CN104412280A - 用于通过电力网的电导体传输数据的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于通过电力网的电导体传输数据的方法。至少一个第一节点和至少一个第二节点通过借助于各一个阻抗透明的耦合设备的耦合耦合到电导体上。该方法包括步骤：由第一节点通过电导体发送载波信号；在第二节点处对所发送的载波信号进行整流以用于给第二节点供能；以及由第二节点借助于负载调制对所发送的载波信号进行调制以用于将应答数据传输给第一节点。该方法尤其是适用于电力网中的维护少和成本低的传感器应用。此外提出一种用于通过电力网的电导体传输数据的装置。

Description

用于通过电力网的电导体传输数据的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于通过电力网的电导体传输数据的方法和装置。

背景技术

电力线通信（Powerline Communication, PLC）表示通过电导体传输数据。在此，将电导体、例如房屋和入口区域中的电流线路同时用于能量传输和数据传输。

PLC的应用场景包括以两位的兆比特范围内的数据速率将家用电器连接到因特网和家庭网络、以及诸如智能电力网（Smart Grid）的不同领域中的测量、控制和调节应用或者配电站中的传感器应用。

针对测量、控制和调节应用，一般而言小的数据速率就足够了。但是根据领域，可能对这样的应用的安全性和鲁棒性存在特殊要求。安全性和鲁棒性例如在传感器功能在网络电压发生故障时也必须被继续保证时对于供能而言是关键准则。此外，在许多领域中重要的是维护成本小，以便例如节省费用。

在此，存在一系列用于在电流线路上通信的竞争性标准，尤其是针对低压和中压线路的标准，这些标准使得能够以小数据速率和中等数据速率进行数据传输。示例是扩频频移键控（S-FSK）、差分码移键控（DCSK）、G3、PRIME和G. hnem。这些标准利用长波范围中的不同复杂调制方式——例如FSK、扩频谱或者正交频分复用（OFDM）——来工作。在欧洲，这些标准大多在148.5kHz以下的所谓的CENELEC带中工作并达到直至128kbit/s的数据速率，但是所使用的速率大多处于一位的千比特范围内。相应的系统在物理层面上是对称的，也就是说，它们一般对于每个通信发送点都具有一个单元中的发送机和接收机、即收发机。收发机通过将它们连接起来的信道彼此通信。这样的与现有技术对应的系统的能量需求通常为几十毫瓦。在低压线路上，至少只要施加有网络电压，就可以直接由该网络电压进行供给。而在信号常常在线路的屏蔽体上传送的中压线路上，需要外部的供给装置、例如从电池供给，但是所述外部的供给装置具有有限的寿命并且因此意味着提高的维护成本。

此外，与所述标准相对应的系统需要高技术复杂度的装置，所述装置例如必须在相应芯片组中实现。这样的芯片组需要复杂的配置以及自己的供电装置，使得这样的解决方案至少对于简单的传感器应用而言是不令人感兴趣的。

发明内容

本发明的任务是，提供用于通过电力网的电导体传输数据的经改善的方法和经改善的装置。

相应地提出一种用于通过电力网的电导体传输数据的方法。至少一个第一节点和至少一个第二节点通过借助于各一个阻抗透明的耦合设备的耦合耦合到电导体上。该方法包括步骤：由第一节点通过电导体发送载波信号；在第二节点处对所发送的载波信号进行整流以用于给第二节点供能；以及由第二节点借助于负载调制对所发送的载波信号进行调制以用于将应答数据传输给第一节点。

电力网可以由简化模型来表示，该模型由电导体、第一节点和第二节点的连接线路的纵向分量以及横向分量构成，所述横向分量作为集中器件对网络接入阻抗建模。

该耦合通过各一个耦合器或耦合设备来进行。在例如处于3至148.5kHz的所谓CENELEC带中的工作频率上，这样的耦合器必须是阻抗透明的，也就是说，在一侧上、例如在第二节点侧上的阻抗的改变必须以比例1:N/M对应于另一侧上、例如第一节点侧上的阻抗的相同改变。这例如通过使用串联谐振电路是可能的。

通过使用这样的耦合器，第一和第二节点通过与网络电压去耦合而被保护。此外，耦合器实现用于传输数据的负载调制。由于典型的低压和中压网络上的阻抗比例，需要阻抗变换，该阻抗变换可以通过这样的耦合器进行。

第一节点尤其是被构造成读取设备。第二节点例如被构造成应答机。这样的应答机包括用于调制载波信号以及例如通过幅度或相位调制将应答数据传输给读取设备的设备。应答机可以附加于应答数据将单义的标识（ID）编码到经调制的载波信号中。此外，应答机包括如下电路：该电路用于对由第一节点发送的载波信号进行整流以用于获得能量，使得应答机不需要外部供能。此外，应答机可以具有用于单义ID以及必要时用于另外的数据的存储器、以及用于生成调制序列的计算器。根据应答机的应用，这样的第二节点或应答机可以包括另外的部件、例如用于检测测量值的传感器。

