CN1371555A - 低压电网数据传输系统的输入耦合级 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于把高频发送信号(uHF)输入耦合到低压电网(L1、N)中去的装置,其中设置有输出放大器(202),其中在相加点(209)上所形成的、发送信号(uHF)与反馈信号(urück)的差电压(udiff)被作为输入电压传输至该放大器。在输出放大器(202)之后连接了用于匹配电网阻抗(ZL)的网络(206)。在网络(206)的输出上设置有装置(208)以用于获取与网络输出电流(iM)成比例的电压(umess),并且所获取的电压(umess)被传输至调节模块(207),该模块的输出信号即为所述的反馈信号(urück)。

Description

低压电网数据传输系统的输入耦合级
本发明涉及一种用于把高频有用信号输入耦合到低压电网中以进行双向数据传输的装置。
由于能源市场的放开以及与此相联系的能源多值服务，在能源供应企业与不同末端用户之间的直接数据传输将具有越来越大的意义。为此所需的双向数据传输可以有利地通过低压电网自身来实现。这种数据传输称为电力线通信(英语：PLC)。在此，数据传输系统可以用星形布置来简略地表示。在星形的节点上具有智能控制单元，即所谓的智能网络控制器(INC)。在末端点上，双向数据传输的信号均由发送/接收单元来生成和处理。这种发送/接收单元也称为收发器(TR)。实际上，星点通常对应于50Hz的变配电站，而末端点通常处于末端用户的房屋接线端的附近。
为了能够利用低压电网作为传输介质，在INC以及每个TR中都使用了调制/解调器(＝Modem)，在那儿给通信信道合适地提供数字有用数据。调制/解调器基本上由进行调制/解调的信号处理部分和电网输入耦合级组成，其中借助输入耦合级把模拟输出信号施加到低压电网上去，并且还进行接收。
根据“Deutsches Institut für Normung(德国标准研究所)：DINEN50065-1：Signalübertragung auf elektrischenNiederspannungsnetzen im Frequenzbereich 3kHz bis 148.5kHz，VDE-Verlag，Berlin(在3kHz至148.5kHz的频率范围中的低压电网上的信号传输，VDE出版社，柏林)”，允许能源供应企业在低压配电网上进行通信所使用的整个频带达到了从9至95kHz。同样，如同“Arzberger，M.：Datenkommunikation auf elektrischenVerteilnetzen für erweiterte Energiedienstleistungen(用于扩展能源业务的配电网上的数据通信)，Karlsruhe大学的论文，1997”中所述，根据通信信道的特定特性而在40至80kHz的频率范围内借助比如4个离散频率来使用所谓的跳频调制方法(FH调制)。由INC定期检查是否可以达到单个的TR，并且在需要时展开数据通信(＝轮询方法)。
原则上有两种不同的方案来在低压电网上进行信号输入和输出耦合，也即串行和并行的输入和输出耦合。在40至80kHz频率范围内的双向数据传输可以用并行的输入和输出耦合来便宜地实现，原因是用于信号输出耦合的输出级是简单地通过具有足够耐压的电容(以使230V/50Hz的电网电压与调制解调器远离)，并在必要时通过电位隔离变压器并联到供电电网上。输入和输出耦合或者在相线与中性线之间进行，或者在无中性线的电网中比如是在两个相线之间进行。根据实际的原因而通常优先在相线与中性线之间进行输入和输出耦合，其原因在于，从传输技术的出发点来看，干扰的50Hz电网电压只有230V，而在两相之间的输入输出耦合有400V。
在低压电网上进行信号输入耦合要比信号输出耦合的情况明显需要更加复杂的电路技术耗费。从而信号的输入耦合必须更加给予重视，因为在同时改善特性的情况下，为进一步节省费用而必须考虑较高的电位。从而下文仅重视和讨论信号的输入耦合。只有在本发明的说明需要时，才提及原本已经存在的信号输出耦合级。
