CN1020997C - 配电网数字载波通讯系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种配电网数字载波通讯系统和方法，使用现有配电网作为载波通讯通道，载波通讯器连接在配电网和下列三种设备之间：计算机系统；用于计量综合用电信息和用电管理、用电保护的用电信息综合管理计量装置；需要通讯设备的计量设备、传感设备和控制设备。以实现计算机联网通讯，分散用户用电的集中管理、计量和保护，分散的需要通讯设备的集中管理。

Description

本发明涉及配电网数字载波通讯系统及其方法，适用于电力系统现有的配电网中，利用配电网作为载波通道，对各种用户进行不同的数字信息传递，集中处理各种不同的分散的管理计量信息的新型载波通讯系统。

目前利用输电线路作为载波通讯通道已经广泛应用，利用配电网作为载波通讯通道近几年也开始引起人们的很大兴趣，而大多数只作为遥控、遥测的简单信息传递，效果都不好。

由于配电网把电能送到用户，以树状或环状形式直接或间接同用电设备相连，电压等级低、电流大，所以线路阻抗远远小于专用通讯线路，大量用电设备的开关又使该阻抗不稳定，加上电网负荷峰谷变化，本来已经很小的线路阻抗还在大范围内波动;整流、脉冲等用电设备产生很大的噪声，通讯信号直接落到用电设备上，因而线路损耗非常大，这三个因素妨碍了利用配电网进行载波通讯的实现。

专利CN-2050662U“供电系统自动管理装置”中利用现有配电网通道管理用电，采用中继接力方式逐级传送信号;同配电网相连接的输入/输出端口电路中用电容隔离配电信号，未考虑到配电网线路阻抗大大低于隔离电容容抗的因素，故无法使通讯信号有效的通过;通讯采用FSK制式而未用锁相环，必然使用比较宽的载波频带，噪声增加，灵敏度低;而且该装置只通过其电量采集装置采样电压、电流的半周波形，电压变换器和电流变换器中使用二极管引入非线性误差，因此计量不准;该装置中不计量电能，不能作为售电计量装置，亦无停电保护装置;该装置只有接收到中心控制器发出的命令时才采集数据，不实时监视配电网和用户用电状态，亦无 保护报警电路。由于存在上述问题，远不能完成配电网载波通讯电力用户集中控制计量、计算机联网的任务。

本发明的目的是用现有的配电网作为载波通讯通道，在配电网范围内，采用频率在3-500KHZ，PSK制式的数字载波通讯器与用户的不同类型装置配合完成各种不同类型装置的信息传递的载波通讯任务。

载波通讯器和计算机系统配合组成通讯站，通过配电网载波通道实现联网通讯，各通讯站之间相互传送信息。

通讯站通过配电网把由载波通讯器和管理计量装置组成的用电信息综合管理计量装置联网，通讯站通过上述装置收集用户用电信息，包括功率、有功、无功、需量和分时计费，以及配电网信息，包括电压、频率;并通过上述装置管理用户用电。上述装置能在当用户和配电网发生故障时保护用户用电设备，及时报告通讯站。

通讯站通过配电网把由载波通讯器和需要通讯设备组成的通讯设备联网，实现集中抄收、集中管理、集中报警等功能，需要通讯设备可以是水表、气表、传感器、开关、手动呼叫器等。

本发明的目的由下述方案实现：

在一配电变压器所属配电网中有多个通讯装置，每个通讯装置均编有唯一地址，通过配电网把这些通讯装置连成通讯网络，以载波频率3-500KHZ，PSK制式进行分时编址通讯，该通讯系统中的通讯装置至少有一个是通讯站，通讯站由载波通讯器和计算机系统组成，载波通讯器连接在配电网和计算机系统之间;多个通讯站通过配电网实现了计算机联网通讯;通讯装置还有用电信息综合管理计量装置，该装置由管理计量装置和接在管理计量装置与配电网之间的载波通讯器组成，上述装置实时监视配电网和用户的用电，实时 计量用户的用电综合信息，当故障发生时，报警并保护用户，将故障通过配电网载波通道通知指定通讯站，通讯站通过配电网载波通道集中用电信息综合管理计量装置的信息，并通过该装置控制用户电源;通讯装置还有通讯设备，通讯设备由需要通讯设备和接在需要通讯设备与配电网之间的载波通讯器组成，通讯站通过配电网载波通道集中需要通讯设备，如水表、气表等所计量信息，由需要通讯设备，如开关来管理用户，需要通讯设备如传感器、手动呼叫器通过配电网载波通道把传感信息通知指定通讯站。

