CN106443226A - 交流电力系统的层之间进行通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及交流电力系统的层之间进行通信的方法。提供了差分耦合路径,以用于主设备与线路侧设备之间的电力测量通信。线路侧设备耦接至交流电力网,以使用各种电压传感器和电流传感器来提取电压信号和电流信号。通过线路侧设备内的内部A/D转换器将提取到的电压信号和电流信号转换成数字信号,然后通过耦接在主设备与线路侧设备之间的差分耦合路径将数字信号发送至主设备。主设备可以经由多个差分耦合路径而耦接至一个或更多个线路侧设备。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年6月17日提交的题为“Method of Communicating betweenPhases of an AC Power System”的美国临时专利申请第62/181,035号的权益,该美国临时专利申请的全部内容通过引用合并到本文中。
技术领域
本发明总体上涉及电力测量领域。
背景技术
通常依据在给定时间上所消耗的总能量来测量电力。电表通常通过测量给定瞬时处的电压和电流并将测量到的电压和电流的乘积在期望时间段上进行积分来测量所消耗的总电力。
通常,电力测量系统包括耦接至AC电力线以提取测量信号的线路侧设备、主侧设备以及耦接在线路侧设备与主侧设备之间的耦合设备。出于保护目的,耦合设备用于将主侧设备与相对高的电压的AC电力线隔离开。
美国专利第8,144,446号公开了将脉冲变压器用作屏障隔离,以将主侧设备与线路侧设备电隔离开。然而,脉冲变压器昂贵且易受磁干扰的影响。具有抗干扰的脉冲变压器将会进一步增加成本。脉冲结构由于其低阻抗性质和相关的驱动电路,通过EMI测试是有挑战性的。
光学隔离器(也称为光隔离器)可以用作电力测量系统的屏障隔离器。光学隔离器相对昂贵,并且可负担的光学隔离器通常具有低的操作速度(<10kb/s),并因此具有有限的系统性能。
因而,理想的是实现改进的耦接方法并且结合有良好的可负担性与性能的组合。
发明内容
本发明的实施方式涉及电力测量以及涉及在交流电力测量系统的层之间进行通信的方法。
在各种实施方式中,提供了差分耦合路径,以用于主设备与线路侧设备之间的电力测量通信。线路侧设备耦接至交流电力网,以使用各种传感器(诸如分压器、分流电阻器和/或罗柯夫斯基线圈等)来提取包括电压信号和电流信号的测量信号。通过线路侧设备内的内部A/D转换器将提取到的电压信号和电流信号转换成数字信号,然后通过耦接在主设备与线路侧设备之间的差分耦合路径将所述数字信号发送至主设备。主设备可以经由多个差分耦合路径而耦接至一个或更多个线路侧设备,其中,各个差分耦合路径相同或者不同。
在这些实施方式中,差分耦合路径是包括两个耦合链路的差分电阻器电容器(RC)耦合路径。每个链路均包括串联连接的电阻器和电容器。优选地,两个链路的电阻值和电容值对于期望的信号衰减是相同的。实际上,即使当两个链路的电阻值和电容值由于工程公差而失配了小的百分比时,共模信号衰减仍在可接受范围内。
在某些操作条件下,线路侧设备包括至少两个A/D转换器、收发器以及耦接在A/D转换器与收发器之间的I/O逻辑模块。I/O逻辑模块接收来自A/D转换器的输入,并且向收发器发送输出。此外,I/O逻辑模块还可以接收来自收发器的输入。收发器经由差分路径而耦接至主设备,并且可以向主设备双向地传输数据。
在某些操作条件下,收发器包括耦接至差分RC耦合路径的每个链路的输出电阻器对。对于期望的信号衰减率,输出电阻器的电阻值小于电阻器电容器链路中的电阻器的电阻值。在一些实施方式中,输出电阻器对仅在收发器正在接收器模式下工作以接收信号时耦接至差分RC耦合路径。
在某些操作条件下,主设备包括与一个或更多个线路侧设备进行通信的主收发器。主收发器可以针对特定的或另外的数据请求而接收来自线路侧设备的信号或者向线路侧设备发送命令。在一些实施方式中,主收发器还包括耦接至差分电阻器电容器(RC)路径的每个链路的主输出电阻器对。
附图说明
