CN107623536B - 一种抑制电力载波信号衰减的装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种抑制电力载波信号衰减的装置，包括环形磁芯、第一线圈、第二线圈、第三线圈、磁通量监测模块、磁通量反向补偿模块；第一线圈、第二线圈、第三线圈绕在磁芯上，第二线圈的两个抽头连接磁通量监测模块的输入端，磁通量监测模块的输出端连接磁通量反向补偿模块的输入端，磁通量反向补偿模块的输出端连接第三线圈的两个抽头，第一线圈的两个抽头连接在电力线路中；频率为50Hz的电力信号流经第一线圈后会产生一个磁通量，电力信号不会在第一线圈两端产生压降与损耗；对频率不是50Hz的电力载波信号，磁通量监测模块不处理，第一线圈对其会产生一个感抗XL＝2πfL，阻碍电力载波信号顺利通过。本发明能有效抑制电力载波信号衰减。

Description

一种抑制电力载波信号衰减的装置

技术领域

本发明涉及电力载波通讯技术领域，具体涉及一种抑制电力载波信号衰减的装置。

背景技术

电力载波通讯(Power line Communication简称PLC)是利用电力线做为信息传输介质，将所需要传递的信息进行高速传输的技术，其具有高可靠性、抗破坏能力强、不用架设专用线路的特点而得到迅猛发展，这种通讯方式目前广泛应用于电力部门自动化管理中电能表低压集抄系统、家庭智能化通信中载波路由通信等方面。众多生产厂商已推出了各种型号的载波通讯电能表、载波采集终端器、载波集中器、载波路由器、电力猫等终端设备供用户使用，载波电能表低压集抄系统目前在电力管理部门已获得了大面积的应用。

在电力部门的实际应用过程中发现，目前我国对接入电网的电器设备对电网产生的污染没有强制标准，导致低压电网污染严重，加之用户负荷中常见的洗衣机、电视机、日光灯、电吹风、电冰箱、空调、电梯等用电设备会使电力线路的输入阻抗、负荷发生改变，从而使电力载波信号发生严重的畸变及衰减，导致通信失败，抄表成功率低。

无论是生产商还是现场施工人员一旦发现此问题，一般采取以下途径来解决：

1、加大载波发射单元的信号强度；

2、在电能表和采集器之间增加中继器；

3、通过路由算法来解决；

4、择时抄表，一般情况下，在午夜时分，用户负荷大部分都已停止工作，电网上的各种干扰信号显著减少，抄表成功率较高。

对于第一种解决办法，因国家对载波单元输入电力线路的载波信号强度有限值要求，不能无限制提高，再加之电网用户负荷的影响，效果也不是很好。

对于第二种解决办法，需要增加施工成本。

对于第三种解决办法，适用于用户电能表分布密集的情况，每个用户的电能表都被设置成可承担中继功能的电能表，相互之间进行接力传递。如果用户电能表比较分散，则起不到作用。

对于第四种解决办法，有些电力管理部门规定，在采集器中设置采集周期，采集器按采集周期进行自动抄表，如果抄收不成功，就在下一个采集周期再次抄收，一天24小时内只要有任何一次抄收成功，当日就停止抄收。这虽让能实现冻结电量的抄收，但不能实现用户用电参数实时监测与抄收，只是一种变通办法。

发明内容

我们发现传统解决载波通讯质量的手段主要是增加通讯的信号的强度，增加信号中继，加大信号输入强度，提高接收灵敏度等等。本发明的思想是：在现有信号强度情况下，优化信号传输通道，使其更加适合信号的传输，降低传输损耗，提高信噪比，从而提高载波通讯质量。

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提出一种抑制电力载波信号衰减的解决方案，使抄表成功率得以大幅提高，基本上可实现在任意时刻实时监测与抄收。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种抑制电力载波信号衰减的装置，其包括磁芯、第一线圈、第二线圈、第三线圈、磁通量监测模块、磁通量反向补偿模块；

第一线圈、第二线圈、第三线圈绕在磁芯上，第二线圈的两个抽头连接磁通量监测模块的输入端，磁通量监测模块的输出端连接磁通量反向补偿模块的输入端，磁通量反向补偿模块的输出端连接第三线圈的两个抽头，第一线圈的两个抽头连接在电力线路中；