附图1是配电网数字载波通讯系统图

附图2是载波通讯器原理框图

附图3是用电信息综合管理计量装置框图

附图4是用电信息综合管理计量装置程序框图

附图5是耦合器原理图

附图6是转换电路原理图

本发明是一种配电网数字载波通讯系统和方法，如图1所示，在配电变压器（E）所属配电网（F）中有多个通讯装置（G_m，n），每个通讯装置（G_m，n）均编有唯一地址，通过配电网（F）把多个通讯装置（G_m，n）连成通讯系统，以载波频率3-500KHZ，PSK制式进行分时编址通讯，该通讯系统中的通讯装置（G_m，n）中至少有一个是通讯站（G_c，i），通讯站（G_c，i）由计算机系统（C_i）和连接在计算机系统（C_i）和配电网（F）之间的载波通讯器（A_c，i）组成，各个通讯站（G_c，i）通过配电网（F）载波通道实现了联网通讯;通讯装置（G_m，n）可以是用电信息综合管理计量装置（G_b，k），该装置（G_b，k）由管理计量装置（B_k）和连接在配电网（F）与管理计量装置（B_k）之间的载波通讯器（A_b，k）组成，该装置实时监视配电网和用户的用电，并实时计量用 户的用电综合信息，当故障发生时，报警并保护用户，将故障通过配电网（F）载波通道通知指定通讯站，通讯站（G_c，i）通过配电网（F）载波通道集中用电信息综合管理计量装置（B_k）的信息，并通过该装置控制用户电源;通讯装置（G_m，n）还可以是通讯设备（G_d，j），通讯设备（G_d，j）由需要通讯设备（D_j）和接在需要通讯设备（D_j）与配电网（F）之间的载波通讯器（A_d，j）所组成，通讯站（G_c，i）通过配电网（F）载波通道集中需要通讯设备（D_j）、计量设备（J）如水表、气表等所计量信息，由需要通讯设备（D_j）中传感设备（S）如传感器、手动呼叫器等所传感信息通过配电网（F）载波通道通知指定通讯站（G_c，i），通讯站（G_c，i）通过配电网（F）载波通道由需要通讯设备（D_j）中的控制设备（K）如开关，控制用户。

上述载波通讯器（A_m，n）如图2所示，由驱动电路（1），编码电路（2），调制电路（3），功率放大器（4），耦合器（5），放大滤波电路（6），锁相环（7），解调电路（8），解码电路（9），时序电路（10），停电保护电路（18），电源电路（11），微处理器和存贮器（12）和转换电路（31）组成，微处理器和存贮器（12）通过驱动电路（1）同计算机系统（C_i）连接，通过转换电路（31）同需要通讯设备（D_j）连接，直接同管理计量装置（B_k）连接，微处理器和存贮器（12）的一个输出端接调制电路（3）和解调电路（8），另一个输出端同编码电路（2）的输入相连，编码电路（2）的输出接调制电路（3）的另一个输入，调制电路（3）的输出接功率放大器（4）的输入，功率放大器（4）输出到耦合器（5）的输入端，耦合器（5）同配电网（F）相连，耦合器（5）的输出接放大滤波电路（6）的输入，放大滤波电路（6）的两个输出分别接锁相环（7）的输入和解调电路（8）的一个输入，锁相环（7）的输出接到解调电路（8）的另一个输入，解调电路（8）输出到解码电路（9）的输入， 解码电路（9）的输出接到微处理器和存贮器（12）的输入端，时序电路（10）分别给微处理器和存贮器（12）时序、时钟、日历及编码电路（2）、解码电路（9）和调制电路（3）提供时序，电源电路（11）输入接配电网（F），输出直流电源给整个电路提供电源，并输出给同载波通讯器（A_m，n）相连的设备直流电源，停电保护电路（18）同时序电路（10），微处理器和存贮器（12）相连，在停电后供给时序电路电源，以使时钟、日历连续运行，并保护微处理器和存贮器（12）中的重要数据不因停电而丢失。