将对附图中示出的本发明的示例性实施方式进行介绍。这些附图意在为示例性的,而非限制性的。虽然在该实施方式的上下文中总体地描述了本发明,但是这并非意在将本发明的范围限制于所描绘和所描述的实施方式的特定特征。
图1是根据本发明的实施方式的包括经由差分耦合路径与主设备进行通信的线路侧设备的电力测量系统的示意图。
图2是根据本发明的各种实施方式的主侧设备经由多个差分耦合路径与一个或更多个线路侧设备进行通信的示例性示意图。
图3是根据本发明的各种实施方式的线路侧设备的示例性示意图。
图4a)是根据本发明的各种实施方式的线路侧设备内的收发器经由电阻器电容器(RC)差分路径与主设备内的主收发器进行通信的示例性示意图。
图4b)是根据本发明的各种实施方式的具有差分路径失配补偿电路的主设备的示例性示意图。
图5是根据本发明的各种实施方式的线路侧设备内的收发器经由电阻器电容器(RC)差分路径与主设备内的主收发器进行通信的另一示例性示意图。以及
图6是根据本发明的各种实施方式的用于主设备与线路侧设备之间的通信的接口字(interface word)的示例性数据结构。
本领域技术人员将会认识到的是,可以根据说明书对本发明的各种实现和实施方式进行实践。所有这些实现和实施方式意在被包括在本发明的范围内。
具体实施方式
在以下描述中,出于说明的目的,阐述了具体细节以提供对本发明的理解。然而,可以在不具有这些细节中的一些或全部的情况下对本发明进行实践。下面描述的本发明的实施方式可以被合并入多个不同电气部件、电路、设备和系统中。在框图中所示的结构和设备是对本发明的示例性实施方式的说明,并且不被用作模糊本发明的广泛教示的借口。附图内的部件之间的连接不意在被限制为直接连接。相反,部件之间的连接可以被修改、被重新形成或者以其它方式被中间部件所改变。
当说明书提及“一个实施方式”或提及“实施方式”时,意指结合正在讨论的实施方式所描述的特定特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个预期的实施方式中。因此,短语“在一个实施方式中”在说明书中的不同地方的出现不构成对本发明的单个实施方式的多次提及。
本发明的各种实施方式用于经由差分耦合路径在主设备与线路侧设备之间的通信。线路侧设备耦接至AC电力线,以使用各种传感器(诸如分压器、分流电阻器和/或罗柯夫斯基线圈等)来提取包括电压信号和电流信号的测量信号。通过线路侧设备内的内部A/D转换器将提取到的电压信号和电流信号转换成数字信号,然后通过耦接在主设备与线路侧设备之间的差分耦合路径将所述数字信号发送至主设备。主设备可以经由多个差分耦合路径而耦接至一个或更多个线路侧设备,其中,各个差分耦合路径是相同或不同的。此外,收发器作为接口被合并在线路侧设备和主设备内,以与差分耦合路径进行通信。
图1示出了根据本发明的实施方式的电力测量系统100的示意图。系统包括至少一个传感器104、线路侧设备200、主设备400以及耦接在线路侧设备200与主设备400之间的差分耦合路径300。传感器104是单个传感器或传感器对。在一个实施方式中,传感器104可以包括电流传感器(例如分流器、罗柯夫斯基线圈、电流变压器等),用于感测流过电力线102的电流。在另一实施方式中,传感器104还可以包括电压传感器(例如分压器等),其耦接在电力线与中性线(或者地,未在图1中示出)之间,以测量电力线102的电压。传感器104将传感器输出信号114(测得的电压信号和/或电流信号)发送至线路侧设备200。线路侧设备200经由双向差分耦合路径300与主设备400进行通信。虽然被称为线路侧设备和主设备,但是名称仅是指示,而不意在限定设备的位置。另外,系统的各个部分可以被合并至同一或单独的壳体、板和/或芯片中。
线路侧设备200包括至少一个模数转换器210和收发器220。模数转换器210直接地或间接地接收传感器输出信号114(测得的电压信号和电流信号),并且将信号转换为数字信号212。数字信号212然后被发送至收发器220,收发器220将数字信号212经由差分耦合路径300传输至主侧设备400内的主收发器420。