频率为50Hz的电力信号流经第一线圈后会产生一个磁通量，该磁通量会在第一线圈上产生一个反向电势E1，该磁通量同样会在第二线圈上产生感应电压信号，磁通量监测模块实时监测该感应电压信号,磁通量反向补偿模块将该感应电压信号做反相、放大处理，给第三线圈施加一个和反向电势E1大小相等、方向相反的电压信号E2，从而抵消电力信号在第一线圈上产生的反向电势E1，使E1和E2的矢量和为零，从而确保电力信号不会在第一线圈两端产生压降与损耗；

对于频率不是50Hz的电力载波信号，第一线圈对其会产生一个感抗X_L＝2πfL，阻碍电力载波信号顺利通过。

优选的，所述磁芯为环形磁芯。

进一步地，所述磁通量监测模块包括第二放大器，第二放大器的反相输入端通过第六电阻连接第二放大器的输出端，第二放大器的反相输入端通过第四电阻连接第四电容的一端，第四电容的另一端通过第七电阻连接第二放大器的正相输入端，第四电容的一端通过第五电阻连接第三电容的一端，第三电容的另一端连接第四电容的另一端并接地，第三电容的一端通过第二电感连接第二线圈的一个抽头，第三电容的另一端连接第二线圈的另一个抽头。

进一步地，所述磁通量反向补偿模块包括第一放大器，第一放大器的正相输入端通过第二电阻连接到连接器P1的AGND端，第一放大器的正电源端连接到连接器P1的+12V端，第一放大器的负电源端连接到连接器P1的-12V端，第一放大器的反相输入端通过第三电阻连接第二放大器的输出端，第一放大器的反相输入端通过第一电阻连接第一放大器的输出端，第一放大器的反相输入端通过第一电容连接第一放大器的输出端，第一放大器的输出端通过第三电感连接第二电容的一端，第二电容的一端通过第一电感连接第三线圈的一个抽头，第二电容的另一端连接第三线圈的另一个抽头并接地。

进一步地，所述第一线圈的匝数为1。

一种抑制电力载波信号衰减的方法，在载波终端和用户负载之间增加所述信号控制单元。

一种抑制电力载波信号衰减的方法，在载波终端和用户负载之间增加磁珠。

一种抑制电力载波信号衰减的方法，在载波终端和用户负载之间增加电抗器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明能有效抑制电力载波信号衰减，保证载波信号在载波终端之间进行顺利、可靠地传递；

本发明也可解决载波路由器断网掉线的问题；

本发明不仅可用于电能表低压集抄系统的实时集抄，凡是以电力网作为通信载体进行通信的情况都适用；

本发明效果明显、结构简单、成本低廉，还可用于高压电力线路中，以取代传统的造价高昂、占用面积大、体积笨重且效果欠佳的载波阻波器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是采用电力载波通信的电路示意图；

图2是本发明抑制电力载波信号衰减解决方案实施例1的电路示意图；

图3是本发明信号控制单元的结构示意图；

图4是本发明磁通量监测模块和磁通量反向补偿模块的电路原理图；

图5是本发明抑制电力载波信号衰减解决方案实施例2的电路示意图；

图6是本发明抑制电力载波信号衰减解决方案实施例3的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

经过大量地研究发现，电力载波通信失败的主要原因如下：电力载波终端发送的载波信号通过耦合电路发送到电力线路中后，在用户负载、干扰信号、线路阻抗等因素的影响下，载波信号电平大幅度衰减，在接收端，载波信号电平已经非常小甚至为零，从而导致通信失败。而这几个影响因素中，起决定作用的是用户负载对载波信号的消耗。

如图1所示，以低压线路为例，Ri代表用户负载，加在电力线路中有两个交流信号，一个是AC220V/50Hz电力信号，另一个是载波终端1和载波终端2在交互通信时发出的电力载波信号，电力载波信号的频率视载波模块的类型而定，窄带载波信号的频率范围一般在1KHz～500KHz；宽带载波信号的频率范围一般在1MHz～30MHz；由图1可以看出，由于用户负载的存在，AC220V/50Hz交流信号在用户负载上要消耗能量，同样，电力载波信号PLC同样要消耗能量，AC220V/50Hz有足够的功率设计与用户负载相匹配,使用户负载正常工作。而载波信号是借助于电力线路来进行通信的，其信号发射功率国家有严格的规定，不可能像AC220V/50Hz信号那样和用户负载相匹配，所以，载波信号一旦发送到电力线路中，遇到用户负载，便会产生能耗，迅速衰减，衰减后的电平难以被终端检测到并有效识别，从而造成两个终端之间不能正常通信。

