CN112581739A - 电量计和用于其的适配器模块 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于记录电能的电量计和用于其的适配器模块。电量计（1）包括：计量单元（2），用于确定电能消耗；通信单元（3），用于通过电力线缆在通信频带内传送数据信号；以及处理单元，用于控制计量单元（2）和通信单元（3）。通信单元（3）被配置为使通信频带适配于通信环境。

Description

电量计和用于其的适配器模块

本申请为分案申请，其母案的发明名称为“电量计和用于其的适配器模块”，申请日为2016年4月14日，申请号为201680035157.5。

技术领域

本公开涉及用于记录电能消耗的电量计和用于其的适配器模块。更具体地，本公开涉及记录电能消耗并能够通过电力线缆传送数据的电量计。特别地，本公开针对用于电量计的通用适配器模块。

背景技术

智能计量技术在计量领域中起着越来越重要的作用，因为公用事业公司和消耗电能的最终用户两者都受益于该技术。智能仪表允许公用事业公司自动和远程访问仪表信息，所述信息例如不仅是由最终用户所消耗的电能，而且还是取决于一天或四季的时间的电能消耗的分布。安装在最终用户处的仪表的操作条件也可以由公用事业公司远程监视。最终用户继而可以更频繁地从公用事业公司获得信息。

为了提供这些功能，电量计依赖于可靠和安全的双向通信。不同的通信技术被评估以在电量计中应用。通过电力线缆的通信是有希望的技术之一。经由通过电力线缆传送数据，不需要用于通信的附加的布线或光纤。公用事业公司可以受益于现有的基础结构、电力线缆网络。因此，可以降低用于通信网络的安装成本、维护成本。

通过电力线缆的通信提供了双向通信。为了发送数据，数据信号被调制在载波信号上并耦合到电力线缆，而为了接收数据，经调制的数据信号首先从电力线缆被解耦，然后被解调。近年来，该通信技术在不同领域中得到多种应用。现今，通过电力线缆的通信是已为大家接受的技术。特别地，最近开发的G3-PLC标准支持通过电力线缆的高度可靠和安全的通信。G3-PLC可以操作针对不同国家分配的不同频带。例如，具有在35kHz到91kHz之间的频率范围的CENELEC A频带、具有在98kHz到135kHz之间的频率范围的CENELEC B频带、具有在155kHz到403kHz之间的频率范围的ARIB频带、和具有在155kHz至487kHz之间的频率范围的FCC频带。分别地，CENELEC A频带和CENELEC B频带适用于欧洲，而ARIB频带和FCC频带适用于日本、美国和其他国家。

WO2012/040476公开了用于电力线通信设备的耦合电路。电力线通信设备可以包括处理器和耦合到处理器的耦合电路。耦合电路继而可以包括发送器路径和接收器路径。在一些实现中，发送器路径可以包括第一放大器、耦合到第一放大器的第一电容器、耦合到第一电容器的第一变压器、以及耦合到第一变压器的多个线路接口耦合电路，其中线路接口耦合电路中的每个被配置为连接到电力电路的不同相。

WO2009/000869涉及配电器电力线通信系统。该系统包括通过电信网络发送和接收消息的通信服务器、朝向最终用户的配电网络连接到的配电变电站、在预定频带中将来自电信网络的消息传递到配电网络上的至少一个网关、用于测量电力消耗并且包括通过配电网络在预定频带内发送和接收消息的电力线通信调制解调器的最终用户干线网络处的多个智能计量设备、在连接配电网络和最终用户干线网络的电力线上以及在将配电网络连接到配电变电站的电力线上的电力线通信滤波器，每个滤波器阻止预定频带内的频率。

发明内容

本发明的目的是提供电量计和用于电量计的适配器模块，其克服了从现有技术中已知的至少一些缺点。

本发明的另一个目的是提供电量计和用于电量计的适配器模块，其以高效的方式且以低成本通用可配置。

根据本发明，这些目的是通过独立权利要求的特征来实现的。此外，根据从属权利要求和说明书得出进一步有利的实施例。

根据本发明，上述目的特别地采用如下方式实现：电量计包括计量单元、通信单元和处理单元。计量单元应用于确定电能消耗。通信单元应用于通过电力线缆在通信频带内传送数据信号。处理单元应用于控制计量单元和通信单元。通信单元被配置为使通信频带适配于通信环境。电量计可以应用在不同的通信环境中，例如用于通过电力线缆的通信的所分配的通信频率在不同的国家中可能是不同的，不同的公用事业公司可能需要用于通过电力线缆的通信的不同频率，在不同的环境中不同频带的通信质量也可能变化。由于通信单元被配置为使通信频带适配于通信环境，所以电量计可以在不修改电量计的硬件的情况下安装在不同的位置中。