主设备400包括主收发器420和信号处理电路430。主收发器420向线路侧设备200发送请求并且接收来自线路侧设备200的数据。信号处理电路430与主收发器420进行通信,并且确定指示电力使用的输出440,以用于进一步使用,例如,用于通过显示设备进行显示或用于与电源供应器进行通信。
差分耦合路径300是包括一对耦合链路的差分路径。收发器220和主收发器420响应于耦合链路之间的电压差。差分耦合路径的适用在消除共模信号干扰上是有效的。虽然如图1的示例所示的差分耦合路径是双向路径,但是要理解的是,可以针对耦合路径来实现各种其它实施方式。例如,差分耦合路径可以为单向差分链路,使得线路侧设备总是发送信号而主设备总是接收信号。在单向差分链路的情况下,收发器220实际上起到发送器的作用(或可以被发送器取代),并且主收发器420实际上起到接收器的作用(或者可以被接收器取代)。
在一个实施方式中,差分耦合路径300是在每个耦合链路上仅具有电容器部件的差分路径。在另一实施方式中,差分耦合路径300是在每个耦合链路上具有电阻器部件和电容器部件二者的差分路径。优选地,两个耦合链路的电阻值和电容值对于最优的共模信号衰减是相同的。实际上,两个耦合链路的电阻值和电容值由于工程公差的存在而是稍微失配的。电阻值的失配百分比可以与电容值的失配百分比相同或不相同。小的失配并不显著地影响跨耦合路径的共模信号衰减。
图2示出了根据本发明的各种实施方式的主侧设备经由多个差分耦合路径与一个或更多个线路侧设备进行通信的示例性示意图。主设备400分别经由差分耦合路径300a、300b和300c与线路侧设备200a、200b和200c进行通信。每个路径均是具有一对电阻器电容器(RC)耦合链路的差分路径。两个RC耦合链路的电阻值和电容值对于最优的共模信号衰减是相同的。每个线路侧设备(200a、200b或200c)以不同的时间间隔与主设备400进行通信,使得该线路侧设备之间不存在干扰。可以通过主设备400以预定方式或动态方式来实现每个线路侧设备的通信间隔的协调。虽然如图2所示在每个耦合链路中,每个耦合链路仅具有一个电容器,但是要理解的是,电容器可以为包括串联连接的、并联连接的和/或混合连接的多个电容器的等效电容器。
图3是根据本发明的各种实施方式的线路侧设备的示例性示意图。线路侧设备200包括一对放大器201和202,其分别经由端口VP/VN来接收测得的电压信号并且经由端口IP/IN来接收测得的电流信号。A/D转换器210a和210b接收来自放大器201和202的输出,并且生成一对数字信号211a和211b,一对数字信号211a和211b被直接地或者经由可选的双SINC有限脉冲响应(FIR)滤波器230发送至I/O逻辑电路240。I/O逻辑电路240耦接至收发器220,以向主设备传输数据或者接收来自主设备的数据。在一个实施方式中,线路侧设备200包括锁相环(PLL)250,其耦接至I/O逻辑电路240并且操作以向A/D转换器210a和210b、FIR滤波器230以及需要时钟信号输入的其它部件提供时钟信号。I/O逻辑电路240可以包括微处理器(或者微控制器电路)和高速缓冲存储器(或者内部存储器,以存储数据和由逻辑电路240可执行的预加载操作逻辑)。
在一些实施方式中,收发器220包括一对发送器放大器221和222、一对接收器放大器223和224。当收发器220向主设备400传输数据时,一对发送器放大器221和222主动地耦接至差分耦合路径300。当收发器220接收来自主设备400的数据时,一对接收器放大器223和224主动地耦接至差分耦合路径300。
在一些实施方式中,线路侧设备200包括电压调节器260,其向线路侧设备200提供电源。外部稳压器电路262(例如齐纳二极管调节器)耦接在电力线与中性线之间,以向电压调节器260提供原电压源。电压调节器260生成从原电压源输出的高精确度3.3V电压,以向线路侧设备200供电。虽然针对齐纳二极管调节器来描述,但是本领域技术人员根据本文中的公开内容将会理解的是,各种其它电压调节器也可以与本公开内容一起使用。
图4a)是根据本发明的各种实施方式的线路侧设备200内的收发器220经由差分耦合路径300与主设备400内的主收发器420进行通信的示例性示意图。与线路侧设备200内的收发器220类似,主收发器420包括分别用于对发送信号和接收信号进行放大的主发送器放大器422和主接收器放大器424。
