CN1452816A - 经低压电网传输数据的方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种包括第一导线(1)和第二导线(2)的低压电网，在低压电网的被设定用于数据传输区域中将上述二个导线按照双导线方式平行布置。以推挽模式在第一导线(1)和第二导线(2)之间生成载波信号以进行数据传输，其中载波信号的频率大大高于电网频率。另外，在被设定用于数据传输的电网区域在二个导线上设置对称阻抗。由此实现对该电网区域的电磁屏蔽。

Description

经低压电网传输数据的方法与设备

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的经低压电网传输数据的方法，以及实施该方法的设备。

背景技术

人们知道：经低压电网或者经这种电网的一部分也可以传输诸如电话、传真、数字数据等信息。为此目的，将数据编码，并通过公知方式，例如通过调频施加高频载波信号。由相应的发射机将调制的载波信号馈入低压电网，并由相应的接收机以相同的方式输出并进行解码。利用电网的信息传输系统尤其适合于建筑物内(in house)的运行，如在WO-A00/11759(Ascom System股份公司)中对这种系统进行了说明。这种系统被称为电源线通信系统(缩写为PLC系统)，其中通常所用的电网频率范围是15赫兹至100赫兹，载波信号频率的频率范围是1兆赫兹至40兆赫兹。

在电磁兼容性方面，尤其在作为载波频率的二次使用频率情况下，该载波频率主要被分配给特定的无线业务，被设定用于数据传输的电网部分应当采用尽可能高的电磁屏蔽。该电磁屏蔽越高，一方面，在电网周围的由PLC运行导致的电磁干扰场越小；另一方面，PLC系统与以射频运行的无线业务之间的干扰几率也越小，所述射频对应于PLC的载波频率。

原则上，借助于诸如在高频技术中广为应用的手段可以对被设定用于PLC运行的电网区域设置电磁屏蔽。例如可以采用同轴电缆用作电网的导线。但是在PLC系统的成本方面这会产生相当大的缺点。

发明内容

本发明的任务是提出一种PLC系统，该系统可以确保对被设定用于PLC运行的低压电网区域有良好的电磁屏蔽，并且还特别适合运行于现有的电网。

通过独立权利要求的特征对所述任务的解决方案进行了限定。借助于载波信号经具有至少一个第一和第二导线的低压电网传输数据，其频率大大高于电网的供电频率，根据本发明在低压电网中的一个区域内以推挽模式在第一导线与第二导线之间生成载波信号，在所述区域中，二条导线按照双导线方式基本上平行排列。此外，在所述区域内考虑在二条导线中有对称阻抗。

一种根据本发明的用于经低压电网以至少一个第一和一个第二导线传输数据的设备包括装置，以便在低压电网中的二条导线按照双导线方式基本上平行排列的区域内在第一导线与第二导线之间以推挽模式产生载波信号，其中所述载波信号的频率高于电网频率，以及在所述电网区域内的二条导线中产生对称的阻抗。

在本说明书和权利要求书中，如果二条导线相互紧邻地平行排列，则称这二条导线为按照双导线方式平行布置。在这种情况下，无论紧挨这二条导线是否还有另外一条导线与之平行排列均与此不相干，例如构成多线电源导线。此定义不仅包括仅仅是二条导线而且还包括多于二条导线的情况，其中后者至少有二条相互靠近平行排列的导线。

如果沿导线长度的任何位置处第一导线相对参考基准的阻抗与在同一位置处的第二导线相对同一参考基准的阻抗大致相等就称按照双导线方式排列的二条平行导线的阻抗为对称。

另外，在本说明书和权利要求一个在第一导线和第二导线之间以推挽模式产生的载波信号意味着：这二条导线具有相反电压。一个以推挽模式运行的导线应当理解为至少有二条导线，在这二条导线之间以推挽模式产生信号。