从变配电站到末端用户的房屋接线端处的导线有一部分被实施为地下电缆，一部分被实施为为架空线，其中从变配电站至末端用户的路径上可能有很多的地下电缆至架空线的联接点和架空线至电缆的联接点。从而出现了分支点，其原因在于，并不是每个末端用户都通过一个单独的电缆联接来与变配电站相联接。地下电缆与架空线相比具有较大的电容值和较小的电感值，从而导致地下电缆具有明显较小的波阻抗。因此在架空线与地下电缆的联接点上产生电压分配，该值对于非常大的整个衰减值来说占很大的比重。这些结合处也是如下方面的原因，即作为通信信道的配电网不是相互的，而是其特性与通信方向有关。信道的衰减特性在一天的过程中也在变化，其依据是低压电网以多大程度和以什么方式承载着所联接的用户(尤其是具有输入侧EMV滤波的设备，比如电视设备的初级脉冲式电源等)。为了降低这些特性对消息传输系统的可靠性所造成的负面影响，希望在电网馈入点上在整个有效频率范围内一直具有最大允许的信号幅度，而与现有的负载状态无关。
大多数为感性、有时也为容性的输入耦合阻抗或接入阻抗可能在INC或TR的电网馈入点上而在较宽的界限内进行变化。阻抗值与频率有关，并且依照敷设电缆方式和电网的荷载以及针对各离散的发送频率而处于一欧姆以下～上百欧姆之间。该阻抗构成了INC和TR的输出放大器的负载。该负载越低，用于把确定的信号幅度施加到已有的电网电压上就需要越大的视在功率。该实在功率必须由输出放大器的电源作为有功功率来提供，并且绝大部分在输出放大器中被转换成损耗功率。该问题的原因在于接入阻抗与耦合网络的电源阻抗之间的错误匹配。由输出放大器提供的输出功率为真正的有功功率，这是所期望的。只有这样才能实现放大器及其电源具有尽可能小功率的最优设计。
一方面由于输入阻抗的频率依赖性，另一方面是由于实际输入耦合网络的阻抗，使得FH调制信号的波形失真。这在离散的频率之间过渡时会导致起振和减振过程，并且在无干扰的数据传输方面必须尽可能避免它。
在当今商业上可用的系统中，输出放大器连同电源一起对于整个PLC系统来说在造价上占很大比重，因此，通过电网输入耦合级的最优设计能够明显降低整个系统的目前还较高的造价。此外，商业上可用的系统不能满足上述的基本技术要求。
从而，本发明的任务在于提供一种输入耦合级，整个系统借助该输入耦合级能够满足上述的基本技术要求，并从而能够在降低生产成本的同时明显地改善效率。
该任务通过一种具有权利要求1所述特征的输入耦合网络而得到解决，有利的扩展方案参见其余的权利要求。
下面借助附图中所描述的实施例对本发明及其优点进行详细描述。
其中：
图1示出了根据现有技术的普通输入耦合级的电路框图，
图2示出了根据本发明的输入耦合级的电路框图，
图3示出了一种常用的用于实现现有技术的普通输入耦合级的电路图，
图4示出了第一种能够实现本发明的输入耦合级的电路图，
图5示出了第二种能够实现本发明的输入耦合级的电路图，
图6a、b、c示出了根据现有技术的与根据本发明的输入耦合级的发送信号起振过程的对比图。
如图1中的电路框图所示，现有技术的用于馈入发送信号UHF的普通配置原则上由以下部分组成：进行调制和解调的信号处理模块101，包含输出放大器102的模块，用来给输出放大器102和信号处理电路101供电的模块103，用于把信号输入耦合到低压电网上的模块104，以及用于输出耦合接收信号的模块105。模块104和105通常也均包含有用于隔离电压和匹配信号幅度的变压器。模块101提供电压UHF作为模拟输出量，其中该电压由输出放大器102来进行放大。耦合输出的接收电压uRX作为模块101的输入量。此外，借助模块101也开展通往其它电路的数字数据传输。整个电路的输出量构成了电压uL，其中该电压然后可以说施加到电网阻抗ZL上。电源模块103的输入电压和输出电压用ui、u1、u2来表示。低压电网的交流电压用uN来表示。放大器102的输出电压用uamp来表示。
在图2中所示出的本发明电网输入耦合级的电路框图中，比图1中所描述的电路框图增加了另外三个模块206、207和208，借助这三个模块满足了前述的技术基本要求。象根据现有技术在图1所示出的模块101至105中一样，用201至205来表示的模块在此可以以同样的方式来构造。模块206安装在输出放大器模块101与信号输入耦合模块204之间。借助优选地由无源元件组成的网络来匹配输出放大器202所承载的阻抗(＝匹配网络)。网络206在此有目的地如此来设计，使得在所遇到的最坏的情况下(这是指那种由202以及从而由203所积聚的功率常达到最高的情况)能在放大器202的输出上调节一个欧姆负载。采用这种方式，输出放大器202的功率需求以及电源部分203需提供的输出功率也能够进一步降低。调节模块207包含一种电路，通过该电路能够在不知道输入耦合阻抗ZL的情况下调节输出电压uL。