CN108494439A - 直流plc中继装置、系统和汇流箱 - Google Patents

Abstract

本申请公开了直流PLC中继装置、系统和汇流箱，以提高设备间远距离通信时的直流PLC通信质量。该装置包括二端口网络和控制器；端子1和端子1′构成二端口网络的一个端口P1，端子2和端子2′构成其另一端口P2；二端口网络内包含电容模块C和两个PLC收发器T1、T2；C的正极连接端子1和端子2，C的负极连接端子1′和端子2′；T1设置在C与P1间的直流电力线上，T2设置在C与P2间的直流电力线上；T1和T2的弱电端接该控制器；该控制器将T1从直流电力线上采集的信号进行解调调制后发给T2，由T2发到直流电力线上；和/或该控制器将T2从直流电力线上采集的信号进行解调调制后发给T1，由T1发到直流电力线上。

Description

直流PLC中继装置、系统和汇流箱

技术领域

本发明涉及直流PLC技术领域，更具体地说，涉及直流PLC中继装置、系统和汇流箱。

背景技术

直流PLC通信(Power Line Carrier Communication，电力线载波通信)是以直流电力线作为载波信号的传输媒介的通信方式，可以用于具有直流电力线相互连接的设备之间的通信。例如，在光伏系统中，安装在光伏组件端的功率优化器与安装在并网点端的逆变器之间，可以通过直流PLC通信来进行通信；在储能系统中，安装在同一个直流母线上的蓄电池与储能变流器之间可以进行直流PLC通信等。

但是，当设备间通讯距离较远时，较长的直流电力线的寄生参数所引入的传输线效应会影响直流PLC通信质量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了直流PLC中继装置、系统和汇流箱，以提高设备间远距离通信时的直流PLC通信质量。

一种直流PLC中继装置，包括二端口网络和控制器，其中：

端子1和端子1′构成所述二端口网络的一个端口P1，端子2和端子2′构成所述二端口网络的另一端口P2；

所述二端口网络内包含电容模块；所述电容模块的正极连接所述端子1和所述端子2，所述电容模块的负极连接所述端子1′和所述端子2′；

所述二端口网络内还包含第一PLC收发器和第二PLC收发器；所述第一PLC收发器设置在所述电容模块与所述端口P1之间的直流电力线上；所述第二PLC收发器设置在所述电容模块与所述端口P2之间的直流电力线上；

所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器的弱电端连接所述控制器；所述控制器用于将所述第一PLC收发器从直流电力线上采集到的信号进行解调、调制后，发送给所述第二PLC收发器，由所述第二PLC收发器发送到直流电力线上；和/或，所述控制器用于将所述第二PLC收发器从直流电力线上采集到的信号进行解调、调制后，发送给所述第一PLC收发器，由所述第一PLC收发器发送到直流电力线上。

可选的，所述第一PLC收发器，设置在所述电容模块的正极与所述端子1之间的直流电力线的主干路或电容支路上，或者，设置在所述电容模块的负极和所述端子1′之间的直流电力线的主干路或电容支路上；

所述第二PLC收发器，设置在所述电容模块的正极与所述端子2之间的直流电力线的主干路或电容支路上，或者，设置在所述电容模块的负极和所述端子2′之间的直流电力线的主干路或电容支路上。

可选的，所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器为基于电磁感应效应的器件。

可选的，所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器为电感、电阻、电容中的一种或任意几种的组合。

可选的，所述电容模块采用一个电容实现；

或者，所述电容模块采用两个电容串联实现，所述两个电容的中点连接一个参考电势点；

或者，所述电容模块采用三个电容实现，其中两个电容串联后再与第三个电容并联，所述两个电容的中点连接一个参考电势点。

可选的，所述第一PLC收发器能够接收和发送的信号的频率与所述第二PLC收发器能够接收和发送的信号的频率不同；或者，所述第一PLC收发器能够接收和发送的信号的调制方式与所述第二PLC收发器能够接收和发送的信号的调制方式不同。