在一些实施例中，多个频带被分配为用于通过电力线缆的通信的通信频带。电量计被配置为取决于通信环境从分配的频带中的一个切换到另一个分配的频带。分配的频带是CENELEC A、CENELEC B、FCC、ARIB和任何前述的组合。在不同的国家中，不同的频带被分配用于通过电力线缆的通信。当在不同的国家中安装智能电量计时，通信单元必须能够在分配给不同国家的频带内传送数据信号。此外，用于通过电力线缆的通信的优选频带因公用事业公司不同而不同。一个偏好在例如CENELEC A频带中的通信，另一个偏好在FCC频带或其他频带中的通信。此外，智能电量计可以安装在包括多个电量计和其他电子设备（例如集中器（concentrator））的读表系统中。集中器可以被配置为在限定的分配频带内通过电力线缆进行通信。如果通信单元被配置为能够取决于通信环境从分配的频带中的一个切换到另一个分配的频带，则电量计可以在不修改其硬件的情况下应用于不同的国家和用于不同的公用事业公司或读表系统。此外，取决于其中安装电量计的地方，不同的分配频带内的通信的质量取决于在附近存在的其他信号而不同。如果在分配频带内通过电力线缆的通信的质量很差，则通信单元被配置为从该分配频带切换到另一个分配频带。以这种方式，可以优化通过电力线缆的通信的质量，并确保通过电力线缆的通信的良好质量。

通信单元优选被配置为取决于通信环境从一个频带切换到另一个频带。在一个变型中，该切换可以自动发生，并使用于通信单元的通信的频带适配于关于用于例如不同的位置、不同的公用事业公司和不同的读表系统的通信频带的要求。

替代地或结合前述确定要求，该适配取决于利用电力线缆的优化技术通信质量（例如，在某些环境中，CENELEC频带内的通信可以提供比在FCC频带或其他频带内更稳定的通信，或者反之亦然）。即，取决于通信质量的智能切换允许具有复杂通信的动态切换解决方案。该智能切换可以手动地或远程地通过信号或者在一些应用中也可以自动地使用自学习或自动检测逻辑模块来完成。

在一些实施例中，通信单元包括信号处理单元、连接到信号处理单元的切换器（switch）以及用于控制切换器的控制模块。信号处理单元取决于由控制模块控制的切换器的状态而具有至少两个操作模式。在第一操作模式中，信号处理单元从第一频带选择电信号，并将所选择的电信号耦合到电力线缆。在第二操作模式中，信号处理单元从第二频带选择电信号，并将所选择的电信号耦合到电力线缆。在优选实施例中，第一频带和第二频带是用于通过电力线缆的通信的分配频带中的一个。这具有可以实现电量计的通用设计的优点。

根据本发明，上述目的特别地采用如下方式实现：用于电量计的适配器模块包括信号处理单元、连接到信号处理单元的切换器以及用于控制切换器的控制模块。信号处理单元取决于由控制模块控制的切换器的状态而具有至少两个操作模式。在第一操作模式中，信号处理单元从第一频带选择电信号并将所选择的信号耦合到电力线缆。在第二操作模式中，信号处理单元从第二频带选择电信号并将所选择的信号耦合到电力线缆。

在一些实施例中，在第一操作模式中，信号处理单元形成带通滤波器以使在第一频带内的电信号通过。在第二模式中，信号处理单元形成高通滤波器以使在第二频带内的电信号通过。

在一些实施例中，第一频带和第二频带是用于通过电力线缆的通信的分配频带中的一个，例如CENELEC A、CENELEC B、FCC和ARIB。

在优选实施例中，第一频带是CENELEC A频带，并且第二频带是FCC频带，或者反之亦然。

在一些实施例中，控制模块被配置为基于配置信号生成用于控制切换器的控制信号。

在一个变型中，配置信号由通过电力线缆或无线电通信信道发送的发起信号发起。发起信号例如由包括其中安装有适配器模块的电量计的读表系统生成。发起信号通过电力线缆或无线电通信信道发送到其中安装有适配器模块的电量计。可以远程地控制处理单元的操作模式。因此，适配器模块可以被远程地适配于以高效的方式在限定的频带内通过电力线缆进行通信。