这种调节可以直接地(在输入耦合级连接到电网电位时，通过测量输出电压uL)或间接地通过测量电流(比如输出放大器的输出电流iM或者串联联接的阻抗匹配网络的电流)来实现。作为例子，图2示出了如何能够间接地调节输出电压uL。在电压umess上所反映的网络206的电流iM构成了调节模块207的输入量，以用于电阻匹配。模块206的输出电压用um来表示。调节模块207的输出量 是一种与电阻匹配网络的电流以及从而与输出电压uL等效的电压。该电压-通常象在调节技术中一样-与由模块201所提供的交流电压uHF相比较。然后在输出放大器的输入上提供了借助相加点209而构成的差电压udiff，其中该电压根据电网阻抗ZL来进行调节。另外还需要提到的是，模块206连同阻抗匹配网络一起位于所指示的调节回路内部。
图2所描述的装置由此提供了接近于恒定幅值的输出电压uL，而且与频率和不同的电网阻抗无关，并同时降低了输出放大器202的功率需求以及从而也降低了电源203的功率需求。
图3示出了一种常用的根据现有技术来实现的电路图。该公知的电路的基本问题在于，输出放大器102独立于输入阻抗ZL而提供恒定幅值的信号电压。通过由耦合电容Ck1和Ck2以及受寄生特性所困扰的变压器T(具有与频率有关的短路电阻和漏感)所构成的阻抗ZQ大大提高了放大器102的动态低输出阻抗。耦合电容Ck1是必需的，以不让230V/50Hz的电网电压UN接近输出放大器。在此，Ck1和Ck2的电容值的选择是一种折衷。一方面该值应尽可能的小，以限制通过输出放大器的50Hz电流。另一方面允许电容Ck1和Ck2的阻抗在传输信号频率最低的情况下不会太大，原因在于它们连同输入耦合阻抗ZL一起构成了与频率有关的分压部件，并从而减小了被输入耦合的信号幅度。特别是在低信号频率的情况下，这时由于输入耦合阻抗值特别小而相对需要高的输入耦合功率，该装置的高通特性显然另人困扰。电容Ck2保证了：在某种条件下由于放大器的偏置而可能存在的放大器输出电压的直流成分不会在一个方向上磁化变压器并从而导致变压器饱和。
由于提高了源阻抗ZQ，从而在ZL和ZQ之间导致与频率和负载有关的电压分配，从而使输出电压uL的幅值波动非常大。在这种根据现有技术的装置中，输入耦合级的阻抗ZQ相对于极低的电网阻抗来说必须是很小的，以便使上述的电压分配不会明显地起决定性作用。即使这成功了，借助该电路也不能够在一个大的频率范围内可重复地对输入耦合的发送信号的幅值进行调节。
与此相反，图4示出了第一种如本发明所述的输入耦合级的可能实现形式，其中该输入耦合级能够间接调节输出电压uL。在这种实现形式变型中，变压器T的初级电流iM被用作输出电压的量度。其原理在于，在耦合电容Ck1和Ck2的值以及变压器参数已知的情况下，通过电流iM的积分可以近似地计算出电网阻抗ZL的电压。在此简化地假定，50Hz电压uN-如同在根据现有技术的电路中一样-在耦合电容上下降，并且通过变压器的主电感在电网侧接通相应的网络。也就是，通过获知变压器的初级电流iM可以近似地推出输入耦合阻抗上的电压uL。原本的电压信号可以由电流iM来重新生成，条件是，电流测量装置208的输出信号umess首先在块207中进行放大(用具有放大系数k的运放OP1来表示)-其中该电流测量装置208可以比如作为电阻或电流变换器来实施-，并接着进行高通滤波，以去除50Hz电流的剩余成分。比如图4中通过在OP2上连接RHP1，RHP2，CHP1，CHP2来实现二阶的高通滤波器。最后，电流信号传输至积分器(OP3，Rint，Cint)。如此所获得的输出电压uL的映像
Figure A0081208000081
与匹配网络206的输出电压uM借助R1和R2加权然后再相加，并从实际输出电压UHF减去该值以构成调节差值udiff。这有利地被实现成功率放大器202的作为差分放大器实施的输入部分。
匹配网络206一般以T形等效电路图的形式示出。在所能想到的最简单的情况下，它可以仅由单个的串联电感来组成，其中该串联电感连同模块204.1的由电容Ck1和Ck2所组成的串联电路一起构成了串联谐振回路，其谐振频率位于传输带宽中接近于最低的传输频率处。这种串联电感或者可以是离散元件，或者可以通过用于电平匹配的变压器的漏感来构成。与图3中所描述的现有技术相反，在图4所推荐的方案中的这种变送器的漏感不是缺点，具体地说，以前元件的干扰寄生特性得到了有利的利用。这基本上是通过把匹配网络206引入到双环调节电路(所谓的级联控制)的内环中来实现的，其中该电路由图4中所推荐的装置来构成。