上述耦合器（5）是隔离配电网（F）和载波通讯器（A_m，n）之间的配电能量通道、建立其载波通道的关键电路，同时起到阻抗匹配目的，它由四个耦合电容（24，25，26，29）、四个耦合电感（21，22，23，30）、中频变压器（27）和谐振电容（28）组成，如图5所示，四个电容、电感分别谐振于载波频率，组成一级滤波，其中三个通过耦合电感（21，22，23）连在一起的耦合电容（24，25，26）分别接配电网（F）的三根相线，当同单相电网（F）相连时，其中的一个电容接相线，另一个耦合电容（29）接中心线，相线信号和中心线信号经过电容、电感耦合到中频变压器（27）的初级线圈两端，由中频变压器（27）变换阻抗，中频变压器（27）的次级线圈两端分别接谐振电容（28）的两端，形成另一级谐振滤波器，谐振电容（28）一端接信号地，另一端输出到放大滤波电路（6）的输入，次级线圈抽头接功率放大器（4）的输入。

时序电路（10）中的基准频率由石英晶体振荡器产生，有良好的温度特性和一致性。

功率放大器（4）为了适应配电网（F）阻抗大范围变化的情况，采用恒流放大器，或是恒压放大器，或是恒功率放大器。

载波通讯器（A_m，n）同计算机系统（C_i）连接的驱动电路（1），使上述联接采用RS232串行口，或并行口，或总线方式。

转换电路（31）如图6所示，由接口电路（32），报警电路（33），数模转换电路（34），比较器（35），放大驱动器（36）和模数转换电路（15）组成，接口电路（32）接微处理器和存贮器（12），接口电路（32）的输出分别接报警电路（33），数模转换电路（34）和放大驱动器（36），输入接比较器（35）的输出和模数转换电路（15）的输出，比较器（35）的两个输入口一个接数模转换电路（34）的输出，另一个接需要通讯设备（D_j）中的传感设备（S）如烟雾传感器、手动呼叫器等，模数转换电路（15）的输入接需要通讯设备（D_j）中的计量仪表，放大驱动电路（36）输出接需要通讯设备（D_j）中的控制设备（K），需要通讯设备（D_j）可以同时有上述三种装置，每一种可以有多个。

停电保护电路（18）采用电可擦除可编程只读存贮器，能长期保存信息，停电后本电路供给时序电路（10）中日历，时钟电路电源。

管理计量装置（B_k）如图3所示，由弱电化电路（14），模数转换电路（15），控制报警电路（16），显示电路（17）和外设（20）组成，本装置（B_k）从载波通讯器（A_m，n）中的电源电路（11）支取电源，控制报警电路（16）接在配电网（F）中用户（U）和弱电化电路（14）之间，控制报警电路（16）的输入口接微处理器和存贮器（12）的输出口，根据微处理器的命令报警和控制用户同配电网中的连接开关，微处理器和存贮器（12）同停电保护电路（18）、外设（20）双向多线连接，外设（20）记录信息，微处理器和存贮器（12）的输出同显示电路（17）的输入相连，输入同模数转换电路（15）的输出相连，接在配电网（F）同控制报警电路（16）之间的弱电化电路（14）的输出端口接模数转换电路（15）的输入口。

其中弱电化电路（14）线性缩小配电网（F）和用户的完整波形的相电压、相电流和中心线电流，配电网（F）是三相四线时，有三个相电压、三个相电流和一个中心线电流，配电网（F）是单相时，有一个相电压、一个相电流和一个中心线电流。

用电信息综合管理计量装置（G_b，k）的管理计量方法，分采样周期，数据处理周期和通讯周期循环进行;

首先，上电开机后进行初始化，进入采样周期，采样第一步是采样一点，第二步归一化，第三步予处理，第四步判断采样数据是否完成，若未完成，返回第一步，若完成，则进入数据处理周期;

数据处理周期中第一步进行数据处理，根据处理结果，第二步判断是否有故障，若有，则关电源报警，并设置通讯请求，到第三步累计数据;若无故障，直接从第二步到第三步累计数据，之后进入第四步更新显示，然后进入通讯周期;

通讯周期中第一步查通讯口，第二步判断有无来自故障判断的通讯请求，或在前两个周期中来自配电网（F）中其它通讯设备的通讯请求，若有则进入第三步判断地址，若包括本机地址，则进行第四步校验纠错，第五步命令分析和第六步执行命令，之后进入第七步判断通讯时间到否，若不到则返回第一步，若到则进入采样周期，其中第二步、第三步判断是否定时，直接到第七步判断时间。