可选的，所述控制器包括第一解调电路、第二解调电路、第一调制电路、第二调制电路和微控制单元，其中：

所述第一解调电路、所述第二调制电路均连接于所述第一PLC收发器与所述微控制单元之间；所述第一调制电路、所述第二解调电路均连接于所述第二PLC收发器与所述微控制单元之间。

可选的，所述控制器包括微控制单元、调制电路、第一开关电路、解调电路、第二开关电路，其中：

所述微控制单元经所述调制电路、所述第一开关电路同时连接到所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器；

所述微控制单元经所述解调电路、所述第二开关电路同时连接到所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器。

一种直流PLC中继系统，包括：多个如上述公开的任一种直流PLC中继装置，各直流PLC中继装置中的二端口网络级联。

一种汇流箱，包括：如上述公开的任一种直流PLC中继装置，和/或如上述公开的直流PLC中继系统。

从上述的技术方案可以看出，本发明将设备1与设备2之间1次长距离的通信环路，转换成了设备1与直流PLC中继装置之间、所述直流PLC中继装置与设备之间2次短距离的通信环路，实现了设备1与设备2之间通信信号的中继，因而提高了设备1与设备2之间远距离通信时的直流PLC通信质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例公开的一种直流PLC中继装置结构示意图；

图2为本发明实施例公开的又一种直流PLC中继装置结构示意图；

图3a为控制器的具体结构示意图；

图3b为控制器的又一具体结构示意图；

图4为PLC收发器的具体结构示意图；

图5为PLC收发器的又一具体结构示意图；

图6为PLC收发器的又一具体结构示意图；

图7为本发明实施例公开的又一种直流PLC中继装置结构示意图；

图8为本发明实施例公开的又一种直流PLC中继装置结构示意图；

图9为本发明实施例公开的一种直流PLC中继系统结构示意图；

图10为本发明实施例公开的一种汇流箱结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

参见图1，本发明实施例公开了一种直流PLC中继装置，包括二端口网络和控制器，其中：

端子1和端子1′构成所述二端口网络的一个端口P1，端子2和端子2′构成所述二端口网络的另一端口P2；

所述二端口网络内包含电容模块C；电容模块C的正极连接端子1和端子2，电容模块C的负极连接端子1′和端子2′；

所述二端口网络内还包含第一PLC收发器T1和第二PLC收发器T2；第一PLC收发器T1设置在电容模块C与端口P1之间的直流电力线上；第二PLC收发器T2设置在电容模块C与端口P2之间的直流电力线上；

第一PLC收发器T1和第二PLC收发器T2的弱电端连接所述控制器；所述控制器用于将第一PLC收发器T1从直流电力线上采集到的信号进行解调、调制后，发送给第二PLC收发器T2，由第二PLC收发器T2发送到直流电力线上；和/或，所述控制器用于将第二PLC收发器T2从直流电力线上采集到的信号进行解调、调制后，发送给第一PLC收发器T1，由第一PLC收发器T1发送到直流电力线上。

在端口P1外部连接设备1，端口P2外部连接设备2，则所述直流PLC中继装置能够实现设备1与设备2之间通信信号(以下简称PLC信号)的中继，其工作原理如下：

由于PLC信号是高频交流信号，而电容模块C的高频阻抗理论上无穷小，因此设备1发送的PLC信号会经由电容模块C形成通信环路，位于该环路中的第一PLC收发器T1采集该PLC信号并发送给控制器，控制器对该PLC信号进行解调、调制后发送给第二PLC收发器T2，由T2耦合到直流电力线上；耦合到直流电力线上的PLC信号经由电容模块C、设备2形成的通信环路发送给设备2，从而实现了由设备1发往设备2的PLC信号的中继。所述直流PLC中继装置实现由设备2发往设备1的PLC信号的中继的过程同理可得，此处不再赘述。可见，所述直流PLC中继装置将1次长距离的通信环路转换成了2次短距离的通信环路，因而提高了直流PLC通信质量。