在替代变型中，可以动态地生成配置信号。逻辑模块可以功能上连接到其中安装有适配器模块的电量计的处理单元或控制模块。逻辑模块可以自学习和/或自动检测，并且可以生成配置信号。因此，可以实现从一个通信频带到另一个频带的智能切换。这提供了关于通信质量和通用应用的最优通信，例如独立于不同的国家、公用事业公司和连接在同一读表系统中的设备上的通信频带要求。

在一些实施例中，切换器是继电器（relay），优选是光隔离继电器。

在一个变型中，信号处理单元包括第一电阻器、第一电容器、第二电容器和第一电感器，其中第一电容器、第二电容器和第一电感器串联连接，其中第一电感器布置在第一电容器和第二电容器之间，其中第一电阻器与第一电感器并联连接。

在优选实施例中，信号处理单元被配置为通过并联（shunt）第一电感器从第一操作模式切换到第二操作模式。在一个变型中，连接到处理单元的切换器被控制为闭合状态并且第一电感器被并联。以这种方式，适配器模块或包括适配器模块的电量计可以将用于电力线缆通信的通信频率从第一频带切换到第二频带。

附图说明

为了描述可以获得本公开的优点和特征的方式，在下文中，上面简要描述的原理的更具体的描述将通过参考在附图中图示的其具体实施例来呈现。这些图仅描绘了本公开的示例性实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制。

图1图示了电量计的示意图；

图2图示了用于电量计的适配器模块的示意图；

图3图示了远程地控制包括在适配器模块中的切换器的一个示例性实现；

图4图示了在适配器模块中应用的信号处理单元的一个示例性实现；以及

图5图示了具有两状态切换器的信号处理单元的一个示例性实现。

具体实施方式

图1示出了电量计1的示意图，电量计1包括计量单元2、通信单元3和处理单元4。计量单元2测量例如电流和电压以确定电力和能量消耗或产生。通信单元3通过电力线缆5在通信频带内传送数据信号，诸如确定的电能消耗或产生、电量计1的诊断数据、以及来自和去向公用事业公司的信息数据。处理单元控制计量单元2和通信单元3。

多个频带被分配为用于通过电力线缆5的通信的通信频带。电量计1被配置为取决于通信环境从分配的频带中的一个切换到另一个分配的频带。

在如图1所示的一个实施例中，通信单元包括用于调制/解调载波信号上的数据信号的调制/解调模块、模拟前端和适配器模块。特别地，频带的切换通过在两个操作模式中操作适配器模块来实现。

图2示出了根据本公开的用于电量计的适配器模块10的示意图。附图标记10指代适配器模块10，所述适配器模块10包括信号处理单元11、切换器12和控制模块13。由于适配器模块10被设计为应用于通过电力线缆5的通信，所以信号处理单元11的端子2连接到取决于操作的国家而具有例如230伏或110伏的电压的电力线缆5。信号处理单元11的端子1连接到模拟前端14。信号处理单元11选择具有在限定频带内的频率的电信号，并将所选择的电信号耦合到电力线缆5，并且反之亦然。如图2所示，切换器12连接到信号处理单元11，并且控制模块13被应用于控制切换器12。为了提供通用适配器模块10，信号处理单元11具有至少两个操作模式，其取决于切换器12的状态。切换器具有至少两个状态。取决于信号处理单元11的操作模式的数量，将要使用具有至少相同数量的状态的合适的切换器。

在一个实施例中，信号处理单元11具有两个操作模式，具有两个状态的切换器12被选择。控制模块13生成控制信号36以控制切换器12从第一状态改变为第二状态。在第一操作模式中，信号处理单元11选择具有在第一频带内的频率的电信号，并将所选择的信号耦合到电力线缆，并且反之亦然。在第二模式中，信号处理单元11选择具有在第二频带内的频率的电信号，并将所选择的信号耦合到电力线缆5，并且反之亦然。第一频带可以是例如CENELEC A频带，并且第二频带可以是例如FCC频带，并且反之亦然。为了以第一模式操作信号处理单元11，切换器12被控制为第一状态。为了以第二模式操作信号处理单元11，切换器12被控制为第二状态。控制模块13被配置为基于配置信号35而生成切换器控制信号36。如图2所示，控制模块13包括用于接收配置信号35的至少一个输入端子Cin和用于提供切换器控制信号36以控制切换器12的输出端子Cout。如稍后将更详细描述的，可以本地地或远程地生成配置信号35。此外，可以动态地生成配置信号35。