通过本发明在低压电网中的一个按照双导线构建的区域内建立了一种所谓的对称运行状态用于数据传输(即：PLC运行)。为了在双导线区实现对称运行状态，必须向所述双导线对称馈送(例如通过相应设计的发生器)，所述对称既不受负载电阻也不受连接至双导线的电网分支的连接电阻干扰，并且所述双导线必须对称接地。

根据本发明，由于在每一时间点，在双导线中的各处流有大小相同方向相反的高频电流(即具有相反电压的高频电流)，那么在多线中实现了对称PLC运行状态，从而实现了导线的屏蔽，因此在二导线中的高频电流远程电磁作用被抵消。

本发明使得将包含多导线导通区域的现有低压电网：如存在于大多数建筑物中的低压电网，并结合PLC系统用于数据传输，而无需另外的高额花费。作为唯一需要对这种电网采取的措施就是保证在按照双导线方式布置的被设定用于传输数据的电网区域的二导线中的阻抗对称。

可以例如通过连接一个或多个具有预定阻抗的电组件，在现有低压电网的二个导线中产生对称阻抗。如果建筑物的公共设施包括例如接通/关断开关元件和/或切换开关元件和/或插座，以致使另外的电组件以可与其连接的方式进行构建和布置(例如其设置附加的没有使用的连接端子)，这实现起来尤其简单。在这种情况下，可以将具有预定阻抗的电气元件直接连接在建筑物的公共设施上以获得对称阻抗，并由此实现对用于数据传输的电网区域的电磁屏蔽。

优选地，用于实现对称阻抗的装置至少包括一个具有一定电容的电气组件(例如电容器)作为容性部分和/或至少一个具有一定电感的电气组件(例如线圈)作为电感部分。

根据本发明的一个变型，将阻抗对称装置以桥接开关元件的电容形式用于电网分支，该电网分支连接至被设定用于PLC运行的电网区域。没有相应的防范措施，这些开关元件在被设定用于PLC运行的电网区域导致阻抗对称的干扰。

作为阻抗对称装置，适宜的桥接电容器必须仅仅供电网电压专用。不必将所述电容器设计成将电网电流馈送至负载，并且相应地设计成馈送较低电流。因此这种桥接电容示出了一种实现根据本发明的对称阻抗装置的非常小巧且经济合算的形式。

在这种情况下，可以通过如下方式安排电容：将其用作高通滤波器，使频率大大高于电网频率的电流导通，而将基本上低于电网频率的电流大部滤除。PLC运行的电网频率范围是：15赫兹至100赫兹，载波信号频率的范围是：1兆赫至40兆赫，此时电容范围在1nF和1μF之间，尤其有利的是10nF和0.1μF之间。

适合阻抗对称的桥接电容器可以简单而快速地安装于建筑物的电气公共设施中，例如电灯开关/按钮组合或者电灯开关/按钮-插座组合。这种建筑物的电气公共设施通常为每一个接线极设有一个或者多个附加的连接端子，这些连接端子通常不用。

现代化建筑物公共设施也经常设有供插入辉光灯插座，用于定向和监视目的，这些插座例如桥接电灯开关。处于成本的原因，大多数的辉光灯并没有被安装。在这种情况下，在其形状对应辉光灯外壳的外壳中采用可插入的桥接电容器替代一个可插入的辉光灯，作为产生用作PLC运行的对称阻抗的装置，该桥接电容器因此必须以定向灯的相应方式连接。

使用以电容形式的阻抗对称装置局限于其分支导线基本上按照双导线方式平行排列的电网分支。对电网分支不是平行双导线方式布置的情形，可以采用电感进行阻抗对称化，尤其是借助于连接在分支导线与被设定用于PLC运行的电网区域之间的线圈来实现。在这种情况下，必须如此确定电感量，尽可能大地使频率显著上高于电网频率的电流衰减，而尽可能少地使频率低于电网频率的电流衰减，这种电感或者线圈在下文中也被称为高频扼流圈或者被称为高频扼流圈线圈。对于电网频率的范围在15赫兹至100赫兹并且载波信号频率范围在1兆赫至40兆赫的PLC运行，电感的范围是1微亨与100微亨之间，尤其是10微亨的量级。

