CN1649281B

CN1649281B - 一种非对称电力载波通讯装置

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Publication number: CN1649281B
Application number: CN 200410103051
Authority: CN
Inventors: 郭建国; 郭建华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-12-30
Also published as: CN1649281A

Abstract

本发明涉及一种电力系统的非对称载波通讯电路装置。本发明的技术方案是：一种非对称电力载波通讯装置，包括电力变压器、主机电路和从机电路，主机电路包括主机电力载波通讯电路，主机电路采用电压互感器结构，电压互感器的次级线圈串联在电力系统配电变压器低压侧三相四线制的N相(零线)中，电压互感器的初级线圈连接主机电力载波通讯电路；从机电路中的从机电力载波通讯电路串联在电力变压器低压侧的相线和零线之间。本发明面向电力系统10kV/0.4kV配电变压器低压侧负载，进行网络化负荷节点的测量与控制，并通过网桥与配电自动化调度中心、结算中心进行数据通信与配电管理。

Description

一种非对称电力载波通讯装置

技术领域

本发明涉及一种通讯装置，特别涉及一种电力系统的非对称载波通讯电路装置。

背景技术

当今现有的主机与从机进行电力载波通讯，其主机与从机通讯电路中调制的电压FSK信号是通过电感、电容隔离耦合到相线、零线之间，并通过相线与零线所形成的线路，进行半双工电力载波通讯，如图1所示。该对称电压FSK信号耦合型电力载波通讯原理的主要优点是，电力变压器各相线、零线之间不需要改动，主机与从机载波通讯电路通过并联在电力线上方式，将各个载波通讯电路中电感、电容隔离耦合到相线、零线之间就可以进行电力载波通讯，电力载波通讯技术较为简单。但对称电压FSK信号耦合型电力载波通讯方式缺点也非常明显，主要有以下三个方面；1)电力变压器复阻抗小，影响主机并联的调制信号功率，主机与从机通讯距离短；2)用户负载的变化，同样也影响从机并联的调制信号功率，并容易干扰通讯；3)通讯易受用户负载的变化，通讯不稳定可靠性低。所以，我国电力系统在居民用电需求侧，采用对称电压FSK信号耦合型电力载波通讯的电表抄收，并通过多年的技术开发与试点，基本没有可推广的、成熟可靠的系统产品。

发明内容

为解决对称电压FSK信号耦合型电力载波通讯电路的不足，本发明采用非对称电力载波通讯装置，重点解决了通讯可靠性及通讯距离问题。

本发明的技术方案是：一种非对称电力载波通讯装置，包括电力变压器、主机电路和从机电路，主机电路包括主机电力载波通讯电路，主机电力载波通讯电路采用电压互感器结构，电压互感器的次级线圈串联在电力系统配电变压器低压侧三相四线制的N相(零线)中，电压互感器的初级线圈连接主机电力载波通讯电路；从机电路中的从机电力载波通讯电路串联在电力变压器低压侧的相线和零线之间；

当所述电压互感器的初级线圈加载电压FSK调制信号时，电压互感器次级线圈耦合的FSK信号电压源与电力变压器各个相线与零线的50Hz电压源串联相加，电感线圈复阻抗与电力变压器复阻抗也是串联相加，形成复合的载波电压源；而各个相线与零线之间的从机电路在电力变压器低压侧下端接收、解调FSK电压信号进行电力载波通讯；

从机电路的从机电力载波通讯电路调制FSK电流信号源在电力变压器N相(零线)串联的电感器线圈上形成FSK信号电流，并通过从机电路的电压互感器次级线圈在主机电路上形成FSK电压信号，主机解调从机的FSK电压信号，完成主、从机电力载波通讯。

上述电路称为非对称电力载波通讯装置，是因为从机采用电流型FSK调制信号与主机进行电力载波通讯，而主机采用电压型FSK调制信号与从机进行电力载波通讯。

上述非对称电力载波通讯装置可以是：电力系统10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制(A相、B相、C相、N相)中，采用N相(零线)串联隔离型高频互感器结构，主机通过隔离型高频互感器产生电压型FSK(频移键控)调制信号与从机进行电力载波通讯，而从机产生电流FSK(频移键控)调制信号在隔离型高频变压器电感器线圈形成感应调制FSK电压信号与主机进行电力载波通讯。