所述直流PLC中继装置外部连接的设备1、设备2为连接在同一组直流电力线上的设备。例如，在光伏系统中，设备1和设备2可以为安装在光伏组件端的用于组件最大功率跟踪的功率优化器、用于组件状态监控的组件监控器、用于组件安全关断的组件关断器，也可以为直流汇流箱或者逆变器；在储能系统中，设备1和设备2可以为储能电池或者储能变流器等。其中，设备1和设备2可以为同类设备，也可以为不同类设备，例如，设备1和设备2都为功率优化器，或者设备1为功率优化器、设备2为逆变器。设备1或设备2也可以由多个子设备串并联形成。例如，设备1或设备2由多个功率优化器输出串联形成，或者为多个储能电池单元并联形成。

所述直流PLC中继装置可以支持设备间的双向通信，此时所述控制器包括第一解调电路、第二解调电路、第一调制电路、第二调制电路和微控制单元，第一解调电路、第二调制电路均连接于T1与所述微控制单元之间，第一调制电路、第二解调电路均连接于T2与所述微控制单元之间，T1采集的通信信号经由第一解调电路进行解调、第一调制电路进行调制后发给T2，T2采集的通信信号经由第二解调电路进行解调、第二调制电路进行调制后发给T1，如图3a所示。或者，所述直流PLC中继装置也可以仅支持设备间的单向通信，此时所述控制器仅包含第一解调电路、第一调制电路和微控制单元，或者仅包含第二解调电路、第二调制电路和微控制单元。

在所述控制器中，调制电路用于实现待发送信号的放大、载波、移相等，解调电路实现接收信号的放大、检波、频率或相位检测等；这几个电路可以离散的数字电路和模拟电路的方式存在，也可以用专用的集成芯片实现。此外，微控制单元也可以实现部分信号调制和信号解调的功能，例如载波、频率或相位检测等。

为降低成本，可以将所述控制器中的2个PLC收发器共用一个调制电路，如图3b所示，所述控制器的调制部分包括：微控制单元、调制电路、第一选择电路，所述微控制单元经所述调制电路、所述第一开关电路同时连接到T1和T2，此时T1和T2采用所述第一开关电路对所述调制电路进行分时复用。同理，也可以对同一解调电路进行分时复用，对应的，所述控制器的解调部分包括所述微控制单元、解调电路、第二选择电路，所述微控制单元经所述解调电路、所述第二开关电路同时连接到T1和T2，此时T1和T2采用所述第二开关电路对所述解调电路进行分时复用。T1和T2可以仅对调制电路进行分时复用，或者仅对解调电路进行分时复用，或者两者兼而有之。所述开关电路可以是MOSFET、三极管等半导体开关、继电器等电子控制的机械开关。

其中，关于第一PLC收发器T1和第二PLC收发器T2的位置设置，具体描述如下：T1可以设置在电容模块C的正极与端子1之间的直流电力线上，不局限于是这段直流电力线的主干路还是电容支路；或者，T1也可以设置在电容模块C的负极和端子1′之间的直流电力线上，不局限于是这段直流电力线的主干路还是电容支路。T2可以设置在电容模块C的正极与端子2之间的直流电力线上，不局限于是这段直流电力线的主干路还是电容支路；或者，T2也可以设置在电容模块C的负极和端子2′之间的直流电力线上，不局限于是这段直流电力线的主干路还是电容支路。

图1、图2所示直流PLC中继装置均是T1、T2位置设置上的一种示例。图1中，T1设置在电容模块C的正极与端子1之间的主干路上，T2设置在电容模块C的正极与端子2之间的主干路上。图2中，T1设置在电容模块C的正极与端子1之间的电容支路上，T2设置在电容模块C的正极与端子2之间的主干路上。