与电容形式的阻抗对称装置不同，电感形式的阻抗对称装置必须设计为将低频电网电流(即：电网的实际供电电流)传送给连接至电网分支的负载。因此其通常比前者体积大而且成本高。对此，以电感形式的阻抗对称装置也可以用于供PLC运行的有非平行分支导线的电网区域，这借助于以电容形式的阻抗对称装置通常不能实现。

从以下的详细描述和权利要求的整体将会得出本发明的其它实施形式和特征组合。

附图说明

用于对所用实施例进行解释的附图表明：

图1大致示出根据本发明的优选实施方式传输数据的部分设备；

图2大致示出图1设备的部分

图3大致示出图1设备的其它部分

图4大致示出图1设备的其它部分

原则上，在附图中，采用相同的附图标记表示相同部分。

具体实施方式

图1大致简化地示出低压电网的第一部分，所述电网的交流电压为230V，频率为50赫兹，并且设置有根据本发明优选实施方式的用于传输数据的设备。

所述电网的被设定用于PLC运行的子区域包括三芯电源电缆形式的电网导线。将第一导线(或第一芯)用作相线1，第二导线(或第二芯)用作零线，第三导线(或第三芯)用作电网导线的保护接地3。三个导线通常以相互基本平行的方式布置于同一电缆中。从而尤其是相线1以及零线2基本上相互平行地按照双导线方式排列。

在PLC运行时，为了进行数据传输在相线1和零线2之间以推挽模式产生载波信号。该载波信号的频率大大高于电网频率，其频率范围在10兆赫兹与40兆赫兹之间，最好是大约1兆赫兹。

如图1所示，在被设定用于数据传输的电网区域内，第一电网分支连接于低压电网，以便从电网给室内照明形式的负载供电。该电网分支包括与相线1连接的第一分支导线11，以及与零线2连接的第二分支导线12。所述二个分支导线11、12基本上相互平行按照双导线方式布置于同一个电缆中。

所述与相线1连接的第一分支导线11设置有中断开关16类型的接通/关断开关元件16，通过所述第二分支导线11可选地可以中断或者短路，以将室内照明灯关断或者开启。

为了避免分支导线11、12在与相线1以及零线2的连接点在载波信号频率根据终端开关16的不同位置具有不同的阻抗，将桥接电容器15与开关16并联。桥接电容器15的电容在10nF和0.1μF之间。因而它起高通滤波器的作用。频率处于载波信号范围的电流基本不会衰减，而频率处于电网频率范围的电流基本上被阻止。从而，处于载波信号频率的信号的电网分支的分支导线11、12无论中断开关16的位置始终表示在电网中被设定用于PLC运行区域内的导线1或导线2与连接至所述分支导线另一端的负载之间的导通连接。在所述分支导线11、12的频率范围内的阻抗始终对称。

图2示出了图1所示的用于PLC运行低压电网三芯电缆的另外一部分。其中将被设定用于数据传输电网区域的另一电网分支连接至低压电网，以便从电网向照明灯形式的负载(未示出)供电。

图2所示的另一个电网分支包括2个分支导线23、24，借助于切换元件36可交替与分支段21相连接，其本身在被设定用于PLC运行的电网区域与相线1连接。所述2个分支导线或者相线23、24相互平行按照双导线的方式排列，借助于另外一个相似的切换元件(未示出)可以交替连接到另一个分支导线段(未示出)，其本身与照明灯连接。与所述2个可切换分支导线23、24和分支导线段21平行设置另外一个分支导线22，经上述导线所述照明灯与电源网的零线连接。通过该已知开关布置可以借助于切换元件36开启和关断照明灯，所述2个切换元件可以分别独立工作。

