CN109981142B

CN109981142B - 一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置

Info

Publication number: CN109981142B
Application number: CN201910033011.2A
Authority: CN
Inventors: 钱永安; 高思远; 潘倩; 程梦媛; 乐渝宁; 汤志彪; 孙淳; 吴安; 郑朕; 陶进; 陈水平; 刘文英
Original assignee: JIANGXI INSTITUTE OF METROLOGY & TESTING
Current assignee: JIANGXI INSTITUTE OF METROLOGY & TESTING
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2039-01-14
Also published as: CN109981142A

Abstract

本发明公开了一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，包括：10kV配电变压器的中压侧和低压侧的传输线上各安装一个电力线载波通信装置。

Description

一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置

技术领域

本发明属于电力领域，具体涉及一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置。

背景技术

在我国，电力网按电压等级可分为高压、中压和低压。高压的电压等级分为500kV、220kV、110kV；中压的电压等级分为35kV、10kV、6kV、3kV；低压的电压等级分380V、220V。其中，习惯上称330kV以上线路称为超高压线路，110kV、220kV线路为高压线路，35kV、60kV线路为输电线路，10kV以下线路为配电线路。而在居民小区、产业园区、工厂企业端等区域，电力网均以10kV以下的配电线路的形式存在。在这些区域内，对于用电设备来说，电力线的覆盖面基本是全覆盖的，这为基于电力线载波技术运用所形成的针对用电设备的物联网提供天然的通信信道，不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递，大大节约物联网的建设成本。

电力线载波Power Line Carrier - PLC通信是利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。电力线在电力载波领域一般也分为高中低3类，通常高压电力线指35kV及以上电压等级、中压电力线指10kV电压等级、低压配电线指380/220V用户线。由于各电压等级间的变压器的存在，使得电力线载波通信信号无法在各电压等级间相互通信，即配电变压器对电力线载波通信信号具有较强的阻隔作用，表现在信号衰减超过50dB，所以通常电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。然而，经研究测试发现，这种信号衰减是有频率选择性的，在某些频率上其衰减小于20 dB，见附图1所示。但是，这种频率选择性是随变压器的负载情况不断变化的，但相对来说，属于慢变化，因为负载的情况相对是稳定的。

本发明基于此原则，通过在10kV配电变压器的中压侧和低压侧各部署一台“一种跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置”，通过周期性和基于配电变压器负荷变化触发的方式启动频率认识过程，选择衰减较小的载波频率进行跨10kV配电变压器电力线载波通信。如此，就能以10kV以下的配电线路为信道基础，将区域范围内各个配电变压器台区下的低压电力线载波装置通过10kV电力线信道进行信号互通，建立跨台区的电力线专属局域网。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，包括：10kV配电变压器、传输线，其中：所述的电力线载波通信装置分别安装在10kV配电变压器的中压侧和低压侧的传输线上。

一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其中：所述的电力线载波通信装置的结构如下：电力线载波通信装置包括接收机、发送机；

接收机由耦合电路模块、高通滤波电路、AFE内部集成的VGA电路、以及AFE内部集成的模数转换器、微控制器依次相连构成；

发送机由前述的微控制器、AFE内部集成的数模转换器、PA功率放大器、高通滤波电路、前述的耦合电路模块依次相连构成。

一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其中：耦合电路模块有两个型制，型制１用于中压电力线路中；型制２用于低压电力线路中。

一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其中：耦合电路模块型制1中的接插座J2，作为TX/RX信号的连接口，与电力线载波通信装置底板连接口对插，连接TX/RX信号；耦合电路模块型制1中的BNC接口JD4将通过BNC线与中压电力线电感耦合器相接，负责将载波信号传输发送至中压电力线中，和将载波信号从中压电力线中耦合接收下来。

一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其中：耦合电路模块型制2中的接插座J6，作为TX/RX信号的连接口，与电力线载波通信装置底板连接口对插，连接TX/RX信号；耦合电路模块型制2中的接插座J2，作为低压电力线的连接口，也与载波装置底板连接口对插，直接连接低压电力线的火线和零线；负责将载波信号传输发送至低压电力线中，和将载波信号从低压电力线中接收下来。