差分路径300包括第一耦合链路310和第二耦合链路320。收发器220和主收发器420响应于耦合链路之间的电压差。每个耦合链路均包括电阻器和电容器。优选地,第一耦合链路310的电阻器312和电容器314与第二耦合链路320的电阻器322和电容器324相同。实际上,第一耦合链路310的电阻器312和电容器314由于工程公差的存在而与第二耦合链路320的电阻器322和电容器324稍微失配。电阻值的失配百分比可以与电容值的失配百分比相同或不相同。例如,耦合链路上的电阻器失配了2%,而耦合链路上的电容器失配了5%。即使在小的失配的情况下,跨耦合路径的共模信号衰减仍在接受范围内。在一些实施方式中,在针对实际失配百分比的确定而采用实际差分路径之后,对第一耦合链路310和第二耦合链路320的参数进行测量。主收发器可以在考虑实际失配百分比的情况下补偿接收到的差分信号。
图4b)示出了根据本发明的各种实施方式的具有耦接至差分路径300的差分路径失配补偿电路460的主设备之内的示例性示意图。失配补偿电路460包括耦接至第一耦合链路310的第一可调谐电容器462和耦接至第二耦合链路320的第二可调谐电容器464。在一些实施方式中,第一可调谐电容器462与现有的耦合电容器461并联连接,并且具有比电容器461小的电容。类似地,第二可调谐电容器464与现有的耦合电容器463并联连接,并且具有比电容器463小的电容。例如,电容器461和电容器463具有10pf的电容。电容器462和电容器464具有1.4pf的电容。电容器462和电容器464二者均具有可变电容,使得两个电容器对的总体电容可以被调节,以平衡两个耦合链路之间的不可避免的失配。在一个实施方式中,具有可变电容的每个电容器是n位二进制加权电路,并且将二进制值存储在主设备400内的存储器中。在操作中,共模电压被施加于主设备400,并且对可变电容值进行编程,以使得差分比较器(主接收器放大器424)不响应于共模信号。虽然图4b)是针对耦接至各个差分链路的具有可变电容的电容器进行描述的,但是本领域技术人员将会理解的是,可以实现各种其它配置。例如,失配补偿电路460可以仅使用可调谐电阻器或可调谐电感器,而不使用可调谐电容器。失配补偿电路460还可以使用不同类型的可调谐元件的组合,以平衡差分路径失配。
当收发器220向主设备400传输数据时,发送器放大器(221和222)主动地耦接至差分耦合路径300。当收发器220接收来自主设备400的数据时,接收器放大器(223和224)主动地耦接至差分耦合路径300。类似地,当主收发器420向线路侧设备200传输数据时,主发送器放大器422主动地耦接至差分耦合路径300。当主收发器420接收来自线路侧设备200的数据时,主接收器放大器424主动地耦接至差分耦合路径300。
在一些实施方式中,收发器220包括一对耦合电阻器225和226,其分别耦接至第一耦合链路310和第二耦合链路320。类似地,主收发器420包括一对主耦合电阻器425和426,其分别耦接至第一耦合链路310和第二耦合链路320。耦合电阻器(225和226)以及主耦合电阻器(425和426)的电阻值小于耦合路径中的电阻器的电阻值,优选地小了若干个数量级。例如,耦合电阻器(225和226)以及主耦合电阻器(425和426)是2000Ω,而耦合路径中的电阻器为大约200kΩ。当信号通过具有足够高的频率(例如4Mb/s)的耦合路径来传输时,耦合链路上的电容器基本上可以被视为交流短路。差分信号将以接收设备(线路侧设备或主设备)上的耦合电阻器与耦合路径中的电阻器之比而被衰减。在上述电阻器参数的情况下,差分信号将被衰减100倍(200kΩ/2000Ω)。共模信号也将被衰减这个比率。如果线路上存在50V的共模,则其将被衰减降至0.5V。差分信号也将被衰减并且将为3v/100=30mV。这限定了对于比较器的灵敏度需求。