应将负载调制理解成应答机中的负载改变对由读取设备发送的载波信号的幅度或相位的反作用。应答机发起负载改变。读取设备可以识别并读出编码在负载改变中的应答数据。

该方法使得能够通过电导体向例如低复杂度的应答机的节点和从所述节点传输数据。这样的节点或应答机尤其是不需要自己的供能，并且因此例如对于网络电压供给装置发生故障的情况而言是特别安全和鲁棒的。此外，这样的节点或应答机由于其小的构造技术复杂度而可以实际上无维护地运行。

另一优点在于，针对这样的节点或应答机可以使用常规无线标识系统的组件、例如RFID芯片，这些组件低成本地大量可用。该方法尤其是适用于维护少和成本低的传感器应用。

每个发送机都主动将能量馈入到传输信道上的经典通信区段在所提出的方法中通过使用负载调制而被绕过。这通过专门设计到传输介质的耦合而实现，该传输介质将应答机侧的负载改变无损地传输给读取设备。因此使得能够运行到如下端点的通信：所述端点具有非常小的复杂度且不具有自己的供能并且因此实际上无维护地运行。

所提出的方法的另一优点在于能够无电势地、例如通过电感耦合器来耦合收发机的可能性。不需要收发机的附加供能。

所提出的方法的附加优点在于，可以使用常见无线标识系统的组件。因此，尤其是在传感器侧有非常有益的器件可用。

在实施方式中，该方法还包括由第一节点对借助于负载调制所调制的载波信号进行解调以用于接收应答数据。

第一节点也可以视为用于应答数据的读取设备，所述应答数据由例如应答机形式的传感器或开关传输。读取设备例如以长波范围中的正弦信号形式生成载波信号，并且对由于负载改变而在应答机处出现的幅度或相位调制进行解调。

因此可能的是，通过电导体例如从被构造成传感器或开关的节点或应答机向第一节点传送应答数据。

在该方法的另外的实施方式中，第一节点与第二节点之间的距离根据应答数据的接收来确定。该距离适宜地借助于传播时间测量、即借助于信号传播时间的测量来确定。

在此，所发送的载波信号自发送时刻起直到由第二节点调制的载波信号进入第一节点为止所流逝的传播时间被测量。因此，在考虑到电导体的物理特性的情况下，在电力网中从远处的简单和低成本的距离测量是可能的。

在另外的实施方式中，该方法还包括由另外的第二节点借助于另外的负载调制对所发送的载波信号进行调制以用于将另外的应答数据传输给第一节点。

这使得能够将任意数目的节点或应答机例如用作电力网中的传感器或开关。在此，每个传感器或开关可以通过表征其的负载调制被单义地标识出。

在另外的实施方式中，该方法还包括由第一节点对借助于另外的负载调制所调制的载波信号进行解调以用于接收另外的应答数据。

通过这种方式，可以由第一节点接收和使用诸如电力网中的传感器或开关的不同节点或收发机的应答数据。

在该方法的另外的实施方式中，所述第二节点与所述另外的第二节点之间的距离根据应答数据和所述另外的应答数据的接收来确定。该距离适宜地借助于传播时间测量、即借助于信号传播时间的测量来确定。

这使得能够在使用多个耦合到电导体上的节点或应答机的情况下从远处在电力网中进行简单和低成本的距离测量。

在该方法的另外的实施方式中，负载调制和所述另外的负载调制通过在不同的载荷阻抗之间的切换来进行。

第二节点或应答机在不同的载荷阻抗之间切换并且因此引起第一节点的输入端处的相应阻抗改变。

在另外的实施方式中，该方法还包括借助于调制对载波信号进行调制以用于由第一节点传输控制数据。

因此，第一节点或读取设备可以在需要时将控制数据传送给开关或应答机。控制数据例如可以包含用于开关的开关指令，使得例如可以从远处进行连接到电导体上的设备的接通和关断或者时间控制。

在另外的实施方式中，该方法还包括由第二节点对借助于用于传输控制数据的调制所调制的载波信号进行解调以用于接收控制数据。

第二节点或应答机可以为此目的包括用于对第一节点的控制数据进行解调和/或解码的电路。因此，电力网中的收发机或开关可以接收并且必要时转换第一节点或读取设备的控制数据。