所述的非对称电力载波通讯装置工作原理主要优点是：主机电感线圈次级耦合的FSK信号电压源与电力变压器各个相线与零线的50Hz电压源串联相加，所形成的载波电压源电力变压器复阻抗影响小，调制信号功率大、通讯距离远。而从机与主机在电力载波通讯时，相线与零线之间回路中，串联电感线圈的FSK信号电流与感抗所形成FSK信号电压降(串联电感线圈针对50Hz电流不呈现感抗)，因电力变压器相线与零线回路中有FSK信号电流，不受电力变压器低压侧用户负载复阻抗的影响，所以从机与主机进行电力载波通讯时抗干扰及可靠性大大提高。

作为本发明的进一步改进，主机电路采用网桥电路。

网桥是指是利用非对称电力载波通讯技术与电力变压器低压需求侧电力线上的从机终端，以及通过GSM无线网或RS485与上位管理计算机，进行物理链路及通讯协议的桥接。网桥主机是一种智能电子装置，主机电路中主要设有微处理芯片CPU；主机电力载波通讯电路；通讯调制解调芯片；GSM无线网通讯模块；RS485接口电路；LCD显示电路；稳压电路等。CPU上还连接有日历时间芯片、模拟开关、光耦合器电路等。其主要特征在于：主机中CPU通过调制解调芯片连接有非对称电力载波通讯装置，并通过电力变压器低压侧的从机进行电力载波数据通讯管理，主机的CPU连接GSM无线网模块、RS485接口与上位管理计算机进行远程数据通讯管理。

作为本发明的进一步改进，从机电路采用智能电子装置，从机电路中主要设有IC1微处理芯片CPU、IC3通讯调制解调芯片、开关型稳压电路、电力载波通讯电路和电量采集及负荷控制电路。其中电量采集及负荷控制电路包括：IC2日历时间芯片；IC4 LCD显示电路以及红外通讯单元、漏电断路器路灯控制单元、电子电能表接口。从机电路中CPU通过调制解调芯片连接有非对称电力载波通讯装置，并通过电力变压器低压侧下位与上位网桥主机进行电力载波数据通讯管理。

采用非对称电力载波通讯装置是面向电力系统10kV/0.4kV配电变压器低压侧用电负荷控制从机信息终端，实现对各负荷节点的测量与控制，如用电需求侧居民电能表复费率计量、城市路灯电器负荷控制、用户配电终端维护管理等，并通过网桥与配电自动化调度中心、结算中心进行数据通信与配电管理。

附图说明

图1为对称电压耦合型电力载波通讯结构示意图

图2为本发明的结构示意图

图3为本发明实施例1系统网络结构示意图

图4为本发明实施例2网桥主机的电路图

图5为本发明实施例3从机电力载波通讯电路图

图6为本发明实施例4从机电路图

图7为本发明实施例2、4从机接收信号电路示意图

图8为本发明实施例2、4主机与从机电力载波通讯工作波形图

图9为本发明实施例2、4从机发送信号电路示意图

图10为本发明实施例2、4从机与主机电力载波通讯工作波形图

具体实施方式

实施例1，参照附图2、图3：一种非对称电力载波通讯装置，包括电力变压器、主机电路1和从机电路2，主机电路1中的电力载波通讯电路采用电压互感器结构，电压互感器TL1的次级线圈串联在电力系统配电变压器低压侧三相四线制的N相(零线)中，电压互感器的初级线圈连接主机电力载波通讯电路；从机电路2中的电力载波通讯电路串联在电力变压器低压侧的相线和零线之间；

当电压互感器TL1的初级线圈加载电压FSK调制信号时，电压互感器次级线圈耦合的FSK信号电压源与电力变压器各个相线与零线的50Hz电压源串联相加，电感线圈复阻抗与电力变压器复阻抗也是串联相加，形成复合的载波电压源；而各个相线与零线之间的从机电路在电力变压器低压侧下端接收、解调FSK电压信号进行电力载波通讯；