本发明有如下优点：配电网数字载波通讯系统由于采用了载波通讯器和计算机系统结合，利用了现有的配电网本身作为载波通讯通道，进行各种信息的相互传递、联网通讯，作遥控、遥信、遥测，并对其信息、用电设备或其它通讯设备进行现代化综合管理，必将给国家带来很大的社会经济效益。

首先，这个系统比无线电通道少产生空间电磁干扰，比专线成 本低，比电话线易于普及。

再则，系统中用电信息综合管理计量装置采用纯电子线路，无磨损，寿命长，既可以计量所有用电信息，又能保护用电设备，也能把用电信息进行集中处理，能做到统计的同时进行，对用户用电管理做到现代化，科学化，为彻底改变人工到位抄表开辟了新的途径。

另外，系统不仅应用于用电管理计量、收费系统，同时可以和通用，专用计算机系统联网运行，还适用于其它类型的用户的通讯要求，如水表、气表的集中抄收;路灯开关的集中控制;烟雾或其它有害气体报警的集中管理系统;手动呼叫的监护系统等。

因此这个系统是一种价格性能比最理想的数字载波通讯系统。

Claims (13)

1、一种配电网数字载波通讯系统，它包括在配电变压器(E)下配电网(F)中的多个通讯装置(G_m，n)，其特征在于：每个通讯装置(G_m，n)均编有唯一地址，通过配电网(F)把通讯装置(G_m，n)连成通讯系统，以载波频率3-500KHZ，PSK制式进行分时编址通讯，其中至少有一个通讯装置(G_m，n)是通讯站(G_c，i)，通讯站(G_c，i)由载波通讯器(A_c，i)和计算机系统(C_i)组成，载波通讯器(A_c，i)连接在计算机系统(C_i)和配电网(F)之间。

2、根据权利要求1所述通讯系统，其特征在于：通讯装置（G_m，n）还包括用电信息综合管理计量装置（G_b，k），上述装置由载波通讯器（A_b，k）和管理计量装置（B_k）组成，载波通讯器（A_b，k）连接在配电网（F）和管理计量装置（B_k）之间。

3、根据权利要求1所述通讯系统，其特征在于：通讯装置（G_m，n）还包括通讯设备（G_d，j），通讯设备（G_d，j）由载波通讯器（A_d，j）和需要通讯设备（D_j）组成，载波通讯器（A_d，j）连接在配电网（F）和需要通讯设备（D_j）之间。

4、根据权利要求1或2或3所述通讯系统，其特征在于：载波通讯器（A_m，n）由驱动电路（1），编码电路（2），调制电路（3），功率放大器（4），耦合器（5），放大滤波电路（6），锁相环（7），解调电路（8），解码电路（9），时序电路（10），停电保护电路（18），电源电路（11），微处理器和存贮器（12）和转换电路（31）组成，微处理器和存贮器（12）直接同管理计量装置（B_k）连接，通过驱动电路（1）同计算机系统（C_l）连接，通过转换电路（31）同需要通讯设备（D_j）连接，微处理器和存贮器（12）的一个输出端接到调制电路（3）和解调电路（8），另一个输出端同编码电路（2）的输入相连，编码电路（2）的输出接调制电路（3）的另一个输入，调制电路（3）的输出接功率放大器（4）的输入，功率放大器（4）输出到耦合器（5）的输入端，耦合器（5）同配电网（F）相连，耦合器（5）的输出接放大滤波电路（6）的输入，放大滤波电路（6）的两个输出分别接锁相环（7）的输入和解调电路（8）的另一个输入，锁相环（7）的输出接到解调电路（8）的另一个输入端，解调电路（8）输出到解码电路（9）的输入，解码电路（9）的输出接微处理和存贮器（12）的输入，时序电路（10）分别给微处理器和存贮器（12），编码电路（2），解码电路（9）和调制电路（3）提供时钟，电源电路（11）接配电网（F），给整个电路提供电源，并提供给载波通讯器（A_m，n）以外的电路电源，停电保护电路（18）同微处理器和存贮器（12）双向多线相接，停电保护电路（18）同时序电路（10）连接。

