專利名稱：利用配電線傳輸信息的耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳輸信息的耦合器，尤其涉及一種利用配電線傳輸信息的耦合器，屬于電力系統(tǒng)通信設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
傳輸電能的配電線比電話線還要廣泛地遍及在我們的活動(dòng)空間里，利用配電線作為傳輸媒體進(jìn)行通信，不僅可大大降低投資費(fèi)用，還給人們帶來極大方便。因此，近年來利用配電線進(jìn)行通信的技術(shù)，已引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。在美國、日本、以色列等國家，利用配電線通過調(diào)制解調(diào)器(Power MODEM)實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化，直至組織局用網(wǎng)已獲得成功。其中，對(duì)于“耦合”的方法，幾乎全是采用變量器和電容，以并聯(lián)的方法將信息耦合到配電網(wǎng)的某一相或多相上去。
目前對(duì)信息傳輸?shù)奶幚泶蠖疾捎脤⑿畔⒄{(diào)制到頻率遠(yuǎn)高于50Hz的工頻的載波(一般為幾百KHz)上的方法。由于變量器高壓側(cè)的感抗，對(duì)50Hz的工頻來說，阻抗極小可以忽略不計(jì)，而對(duì)信號(hào)來說，數(shù)量級(jí)就大得多(例如變量器高壓側(cè)的感量為1mH時(shí)，對(duì)50Hz感抗0.314Ω，對(duì)100KHz感抗為628Ω，要相差2000倍)；另一方面，耦合電容對(duì)50Hz的容抗與對(duì)載波頻率的容抗同樣也要相差2000倍。因此對(duì)工頻來說，耦合器不會(huì)影響其傳輸，工頻交流電壓幾乎全加在耦合電容上，而變量器起了強(qiáng)電與弱電的隔離作用，其高壓側(cè)的繞組還兼排流線圈的作用；對(duì)于載波來說，理想的耦合器設(shè)計(jì)應(yīng)該把高壓側(cè)阻抗考慮在內(nèi)，將其設(shè)計(jì)為對(duì)載波的高通濾波器。
現(xiàn)有技術(shù)中，PHILIPS公司的TDA5051產(chǎn)品、SGS-THOMSON公司的ST7537產(chǎn)品，以及NATIONAL SEMICONDUCTOR公司的LM1893/LM2893產(chǎn)品，均采用并聯(lián)的耦合方法。國際大電網(wǎng)會(huì)議1980年的資料中有一篇西班牙學(xué)者“在中等電壓等級(jí)電纜上的信號(hào)傳輸”的論文，提出了在中等電壓等級(jí)10KV輸電線路上，采用在電流互感器上加輔助繞組注入信號(hào)的方法來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。這是屬于串聯(lián)耦合的方法，但10KV線路投資較高，不計(jì)較經(jīng)濟(jì)成本，可以在電流互感器上做文章，而低壓配電網(wǎng)不具備這樣的條件。
由于配電線是電力部門用來為各類用戶輸送電能的，未考慮信息的傳輸，因此存在以下問題1、在同一供電的變壓器范圍內(nèi)，所有的用電戶都是并聯(lián)在配電線上的，若忽略線路電阻，則線路阻抗ZL大致為Zs/n(Zs為用戶負(fù)載阻抗，n為所并聯(lián)的用戶數(shù)量)，可見是很低的。這種情況對(duì)需要傳輸?shù)男盘?hào)來說，幾近乎短路，因此，耦合效率很低，傳輸衰耗很大。
2、用電單位或用戶負(fù)載Zs的性質(zhì)(可以感性或容性)和數(shù)量大小不能預(yù)知，而且可能會(huì)變化。
因此，采用并聯(lián)的方法，耦合效率很低，傳輸衰耗很大，且對(duì)耦合電容器要求較高。