一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其中：

1）发送端的载波信号发送机制为，在正常通信前，对跨10kV配电变压器电力线信道进行一下信道频率特征检测，将2MHz-10MHz的频带分成8个频道，中心频点分别为2.5MHz/3.5MHz/4.5MHz/5.5MHz/6.5MHz/7.5MHz/8.5MHz/9.5MHz; 在50Hz交流电升压过零点时，每隔1 ms向电力线信道上发送1个前导信号并切换频率，依次发送8个不同中心频点的前导，并在下一个50Hz交流电升压过零点时进入连续发送状态；具体为每个50Hz交流电升压过零点时，发送一个数据包并切换频率，依次发送8个不同中心频率的数据包；并在接下来的每个50Hz交流电升压过零点时，依次切换频率，接收8个不同中心频率的数据包；如果接收到任一频率数据包，则最后，基于本次信道检测结果，选定最佳下行频点，发送上行信道情况，否则超时重新返回扫频模式，扫频模式由信道路由中的上位机发起，受上位机的控制。

2）接收端处于扫频模式时，在50Hz交流电升压过零点时，每隔1 ms切换一次频率，接收来自发送端的前导，如果接收到任一频率前导，则在下一个50Hz交流电升压过零点时，开始接收数据包并切换一次频点，在切换完8次频点后，接收端记录下下行信道的状况；如果收到任一频率数据包，则开始连续发送数据包；在下一个50Hz交流电升压过零点，发送数据包并切换频率；连续发送并切换8次后，接收端切换到下行最佳频点等待发送端反馈上行信道情况；如果超时无返回，则重新回到扫频模式；

3）发送端接收到电力线信道上接收端传输过来的信道频率特征检测数据包和下行丢包率/错包率数据包，对8个数据包进行接收解码，解析出每一个频率对应的数据包的上行丢包率/错包率；并将下行丢包率/错包率和上行丢包率/错包率整理反馈给微控制器，由微控制器判断出最佳上行/下行跨变压器载波通信频道，再进行正常数据通信。

一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其中：10kV配电变压器的中压侧和低压侧的传输线上还各安装有一个前端采集处理模块；该处理模块由电压互感器、低通滤波电路、过压保护电路、阻抗匹配电路、前述的微控制器依次相连构成。

附图说明

图1为本发明电力线载波通信装置结构示意图；

图2为本发明耦合电路模块型制1接线结构示意图；

图3为本发明耦合电路模块型制1原理图；

图4为本发明耦合电路模块型制2接线结构示意图；

图5为本发明耦合电路模块型制2原理图；

图6为本发明端采集处理模块的结构示意图；

图7为本发明信号时序图前半部分；

图8为本发明信号时序图后半部分；

图9为本发明接插座J2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。

本发明专利的具体技术方案为：

针对配电变压器对载波信号的频率选择性特征，在10kV配电变压器的中压侧和低压侧各部署一台“一种跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置”，通过周期性和基于配电变压器负荷变化触发的方式启动频率认识过程，选择衰减较小的载波频率进行跨10kV配电变压器电力线载波通信。

具体方案如下所述：

１．该装置同时具备电力线载波信号的发送机机制和接收机机制，具体框图见附图1

附图1中，接收机由如下部分组成：电力线载波信号经过耦合电路后，从中压／低压电力线路耦合出来，耦合电路可将中压／低压电力线路中的１０ＫＶ／３８０Ｖ强电电压隔离掉，以及可将中压／低压电力线路中的低频信道干扰噪声信号隔离掉；并将载波信号低衰减的耦合下来，再通过高通滤波电路、AFE内部集成的VGA电路、以及AFE内部集成的模数转换器再进入宽带基带处理器，解调出有用信号，最后传输至微控制器。

同样，附图1中，发送机由如下部分组成：微控制器控制基带处理器生成出信号，通过AFE内部集成的数模转换器、再经过PA功率放大器、高通滤波电路，再送至耦合电路，最后耦合进中压／低压电力线路中。