在一些实施方式中,当线路侧设备200或主设备400进行操作以接收信号时,耦合电阻器(225和226)以及主耦合电阻器(425和426)仅与差分耦合路径300耦接。对耦合间隔的控制可以经由布置在耦合电阻器(或主耦合电阻器)与地之间的可控开关来实现。在一些实施方式中,内部高通滤波器被集成在接收器放大器和主接收器放大器内,以使从差分耦合路径传输的信号的低频分量进一步衰减。
图5是根据本发明的各种实施方式的线路侧设备200内的收发器220经由差分耦合路径300与主设备400内的主收发器420进行通信的另一示例性示意图。与图4所示的示意图相比,图5的示意图进一步包括箝位电路500,该箝位电路500包括分别经由电阻器512和电阻器514耦接至耦合链路310和320两者的金属氧化物变阻器(MOV)510。在一个实施方式中,电阻器512和电阻器514具有相同的20kΩ的电阻,其为电阻器312(或322)的额定电阻的1/10。MOV 510还连接至主设备400的地端口450。
特别是当在线路侧设备200上不存在浪涌保护时,MOV 510和电阻器512、514对主设备400提供额外的浪涌保护。来自雷击的浪涌可以为70us宽且7kV高。MOV对主设备400提供有效的浪涌保护,并且与7kV的额定电容器相比,MOV更具有经济性。
通常,MOV针对最低可能的焦耳额定值具有等效的100kΩ的内部串联电阻。20kΩ的电阻器(电阻器512、514)防止MOV的近似100pf的电容使高频数据流衰减。电阻器将引起至地端口450的信号的近似10%的损失。20kΩ的电阻器(电阻器512、514)的最终的电力额定值取决于浪涌规格、MOV箝位电压以及电容器额定值。该电路容许MOV泄漏,直到其变成穿过势垒的不可接受的泄漏为止。MOV泄漏电流包含干线频率分量,并且需要在线路侧设备200上被仔细处理。
图6是根据本发明的各种实施方式的用于主设备与线路侧设备之间的通信的接口字的示例性数据结构。在一个实施方式中,主设备与线路侧设备之间的通信是经由曼彻斯特码来实现的。曼彻斯特编码是其中对每个数据位的编码具有至少一个跳变并且占用相同时间的线路码。曼彻斯特编码不具有DC分量,因而可以被电感性地或电容性地耦合。本领域技术人员将会认识到,也可以针对主设备400与线路侧设备200之间的通信来实践各种其它调制和编码实现。
在一个实施方式中,曼彻斯特位率是10MHz。每个位均包含两个状态序列:0-01和1-10。由于差分地发送曼彻斯特数据,所以可以通过将两个发送器(TX)引脚驱动为0来发送第三值(“中”尺度信号)。这是TX在转向(turning around)期间所发送的值。
还定义了低频侧信道,通过该低频侧信道,主设备400向线路侧设备200发送配置命令,并且线路侧设备200向主设备400发送温度信息和其它状态信息。
参照图6,基本通信信道包含具有多个位的连续发送的字。每个字均包含来自N个远程设备(线路侧设备200)的ADC调制器结果。每个字还均包含同步模式和双向侧信道。
在操作期间,线路侧设备200与主设备400之间的通信易受各种损害的影响。通信需要为足够鲁棒的以经受住该损害。下面的表1列出了针对线路侧设备200与主设备400之间的通信的若干个主要的损害以及系统的鲁棒性。
表1通信损害和系统鲁棒性
利用线路侧设备200与主设备400之间的差分耦合链路,特别是在包含所要求保护的电路500的情况下,电力测量系统100对于大多数损害而言是足够鲁棒的。
出于清楚理解的目的已经描述了本发明的前述说明。并非意在将本发明限制于所公开的确切形式。在本申请的范围和等同方案内的各种修改可以是可能的。
Claims (20)
1.一种用于电力测量的方法,所述方法包括:
将线路侧设备耦接至电力网以提取测量信号,所述测量信号包括电压信号和电流信号;
将所述测量信号转换成数字信号;以及
