CN102163993A - 基于恒定电流源的电力线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在其中多个负载串联连接到恒定电流源的电力线通信系统，尤其是基于恒定电流源的电力线通信系统，每个独立设备通过绝缘变压器连接到形成闭合环路的电力线，每个独立设备具有电流/电压转换部件和电压/电流转换部件，其中发向所述电力线的电压信号被转换和发送为电流信号，以及从所述电力线接收的电流信号被转换和输入为电压信号，通过执行电流型电力通信能够解决当使用电压型电力通信时所观测到的通信性能降低的问题，特别地，该系统可应用在机场照明系统中，其中多个灯串联连接到恒定电流流经的单闭合环路，从而更加稳定地提供电力线通信以控制机场照明灯。

Description

基于恒定电流源的电力线通信系统
技术领域
本发明涉及基于恒定电流的电力线通信系统，尤其涉及利用恒定电流解决在需要驱动串联连接的多个负载的系统、诸如控制灯的机场(进场)照明系统中由于电压分压引起的通信信号衰减的缺点，从而稳定地执行电力线通信。
背景技术
由于使用既有电力线而不需要额外安装通信线的优点，电力线通信被认为是一种用于需要控制和监视多个灯的机场照明系统、家庭网络系统、远程监控系统和工厂自动化系统的合适的通信方法。
然而，根据串联连接到电力线的负载的数量，现有技术的使用电压信号的电力线通信会涉及通信信号的衰减，导致执行顺畅通信困难。
作为特定的例子，有线通信被机场照明领域优选，以防止出现对飞行员与控制塔之间的无线电通信的干扰。由于安装新线困难，机场应用电力线通信来控制各个独立灯和监视机场照明。
机场照明的电源是具有单环路的恒定电流源，并且从产生恒定电流源的恒流调节器到跑道的最末端灯，安装有多个灯，几十盏到几百盏，使得线长达几千米到几十千米。
由恒流调节器产生的恒定电流流经电力线以形成闭合环路，并且电力线被串联连接到多个通过绝缘变压器被连接的独立灯驱动器以控制各独立灯。
参考图1的等效电路，电力线通信电压信号Vi被施加到单环路上，该单环路串联连接到输电线阻抗、对应于绝缘变压器的阻抗和对应于恒流调节器的阻抗。
电力线通信电压信号经过多个绝缘变压器被衰减，因为电压被每一个阻抗分压。
即，施加到第M个绝缘变压器的通信信号Vout可以通过以下等式1表达。
[等式1]
V out = Z M Z eq × V i
Zeq＝(ZL1+ZL2+…+ZLK)+(ZT1+ZT2+…+ZTK)+ZC，1≤M≤K
其中，ZM为对应于第M个绝缘变压器的阻抗，ZLK为第K个持续时间的输电线阻抗，ZTK为对应于第K个绝缘变压器的阻抗，和ZC为对应于恒流调节器的阻抗。
如等式1所示，当K增加时Vout减少，并且当Vout小于可由电力线通信调制解调器接收的信号电平时，相应的电力线通信调制解调器不能运行。
即，由于经由每一个绝缘变压器接收的电力线通信信号变得较小，所以电压型电力线通信的系统配置变难。
发明内容
本发明想要解决以上提及的问题，本发明的目的在于提供一种电力线通信系统，诸如机场照明系统，其通过利用恒定电流在电力线通信环境下执行电流型通信，能够解决由电压型电力线通信所产生的电压分压所引起的信号衰减。
为了实现以上描述的目的，根据本发明的基于恒流的电力线通信系统是这样的系统，恒定电流流经的电力线形成闭合环路，其中电力线与多个独立设备串联连接。每一个独立设备通过绝缘变压器连接到电力线以利用恒定电流和电力线通信信号运行。
每一个独立设备包括：电力线通信调制解调器，用于收发由电压信号形成的电力线通信信号；电压/电流转换部件，用于将由电力线通信调制解调器发送的由电压信号形成的电力线通信信号转换为电流信号和将电流信号施加到绝缘变压器上；和电流/电压转换部件，用于将通过绝缘变压器接收的由电流信号形成的电力线通信信号转换为电压信号并将所述电压信号传送到电力线通信调制解调器。
