CN201015197Y - 电力载波通信耦合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力载波通信耦合装置，该耦合装置安装于电力载波调制解调器的前端，其包含有电压耦合变压器、电流耦合线圈、电压信号收发电路、电流信号收发电路和切换开关，电流耦合变压器初级跨接在一对电力线电缆之间，次级连接到电压信号收发电路上；一对电力线的任意一根电缆穿过电流偶合线圈的中心孔，电流耦合线圈连接到电流信号收发电路；切换开关用于选择电压信号收发电路和电流信号收发电路的其中之一的信号连接到调制解调器电路。该耦合装置可同时耦合载波电压和载波电流，在电力载波的驻波波腹的位置上，耦合到的电压信号最强；在波节的位置，耦合到的电流信号最强。该装置不仅可以从电力线上接收信号，还能够以电压或者电流的形式向电力线输出信号，并且在发送和接收状态下具有不同的阻抗，因此不论电力载波的调制解调器位于电力线的哪个位置，都可以耦合到较强的通信信号，提高了通信的成功率。

Description

电力载波通信耦合装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于电力载波通信的信号耦合电路，更具体的说，是用于电力载波的调制解调器中，可广泛用于电力系统的自动抄表和自动化控制。

背景技术

电力系统的自动控制、自动抄表、需求侧精细化管理是近年来兴起的技术，其中最关键的环节是各种计量装置、监控设备的自动化抄读。这就需要一个信道，将各种自动化的监控/计量/抄表装置连接起来。目前主要通过电力载波通信实现。

传统的电力载波通信都采取窄带调频或者窄带扩频的方式进行通信，这些技术方案的耦合线圈都是耦合电力线上的电压信号，例如专利CN99230366.4中公开了一种电力载波的通信控制箱，使用一个变压器配合几个电容耦合电压信号；专利CN99230554.3和00224432.2分别采用两个变压器，一个耦合发送信号电压，一个耦合接收信号电压；中国专利00245285.5中的电力载波通信在三相四线上采用了三个变压器耦合电压信号。在实际应用中，这种只耦合电压信号的方式下，在某些位置的调制解调器总是无法正常通信，影响了抄读的成功率。其原因如下：

供电网络的线路比较复杂，以一个居民小区为例，一根总线上并联着很多用户，这些用户接通或者断开用电器的行为是随机的，当电网负荷很轻时，用户侧相当于开路，开路的传输线上会出现驻波现象。即：波节和波腹在四分之一波长的间距上交替出现，如附图1所示，波腹的位置上，载波电压幅度最大；在波节的位置上，载波电压幅度为零。当用电负荷很大时，例如一栋居民楼总负荷达到40KW，此时等效于220V的入户线上仅有1欧姆电阻，用户侧相当于短路，也会出现驻波现象，波腹和波节的位置和前述正好相反。对于50Hz的工频来说，波长达6000公里，对于一个供电区域来说，驻波效应可忽略不计；但是对于通信所使用的载波来说，一般频率120KHz--500KHz，波长600m-2500m，在一个供电区域内，就不得不考虑驻波效应的不利影响了。

当然，实际的驻波分布是比较复杂的，因为电力线上的负载轻重是动态变化的，此外电力线上的桥接点很多，分布参数比较复杂，这些都导致驻波分布并非严格的遵循“四分之一波长上交替出现波节和波腹”。位于波节位置的节点，因为载波电压幅度为零，因此总是无法接收到正常的信号，自然通信的成功率就很低。

在专利CN85109644中，提出了在三相四线制的线路上采取复合电压信号和中线的H场耦合器进行信号耦合，选择幅度较大信号进行通信。该发明不能完全解决驻波问题：1、三个相线的负载往往不均衡，因此三个相线的驻波状态不一致，把三个信号耦合到一点可能存在相互抵消的情况，导致信噪比下降；2、在输电线路中，往往不存在中线，那么复合电压信号就没有了参考点，H场耦合器也无从安装。

