CN1252649A - 利用配电线传输信息的耦合器 - Google Patents

Abstract

一种利用配电线传输信息的耦合器,串接在用户侧与线路侧之间,耦合变量器的低压侧为信号侧,高压侧的绕组平分为L及L′两个绕组,以同名端相联,串接于地线的绕组L′上并有谐振电容C2,在用户侧的火线端与线路侧的地线端接有电容C1,用于稳定用户阻抗。本发明解决了变量器磁饱和问题,保证高压侧的电感量,能有效提高耦合效率,结构简单,体积小,并且适用低压配电网,拓宽了利用配电线作为传输媒体进行通信的范围。

Description

利用配电线传输信息的耦合器

本发明涉及一种传输信息的耦合器，尤其涉及一种利用配电线传输信息的耦合器，属于电力系统通信设备技术领域。

传输电能的配电线比电话线还要广泛地遍及在我们的活动空间里，利用配电线作为传输媒体进行通信，不仅可大大降低投资费用，还给人们带来极大方便。因此，近年来利用配电线进行通信的技术，已引起人们越来越多的关注。在美国、日本、以色列等国家，利用配电线通过调制解调器(Power MODEM)实现家庭自动化，直至组织局用网已获得成功。其中，对于“耦合”的方法，几乎全是采用变量器和电容，以并联的方法将信息耦合到配电网的某一相或多相上去。

目前对信息传输的处理大都采用将信息调制到频率远高于50Hz的工频的载波(一般为几百KHz)上的方法。由于变量器高压侧的感抗，对50Hz的工频来说，阻抗极小可以忽略不计，而对信号来说，数量级就大得多(例如变量器高压侧的感量为1mH时，对50Hz感抗0.314Ω，对100KHz感抗为628Ω，要相差2000倍)；另一方面，耦合电容对50Hz的容抗与对载波频率的容抗同样也要相差2000倍。因此对工频来说，耦合器不会影响其传输，工频交流电压几乎全加在耦合电容上，而变量器起了强电与弱电的隔离作用，其高压侧的绕组还兼排流线圈的作用；对于载波来说，理想的耦合器设计应该把高压侧阻抗考虑在内，将其设计为对载波的高通滤波器。

现有技术中，PHILIPS公司的TDA5051产品、SGS-THOMSON公司的ST7537产品，以及NATIONAL SEMICONDUCTOR公司的LM1893/LM2893产品，均采用并联的耦合方法。国际大电网会议1980年的资料中有一篇西班牙学者“在中等电压等级电缆上的信号传输”的论文，提出了在中等电压等级10KV输电线路上，采用在电流互感器上加辅助绕组注入信号的方法来实现信息的传输。这是属于串联耦合的方法，但10KV线路投资较高，不计较经济成本，可以在电流互感器上做文章，而低压配电网不具备这样的条件。

由于配电线是电力部门用来为各类用户输送电能的，未考虑信息的传输，因此存在以下问题：

1、在同一供电的变压器范围内，所有的用电户都是并联在配电线上的，若忽略线路电阻，则线路阻抗Z_L大致为Zs/n(Zs为用户负载阻抗，n为所并联的用户数量)，可见是很低的。这种情况对需要传输的信号来说，几近乎短路，因此，耦合效率很低，传输衰耗很大。

2、用电单位或用户负载Zs的性质(可以感性或容性)和数量大小不能预知，而且可能会变化。

因此，采用并联的方法，耦合效率很低，传输衰耗很大，且对耦合电容器要求较高。

同时，在电力部门，利用高压或超高压输电线作为媒体，传输话音、远动、保护等信号的电力线载波通信，成本低、可靠性好，早已被各国电力部门所采用。但是，由于低压配电网直接面对用电户，下载点数量太大，投资受限，因而作为一种资源，覆盖面如此辽阔的配电线路(一般指交流380V或220V)却令搞通信的人望而生畏，一直没有被充分利用。

本发明的目的在于针对市场的需要及现有技术的上述不足，提供一种新的利用配电线传输信息的耦合器，使之能减少传输衰耗，提高耦合效率，并且适用于低压配电网，经济成本低、易于实现。

为实现这样的发明目的，本发明的技术解决方案的基本思路是，采用串联的方法来实现信息的耦合。这种方法，只需在进入用电户前串进本发明的耦合器C(例如接在闸刀前后)，通过耦合器内的变量器将载波信息耦合到配电线路中，变量器高压侧绕组的感抗起阻波作用，并提高了用户侧的阻抗。同时，为防止用户不用电时造成信号回路的开断，在用户侧并上一个电容，以稳定用户侧的阻抗。