电压/电流转换部件可以被构造为，当电压信号被施加到运算放大器的不倒相输入端子时输出与相关电压信号成比例的电流信号。
电流/电压转换部件可以被构造为，当电流信号被施加到运算放大器的倒相输入端子时输出与相关电流信号成比例的电压信号。
每一个独立设备可以包括配置为根据经由电力线通信信号传送的灯控制命令来控制机场照明灯的独立灯驱动器。
独立灯驱动器可以包括：用于与相关绝缘变压器耦合的电力线耦合器；与电力线耦合器并联连接并且由流到绝缘变压器的次级侧的恒定电流产生预定电力的电源电路；和靠电源电路产生的电力运行的控制部件，从而通过相关的电力线通信调制解调器执行与上级装置(upper-level device)的电力线通信和控制一个或多个机场照明灯。
此时，电力线耦合器可被串联连接到用来阻断恒定电流信号的电容器。
根据本发明的基于恒定电流源的电力线通信系统具有以下有益的效果：电力线通信调制解调器的每一个输入和输出都由电流/电压转换部件和电压/电流转换部件提供，由此执行电流型电力线通信以解决当使用电压型时电力线通信所观测到的通信性能降低的问题。
特别地，系统可以被应用到机场照明系统，其中多个灯(负载)应当串联连接到恒定电流流经的单闭合环路，从而更加稳定地提供电力线通信以控制机场照明灯。
附图说明
图1为根据现有技术的电压型电力线通信系统的等效电路；
图2为根据本发明的组成基于恒定电流的电力线通信系统的独立设备的实施例；
图3为电压/电流转换部件的实施例；
图4为电流/电压转换部件的实施例；
图5为用于机场照明的电力线通信系统的实例；
图6为根据本发明的在电力线通信系统中使用的独立灯驱动器的实施例；和
图7为独立灯驱动器的交流电接口(alternating current interface)的等效电路的实例。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。
参考图2a，基于恒定电流的电力线通信系统通过有恒定电流流经的电力线11形成闭合环路，其中电力线11与多个绝缘变压器13-1～13-k串联连接。
每一个独立设备20-1～20-k都经由绝缘变压器13-1～13-k连接到电力线11，以利用在电力线11上流过的恒定电流和电力线通信信号运行。
由于每一个独立设备20-1～20-k所执行的功能根据需要可以构造成不同的，所以没有必要实施单一的功能。即，每一个独立设备20-1～20-k包括如图2b中的组成元件，但是每一个独立设备可以执行独立的功能。
电力线11与恒流调节器12连接，这里，恒流调节器12是指一种指定为提供恒定电流给电力线11的装置。
参考图2b，每一个独立设备包括电力线通信调制解调器21、电压/电流转换部件22和电流/电压转换部件23。
正如通常所知，电力线通信调制解调器21执行对呈电压信号形式的电力线通信信号的调制和解调功能，以使得独立设备可以通过电力线通信解调器收发任何信息。
电压/电流转换部件22将电力线通信调制解调器21发送向电力线11侧的由电压信号形成的电力线通信信号转换为电流信号，并且将该电流信号施加到绝缘变压器13-1。
将电压信号转换为电流信号的方法可以有不同的构造。
作为例子，可以使用图3中所示的运算放大器31。运算放大器31被构造为输出与施加在不倒相输入端子上的电压信号成比例的电流信号。
即，电压信号Vi被施加在运算放大器31的不倒相输入端子上，电阻R连接在倒相输入端子和地线之间，电阻RL连接在运算放大器31的倒相输入端子和输出端子上。
然后，由于运算放大器31的特性，流经电阻RL的电流信号I0具有“Vi/R”大小，其与电压信号Vi成比例。
电流/电压转换部件23将经由绝缘变压器13-1从电力线11侧接收的由电流信号形成的电力线通信信号转换为电压信号，然后传送该电压信号到电力线通信调制解调器21。
将电流信号转换为电压信号的方法可以有多种构造。
作为一个例子，可以使用图4所示出的运算放大器32。运算放大器32被构造为输出与施加在倒相输入端子的电流信号成比例的电压信号。