针对此种情况，本发明提出了一种解决方案，如图2所示。

在载波终端和用户负载之间增加一个信号控制单元作为抑制电力载波信号衰减的装置，这个信号控制单元随时对电力线路上的交流信号进行监测并启动相关电路，对于AC220V/50Hz的交流信号，此信号控制单元相当于一个直通开关，而对于非50Hz的其它交流信号，此信号控制单元相当于一个断开的开关，那么，除了AC220V/50Hz的交流信号，载波信号就不会受用户负载的影响，不会在用户负载上消耗能量，也就不会产生衰减，载波信号在电力线路上保持足够的信号强度从而保证两个终端之间可靠通信。

信号控制单元由环形磁芯、第一线圈N1、第二线圈N2、第三线圈N3、磁通量监测模块、磁通量反向补偿模块组成,如图3所示。

本发明提供一种抑制电力载波信号衰减的信号控制单元，包括环形磁芯、第一线圈N1、第二线圈N2、第三线圈N3、磁通量监测模块及磁通量反向补偿模块。

第一线圈N1、第二线圈N2、第三线圈N3绕在环形磁芯上，第二线圈N2的两个抽头连接磁通量监测模块的输入端，磁通量监测模块的输出端连接磁通量反向补偿模块的输入端，磁通量反向补偿模块的输出端连接第三线圈N3的两个抽头，第一线圈N1的两个抽头连接在电力线路中。

对于AC220V/50Hz信号而言，在电力线路中串入一个电感线圈N1，通常情况下这个线圈的匝数为1，AC220V/50Hz交流信号流经这个线圈前的电压为U1，流经这个线圈后的电压为U2，根据磁感应原理，AC220V/50Hz交流信号流经这个线圈后会产生一个磁通量，这个磁通量会在N1上产生一个反向感应电势E1叠加在原信号中，从而使U2＝U1-E1﹤U1，那么，到达用户负荷的电压就低于其额定电压，会使用户负载不能正常工作，这无论是对电力管理部门还是用户来讲都是不能接受的。

为此，本发明专门设置了一个感应线圈N2，AC220V/50Hz在N1产生的磁通量同样会在N2上产生感应电压信号，磁通量监测模块会监测到这个电压信号,磁通量反向补偿模块会将这个电压信号做反相、放大处理，给线圈N3施加一个和E1大小相等，方向相反的电压信号E2，从而抵消AC220V/50Hz在N1上产生的反向电势E1，使E1和E2的矢量和为零，即E1+E2＝0。进一步，使U2＝U1，那么对于电感线圈N1来说，相当于一个匝数为1的空心线圈，AC220V/50Hz交流信号可以不受阻碍的顺利通过，也不会在N1两端产生压降与损耗。

对于电力载波信号，其载波频率范围在1kHz～30MHz之间，针对这类信号，磁通量监测模块不予处理，线圈N1对其会产生一个感抗XL＝2πfL，阻碍信号顺利通过。信号频率愈大，感抗愈大。由于载波信号无法通过这个线圈，也就不会到达用户负载，更不会在用户负载上产生衰减，从而保证载波信号在载波终端之间顺利传递可靠的进行传递。

如图4所示，所述磁通量监测模块包括第二放大器U1B，第二放大器U1B的反相输入端通过第六电阻R6连接第二放大器U1B的输出端，第二放大器U1B的反相输入端通过第四电阻R4连接第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端通过第七电阻R7连接第二放大器U1B的正相输入端，第四电容C4的一端通过第五电阻R5连接第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端连接第四电容C4的另一端并接地，第三电容C3的一端通过第二电感L2连接第二线圈N2的一个抽头，第三电容C3的另一端连接第二线圈N2的另一个抽头。

所述磁通量反向补偿模块包括第一放大器U1A，第一放大器U1A的正相输入端通过第二电阻R2连接到连接器P1的AGND端，第一放大器U1A的正电源端连接到连接器P1的+12V端，第一放大器U1A的负电源端连接到连接器P1的-12V端，第一放大器U1A的反相输入端通过第三电阻R3连接第二放大器U1B的输出端，第一放大器U1A的反相输入端通过第一电阻R1连接第一放大器U1A的输出端，第一放大器U1A的反相输入端通过第一电容C1连接第一放大器U1A的输出端，第一放大器U1A的输出端通过第三电感L3连接第二电容C2的一端，第二电容C2的一端通过第一电感L1连接第三线圈N3的一个抽头，第二电容C2的另一端连接第三线圈N3的另一个抽头并接地。