图1为串联型耦合器连接方法示意图。

图2为串联型耦合器基本原理图。

图1中，在n个用户YH与线路PL之间，串有n个耦合器C。耦合器C共有连接用户侧YH、线路侧PL及信号侧S六个端口。

图2中可见，耦合器C中的变量器Tc串在用户侧YH与线路侧PL之间，在用户侧YH端并联一个电容C1，以稳定用户侧的阻抗，防止信号回路开断。

经过这样的处理，配电线的实体回路就成为信号传输回路的一部分，也大大地减小了用电户负载阻抗对通信的影响，从而提高了传输效率。

但是，上述这种发明的基本思路，要在低压配电线路上实现，还有不少具体困难。

难点之一，由于是串联，耦合器里流过与用户负载电流相同的电流，就需解决变量器容易磁饱和的问题；

难点之二，由于输电线路的阻抗，就要求变量器高压侧具有相当的感抗，才能提供高的耦合效率；

难点之三，由于大量的用电户是居民，必须考虑到经济性以及尽可能小的体积。

若单是饱和问题，可以采用升压变量器，高压侧仅用几圈，这样，一般的磁性材料是能实现的。但要兼顾电感量，又不宜选用进口的或特殊的磁性材料，就是一个很棘手的问题。

本发明在长期研究探索、试验的基础上，提出了工频电流平衡、载波信号不平衡的设计方法，在具体电路中采取了以下两项措施：

1、把耦合变量器高压侧的绕组一分为二，以同名端相联，对50Hz工频来说，在两个绕组中产生的磁势大小相等、方向相反，相互抵消，就不易磁饱和。这样一来，在设计变量器时，只需考虑这两个绕组不完全平衡的差值引起的饱和问题就可以了。

2、在串于地线的绕组上并以电容C2，C2与绕组的感量谐振于载波频率，使耦合器对载波呈现高阻抗，可以更好地隔离用电户负荷的影响。

这两项措施的采取，使得饱和问题迎刃而解，感量问题也就容易设计了。

图3为本发明实际采用的串联型耦合器的原理结构图。

图中，耦合器串联在用户侧YH与线路侧PL之间，耦合变量器Tc的低压侧为信号侧S，高压侧的绕组平分为L及L′两个绕组，L及L′以同名端相联，并把L′移接到地线中去，在用户侧YH的火线端与线路侧PL的地线端接有电容C1，串接于地线的绕组L′上并有并联谐振电容C2。

对50Hz工频来说，在两个绕组L及L′中产生的磁势大小相等、方向相反，相互抵消，因而在设计变量器时，就只需考虑L及L′这两个绕组不完全平衡的差值引起的饱和问题。L′绕组上并联的电容C2与绕组L′的感量谐振于载波频率，使耦合器对载波呈现高阻抗，可以更好地隔离用电户负荷的影响。

在本发明的一个实施例中，一用户变压器供300个用电户，每户10A，配电线路长为500M，采用铜线，线径为10mm²(铜线在20℃时的电阻率ρ约为0.018Ωmm²/M)。变量器串在火线里的绕组感量取为1mh，耦合电容取为0.1μf，载波频率为100KHz，感抗为2×3.14×100×10³＝628Ω，容抗为1/(2×3.14×100×10³×0.1×10^-6)＝15.9Ω。

对比现有并联型耦合：

用户阻抗Zs＝220÷10＝22Ω；

线路阻抗Z_L≈22÷300＝0.0733Ω。

而线路电阻R_L＝0.018Ωmm²/M÷10×(500×2)＝1.8Ω。

由此可见，并联型耦合仅线路电阻就会带来很大的衰耗，而采用串联型耦合，对传输衰耗能获得很大的改善。

由于采取了本发明的措施，在工艺上做到1mh的感量是不难实现的。在具体使用实际中，如体积没有要求的话，感量还可以做得更高；如输电线路截面积取得更大的话，线路电阻会更小，传输衰耗也会降低；随着当前家电的发展，用电户对所需的电流要求更大，也就是说用户侧阻抗会更小，则串联型耦合方式将会显示出更多的优越性。

据对多条采用本发明的串联耦合方法的配电线路，进行衰耗和杂音测量获得的大量数据来看，在100-350KHz范围内线路的传输衰耗已得到满意的效果，若将载波频率适当提高，还会获得更好的效果。本发明解决了变量器磁饱和问题，又能保证高压侧的电感量，大大提高耦合效率；采用在用户端并联电容方式，可以有效地隔离用户负载的影响。

本发明的耦合器结构简单，工艺合理，体积小、成本低，可以拓宽利用配电线作为传输媒体进行通信的范围，如：宾馆对各房间的进出密码、召唤、烟雾等的集中管理；居住区的安全防卫系统；家庭病员的监护；远方抄表；以及用来组织局域网等等，必将对经济发展起到积极作用。

Claims (1)

1.一种利用配电线传输信息的耦合器，其特征在于耦合器C串联在用户侧YH与线路侧PL之间，耦合变量器Tc的低压侧为信号侧S，高压侧的绕组平分为L及L′两个绕组，以同名端相连，串接于地线的绕组L′上并有电容C2，在用户侧YH的火线端与线路侧PL的地线端接有电容C1。

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