在变型中，配置信号35由配置工具生成，所述配置工具例如由服务技术人员用于安装或重新配置计量设备，其中安装有适配器模块10。配置工具可以是软件模块、硬件模块或其组合。此外，配置工具可以是外部设备或包括适配器模块10的电量计的一部分。在适配器模块10被安装在电量计中的情况下，配置工具可以布置在电量计中或者外部地连接到电量计。在接收到配置信号35之后，控制模块13生成控制信号36以将切换器12控制到状态之一。控制模块13可以是软件模块、硬件模块或其组合。

图3图示了远程地生成配置信号35的变型。在这种情况下，配置信号35由例如由读表系统6生成的发起信号37发起。发起信号37通过电力线缆5或无线电通信信道发送到其中安装有适配器模块10的电量计。基于接收到的发起信号37，电量计设置用于控制模块13的配置信号35。例如，在电量计中包括的处理单元可以提供该功能。

在替代的配置中，该实施例可以包括功能上连接到其中安装有适配器模块的电量计1的处理单元4或控制模块13的逻辑模块（图中未示出）。逻辑模块可以自学习和/或自动检测，并且可以生成配置信号35。以这种方式，动态地生成配置信号35。

图4图示了适配器模块10的实现的一个实施例。要提到的是，本文呈现的实施例描述了实现信号处理单元11的硬件的仅一个示例。然而，本领域技术人员将理解的是，不同的电路实现是可能的，其提供相同的功能。如图4所示，信号处理单元11包括第一电阻器23、第一电容器21、第二电容器22和第一电感器25。第一电容器21和第二电容器22被串联连接，其中第一电感器25布置在第一电容器21和第二电容器22之间。第一电阻器23与第一电感器25并联连接。这四个元件形成带通滤波器，特别是LC谐振电路。谐振电路的中心频率主要由第一电容器21、第二电容器22和第一电感器25的值限定。谐振电路的品质因数部分地由与第一电感器25并联连接的第一电阻器23的值限定。带通滤波器在带外信号耦合到电力线缆5之前从信号路径中去除带外信号。

在一个实施例中，第二电感器26被布置在适配器模块10中，以用于将谐振电路从模拟前端14轻微解耦。因此，在增加该解耦特征的情况下，第二电感器26被使用并连接在模拟前端14和带通滤波器之间，优选在模拟前端14和第一电容器21之间。模拟前端14包括滤波单元、接收器放大器和发送器放大器。优选地，模拟前端14是集成电路，以具有紧凑的设计并且减小由例如在滤波器单元和放大器之间的长电线连接所引起的负载。模拟前端14以远低于电力线缆5的电压的电源电压操作，通常在10伏或几十伏的范围内。因此，信号处理单元11必须能够使具有在模拟前端14的电源电压的范围内的电压的电信号适配于电力线缆5的电压，诸如从10伏到220伏。

在一个实施例中，第三电感器27被布置在节点A与地之间，以衰减在模拟前端14的输入处的比如50Hz或60Hz的市电频率的低频电力线信号。如图4所示，模拟前端的端子2连接到信号处理单元11。在图4所示的实施例中，切换器12与保护电阻器24串联连接。与和保护电阻器24串联的切换器12与第一电感器25并联布置。保护电阻器24可选地与切换器12串联连接。图4图示了针对将电信号发送到电力线缆5的情况的信号流。信号处理单元11从模拟前端14接收第一电信号31，并将第二电信号32输出到电力线缆5。应当提到的是，图4所示的电路布置也可以应用于从电力线缆5接收电信号。信号流然后在相反的方向上。