发明内容

为了克服上述现有电力载波通信的缺陷，本实用新型目的是的提供一种信号耦合装置，在一对电力线电缆上不仅耦合电压信号，同时耦合电流信号，提高通信成功率。

为了达到上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种电力载波通信耦合装置，其包含有电压耦合变压器T1、电流耦合线圈T2、电压信号收发电路P1、电流信号收发电路P2和切换开关K。电压耦合变压器通过电容C1跨接在电力线的一对电缆之间，用于耦合电压信号，线圈次级连接到电压信号收发电路P1上；电力线的其中一根电缆穿过电流耦合线圈T2的中心孔，电流耦合线圈的端子连接到电流信号收发电路P2，因此具有了电流信号耦合能力；一个切换开关K用于选择两个耦合电路的信号并送到后面的调制解调器中。

上述的电力载波通信耦合装置的电压耦合变压器最好通过电容跨接在电力线的两根电缆之间。电流耦合线圈则可以安装在两根电缆中的任意一根上。这样，本实用新型只依赖于两根电缆即可实现通信，避开三根相线的负载不均衡引起的不利影响。

电流耦合线圈虽然解决了电流耦合的问题，但考虑到现场施工的条件下，让承载很大电流的导线穿过耦合变压器的中心孔是比较难以操作的。因此，上述电流耦合线圈的磁芯采用两个半圆形磁芯扣合而成，线圈绕组缠绕在磁芯上。这样施工过程中比较方便，如图3所示。两个半环上都有一个绕组，两个绕组的同名端相同，一个绕组的同名端和另一个绕组的异名端连接在一起并接到信号地上，另外两个端子就构成了差分的信号输出，这种结构具有很高的共模抑制比，能够提高系统的信噪比。同时，这等效于一个1∶N的变压器，发射机输出的较小电流经过变压器之后产生N倍的电流，从而具有阻抗匹配的作用，使得发射机较高的输出阻抗适应了波节位置较低的阻抗。

上述电压信号收发电路和电流信号收发电路各自包含一个接收器和一个发送器，接收器用于放大通过电压变压器或电流耦合线圈得到的电力线上的信号，并输出给调制解调器；发送器用于放大调制解调器输出的信号，并通过电压变压器或电流耦合线圈向电力线输送。

而且，上述的发送器具有一个使能控制端，使能控制端的高低电平可以使发送器的输出阻抗为高或者为低，发送器工作时，其输出阻抗变低，发送器停止工作时、则其输出阻抗变高。这样处理的好处在于发送器工作时往往处于低阻状态，以便输出较大的电压或者电流，从而产生足够的输出信号功率，在接收状态时，这样的低阻状态则会把线路上耦合过来的信号旁路掉，因此本实用新型中使用的发送器具有一个高阻状态，当接收器工作时，发送器的高阻状态不会影响接收器的工作。

采用本实用新型的耦合装置，在电力载波通信中，当在电压驻波的波节上，电压信号幅度为零，但是电流驻波的幅度达到最大值，即耦合装置可以通过耦合的电流信号进行正常的通信。因此，本实用新型在通信过程中，调制解调器还可以根据通信的成功率，选择信噪比较高的那种耦合方式来进行通信。

附图说明

图1是电力线上载波的驻波分布示意图；

图2是本实用新型的原理框图，；

图3是本实用新型的电流耦合线圈的外形示意图；

图4是本实用新型的一个具体实施例；

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步说明如下：

附图4所示为本实用新型一具体实施例。图4中的上半部分是实用新型的电压耦合变压器T1及电压信号收发电路，图4中的下半部分是实用新型的电流耦合线圈T2及电流信号收发电路，电压耦合变压器通过电容C1跨接在电力线的一对电缆之间，用于耦合电压信号，线圈次级通过电容C2接到电压信号收发电路上；电力线的其中一根电缆穿过电流耦合线圈T2的中心孔，电流耦合线圈的端子通过C3、C4连接到电流信号收发电路上，开关K1和K2用于选择两个耦合电路的信号之一送到后面的调制解调器中。