在图2所示的设备中，桥接电容器25以桥接功能方式连接于二个可切换分支导线23、24之间用来进行被设定用于PLC运行的电网区域中的阻抗对称。所述桥接电容反过来又被布置层起高通滤波器的作用，使得频率处于载波信号频率范围的电流基本上不衰减，而频率处于电网频率范围的电流基本上被阻止。这二个可切换相线23、24通过电容器25对高频相互电容耦合。此外，它们足够长，使得具有足够高的开关电容用于PLC运行，因而可以省去额外的桥接电容。在高频区，一方面连接至零线的分支导线22中的阻抗和其中与相线连接的分支导线21、23、24中的阻抗始终对称而分别都与切换元件36的位置无关。

图3示出图1所示的低压电网的三芯电缆的用于PLC运行的另外的部分。在被设定用于数据传输的电网区域中，有另一个电网分支连接于低压电网上，以便从电网向另一个负载(未示出)供电。

图3所示的电网分支包括与相线1连接的第一分支导线31，和与零线连接的第二分支导线32。这二个分支导线31、32各自形成独立的单芯电缆。它们各自在与电网分支连接的负载一侧和电网的相线或者零线2的另一侧之间形成电导通连接，以便向负载供电。在这种情况下，所述二个分支导线31、32经分离的路径敷设，没有将它们相互平行排列。

连接相线1的第一分支导线31设置有中断开关36类型的接通/关断开关元件36，利用该分支导线31可选地进行断开或者短路，以便将室内照明灯关断或者接通。

在载波信号的频率范围内，为了避免所述分支导线31、32在其与相线1或者零线2的连接点的阻抗取决于中断开关36的位置，在二个分支导线31、32通过中间切换各从线圈37和38与相线1或者零线2连接。二个线圈37、38各有一个量级为10微亨的电感。此外，将所述线圈设计成用来导通供给负载的供电电流。因此，线圈37、38用作高频扼流圈，该扼流圈既可以基本阻断同步电流也可以基本阻断其频率位于载波信号频率的推挽电流，而其频率位于电网频率范围的电流基本上没有衰减。从而，通过所述线圈在高频区，可以对图3所示的带有二个分支导线31、32的设定用于PLC范围的电网区域进行屏蔽，使得在高频区的电网分支不会影响被设定用于PLC范围的电网区域中的阻抗对称性。

图4示出了图1所示的低压电网的三芯电缆的被设定用于PLC运行的另一部分。在被设定用于数据传输的电网区域中，另一个电网分支连接于低压电网，该电网分支与图3所示的电网分支相类似。

图4所示的电网分支包括一个与相线1连接的第一分支导线41，和一个与零线2连接的第二分支导线42。所述的二个分支导线41、42被设计为各自独立的单芯电缆，并且经分离的不平行路径与负载(未示出)连接，以便给这些负载供电。与相线1连接的分支导线41又设置有中断开关46形式的接通/关断开关元件46，以便能够可选地关断或者接通馈送给负载的电流。

不同于图3所示的设备，图4所示的被设定用于阻抗对称化的设备设有一个用铁氧体材料制成的环状芯45，该环状芯45将位于其与相线1或者零线2的连接处附近的二个分支导线41、42环绕。即：将二个分支导线41、42穿过环状芯45，原则上将环状芯线圈45的匝数设计为1/2，所述的环状芯线圈45用作高频扼流圈并且在高频区对被设定用于PLC运行的带有分支导线41、42的电网分支的电网区域进行屏蔽，以阻止被设定用于PLC运行的电网区域中的阻抗对称性的不利影响。

在另一个图中未示出的本发明的变型中，还可以将分支导线按照多匝双线绕组的方式缠绕环状芯，以提高环状芯线圈的电感(以及高频扼流圈的作用)。另外，一个单一的环状芯还可以环绕多个分支导线而不是仅仅环绕二个分支导线，并且这些分支导线可以按照多线绕组方式围绕所述环状芯进行缠绕，以构成具有多匝绕组和多线的用作高频扼流圈的环状芯线圈。