在该方法的另外的实施方式中，通过相应的阻抗透明的耦合设备到电导体的耦合无电势地进行。

这例如通过使用电感耦合器进行。这样的耦合器用于一方面第一节点或读取设备或者第二节点或收发机与另一方面电力网中的交变电压之间的隔离。

在该方法的另外的实施方式中，为了抑制干扰信号通过相应的阻抗透明的耦合设备对载波信号进行滤波。

因此，对载波信号的滤波在干扰信号分量方面在与传输相关的频率范围中进行。这可能的是必需的，因为在传输介质上可能存在大量干扰信号，对这些干扰信号的抑制是为了该方法的正常起作用所必需的。

在该方法的另外的实施方式中，电导体被构造成高压线路或超高压线路。

这使得通过电导体的数据传输也能够通过高压线路或超高压线路进行。

在另外的实施方式中，应答数据包括传感器信息。

传感器信息例如可以描述环境条件，如温度、空气湿度或气压。此外，传感器信息可以描述线路参数，例如电流强度、阻抗或距离说明。传感器数据可以通过对载波信号的调制被编码到载波信号中。这例如使得能够从远处进行多样化的、成本低的和维护少的传感器应用。

此外提出一种用于通过电力网的电导体传输数据的装置。该装置包括第一节点和至少一个第二节点，其中第一节点和第二节点通过借助于各一个阻抗透明的耦合装置的耦合被耦合到电导体，其中第一节点包括用于通过电导体发送载波信号的发送装置，其中第二节点包括用于对所发送的载波信号进行整流以用于给第二节点供能的整流装置，并且其中第二节点包括用于借助于负载调制对所发送的载波信号进行调制以用于传输应答数据的调制装置。

相应的装置——即发送装置、整流装置和调制装置——可以以硬件技术和/也或者软件技术来实现。在硬件技术的实现的情况下，相应装置可以被构造成例如计算机或微处理器的装置或装置的一部分。在软件技术的实现的情况下，相应装置可以被构造成软件程序产品、函数、例程、程序代码的一部分或者可实施对象。

本发明的另外的可能实现还包括之前或下面关于实施例所描述的方法步骤、特征或者方法或装置的实施方式的未明确提到的组合。在此，技术人员还添加或改动各方面作为对本发明的相应基本形式的改进或补充。

附图说明

本发明的上述特性、特征和优点、以及实现它们的方式结合下面对实施例的描述变得更清楚和更容易理解，所述实施例结合附图予以进一步阐述。

在此：

图1示出了用于通过电力网的电导体传输数据的方法的一个实施例的示意性流程图；

图2示出了用于通过电力网的电导体传输数据的装置的示意性框图；以及

图3示出了用于通过电力网的电导体传输数据的装置的一个实施例的示意性框图。

在附图中，只要未另行说明，给相同或功能相同的元件配备相同附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于通过电力网的电导体307传输数据的方法的一个实施例的示意性流程图。在图2中示出了电力网和用于执行该方法的相应装置301。

在第一步骤中，由第一节点302通过电导体307发送101载波信号。

在第二步骤中，在第二节点303处对所发送的载波信号进行整流102以用于给第二节点303供能。

在第三步骤中，由第二节点303借助于负载调制对所发送的载波信号进行调制103以用于将应答数据传输给第一节点302。

在第四步骤中，由第一节点302对借助于负载调制所调制的载波信号进行解调104以用于接收应答数据。

第一节点302也被称为读取设备。可替代地或附加地，第二节点303的应答数据也可以由电力网中的另外的读取设备302来解调。

第二节点303的应答数据例如用于确定读取设备302与第二节点303之间的距离。

第二节点303例如可以构造成应答机、开关或传感器。可能的是，多个第二节点303调制由读取设备302发送的载波信号。读取设备302因此例如可以对另外的第二节点303的另外的应答数据进行解调。在此，每个应答机303都使用表征该应答机303的负载调制。可能的是，将单义地表征相应应答机303的ID号码编码到经调制的载波信号中。

对于将应答数据传输给读取设备302的两个第二节点303的情况，读取设备302可以确定这两个第二节点303之间的距离。

可能的是，读取设备302在另一步骤中调制载波信号，以便将控制数据传输给第二节点303。可替代地，控制数据也可以被定向到电力网中的多个或所有第二节点303。一个或多个第二节点303在另一步骤中对为了传输控制数据而被调制的载波信号进行解调以用于接收所述控制数据。

从读取设备302到应答机303的通信、例如控制数据从读取设备302到应答机303的传输通过调制载波信号来进行，从应答机303到读取设备302的回程、例如应答数据从应答机303到读取设备302的传输通过负载调制来进行。在此，全部调制方式都是可能的、例如幅度调制或相位调制。