5、根据权利要求4所述通讯系统，其特征在于：载波通讯器（A_m，n）中的耦合器（5）由四个耦合电容（24，25，26，29）、四个耦合电感（21，22，23，30），中频变压器（27）和谐振电容（28）组成，其中三个通过耦合电感连在一起的耦合电容（24，25，26）分别接配电网（F）的三根相线，当同单相电网（F）相连时，其中的一个电容接相线，另一耦合电容（29）接中心线，相线信号和中心线信号经过电容电感耦合到中频变压器（27）的初级线圈两端，中频变压器（27）的次级线圈两端接谐振电容（28）的两端，其中一个次级端点接信号地，另一个次级端点输出到放大滤波电路（6）的输入，次级线圈抽头接功率放大器（4）的输出。

6、根据权利要求4所述通讯系统，其特征在于：载波通讯器（A_m，n）中的时序电路（10）中基准频率由石英晶体振荡器产生。

7、根据权利要求4所述通讯系统，其特征在于：载波通讯器（A_m，n）中的功率放大器（4）采用恒流放大器，或恒压放大器，或恒功率放大器。

8、根据权利要求4所述通讯系统，其特征在于：载波通讯器（A_m，n）中的驱动电路（1）同计算机系统（C_i）的联接采用RS232串行口，或并行口，或总线方式。

9、根据权利要求4所述通讯系统，其特征在于：载波通讯器（A_m，n）中的转换电路（31）由接口电路（32），报警电路（33），数模转换电路（34），比较器（35），放大驱动器（36）和模数转换电路（15）组成，接口电路（32）接微处理器和存贮器（12），接口电路（32）的输出分别接报警电路（33），数模转换电路（34）和放大驱动器（36），输入接比较器（35）的输出和模数转换电路（15）的输出，比较器（35）的两个输入口一个接数模转换电路（34）的输出，另一个接需要通讯设备（D_j）中的传感器（S），模数转换电路（15）的输入接需要通讯设备（D_j）中的计量仪表（J），放大驱动电路（36）输出到需要通讯设备（D_j）中的开关（K），需要通讯设备（D_j）可以同时有上述三种，每一种可以有多个。

10、根据权利要求4所述通讯系统，其特征在于：载波通讯器（A_m，n）中的停电保护电路（18）采用电可擦除可编程只读存贮器存贮数据，而且停电后供给时序电路中日历、时钟电路电源。

11、根据权利要求1或2所述通讯系统，系统其特征在于：管理计量装置（B_k）由弱电化电路（14），模数转换电路（15），控制报警电路（16），显示电路（17）和外设（20）组成，配电网（F）先经过弱电化电路（14），再由控制报警电路（16）送到用户（U），控制报警电路的输入接微处理器和存贮器（12）的一个输出，弱电化电路（14）的输出口接模数转换电路（15）的输入口，模数转换电路（15）的输出口接微处理器和存贮器（12）一个输入口，微处理器和存贮器（12）的另一个输出口接显示电路（17）的输入口，微处理器和存贮器（12）同外设（20）双向连接，管理计量装置（B_k）的直流电源由载波通讯器（A_m，n）中的电源电路（11）提供。

12、根据权利要求11所述通讯系统，其特征在于：管理计量装置（B_k）中的弱电化电路（14）线性缩小配电网（F）和用户的完整波形的相电压、相电流和中心线电流，配电网（F）是三相四线时，有三个相电压、三个相电流和一个中心线电流共七个，配电网（F）是单相时，有一个相电压、一个相电流和一个中心线电流。

13、一种用于权利要求2所述的用电信息综合管理计量装置（G_b，k）的管理计量方法，其特征在于：分采样周期，数据处理周期和通讯周期循环进行;

首先，上电开机后进行初始化，进入采样周期，采样第一步是采样一点，第二步归一化，第三步予处理，第四步判断采样数据是否完成，若未完成，返回第一步，若完成，则进入数据处理周期;

数据处理周期中第一步进行数据处理，根据处理结果，第二步判断是否有故障，若有，则关电源报警，并设置通讯请求，到第三步累计数据;若无故障，直接从第二步到第三步累计数据，之后进入第四步更新显示，然后进入通讯周期;

通讯周期中第一步查通讯口，第二步判断有无来自故障判断的通讯请求，或在前两个周期中来自配电网（F）中其它通讯站（G_G，i）的通讯请求，若有则进入第三步判断地址，若包括本机地址，则进行第四步校验纠错，第五步命令分析和第六步执行命令，之后进入第七步判断通讯时间到否，若不到则返回第一步，若到则到采样周期，其中第二步，第三步判断是否定时，直接到第七步判断时间。

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