考虑到主干路上需要走较大的电流，线径较粗，将T1、T2设置在主干路上，需要T1、T2具有较大的尺寸和抗直流偏置能力；而电容支路上只会流经较小的高频交流电流，将T1、T2设置在电容支路上，T1、T2尺寸可以做的很小，成本也较低，因此，本发明实施例推荐将T1和T2均设置在电容支路上。

可选的，在上述公开的任一种直流PLC中继装置中，两PLC收发器T1、T2可以为基于电磁感应效应的器件，例如互感器、电流变压器、霍尔传感器、磁通门传感器、巨磁阻传感器等。该类型的PLC收发器通过采集高频交流电流的方式来采集PLC信号，并通过向直流电力线上注入高频交流电流的方式来发送PLC信号。

图4是采用单匝穿心式互感器作为PLC收发器的示意图，互感器的副边连接控制器。通常互感器的副边在数匝到数百匝之间。在直流电力线上电流较大时，为了避免互感器饱和，可以在互感器磁芯上增加气隙。为了方便安装到直流电力线上，互感器磁芯可采用两半结构，拼接在一起包裹住直流电力线。

可选的，在上述公开的任一种直流PLC中继装置中，两PLC收发器T1、T2可以为电感、电阻、电容中的一种或任意几种的组合。该类型的PLC收发器利用电感、电阻、电容的阻抗特性，将电路中PLC信号的高频交流电流转换为电压信号，再采集到控制器中，也可以将控制器发出的PLC信号耦合在电感、电阻、电容的阻抗上，再传送到直流电力线上。该类型的PLC收发器成本相对较低，实现简单，另外，还可以利用电感、电阻、电容构成特定的选频网络或者滤波网络，增强收发PLC信号的信噪比。

图5是采用电感作为PLC收发器的示意图。

图6是采用电感和电容并联组成的选频电路作为PLC收发器的示意图。图6增强收发PLC信号的信噪比的原理如下：选频电路呈现带阻特性，对PLC信号的频率表现为较高的阻抗，对其它的频段表现为低阻抗。在控制器接收PLC信号时，PLC信号在选频电路两端产生较高的电压，而普通干扰信号在选频电路两端产生的电压较低，因此控制器接收的PLC信号的信噪比更强。在控制器发送PLC信号时，选频电路作为负载，与电容模块C、直流电力线、外部设备构成的通信环路负载形成并联关系，选频电路对于PLC信号频率阻抗较大，PLC信号的能量可以更多的传送给通信环路负载，即传送给外部设备，外部设备接收到PLC信号的可靠性更高，即控制器发送PLC信号的信噪比更强。

当然，在图6的基础上，也可以采用多个电感和多个电容串并联的形式，以实现更多的选频特性，例如，设置为具有两个带阻频率的选频电路，以对两种频率的PLC信号进行收发。也可以在图6的基础上适当的增加电阻，例如，为选频电路并联一个较小的电阻，以改变选频电路的频率特性。

可选的，在上述公开的任一种直流PLC中继装置中，电容模块C可以采用一个电容实现，如图1或图2所示，此时电容模块C能够为控制器收发的PLC信号提供环路，也能够滤除设备1和设备2运行产生的差模噪声，例如，将设备1产生的噪声滤波，避免设备1发出的PLC信号直接泄露到设备2中造成串扰，因此提高了通信的可靠性。或者，电容模块C也可以用两个电容串联实现，如图7所示，两个电容C1和C2串联后接在直流电力线上，C1和C2的中点连接一个参考电势点，典型的参考电势点为大地，其他可以作为参考电势点的例如直流母线中点、设备的机箱外壳、电网侧的零线等。电容C1、C2串联后能够为控制器收发的PLC信号提供环路，也能够作为直流电力线上的差模滤波电容，滤除电路中的差模噪声，也能够作为共模滤波电容，滤除电路中的共模噪声，进一步提高了电路中PLC通信的信噪比。