２．该装置的耦合电路模块具有两个型制，型制１用于中压电力线路中；型制２用于低压电力线路中，具体框图见附图2、3、4、5。

a.附图2、3与图9中，耦合电路模块型制1中的接插座J2，作为TX/RX信号的连接口，与载波装置底板连接口对插，连接TX/RX信号；耦合电路模块型制1中的BNC接口JD4将通过BNC线与中压电力线电感耦合器相接，负责将载波信号传输发送至中压电力线中，和将载波信号从中压电力线中耦合接收下来。

b.附图4、5中，耦合电路模块型制2中的接插座J6，作为TX/RX信号的连接口，与载波装置底板连接口对插，连接TX/RX信号；耦合电路模块型制2中的接插座J2，作为低压电力线的连接口，也与也将与载波装置底板连接口对插，直接连接低压电力线的火线和零线；负责将载波信号传输发送至低压电力线中，和将载波信号从低压电力线中接收下来。

3．为了实现跨10kV配电变压器电力线载波通信，本发明提出电力线信道频率自适应技术，具体方案如下。方案说明中，选取单向信号发送接收机制进行说明，由中压侧装置作为发送机，由低压侧装置作为接收机：

a.发送机的载波信号发送机制为，在正常通信前，对跨10kV配电变压器电力线信道进行一下信道频率特征检测，将2MHz-10MHz的频带分成8个频道，中心频点分别为2.5MHz/3.5MHz/4.5MHz/5.5MHz/6.5MHz/7.5MHz/8.5MHz/9.5MHz; 在50Hz交流电升压过零点时，每隔1 ms向电力线信道上发送1个前导信号并切换频率，依次发送8个不同中心频点的前导，并在下一个50Hz交流电升压过零点时进入连续发送状态。具体为每个50Hz交流电升压过零点时，发送一个数据包并切换频率，依次发送8个不同中心频率的数据包。并在接下来的每个50Hz交流电升压过零点时，依次切换频率，接收8个不同中心频率的数据包。如果接收到任一频率数据包，则最后，基于本次信道检测结果，选定最佳下行频点，发送上行信道情况。否则超时重新返回扫频模式，时序图详见附图7、8。

b.接收机处于扫频模式时，在50Hz交流电升压过零点时，每隔1 ms切换一次频率，接收来自发送机的前导。如果接收到任一频率前导，则在下一个50Hz交流电升压过零点时，开始接收数据包并切换一次频点。在切换完8次频点后，接收机记录下下行信道的状况。如果收到任一频率数据包，则开始连续发送数据包。在下一个50Hz交流电升压过零点，发送数据包并切换频率。连续发送并切换8次后，接收机切换到下行最佳频点等待发送机反馈上行信道情况。如果超时无返回，则重新回到扫频模式。

c.发送机接收到电力线信道上接收机传输过来的信道频率特征检测数据包和下行丢包率/错包率数据包，对8个数据包进行接收解码，解析出每一个频率对应的数据包的上行丢包率/错包率；并将下行丢包率/错包率和上行丢包率/错包率整理反馈给微控制器，由微控制器判断出最佳上行/下行跨变压器载波通信频道，再进行正常数据通信。

4.附图6中，由电压信号采样电路、低通滤波电路、过压保护电路和阻抗匹配电路组成前端采集处理模块。

电压信号采样电路是通过电压互感器，对电压信号进行采样，装置用于中压线路中时，电压互感器的一次侧与中压线路中PT输出相连；装置用于低压线路中时，电压互感器的一次侧则可直接与低压线路相连。采样得到的电压信号再通过R1，R2的电阻式分压(R1/R2的取值为10KΩ级)，负责将电压信号降至模数转换器（ADC）的电压输入范围内。

再输送至低通滤波电路中，其中电容C4，C5和电感L1构成Л型低通滤波电路，可通过调节电容和电感的值来限制通过该电路的高频信号，目的就是去除其中的高频干扰（一般去除高于50次谐波部分，即20 kHz）。

而过压保护电路中的D1，主要是为了防雷击和瞬时高压浪涌和脉冲的冲击，限制了线路上的电压幅值，保证不会因为电压过高而损坏后面的电路。

最后电压信号经由电阻R7,R8和电容C6构成的输入阻抗匹配电路，输送至ADC采样模块。其中输入阻抗匹配电路是为了使信号能最大功率的有效传输，R7/R8的取值为几十Ω级。