当需要电压耦合变压器及电压信号收发电路工作时，开关K1闭合，K2断开，这部分电路的信号处理过程如下：

当调制解调器电路需要发射信号时，将VTX EN信号设置为高电平，通过R3使Q3导通，Q1、Q2构成的射极跟随器就上电工作了。发射信号TX通过开关K1进入R4、R5、OP1构成的放大器，被放大的信号通过R1、R2施加在Q1、Q2构成的射极跟随器上，通过这个电路，发射信号产生足够的功率，通过R10、C2、T1、C1耦合到电力线上。R10用于调节发送电路的输出阻抗，以匹配线路阻抗。

当调制解调器电路需要接收数据时，就将VTX_EN信号设置为低电平，并且TX信号也设置为低电平，这样Q3晶体管截止，Q1、Q2的射极跟随器输出端呈现高阻态，不影响接收放大器的工作。电力线上的信号经过C1、T1、C2耦合到滤波器F1上，选出调制解调器电路所需频段的信号，再输出给R6、R7、R8、R9、OP2构成的放大器，经过放大后的信号就可以通过K1开关输出给调制解调器电路了。

当该调制解调器所处的位置是电压波节时，则开关K1断开，开关K2闭合，此时电压耦合变压器及电压信号收发电路就不起作用了，而对应电流耦合线圈及电流信号收发电路开始起作用，其信号处理过程如下：

当调制解调器电路需要发射信号时，将CTX_EN信号设置为高电平，通过R18使Q8导通，Q4/Q5、Q6/Q7是两组晶体管构成的射极跟随器，Q8的导通为这两个射极跟随器提供了电源，使其上电工作。发射信号通过开关K2之后一路通过R16施加在Q6/Q7构成的射极跟随器上；另一路通过反相放大器OP4之后，再通过R17施加在Q4/Q5构成的射极跟随器上。这样的处理使得TX信号变成了差分输出，并被射极跟随器放大到足够的功率。被放大的差分信号经过R23、R24、C3、C4施加在电流耦合线圈T2上，这样TX信号就以电流的形式进入电力线。

当调制解调器电路需要接收信号时，将CTX_EN信号设置为低电平，Q8就会截止，同时将TX信号也设置为低电平，经过R16施加在Q6/Q7构成的射极跟随器上，TX经过OP4反相后的高电平又被二极管D1钳位成低电平，施加在Q4/Q5构成的射极跟随器上。这样两个射极跟随器的输出都成为高阻状态，不会影响接收放大电路的工作。线路上的电流信号经过T2耦合，成为一个差分信号，通过C3、C4进入一个滤波器F2，选出调制解调器电路所需频段的信号，再输入到R11、R12、R13、R14、R15和OP3构成的差分放大电路，被放大的接收信号经过K2开关就可以提供给后面的调制解调电路进行处理了。

Claims (5)

1.一种电力载波通信耦合装置，该耦合装置包含有电压耦合变压器、电流耦合线圈、电压信号收发电路、电流信号收发电路和切换开关，其特征为电流耦合变压器初级跨接在一对电力线电缆之间，次级连接到电压信号收发电路上；一对电力线的任意一根电缆穿过电流偶合线圈的中心孔，电流耦合线圈连接到电流信号收发电路；切换开关用于选择电压信号收发电路和电流信号收发电路的其中之一的信号连接到调制解调器电路。

2.根据权利要求1，所述的电力载波通信耦合装置的特征在于：所述电压耦合变压器通过电容跨接在电力线的两根电缆之间。

3.根据权利要求1，所述的电力载波通信耦合装置的特征在于：所述电流耦合线圈的磁芯是由两个半圆形磁芯扣合而成，线圈绕组缠绕在磁芯上。

4.根据权利要求1，所述的电力载波通信耦合装置的特征在于：所述电压信号收发电路和电流信号收发电路各自包含一个接收器和一个发送器，接收器用于放大通过电压变压器或电流耦合线圈得到的电力线上的信号，并输出给调制解调器；发送器用于放大调制解调器输出的信号，并通过电压变压器或电流耦合线圈向电力线输送。

5.根据权利要求4，所述的电力载波通信耦合装置的特征在于：所述的发送器具有一个使能控制端，使能控制端的高低电平可以使发送器的输出阻抗为高或者为低，发送器工作时，其输出阻抗变低，发送器停止工作时、则其输出阻抗变高。

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