使其成为在PLC通讯设计中的有用的工具。因为发射机应答器/耦合器可以连接不止一个耦合器，它们可以用于两根邻近的不同支线之间的交叉通讯。

发射机应答器：发射机应答器模块能够处理最多为200个测量单元(metering unit)的双向通信能力，可以将多达三个模块接合在一起作为能够通过PLC处理600个测量单元的发射机应答器单元。发射机应答器单元具有向多种通讯介质输出的能力(所有经由现有的RS232，RS485，或是POTS老式电话调制解调器)：

1.GPRS

2.通过内部调制解调器的POTS电话铜双绞线(波特率19200)

3.CDMA/GSM

4.RS232

5.RS485

6.光纤(通过光纤至RS232转换器)

7.通过电力线至主发射机应答器的PLC

本系统具有在多个频率上传送的能力，可以使通讯时序成为有计划和可编程化的，这样能够设计可以避免通讯冲突和数据冲突的大型系统。

在一个实施例中，所述发射机应答器需要三相60赫兹供电。

PLC频率：当多个发射机应答器被安装于一根馈电线上时，这些发射机应答器将利用“信道组”特征，这样不会产生相互干扰。这些发射机应答器被设置在不同的频率上。QLC的PLC具有5个波段，每一个波段都有16个频率，一共有80个信道。

在低压到中压的通讯中使用32个信道

在中压到中压通信中使用32个信道

在低压到低压通信中使用16个信道

＝总共80个信道

每一个信道在规定的时间内对200个客户的每日测定信息进行收集以完成这项任务。

PLC带宽：QLC系统工作于足够高的带宽，从而能够从大量的测量仪器收集间歇性数据。每一个发射应答器模块能够收集200个测量仪器的数据，这些仪器在5小时的时帧内以每小时的间歇数据被编程，这样使数据能够在上午5点前被收集。

尽管本领域的技术人员根据上面的叙述应该理解，如何形成和使用本发明，但是在下面还是提供了对优选实施例的附加详细说明。

应用于150Amp的信号耦合器的结构

铁氧体块：

所需材料：

10个U型的铁氧体(ferrite)-(磁性49925法)

20根直径为1.5″的0.50″长的热收缩套管(3M：CP221)

8根直径为1.5″的0.25″长的热收缩套管(3M：CP221)

20根7″的绑带(zip tie)(Gardner Bender：46-308)

22根11″的绑带(Gardner Bender：46-308)

10个垫片-不可压缩塑料0.375″×0.375″×0.016″

Krazy胶水

60英尺18号(AWG)连接导线(Alpha Brand UL1015)

构造程序：

将两段0.50″的热缩套管像套管一样套住U型铁氧体各个尖头(prong)。将它们从头滑到U型的底部。将套管段热缩以建立紧密的(snug)套管。用两根7″绑带缠在每个套管的底部，并拉紧以确保两个套管不会滑动。重复该过程，做成10段。

将5个U型件并排叠放在一起。在U型件的槽相遇的四个面的每一个处，夹入拉平的0.25″热缩套管段。将两个11″的绑带头对尾拴紧，形成一根两倍长度的绑带。用这个双倍的绑带在U型件的槽部将它们固定。再做两根双倍绑带用来在U型件的各个尖头固定U型件。对剩下的5个U型件重复这个过程形成另一个组件(stack)。

指定一个组件为“底部组件”，另一个为“顶部组件”，在底部组件上用胶水粘上10个垫片，在U型件的各个末端的表面设置一个垫片。让胶水风干。

将两个组件对接起来形成一个闭合的矩形块。让U型件的末端表面相接触，形成一个由5个平行矩形框架对叠成的组件。再制作5根双倍绑带，保证5个矩形框架中每个都被双倍绑带拉紧。

将14 AWG电线在顶部组件上绕16圈，并在两头各多留出20英尺长，将留出的电线对绞形成双绞线对。

自动调整箱

所需材料：

塑料罩

塑料盒

电路板

高压的高Q(High-Q)电容

2个0.15nF 1KV陶瓷电容(松下：ECC-D3A151 JGE)

2个0.27nF 1KV陶瓷电容(松下：ECC-D3 A271 JGE)

2个0.47nF 1KV陶瓷电容(松下：ECC-D3A471 JGE)

2个1.0nF 630V聚丙烯电容(松下：ECQ-P6102JU)

2个2.2nF 630V聚丙烯电容(松下：ECQ-P6222JU)

2个3.9nF 630V聚丙烯电容(松下：ECQ-P6392JU)

2个8.2nF 630V聚丙烯电容(松下：ECQ-P6822JU)

2个15nF 630V聚丙烯电容(松下：ECQ-P6153JU)

2个27nF 630V聚丙烯电容(松下：ECQ-P6273JU)

2个47nF 630V聚丙烯电容(松下：ECQ-P6473JU)

20个继电器筘(Relay Reed)单刀单掷开关(SPST) 12VDC(US继电器和技术公司(Relays and Technology，Inc.)：P1 A12A)

1个连接器接线块，4位，5.08MM，电路板用(Phoenix Contact：1729144)

2根18″长，22#，UL2462，12芯电线(general Cable/Carol Brand：C4067-12-10)

1个面包板，2.73X17英寸(Keystone Electronics：3407)

构造：参见图1和图3

虽然在此出于说明的目的，描述一些具体的实施方式，但是本发明不仅限于指定的细节、典型的装置和在此描述的用于说明的实施例。在权利要求限定的及与其同等的本发明的精神和范围内，可以进行各种修改。

Claims (10)

1.一种用于调整电力线通信感应信号耦合设备的方法，所述设备包括耦合器和多个电容，所述方法包括：

使载波频率信号传送通过所述耦合器；

检测所述信号的振幅；以及

对所述多个电容进行切换直至所述信号的所述振幅达到最大。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述信号由第二发送器发送，所述方法还包括：

切换至用于数据发送的第一发送器。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述信号在通过所述耦合器传输后由接收器接收。

4.如权利要求1所述的方法，其中从微处理器接收命令的继电器控制器对所述电容进行切换。

5.一种用于电力线通信的系统，包括：

可操作以发送期望频率信号的发送器；

与所述发送器通讯的感应耦合器；

可操作以接收传输通过所述感应耦合器的信号的接收器；

与所述接收器通讯的微处理器；

与所述微处理器通讯的继电器控制器；以及

多个电容；

其中所述控制器可操作以根据从所述微处理器接收的指令对所述电容进行切换，并且

其中所述微处理器可操作以分析由所述发送器发送经过所述耦合器并由所述接收器接收的信号的振幅，所述微处理器还可操作以向所述继电器控制器发送指令来控制所述电容，直至所述振幅为最大。

6.一种用于电力线通信的系统，包括感应耦合器，所述感应耦合器被配置以代替从馈电线到支线的引入线。

7.一种用于电力线通信的方法，包括：

识别馈电线和支线之间的引入线；以及

用感应耦合器代替所述引入线。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述耦合器可操作以实现自动调整。

9.一种用于电力线通信的方法，包括：

识别从馈电线到一组功率因数修正电容的引入线；以及

使用在线感应耦合器代替所述引入线。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述耦合器是自动调整耦合器。

Images