经过大量现场试验，证明此方法完全可以解决载波通讯成功率低、不稳定的情况。

信号控制单元可以当做一个产品用于本发明所述之目的，还可以作为一个配件安装在电能表、断路器、配网柜等设备中，实现同样的目的。

由于本发明效果明显、结构简单、成本低廉，还可用于高压电力线路中，以取代传统的造价高昂、占用面积大、体积笨重且效果欠佳的载波阻波器。

交流电的频率范围是50Hz～60Hz,本发明中所述的50Hz实际上是50Hz～60Hz。

实施例2

如图5所示，在载波终端和用户负载之间增加磁珠，磁珠会对载波信号产生阻抗，实现避免载波信号在用户负载上产生衰减的目的。

实施例3

如图6所示，在载波终端和用户负载之间增加电抗器，电抗器会对载波信号产生阻抗，实现避免载波信号在用户负载上产生衰减的目的。

以上实施方式只是本发明之装置的有限运用。事实上，本发明不仅可用于电能表低压集抄系统的实时集抄，凡是以电力网作为通信载体进行通信的情况均可适用。例如：由于本发明效果明显、结构简单、成本低廉，还可用于高压电力线路中，以取代传统的造价高昂、占用面积大、体积笨重且效果欠佳的载波阻波器。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种抑制电力载波信号衰减的装置，其特征在于，所述装置连接于载波终端和用户负载之间，包括环形磁芯、第一线圈、第二线圈、第三线圈、磁通量监测模块、磁通量反向补偿模块；

第一线圈、第二线圈、第三线圈绕在磁芯上，第二线圈的两个抽头连接磁通量监测模块的输入端，磁通量监测模块的输出端连接磁通量反向补偿模块的输入端，磁通量反向补偿模块的输出端连接第三线圈的两个抽头，第一线圈的两个抽头连接在电力线路中；

频率为50Hz的电力信号流经第一线圈后会产生一个磁通量，该磁通量会在第一线圈上产生一个反向电势E1，该磁通量同样会在第二线圈上产生感应电压信号，磁通量监测模块实时监测该感应电压信号,磁通量反向补偿模块将该感应电压信号做反相、放大处理，给第三线圈施加一个和反向电势E1大小相等、方向相反的电压信号E2，从而抵消电力信号在第一线圈上产生的反向电势E1，使E1和E2的矢量和为零，从而确保电力信号不会在第一线圈两端产生压降与损耗；

对于频率不是50Hz的电力载波信号，磁通量监测模块不予处理，第一线圈对其会产生一个感抗X_L＝2πfL，阻碍电力载波信号顺利通过。

2.根据权利要求1所述的抑制电力载波信号衰减的装置，其特征在于，所述磁通量监测模块包括第二放大器，第二放大器的反相输入端通过第六电阻连接第二放大器的输出端，第二放大器的反相输入端通过第四电阻连接第四电容的一端，第四电容的另一端通过第七电阻连接第二放大器的正相输入端，第四电容的一端通过第五电阻连接第三电容的一端，第三电容的另一端连接第四电容的另一端并接地，第三电容的一端通过第二电感L2连接第二线圈的一个抽头，第三电容的另一端连接第二线圈的另一个抽头。

3.根据权利要求2所述的抑制电力载波信号衰减的装置，其特征在于，所述磁通量反向补偿模块包括第一放大器，第一放大器的正相输入端通过第二电阻连接到连接器P1的AGND端，第一放大器的正电源端连接到连接器P1的+12V端，第一放大器的负电源端连接到连接器P1的-12V端，第一放大器的反相输入端通过第三电阻连接第二放大器的输出端，第一放大器的反相输入端通过第一电阻连接第一放大器的输出端，第一放大器的反相输入端通过第一电容连接第一放大器的输出端，第一放大器的输出端通过第三电感L3连接第二电容的一端，第二电容的一端通过第一电感L1连接第三线圈的一个抽头，第二电容的另一端连接第三线圈的另一个抽头并接地。

4.根据权利要求1所述的抑制电力载波信号衰减的装置，其特征在于，所述第一线圈的匝数为1。

Images