从机2中的从机电力载波通讯电路调制FSK电流信号源在电力变压器N相(零线)串联的电压互感器TL1的初级线圈上形成FSK信号电流，并通过从机电压互感器的次级线圈在主机1的电力载波通讯电路上形成FSK电压信号，主机解调从机的FSK电压信号，完成主、从机电力载波通讯。

实施例2，与上例基本相同，所不同的是，主机信号电路采用网桥主机电路，网桥主机电路结构如图4所示，电路中主要器件采用微功耗芯片，其中U2为CPU芯片是该电路的核心微处理器；U1为通讯调制解调芯片；U3为日历时间电路芯片；U4为外存储芯片；U5为模拟开关；U6为LCD显示驱动芯片；U7为RS485接口芯片；U8、U9、U10为光耦合器；TXB为GSM通讯板；DB为多功能电能表；WA为稳压电路。IC1A、IC1B及周围电路是主机电力载波通讯接收/发送放大电路，而TL1是与电力变压器低压侧零线(N相)上串联的电感器，H1、H2、H3、是多功能电能表DB检测各相线电流的互感器。

所述的U1是通讯调制解调MSM7512芯片，CPU芯片通过选用P1.0口、P1.1口、U5模拟开关，形成串行通讯与U1通讯调制解调芯片的RXD、TXD进行数据读写操作。P0.0为R/T读写操作控制端，P1.7是模拟调制信号检测端(CD口)。U1调制解调MSM7512芯片中Ain、Aout为FSK信号输入/输出端，Aout输出的FSK信号经CC3电容、运算放大器IC1A、三极管TC1、TC2、TC3、TC4及周围电路，形成功率放大电路推动电感器TL1线圈N1，在电感器线圈N3上形成FSK信号电压源。因为FSK信号电压源串联在电力变压器零线(N相)上，并与各相线50Hz电压源串联相加，形成50Hz交流波上载有高频FSK信号波的电压源，供给电力变压器低压侧下端的从机终端接收及负载供电，完成网桥主机与从机终端进行非对称电力载波通讯。

从机终端在与网桥主机进行非对称电力载波通讯时，从机终端在相线与零线之间回路中，能产生100Hz同步(50Hz交流电半周期)的FSK电流信号，100Hz同步的FSK电流信号通过电感器TL1线圈N3，在电感器N2线圈上感应出100Hz同步的FSK电压信号，经电容CC2、运算放大器IC1B及周围电路滤波放大输入到U1调制解调MSM7512芯片中Ain端进行解调，完成从机终端与网桥主机进行非对称电力载波通讯。

实施例3

本实施例与实施2所不同的是，本实施例从机电路2采用智能电路装置，从机电路中主要设有微处理芯片CPU IC1、通讯调制解调芯片IC3、开关型稳压电路2.1、从机电力载波通讯装置单元2.2和负荷控制2.3及电量采集电路2.4，如图5所示。MSM7512调制解调芯片IC3、CPU微处理器芯片IC1和开关型稳压单元组成基本单元。非对称电力载波通讯装置单元中有整流器BZL电路，BR1、BR2、BR3、R10电阻、稳压管D2、恒流元件BT3和光耦合器BU2所组成的同步触发电路；晶体管BT1、二极管BD3、电阻BR4、BR5、BR^*、电容BC3、BC4、隔离推动变压器BLT2所组成的电流功率放大器；光耦合器BU1、BU3、晶体管T1、T2、T3、电阻R6、R7、R8、R9、R11、R12、R13、电容C8、C9、C10、C11、C12所组成的收发控制与FSK信号功率推动放大电路；电容BC1、BC2、C13、C14、C15、C16、隔离变压器BLT1、电阻R5、R14、R15、R16、限幅器D2、晶体管T3所组成的FSK信号接收放大电路。

为实现从机终端能非对称电力载波通讯，从机终端在供电线路50Hz交流电上，通过整流形成每半周期同步产生可控的FSK电流信号源。

从机终端的电力载波通讯装置单元2.2中，电容BC1、BC2、耦合电感BLT1、电阻R5、R14、R15、R16、电容C13、C14、C15、C16及限幅器D2组成接收网桥主机的FSK电压信号电路，接收到的FSK电压信号送到IC3MSM7512调制解调芯片的Ain端，并进行解调。网桥主机与从机终端非对称电力载波通讯工作波形图，参看附图7、附图8。