经由耦接在主设备与所述线路侧设备之间的差分耦合路径将所述数字信号发送至所述主设备。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述差分耦合路径是包括两个耦合链路的差分电阻器电容器(RC)耦合路径,其中,每个耦合链路均包括串联连接的电阻器和电容器。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述差分耦合路径是差分电容器耦合路径,其中,所述耦合路径包括两个电容耦合链路。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述主设备向接收到的数字信号提供失配补偿,以对所述差分耦合路径内的参数失配进行补偿。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述线路侧设备包括至少两个A/D转换器、接收来自所述A/D转换器的输出的I/O逻辑模块以及耦接至所述A/D转换器的收发器,所述收发器向所述主设备传输数据。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,所述收发器包括耦合电阻器对,所述耦合电阻器对仅在所述收发器处于接收器模式以接收来自所述主设备的信号时才耦接至所述差分耦合路径。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述主设备包括主耦合电阻器对,所述主耦合电阻器对仅在所述主设备处于接收器模式以接收来自所述线路侧设备的信号时才耦接至所述差分耦合路径。
8.一种用于电力测量的系统,所述系统包括:
线路侧设备,其耦接至电力网以提取测量信号,所述线路侧设备将所述测量信号转换成数字信号;
主设备,其与所述线路侧设备进行通信;以及
差分耦合路径,其耦接在所述主设备与所述线路侧设备之间,所述差分耦合路径包括两个耦合链路。
9.根据权利要求8所述的系统,其中,所述测量信号包括用电压传感器测量的电压信号和用电流传感器测量的电流信号。
10.根据权利要求8所述的系统,其中,每个耦合链路均包括串联连接的电阻器和电容器。
11.根据权利要求10所述的系统,其中,所述线路侧设备包括至少两个A/D转换器、接收来自所述A/D转换器的输入的I/O逻辑模块以及耦接至所述A/D转换器的收发器,所述收发器向所述主设备传输数据。
12.根据权利要求11所述的系统,其中,所述收发器包括一对耦合电阻器,所述一对耦合电阻器仅在所述收发器处于接收器模式以接收来自所述主设备的信号时才耦接至所述差分耦合路径。
13.根据权利要求12所述的系统,其中,所述耦合电阻器的电阻值小于所述耦合链路的电阻器的电阻值。
14.根据权利要求10所述的系统,其中,所述主设备包括一对主耦合电阻器,所述一对主耦合电阻器仅在所述主设备处于接收器模式以接收来自所述线路侧设备的信号时才耦接至所述差分耦合路径。
15.根据权利要求14所述的系统,其中,所述主耦合电阻器的电阻值小于所述耦合链路的电阻器的电阻值。
16.根据权利要求11所述的系统,其中,所述线路侧设备的收发器包括一对发送器放大器和一对接收器放大器,当所述收发器向所述主设备传输数据时,所述一对发送器放大器主动地耦接至所述差分耦合路径,当所述收发器接收来自所述主设备的数据时,所述一对接收器放大器主动地耦接至所述差分耦合路径。
17.根据权利要求8所述的系统,其中,所述主侧设备包括主发送器放大器和主接收器放大器,分别用于对来自所述主侧设备的发送信号和来自所述线路侧设备的接收信号进行放大。
18.根据权利要求9所述的系统,进一步包括:耦接至所述差分耦合路径的箝位电路,所述箝位电路包括通过一对电阻器而耦接至每个耦合链路的金属氧化物变阻器(MOV)。
19.一种用于电力测量的系统,所述系统包括:
一个或更多个线路侧设备,每个线路侧设备均耦接至电力网,以提取所述电力网的测量信号并且将所述测量信号转换成数字信号,所述测量信号包括用电压传感器测量的电压信号和用电流传感器测量的电流信号;以及
主设备,其利用一个或更多个差分耦合路径与所述一个或更多个线路侧设备进行通信,每个差分耦合路径耦接在所述主设备与一个线路侧设备之间,每个差分耦合路径均包括两个耦合链路,其中,每个链路均包括串联连接的电阻器和电容器。
20.根据权利要求19所述的系统,其中,每个线路侧设备在不同的时间间隔处与所述主设备进行通信,所述主设备以预定方式或动态方式来协调针对每个线路侧设备的通信间隔。
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