同時(shí)，在電力部門，利用高壓或超高壓輸電線作為媒體，傳輸話音、遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)等信號(hào)的電力線載波通信，成本低、可靠性好，早已被各國電力部門所采用。但是，由于低壓配電網(wǎng)直接面對(duì)用電戶，下載點(diǎn)數(shù)量太大，投資受限，因而作為一種資源，覆蓋面如此遼闊的配電線路(一般指交流380V或220V)卻令搞通信的人望而生畏，一直沒有被充分利用。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)市場的需要及現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種新的利用配電線傳輸信息的耦合器，使之能減少傳輸衰耗，提高耦合效率，并且適用于低壓配電網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)成本低、易于實(shí)現(xiàn)。
為實(shí)現(xiàn)這樣的發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案的基本思路是，采用串聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)信息的耦合。這種方法，只需在進(jìn)入用電戶前串進(jìn)本發(fā)明的耦合器C(例如接在閘刀前后)，通過耦合器內(nèi)的變量器將載波信息耦合到配電線路中，變量器高壓側(cè)繞組的感抗起阻波作用，并提高了用戶側(cè)的阻抗。同時(shí)，為防止用戶不用電時(shí)造成信號(hào)回路的開斷，在用戶側(cè)并上一個(gè)電容，以穩(wěn)定用戶側(cè)的阻抗。


圖1為串聯(lián)型耦合器連接方法示意圖。
圖2為串聯(lián)型耦合器基本原理圖。
圖1中，在n個(gè)用戶YH與線路PL之間，串有n個(gè)耦合器C。耦合器C共有連接用戶側(cè)YH、線路側(cè)PL及信號(hào)側(cè)S六個(gè)端口。
圖2中可見，耦合器C中的變量器Tc串在用戶側(cè)YH與線路側(cè)PL之間，在用戶側(cè)YH端并聯(lián)一個(gè)電容C1，以穩(wěn)定用戶側(cè)的阻抗，防止信號(hào)回路開斷。
經(jīng)過這樣的處理，配電線的實(shí)體回路就成為信號(hào)傳輸回路的一部分，也大大地減小了用電戶負(fù)載阻抗對(duì)通信的影響，從而提高了傳輸效率。
但是，上述這種發(fā)明的基本思路，要在低壓配電線路上實(shí)現(xiàn)，還有不少具體困難。
難點(diǎn)之一，由于是串聯(lián)，耦合器里流過與用戶負(fù)載電流相同的電流，就需解決變量器容易磁飽和的問題；難點(diǎn)之二，由于輸電線路的阻抗，就要求變量器高壓側(cè)具有相當(dāng)?shù)母锌梗拍芴峁└叩鸟詈闲?；難點(diǎn)之三，由于大量的用電戶是居民，必須考慮到經(jīng)濟(jì)性以及盡可能小的體積。
若單是飽和問題，可以采用升壓變量器，高壓側(cè)僅用幾圈，這樣，一般的磁性材料是能實(shí)現(xiàn)的。但要兼顧電感量，又不宜選用進(jìn)口的或特殊的磁性材料，就是一個(gè)很棘手的問題。
本發(fā)明在長期研究探索、試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了工頻電流平衡、載波信號(hào)不平衡的設(shè)計(jì)方法，在具體電路中采取了以下兩項(xiàng)措施1、把耦合變量器高壓側(cè)的繞組一分為二，以同名端相聯(lián)，對(duì)50Hz工頻來說，在兩個(gè)繞組中產(chǎn)生的磁勢大小相等、方向相反，相互抵消，就不易磁飽和。這樣一來，在設(shè)計(jì)變量器時(shí)，只需考慮這兩個(gè)繞組不完全平衡的差值引起的飽和問題就可以了。
2、在串于地線的繞組上并以電容C2，C2與繞組的感量諧振于載波頻率，使耦合器對(duì)載波呈現(xiàn)高阻抗，可以更好地隔離用電戶負(fù)荷的影響。
這兩項(xiàng)措施的采取，使得飽和問題迎刃而解，感量問題也就容易設(shè)計(jì)了。