实施例4

本实施例与上例基本相同，所不同的是负荷控制及电量采集电路由漏电断路器路灯控制单元2.3与电子电能表接口2.4所组成，它还包括IC2日历时间芯片；IC4LCD显示电路以及红外通讯单元2.5。

参看附图6：是所述的从机终端实施例中的电路原理图，从机终端与网桥主机可进行非对称电力载波通讯，可进行网络化城市路灯控制管理及用电负荷控制管理，其网络系统的结构，参看附图3。

图6中，IC3 MSM7512调制解调芯片Aout输出的同步FSK信号经C10电容、T1晶体管、R11、C11推动BLT2变压器初级，并T2晶体管、BU1光耦合器导通，BU3光耦合器截止在发送状态时，BLT2变压器次级激励BT1及由BD3、BR5、BR4、BR^*、BC4、BC3所组成的电流功率放大器，在220VAC相线与零线之间经BZL整流形成100Hz同步FSK电流信号源。其中，100Hz同步信号是由BR1、BR2、BR3电阻；BD2稳压二级管；BT3恒流元件；BSCR可控硅元件；BU2光耦合器及R10组成的触发同步电路，R10输出的触发同步信号送到IC1 CPU微处理器芯片INT1端，由CPU按触发同步周期控制串口RXD、TXD及收发控制端口P2.5，使IC3 MSM7512调制解调芯片Aout输出同步FSK信号。

由IC1 CPU微处理器；IC2日历时间电路芯片；IC3 MSM7512调制解调芯片；IC4 LCD显示驱动芯片组成基本微处理单元。在基本微处理单元周围接入的电路单元有：红外通讯电路单元2.5、非对称电力载波通讯装置单元2.2、漏电断路器路灯控制单元2.6、开关型稳压电路单元2.1及电子电能表接口2.3.1。

漏电断路器路灯控制单元2.6中P1、P2接线端子，可接入路灯及其它电器，完成远程负荷控制，这时从机终端2实施例中的电路模块是安装在符合国家DZ47L(C45L)、DXM65L(C65L)、DZ23L、F360、NF1N系列以及RDL20系列漏电断路器标准条件，所有电路系统模块安装在漏电保护断路器结构盒内。从机终端2实施例中的电路中P1、P2接线端子接入路灯时，DSCR可控硅元件的触发端由DU2光耦合器通过CPU的P2.2口进行路灯开与关的控制，而DD1LED发光管、DR1电阻、DU1光耦合器组成路灯开与关显示及路灯损坏检测，DR2、DR3、DR4电阻与DD2稳压管组成可控硅导通角触发电压。

红外通讯单元2.5是满足手持机在现场与从机终端进行维护信息通讯，所以从机终端装置有LCD显示窗及红外通讯窗口。

开关型稳压电路单元2.1是从机终端电路系统的电源，而电子电能表接口2.3.1是满足电表远程复费率管理时，提供D1、D2外接电表脉冲输出的检测接口。

本实施例中的智能化从机外形及安装结构形式，在中国专利号或申请号为200420079031.2，名称为“网络智能时间控制漏电保护断路器”的申请文件中已有详尽说明。

Claims

1.一种非对称电力载波通讯装置，包括电力变压器、主机电路(1)和从机电路(2)，主机电路(1)包括主机电力载波通讯电路，其特征在于：主机电路(1)的电力载波通讯电路采用电压互感器结构，电压互感器TL1的次级线圈串联在电力系统配电变压器低压侧三相四线制的零线中，电压互感器TL1的初级线圈连接主机电力载波通讯电路；从机电路(2)的从机电力载波通讯电路串联在电力变压器低压侧的相线和零线之间；

当所述电压互感器TL1的初级线圈加载电压FSK调制信号时，电压互感器次级线圈耦合的FSK信号电压源与电力变压器各个相线与零线的50Hz电压源串联相加，电感线圈复阻抗与电力变压器复阻抗也是串联相加，形成复合的载波电压源；而各个相线与零线之间的从机电路在电力变压器低压侧下端接收、解调FSK电压信号进行电力载波通讯；