电压信号经前端采集处理模块后，最后由微控制器中的ADC进行采样，进而同步10kV线路和220V/380V低压线路的50Hz交流电升压过零点时刻，作为信道频率特征检测的时钟同步。

Claims

1.一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，包括：10kV配电变压器、传输线，其特征在于：所述的电力线载波通信装置分别安装在10kV配电变压器的中压侧和低压侧的传输线上；所述的电力线载波通信装置的结构如下：电力线载波通信装置包括接收机、发送机；接收机由耦合电路模块、高通滤波电路、AFE内部集成的VGA电路、以及AFE内部集成的模数转换器、微控制器依次相连构成；

发送机由前述的微控制器、AFE内部集成的数模转换器、PA功率放大器、高通滤波电路、前述的耦合电路模块依次相连构成；

1）信号发送端的载波信号发送机制为，在正常通信前，对跨10kV配电变压器电力线信道进行一下信道频率特征检测，将2MHz-10MHz的频带分成8个频道，中心频点分别为2.5MHz/3.5MHz/4.5MHz/5.5MHz/6.5MHz/7.5MHz/8.5MHz/9.5MHz; 在50Hz交流电升压过零点时，每隔1 ms向电力线信道上发送1个前导信号并切换频率，依次发送8个不同中心频点的前导，并在下一个50Hz交流电升压过零点时进入连续发送状态；具体为每个50Hz交流电升压过零点时，发送一个数据包并切换频率，依次发送8个不同中心频率的数据包；并在接下来的每个50Hz交流电升压过零点时，依次切换频率，接收8个不同中心频率的数据包；如果接收到任一频率数据包，则最后，基于本次信道检测结果，选定最佳下行频点，发送上行信道情况，否则超时重新返回扫频模式；

2）信号接收端处于扫频模式时，在50Hz交流电升压过零点时，每隔1 ms切换一次频率，接收来自发送机的前导；如果接收到任一频率前导，则在下一个50Hz交流电升压过零点时，开始接收数据包并切换一次频点，在切换完8次频点后，接收端记录下下行信道的状况；如果收到任一频率数据包，则开始连续发送数据包；在下一个50Hz交流电升压过零点，发送数据包并切换频率；连续发送并切换8次后，接收端切换到下行最佳频点等待发送端反馈上行信道情况；如果超时无返回，则重新回到扫频模式；

3）信号发送端接收到电力线信道上接收端传输过来的信道频率特征检测数据包和下行丢包率/错包率数据包，对8个数据包进行接收解码，解析出每一个频率对应的数据包的上行丢包率/错包率；并将下行丢包率/错包率和上行丢包率/错包率整理反馈给微控制器，由微控制器判断出最佳上行/下行跨变压器载波通信频道，再进行正常数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其特征在于：耦合电路模块有两个型制，型制1用于中压电力线路中；型制２用于低压电力线路中。

3.根据权利要求2所述的一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其特征在于：耦合电路模块型制1中的接插座J2，作为TX/RX信号的连接口，与电力线载波通信装置底板连接口对插，连接TX/RX信号；耦合电路模块型制1中的BNC接口JD4将通过BNC线与中压电力线电感耦合器相接，负责将载波信号传输发送至中压电力线中，和将载波信号从中压电力线中耦合接收下来。

4.根据权利要求2所述的一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其特征在于：耦合电路模块型制2中的接插座J6，作为TX/RX信号的连接口，与电力线载波通信装置底板连接口对插，连接TX/RX信号；耦合电路模块型制2中的接插座J2，作为低压电力线的连接口，也与载波装置底板连接口对插，直接连接低压电力线的火线和零线；负责将载波信号传输发送至低压电力线中，和将载波信号从低压电力线中接收下来。

5.根据权利要求1所述的一种用于跨10kV配电变压器的电力线载波通信装置，其特征在于：10kV配电变压器的中压侧和低压侧的传输线上还各安装有一个前端采集处理模块，该处理模块由电压互感器、低通滤波电路、过压保护电路、阻抗匹配电路、前述的微控制器依次相连构成。