图5图示了适配器模块10的具体实施例，其中使用具有断开状态和闭合状态的两状态切换器15，并且信号处理单元11具有低频带模式和高频带模式，例如分别为“CENELEC-A”模式和“FCC频带”模式。应当提到的是，本公开不限于这些特定的频带和所公开的电子元件的值。如图5所描绘的，在两状态切换器15的断开状态下，第一电信号31通过由第一电容器21、第二电容器22、第一电感器27和第一电阻器23形成的带通滤波器。例如，这四个元件的值被选择成使得对于CENELEC-A模式的应用，带通滤波器的中心频率被设置在68kHz处。在两状态切换器15的闭合状态下，第一电感器25和第一电阻器23通过两状态切换器15并联，因此，对于FCC模式的应用，第一电信号31通过具有不同的滤波器特性的高通滤波器，例如，截止频率被设置在FCC频带的较低频率处，即155kHz。

附图标记的列表

1 电量计

2 计量单元

3 通信单元

4 处理单元

5 电力线缆

6 读表系统

10 适配器模块

11 信号处理单元

12 切换器

13 控制模块

14 模拟前端

15 两状态切换器

21 第一电容器（C1）

22 第二电容器（C2）

23 第一电阻器（R1）

24 保护电阻器（R2）

25 第一电感器（L1）

26 第二电感器（L2）

27 第三电感器（L3）

31 第一电信号

32 第二电信号

35 配置信号

36 控制信号

37 发起信号。

Claims (12)

1.一种电量计（1），包括：

计量单元（2），用于确定电能消耗；

通信单元（3），用于通过电力线缆在通信频带内传送数据信号；以及

处理单元，用于控制所述计量单元（2）和所述通信单元（3）；

其中所述通信单元（3）被配置为使所述通信频带适配于通信环境。

2.根据权利要求1所述的电量计，其中多个频带被分配为用于通过电力线缆的通信的通信频带，所述通信单元（3）被配置为取决于所述通信环境从分配的频带中的一个切换到另一个分配的频带。

3.根据权利要求1所述的电量计，其中所述通信单元（3）包括信号处理单元、连接到所述信号处理单元（11）的切换器（12）、以及用于控制所述切换器（12）的控制模块（13）；

其中所述信号处理单元（11）取决于由所述控制模块（13）控制的所述切换器（12）的状态而具有至少两个操作模式；

在第一操作模式中，所述信号处理单元（11）从第一频带选择电信号并将所选择的电信号耦合到电力线缆；

在第二操作模式中，所述信号处理单元（11）从第二频带选择电信号并将所选择的电信号耦合到电力线缆。

4.一种用于电量计（1）的适配器模块（10），包括：

信号处理单元（11）；

切换器（12），其连接到所述信号处理单元（11）；

以及控制模块（13），其用于控制所述切换器（12）；

其中所述信号处理单元（11）取决于由所述控制模块（13）控制的所述切换器（12）的状态而具有至少两个操作模式；

在第一操作模式中，所述信号处理单元（11）从第一频带选择电信号并将所选择的电信号耦合到电力线缆；

在第二操作模式中，所述信号处理单元（11）从第二频带选择电信号并将所选择的电信号耦合到电力线缆。

5.根据权利要求4所述的适配器模块（10），其中

在第一操作模式中，所述信号处理单元（11）形成带通滤波器以使在第一频带内的电信号通过；以及

在第二操作模式中，所述信号处理单元形成高通滤波器以使在第二频带内的电信号通过。

6.根据权利要求4或5所述的适配器模块（10），其中所述第一频带和所述第二频带是用于通过电力线缆的通信的所分配的频带中的一个。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的适配器模块（10），其中所述控制模块（13）被配置为基于配置信号（35）生成用于控制所述切换器（12）的控制信号（36）。

8.根据权利要求7所述的适配器模块，其中所述配置信号（35）由通过电力线缆（5）或无线电通信信道发送的发起信号（37）发起。

9.根据权利要求7所述的适配器模块（10），其中动态地生成所述配置信号（35）。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的适配器模块，其中所述切换器（12）是继电器，优选是光隔离继电器。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的适配器模块，其中所述信号处理单元（11）包括第一电阻器（23）、第一电容器（21）、第二电容器（22）和第一电感器（25），其中所述第一电容器（21）、所述第二电容器（22）和所述第一电感器（25）串联连接，其中所述第一电感器（25）布置在所述第一电容器（21）和所述第二电容器（22）之间，其中所述第一电阻器（23）与所述第一电感器（25）并联连接。

12.根据权利要求11所述的适配器模块，其中所述信号处理单元（11）被配置为通过并联所述第一电感器（25）从所述第一操作模式切换到所述第二操作模式。

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