即，输入电流信号Ii被施加在运算放大器32的倒相输入端子，电阻R连接在运算放大器32的倒相输入端子和输出端子之间，运算放大器32的不倒相输入端子接地。
然后，由于运算放大器的特性，电流信号Ii流经电阻R，输出端子电压信号V0具有与Ii成比例的“-R·Ii”大小，而与电阻RL无关。
如上所述，根据本发明的电力线通信系统执行电流型电力线通信。
即，当每一个独立设备20-1～20-k向电力线发送信息时，通过电压/电流转换部件22将电压信号转换和发送为电流信号，并且当每一个独立设备20-1～20-k从电力线接收信息时，通过电流/电压转换部件23将电流信号转换和发送为电压信号。
另一方面，根据本发明的基于恒定电流的电力线通信系统可以应用到机场照明领域，在这种情形下，每一个独立设备可以包括被配置为根据在电力线通信上传送的灯控制命令来控制机场照明灯的独立灯驱动器。
图5为用于机场照明的电力线通信系统的例子。
参考图5，恒流调节器12通过构成单环路的高压电缆(电力线)提供最大额定值为6.6A的恒定电流，其中电力线11经由绝缘变压器13-1～13-k连接到独立照明控制器53和多个独立灯驱动器54-1～54-k。
绝缘变压器13-1～13-k保持达到用于电力线通信的电力线通信频率的操作特性。
独立照明控制器53和每一个独立灯驱动器54-1～54-k具有电力线通信调制解调器，并且可以包括用于与绝缘变压器13-1～13-k进行交流电交互的电力线耦合器。独立照明控制器53根据从主计算机(未示出)传送过来的命令使恒流调节器12开/关，并利用电力线通信与每个独立灯驱动器54-1～54-k进行通信。
每个独立灯驱动器54-1～54-k根据由独立照明控制器53传送的灯控制命令来确定其自身管理的灯的开/关状态，并监视灯的状态以及上报给独立照明控制器53。
每个独立灯驱动器54-1～54-k可以根据恒流调节器12是否提供了恒定电流而开/关，或者可被调节其亮度。
图6为根据本发明的在电力线通信系统中使用的独立灯驱动器的实施例。
参考图6，将描述这样的实施例，其中在用于机场照明的电力线通信系统中的独立设备是独立灯驱动器。
每个独立灯驱动器54-1通过绝缘变压器13-2连接到电力线11，并且为了运行，其包括电力线通信调制解调器61、电压/电流转换部件62、电流/电压转换部件63、电力线耦合器64、控制部件65和电源电路66。
电力线耦合器64执行与绝缘变压器13-2的耦合，从绝缘变压器接收的电流形式的电力线通信信号通过电力线耦合器64被施加到电流/电压转换部件63，然后在电流/电压转换部件63处被转换为电压信号，从而传送到电力线通信调制解调器61。
同样，从电力线通信调制解调器61朝电力线方向发送的电压形式的电力线通信信号在电压/电流转换部件62处被转换为电流信号，然后通过电力线耦合器64被施加到绝缘变压器13-2。
与电力线耦合器64并联连接的电源电路66由在绝缘变压器的次级侧流经的恒定电流产生独立灯驱动器中要使用的电力，诸如灯驱动器电力或微处理器的驱动电力。
控制部件65通过电力线通信调制解调器61执行电力线通信和控制机场照明灯16-1、16-2。
控制部件65根据需要可以执行各种功能，但是基本的功能是根据通过电力线通信调制解调器61从电力线侧接收的灯控制命令来控制灯16-1、16-2，还通过电力线通信调制解调器61将灯16-1、16-2的状态信息发送到电力线侧。
尽管示出的是独立灯驱动器之一控制两个灯，但显然由每个独立灯驱动器控制的灯的数量可以根据需要有不同的构造。
这样，通过包括电压/电流转换部件62和电流/电压转换部件63，每个独立灯驱动器执行电流型电力线通信，因此不存在在使用电压型电力线通信时由于电压分压引起的信号衰减等。
另一方面，为了最小化电力线通信中伴随的功率耗散，需要绝缘变压器次级合成阻抗较小。