从机电路(2)的从机电力载波通讯电路调制FSK电流信号源在电力变压器零线串联的电压互感器的初级线圈上形成FSK信号电流，并通过从机电路电压互感次级线圈在主机电路上形成FSK电压信号，主机解调从机的FSK电压信号，完成主、从机电力载波通讯。

2.按照权利要求1所述的非对称电力载波通讯装置，其特征在于：所述的电压互感器为隔离型高频变压器。

3.按照权利要求1或2所述的非对称电力载波通讯装置，其特征在于：所述主机电路(1)中还包括核心微处理器CPU芯片U2、通讯调制解调芯片U1、日历时间电路芯片U3；外存储芯片U4；模拟开关U5；LCD显示驱动芯片U6；RS485接口芯片U7；光耦合器U8、U9、U10；GSM通讯板TXB；多功能电能表DB；稳压电路WA；运算放大器IC1A、IC1B及周围电路组成主机电力载波通讯接收和发送放大电路；

所述的U1是通讯调制解调MSM7512芯片，CPU芯片通过选用P1.0口、P1.1口、模拟开关U5，形成串行通讯与通讯调制解调芯片U1的输入口RXD、输出口TXD进行数据读写操作；P0.0端口为R/T读写操作控制端，P1.7端口是模拟调制信号检测端；U1调制解调MSM7512芯片中Ain、Aout为FSK信号输入、输出端，Aout输出的FSK信号经CC3电容、运算放大器IC1A、三极管TC1、TC2、TC3、TC4及周围电路，形成功率放大电路推动TL1电压互感器初级线圈N1，在电压互感器次级线圈N3上形成FSK信号电压源。

4.按照权利要求3所述的非对称电力载波通讯装置，其特征在于：从机电路(2)中设有CPU微处理芯片IC1、日历时间电路芯片IC2、通讯调制解调芯片IC3、开关型稳压电路(2.1)、从机电力载波通讯装置单元(2.2)、负荷控制电路(2.3)和电量采集接口电路(2.4)、红外通讯电路(2.5)、漏电断路器路灯控制单元(2.6)。

5.按照权利要求4所述的非对称电力载波通讯装置，其特征在于：从机电路(2)中MSM7512调制解调芯片IC3、CPU微处理器芯片IC1和开关型稳压单元组成基本单元；从机电力载波通讯电路单元中有整流器BZL电路，电阻BR1、BR2、BR3、R10、稳压管D2、恒流元件BT3和光耦合器BU2所组成的同步触发电路；晶体管BT1、二极管BD3、电阻BR4、BR5、BR*、电容BC3、BC4、隔离推动变压器BLT2所组成的电流功率放大器；光耦合器BU1、BU3、晶体管T1、T2、T3、电阻R6、R7、R8、R9、R11、R12、R13、电容C8、C9、C10、C11、C12所组成的收发控制与FSK信号功率推动放大电路；电容BC1、BC2、C13、C14、C15、C16、隔离变压器BLT1、电阻R5、R14、R15、R16、限幅器D2、晶体管T3所组成的FSK信号接收放大电路；电容BC1、BC2、耦合电感BLT1、电阻R5、R14、R15、R16、电容C13、C14、C15、C16及限幅器D2组成接收网桥主机的FSK电压信号电路，接收到的FSK电压信号送到IC3 MSM7512调制解调芯片的Ain端，并进行解调。

6.按照权利要求4所述的非对称电力载波通讯装置，其特征在于：漏电断路器路灯控制单元(2.6)的结构为：负荷接线端子，用于接入路灯及其它电器；DSCR可控硅元件的触发端由DU2光耦合器通过CPU的P2.2口进行路灯开与关的控制；DD1 LED发光管、DR1电阻、DU1光耦合器组成路灯开与关显示及路灯损坏检测，DR2、DR3、DR4电阻与DD2稳压管组成可控硅导通角触发电压。

7.按照权利要求5或6所述的非对称电力载波通讯电路，其特征在于：所述负荷控制电路(2.3)中还设有电子电能表接口电路(2.3.1)。

8.按照权利要求5所述的非对称电力载波通讯电路，其特征在于：所有电路系统安装在漏电保护断路器结构盒内，漏电保护断路器带有LCD显示器及红外通讯窗口。