图5示出了第二种如本发明所述的输入耦合级的可能实现形式。在此，整个输入耦合级位于电网电位上。如果在输出回路中取消电位隔离变压器，那么电网输入耦合模块204.2就大大得到简化，并且仅包含耦合电容Ck1。由此不仅可以节省耗费且昂贵的变压器；此外还能通过调节模块207来精确地再生成电压uL。在这种变型中，负载电流iM直接用来计算输出电压uL。与图4中借助电流测量装置208相类似，这里是比如用简单的分流电阻RCS来把电流iM变换成电压umess。该电压还是由OP1来放大，由OP2来滤波并由OP3来积分。内部调节环的调节量借助R1来定标，外环的反馈值
Figure A0081208000082
通过R2来定标。把该加权值之和从实际输出电压uHF中减去，以构成调节差值udiff，这也还是有利地在功率放大器202中进行。象图4所描述的装置中一样，级联控制的特性同样也在该方案变型中适用。如果需要与其他的电路201进行隔离，那么这比如可以在模块201的施加有uHF的输出端上来实施。相对于现有技术(图3)，其优点在于该处只有小的功率，使得可以采用小容量的、价廉的变压器。此外，其寄生特性在所推荐的安装位置上只起次要的作用。也可以考虑使用光耦合器来替代变压器。
最后，图6a至6c作为例子示出了发送信号uL的起振过程的模拟结果。图6a中所描述的振荡组具有3种不同频率、但是具有同一的幅值，该振荡组应当用2V的幅值尽可能精确地施加到未知的电网阻抗uL上。图6b描述了在应用现有技术的输入耦合级(图3)时的输出电压uL的时间过程：具有大的起振失真，并且单个发送频率的幅值差别很大。最高和最低发送频率在馈入点还达不到期望的水平，这限制了数据传输的作用距离和可靠性。在图6b中可以明显地看出来，由于谐振效应的影响，在特定频率下可能也会产生不可控制的幅值超调。然而，根据标准EN50065-1(其中在该规范中确定了这种电力线路通信系统的最大幅值)这种特性是不可接受的：按照馈入点的阻抗特性可能部分地超过所允许的发送电平。而防止该情形的唯一方法是，从一开始就把发送幅值选择得如此小，使得超调得到了排除。然而这导致PLC系统的作用距离和可靠性大大丧失。
另外，在使用所推荐的新型输入耦合级的情况下，从图6c所描述的结果中可以看出来：获得了所期望的恒定而且可非常好地再生成的2V发送信号的幅值，并且还大大抑制了干扰的起振过程。借助该装置实际上可以充分利用EN50065-1中所规定的发送电平，而不用必以馈入点上的电平损耗为代价，或者不会在特定频率下出现超调。由于图2、4和5中所示出的匹配网络206，在此同时能够减小由发送放大器202所提供的功率。
由前述的实施例可得出，由于采用了所推荐的用于电网通信系统的输入耦合级而达到了以下目的：
a)提高整个电力线路数据传输系统的可靠性，
b)同时减小发送放大器的损耗功率以及必需的电源部分功率。

Claims (5)

1.用于把高频发送信号(uHF)输入耦合到低压电网(L1，N)中去的装置，其中
a)设置了输出放大器(202)，其中在相加点(209)上所形成的、发送信号(uHF)与反馈信号 的差电压(uDiff)被作为输入电压传输至该输出放大器，
b)在该输出放大器之后连接了用于匹配电网阻抗(ZL)的网络(206)，
c)在网络(206)的输出上设置有装置(208)以用于获取与网络输出电流(iM)成比例的电压(umess)，以及
d)所获取的电压(umess)被传输至调节模块(207)，该模块的输出信号即为所述的反馈信号
Figure A0081208000022
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述网络(206)是以无源元件构造的。
3.如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述的调节模块(207)包含用于实施放大、高通滤波、积分功能的装置。
4.如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述网络(206)后面连接了输入耦合模块(204.1)，该模块包含了具有初级耦合电容和次级耦合电容(Ck1、Ck2)的变压器(T)。
5.如权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述网络(206)后面连接了输入耦合模块(204.2)，该模块仅包含有一个耦合电容(Ck1)。
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