图2示出了用于通过电力网的电导体307传输数据的装置301的示意性框图。

该电力网包括电导体307，其具有第一节点或读取设备302和第二节点或应答机303的连接线路的纵向分量R_L/T、L_L/T、以及作为集中器件对网络接入阻抗建模的横向分量Z_grid。读取设备302包括用于对载波信号进行调制和解调的设备304。应答机303例如包括用于调制载波信号的开关306。此外，装置301包括两个耦合设备或耦合器305，其例如一方面以比例N：1将读取设备302处的阻抗降变换到电导体302的阻抗水平，并且例如另一方面以比例1：M将线路阻抗升变换到应答机303的阻抗。

图3示出了用于通过电力网的电导体307传输数据的装置301的一个实施例的示意性框图。

电导体307在这种情况下是中压线路。图3所示的装置用于电力网监视并且尤其是用于开关位置探测。为了监视中压网络中的开关位置，从读取设备302来看将应答机或传感器303安置在开关308之后。读取设备302和应答机303通过耦合设备305耦合到电导体307上。读取设备302可以识别：应答机303是否在开关308闭合时可达到或者在开关断开时不可达到。

所提出的方法和所提出的装置的另一可设想的应用在智能插座板中进行。这样的插座板配备有读取设备302，所有要连接的设备包含应答机303。一旦设备被连接到插座板，则读取设备302读出设备的应答机303。设备的标识通过单义的应答机ID号码来实现。由此，可以确定连接有负载的插座板并且例如对有威胁的过载作出反应，例如通过传输控制信号以用于关断一个或多个设备。

此外，可以设想将所提出的方法和所提出的装置用在智能家庭应用中，例如用于对特定强的消耗器进行时间控制，以便其在高网络载荷的时段不被运行。该时间控制例如通过由读取设备302传输控制数据以用于接通和关断设备来进行。

所提出的方法和所提出的装置的另外的可设想的应用是控制家用电子设备。对例如灯具调光器、空调或暖气的家用电器中的部件的控制从同一电路中的每个可到达位置进行。读取设备302在此例如被嵌入在空调中。该控制通过在插座处或在照明开关中具有开关输入端的应答机302来进行。

尽管本发明在细节上通过优选实施例被进一步图解和描述，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且其它变型方案可以由技术人员由此导出，而不偏离本发明的保护范围。

Claims (14)

1.用于通过电力网的电导体（307）传输数据的方法，至少一个第一节点（302）和至少一个第二节点（303）通过借助于各一个阻抗透明的耦合设备（305）的耦合而耦合到所述电导体（307）上，该方法具有步骤：

由第一节点（302）通过电导体（307）发送（301）载波信号，

在第二节点（303）处对所发送的载波信号进行整流（102）以用于给第二节点（303）供能，以及

由第二节点（303）借助于负载调制对所发送的载波信号进行调制（103）以用于将应答数据传输给第一节点（302）。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

由第一节点（302）对借助于负载调制所调制的载波信号进行解调（104）以用于接收应答数据。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

第一节点（302）与第二节点（303）之间的距离根据应答数据的接收来确定。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，

其特征在于，

由另外的第二节点借助于另外的负载调制对所发送的载波信号进行调制（103）以用于将另外的应答数据传输给第一节点（302）。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

由第一节点（302）对借助于另外的负载调制所调制的载波信号进行解调（104）以用于接收所述另外的应答数据。

6.根据权利要求4或5所述的方法，

其特征在于，

第二节点（303）与另外的第二节点之间的距离根据所述应答数据和所述另外的应答数据的接收来确定。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，

其特征在于，

所述负载调制和所述另外的负载调制通过不同载荷阻抗之间的切换来进行。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，

由第一节点（302）借助于调制对载波信号进行调制以用于传输控制数据。

9.根据权利要求8所述的方法，

其特征在于，

由第二节点（303）对借助于用于传输控制数据的调制所调制的载波信号进行解调以用于接收所述控制数据。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法，

其特征在于，

通过相应的阻抗透明的耦合设备（305）到电导体（307）的耦合无电势地进行。

11.根据权利要求1至10之一所述的方法，

其特征在于，

为了抑制干扰信号通过相应的阻抗透明的耦合设备（305）对载波信号进行滤波。

12.根据权利要求1至11之一所述的方法，

其特征在于，

电导体（307）被构造为高压线路或超高压线路。

13.根据权利要求1至12之一所述的方法，

其特征在于，

所述应答数据包括传感器信息。

14.用于通过电力网的电导体（307）传输数据的装置（301），包括第一节点（302）和至少一个第二节点（303），其中第一节点（302）和第二节点（303）通过借助于各一个阻抗透明的耦合设备（305）的耦合被耦合到电导体（307），其中第一节点（302）包括用于通过电导体（307）发送载波信号的发送装置，其中第二节点（303）包括用于对所发送的载波信号进行整流以用于给第二节点（303）供能的整流装置，并且其中第二节点（303）包括用于借助于负载调制对所发送的载波信号进行调制以用于传输应答数据的调制装置。