考虑到通常来说，可以用来接地的电容(例如Y电容)通常容量不大，所以上述用一对共模滤波电容C1、C2滤除差模噪声的效果非常有限，而电路中对PLC信号干扰较大的就是差模噪声，所以，电容模块C也可以同时采用1个容量较大的差模电容C3以及一对共模滤波电容C1、C2，C1、C2串联后再与C3并联，C1、C2的中点连接所述参考电势点，如图8所示。

可选的，在上述公开的任一种直流PLC中继装置中，PLC信号可以以ASK(振幅键控)、FSK(频移键控)、PSK(相移键控)、TSK(时移键控)、OFDM(正交频分复用)等方法进行调制，以提高信号的抗干扰强度。控制器中具有相应的信号调制电路和信号解调电路，以实现对PLC信号的调制解调。调制电路和解调电路可以基于专用的数字芯片来实现，也可以通过微控制器、功放、滤波电路等数字电路和模拟电路自行搭建。

为避免直流PLC中继装置两侧的信号相互串扰(Crosstalk)，还可以设置控制器将输入信号进行解调、调制后，输出信号的频率改变(在调制过程改变信号频率)；对应的，需设置第一PLC收发器T1能够接收和发送的信号的频率与第二PLC收发器T2能够接收和发送的信号的频率不同。这样，即使一个PLC收发器采集到的PLC信号泄露到另一PLC收发器所在的直流电力线上，也不会被所述另一PLC收发器识别到，从而消除了信号串扰。

或者，为避免直流PLC中继装置两侧的信号相互串扰，还可以设置控制器将输入信号进行解调后，采用不同的方式进行调制输出；对应的，需设置第一PLC收发器T1能够接收和发送的信号的调制方式与第二PLC收发器T2能够接收和发送的信号的调制方式不同。例如，在图3a中，第一解调电路和第二调制电路是对FSK信号进行解调和调制，第二解调电路和第一调制电路是对PSK信号进行解调和调制。这样，即使一个PLC收发器采集到的PLC信号泄露到另一PLC收发器所在的直流电力线上，也不会被所述另一PLC收发器识别到，从而消除了信号串扰。

此外，当设备1与设备2之间通信距离更长，单个直流PLC中继装置仍无法保证直流PLC通信质量时，可以采用多个直流PLC中继装置。对应的，本发明实施例公开了一种直流PLC中继系统，包括：多个如上述公开的任一种直流PLC中继装置，各直流PLC中继装置中的二端口网络级联，如图9所示。

可选的，参考图3b，在所述直流PLC中继系统中，每相邻几个PLC收发器可以共用一个调制电路，和/或共用一个解调电路。

此外，本发明实施例还公开了一种汇流箱，包括如上述公开的任一种直流PLC中继装置或直流PLC中继装置系统。

具体的，在带组件级功率优化功能或者监控功能的光伏系统中，各组件通过功率优化器或组件监控装置输出串联成光伏组串，光伏组串再通过汇流箱汇流，最后连接到逆变器的直流输入端。各功率优化器或组件监控装置采集的光伏组件数据需要通过直流PLC通信传给逆变器或者安装在逆变器附近的通信主机，若直流电力线距离较长会导致通信质量较差。此时，可以在光伏系统中现有的汇流箱附近加装本发明实施例公开的直流PLC中继装置/系统，构成具有通信中继功能的汇流箱。以加装图4所示直流PLC中继装置为例，则如图10所示：T1和T2分别设置在汇流箱的输入和输出端，T1、T2采用穿芯式互感器，将汇流箱输入和输出的直流线套入其中；电容C可以与汇流箱中的其他电容复用，例如汇流箱中用于开关电源输入稳压的电容，若电容容量不够大，也可以再额外并联大容量的电容；控制器可以集成在汇流箱内部或者置于汇流箱外部。从而，在无需更改现有光伏系统通信拓扑和汇流箱的情况下，提高了将功率优化器或组件监控装置采集的数据进行上传时的可靠性，同时消除了光伏系统中汇流箱原有的电容对PLC通信的影响。