通过该具有双线绕组的环状芯线圈，使得仅抑制高频同步电流而非高频推挽电流。由此实现以下的可能性：借助一个环状芯线圈与被设定用于PLC运行的电网区域相连接的电网分支还可以部分地在所述环状芯线圈之外用于PLC运行。

总之，通过本发明实现了一种PLC系统，该系统对被设定用于PLC运行的低压电网区域确保了良好的电磁屏蔽，并且该系统尤其还适合运行于现有的低压电网。

Claims (10)

1.经低压电网传输数据的方法，所述低压电网至少配有一个第一导线(1)和一个第二导线(2)，其中利用载波信号进行数据传输，所述载波信号的频率大大高于电网频率，

其特征在于，

在低压电网的一个区域中，二个导线(1、2)基本上平行地按照双导线方式布置，以推挽模式在第一导线(1)和第二导线(2)之间产生载波信号，并且在所述电网区域内注意使二个导线(1、2)中的阻抗对称，以实现对所述的低压电网区域的电磁屏蔽。

2.如权利要求1的方法，

其特征在于，

为了在所述二个导线(1、2)中产生对称阻抗，将一个或者多个具有预定阻抗的电气元件(15、25、37、38、45)连接到一个现有的低压电网中。

3.如权利要求2的方法，

其特征在于，

将具有预定阻抗的电气元件(15、25、37、38、45)中的至少一个接到包含至少一个接通/关断开关元件(16、36、46)和/或切换元件(26)和/或插座的建筑物基础设施上。

4.用于经低压电网传输数据的设备，尤其是实施权利要求1至3之一的方法的设备，所述低压电网至少配有一个第一导线(1)和一个第二导线(2)，

其特征在于，

所述设备包括如下装置：在低压电网的一个区域内，二个导线(1、2)基本上平行地按照双导线方式布置，以推挽模式在第一导线(1)和第二导线(2)之间产生载波信号，其中所述载波信号的频率大大高于电网频率；所述设备还包括装置(15、25、37、38、45)用于在所述电网区域中的二个导线(1、2)上产生对称阻抗，以便在被设定用于传输数据的电网区域实现电磁屏蔽。

5.如权利要求4的设备，

其特征在于，

所述产生对称阻抗的装置(15、25、37、38、45)包含电容，尤其是具有一定电容量的电容器(15、25)，和/或电感，尤其是具有一定电感量的线圈(37、38、45)。

6.如权利要求5的设备，

其特征在于，

所述产生对称阻抗的装置(15、25、37、38、45)包含桥接电容器(15)，该桥接电容器(15)与一个起桥接功能的接通/关断开关元件(16)并联，并被连接到设置有该接通/关断开关元件(16)的分支导线(11)上，该桥接电容器(15)在被设定用于数据传输的电网区域与按照双导线方式布置的二个导线(1)之一连接。

7.如权利要求5的设备，

其特征在于，

所述产生对称阻抗的装置(15、25、37、38、45)包含桥接电容器(25)，桥接电容器(25)以桥接功能方式连接于二个分支导线(23，24)之间，上述分支导线交替地经切换元件(26)在被设定用于数据传输的电网区域与按照双导线方式布置的二导线之一(1)连接。

8.如权利要求5的设备，

其特征在于，

所述产生对称阻抗的装置(15、25、37、38、45)至少包含高频扼流圈形式的线圈(37、38)，该线圈连接于一个分支导线(31、32)和按照双导线方式布置的二个导线(1、2)中的一个导线之间。

9.如权利要求5的设备，

其特征在于，

所述产生对称阻抗的装置(15、25、37、38、45)包含一个用铁氧体材料制成环状芯(45)，该环状芯至少环绕二个分支导线(41、42)，所述分支导线在被设定用于数据传输的电网区域中各与按照双导线方式布置的二个导线(1、2)中的一个或者另外一个连接。

10.如权利要求9的设备，

其特征在于，

将二个分支导线(41、42)按照双线绕法围绕环状芯(45)，以形成起高频扼流圈作用的环状芯线圈(45)。