图7显示了独立灯驱动器的交流电接口的等效电路，其中IP_Carrier为绝缘变压器71的初级载波电流，IS_Carrier为绝缘变压器71的次级载波电流，IL_Carrier为载波负载电流。
此时，绝缘变压器71的次级合成阻抗可以用以下的等式2表示。
[等式2]
Z S - Carrier = X M - CT / / [ 1 N 2 ( X M - Coupler / / R RX ) + X C - Coupler ] / / [ 1 M 2 ( X M - Power / / R Power ) + R Lamp ]
其中，XM-CT为绝缘变压器71的等效电抗，XM-Coupler为电力线耦合器72的等效电抗，XM-Power为电源电路部件73的等效电抗，RRX为电力线通信调制解调器的接收阻抗(reception impedance)，RPower为电源电路的等效阻抗，RLamp为灯74的等效阻抗。
在这点上，当使
Figure BSA00000438403600072
最小化时，可以使合成阻抗较小。
在绝缘变压器71的次级侧，60Hz的恒定电流和用于电力线通信的电流信号同时存在。
60Hz的恒定电流不可能流入电力线耦合器72，其需要流入灯74和电源电路73。
因此，电力线耦合器72可以串联连接到用于阻断60Hz恒定电流的电容器C_coupler。
同样，为了使向电源电路73和灯74分配的电力线通信电流信号较小，期望使
Figure BSA00000438403600073
最大化。
电压/电流转换部件和电流/电压转换部件可以配置在独立照明控制器和每个独立灯驱动器中。
特别地，以上描述的实施例被描述用来帮助理解本发明，然而，应当清楚，本发明并不能限制为以上实施例，本领域技术人员可以按照不脱离本发明的范围的多种修改的方式来实施本发明。

Claims (6)

1.在一种基于恒定电流的电力线通信系统中，其中恒定电流流经的电力线形成闭合环路，并且所述电力线与多个独立设备串联连接，所述多个独立设备通过绝缘变压器连接到所述电力线并且利用恒定电流和电力线通信信号运行，每个独立设备的特征在于：
电力线通信调制解调器，其用于收发由电压信号形成的电力线通信信号；
电压/电流转换部件，其将由所述电力线通信调制解调器发送的由电压信号形成的所述电力线通信信号转换为电流信号，并将所述电流信号施加到所述绝缘变压器上；和
电流/电压转换部件，其将通过所述绝缘变压器接收的由电流信号形成的电力线通信信号转换为电压信号，并将所述电压信号传送到所述电力线通信调制解调器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压/电流转换部件被构造为：当电压信号被施加到运算放大器的不倒相输入端子时所述电压/电流转换部件输出与相关电压信号成比例的电流信号。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流/电压转换部件被构造为：当电流信号被施加到运算放大器的倒相输入端子时所述电流/电压转换部件输出与相关电流信号成比例的电压信号。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述每个独立设备包括配置为根据经由电力线通信信号传送的灯控制命令来控制机场照明灯的独立灯驱动器。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述独立灯驱动器包括：用于与相关绝缘变压器耦合的电力线耦合器；与所述电力线耦合器并联连接并且由流到绝缘变压器的次级侧的恒定电流产生预定电力的电源电路；和靠电源电路产生的电力运行的控制部件。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电力线耦合器串联连接到用于阻断恒定电流信号的电容器。
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