综上所述，本发明将设备1与设备2之间1次长距离的通信环路，转换成了设备1与直流PLC中继装置之间、所述直流PLC中继装置与设备之间2次短距离的通信环路，实现了设备1与设备2之间通信信号的中继，因而提高了设备1与设备2之间远距离通信时的直流PLC通信质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种直流PLC中继装置，其特征在于，包括二端口网络和控制器，其中：

端子1和端子1′构成所述二端口网络的一个端口P1，端子2和端子2′构成所述二端口网络的另一端口P2；

所述二端口网络内包含电容模块；所述电容模块的正极连接所述端子1和所述端子2，所述电容模块的负极连接所述端子1′和所述端子2′；

所述二端口网络内还包含第一PLC收发器和第二PLC收发器；所述第一PLC收发器设置在所述电容模块与所述端口P1之间的直流电力线上；所述第二PLC收发器设置在所述电容模块与所述端口P2之间的直流电力线上；

所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器的弱电端连接所述控制器；所述控制器用于将所述第一PLC收发器从直流电力线上采集到的信号进行解调、调制后，发送给所述第二PLC收发器，由所述第二PLC收发器发送到直流电力线上；和/或，所述控制器用于将所述第二PLC收发器从直流电力线上采集到的信号进行解调、调制后，发送给所述第一PLC收发器，由所述第一PLC收发器发送到直流电力线上。

2.根据权利要求1所述的直流PLC中继装置，其特征在于：

所述第一PLC收发器，设置在所述电容模块的正极与所述端子1之间的直流电力线的主干路或电容支路上，或者，设置在所述电容模块的负极和所述端子1′之间的直流电力线的主干路或电容支路上；

所述第二PLC收发器，设置在所述电容模块的正极与所述端子2之间的直流电力线的主干路或电容支路上，或者，设置在所述电容模块的负极和所述端子2′之间的直流电力线的主干路或电容支路上。

3.根据权利要求1所述的直流PLC中继装置，其特征在于，所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器为基于电磁感应效应的器件。

4.根据权利要求1所述的直流PLC中继装置，其特征在于，所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器为电感、电阻、电容中的一种或任意几种的组合。

5.根据权利要求1所述的直流PLC中继装置，其特征在于，所述电容模块采用一个电容实现；

或者，所述电容模块采用两个电容串联实现，所述两个电容的中点连接一个参考电势点；

或者，所述电容模块采用三个电容实现，其中两个电容串联后再与第三个电容并联，所述两个电容的中点连接一个参考电势点。

6.根据权利要求1所述的直流PLC中继装置，其特征在于，所述第一PLC收发器能够接收和发送的信号的频率与所述第二PLC收发器能够接收和发送的信号的频率不同；或者，所述第一PLC收发器能够接收和发送的信号的调制方式与所述第二PLC收发器能够接收和发送的信号的调制方式不同。

7.根据权利要求1所述的直流PLC中继装置，其特征在于，所述控制器包括第一解调电路、第二解调电路、第一调制电路、第二调制电路和微控制单元，其中：

所述第一解调电路、所述第二调制电路均连接于所述第一PLC收发器与所述微控制单元之间；所述第一调制电路、所述第二解调电路均连接于所述第二PLC收发器与所述微控制单元之间。

8.根据权利要求1所述的直流PLC中继装置，其特征在于，所述控制器包括微控制单元、调制电路、第一开关电路、解调电路、第二开关电路，其中：

所述微控制单元经所述调制电路、所述第一开关电路同时连接到所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器；

所述微控制单元经所述解调电路、所述第二开关电路同时连接到所述第一PLC收发器和所述第二PLC收发器。

9.一种直流PLC中继系统，其特征在于，包括：多个如权利要求1-8中任一项所述的直流PLC中继装置，各直流PLC中继装置中的二端口网络级联。

10.一种汇流箱，其特征在于，包括：如权利要求1-8中任一项所述的直流PLC中继装置，和/或如权利要求9所述的直流PLC中继系统。