圖3為本發(fā)明實(shí)際采用的串聯(lián)型耦合器的原理結(jié)構(gòu)圖。
圖中，耦合器串聯(lián)在用戶側(cè)YH與線路側(cè)PL之間，耦合變量器Tc的低壓側(cè)為信號(hào)側(cè)S，高壓側(cè)的繞組平分為L及L′兩個(gè)繞組，L及L′以同名端相聯(lián)，并把L′移接到地線中去，在用戶側(cè)YH的火線端與線路側(cè)PL的地線端接有電容C1，串接于地線的繞組L′上并有并聯(lián)諧振電容C2。
對(duì)50Hz工頻來說，在兩個(gè)繞組L及L′中產(chǎn)生的磁勢大小相等、方向相反，相互抵消，因而在設(shè)計(jì)變量器時(shí)，就只需考慮L及L′這兩個(gè)繞組不完全平衡的差值引起的飽和問題。L′繞組上并聯(lián)的電容C2與繞組L′的感量諧振于載波頻率，使耦合器對(duì)載波呈現(xiàn)高阻抗，可以更好地隔離用電戶負(fù)荷的影響。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一用戶變壓器供300個(gè)用電戶，每戶10A，配電線路長為500M，采用銅線，線徑為10mm2(銅線在20℃時(shí)的電阻率ρ約為0.018Ωmm2/M)。變量器串在火線里的繞組感量取為1mh，耦合電容取為0.1μf，載波頻率為100KHz，感抗為2×3.14×100×103＝628Ω，容抗為1/(2×3.14×100×103×0.1×10-6)＝15.9Ω。
對(duì)比現(xiàn)有并聯(lián)型耦合用戶阻抗Zs＝220÷10＝22Ω；線路阻抗ZL≈22÷300＝0.0733Ω。
而線路電阻RL＝0.018Ωmm2/M÷10×(500×2)＝1.8Ω。
由此可見，并聯(lián)型耦合僅線路電阻就會(huì)帶來很大的衰耗，而采用串聯(lián)型耦合，對(duì)傳輸衰耗能獲得很大的改善。
由于采取了本發(fā)明的措施，在工藝上做到1mh的感量是不難實(shí)現(xiàn)的。在具體使用實(shí)際中，如體積沒有要求的話，感量還可以做得更高；如輸電線路截面積取得更大的話，線路電阻會(huì)更小，傳輸衰耗也會(huì)降低；隨著當(dāng)前家電的發(fā)展，用電戶對(duì)所需的電流要求更大，也就是說用戶側(cè)阻抗會(huì)更小，則串聯(lián)型耦合方式將會(huì)顯示出更多的優(yōu)越性。
據(jù)對(duì)多條采用本發(fā)明的串聯(lián)耦合方法的配電線路，進(jìn)行衰耗和雜音測量獲得的大量數(shù)據(jù)來看，在100-350KHz范圍內(nèi)線路的傳輸衰耗已得到滿意的效果，若將載波頻率適當(dāng)提高，還會(huì)獲得更好的效果。本發(fā)明解決了變量器磁飽和問題，又能保證高壓側(cè)的電感量，大大提高耦合效率；采用在用戶端并聯(lián)電容方式，可以有效地隔離用戶負(fù)載的影響。
本發(fā)明的耦合器結(jié)構(gòu)簡單，工藝合理，體積小、成本低，可以拓寬利用配電線作為傳輸媒體進(jìn)行通信的范圍，如賓館對(duì)各房間的進(jìn)出密碼、召喚、煙霧等的集中管理；居住區(qū)的安全防衛(wèi)系統(tǒng)；家庭病員的監(jiān)護(hù)；遠(yuǎn)方抄表；以及用來組織局域網(wǎng)等等，必將對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極作用。
權(quán)利要求
1.一種利用配電線傳輸信息的耦合器，其特征在于耦合器C串聯(lián)在用戶側(cè)YH與線路側(cè)PL之間，耦合變量器Tc的低壓側(cè)為信號(hào)側(cè)S，高壓側(cè)的繞組平分為L及L′兩個(gè)繞組，以同名端相連，串接于地線的繞組L′上并有電容C2，在用戶側(cè)YH的火線端與線路側(cè)PL的地線端接有電容C1。
全文摘要
一種利用配電線傳輸信息的耦合器,串接在用戶側(cè)與線路側(cè)之間,耦合變量器的低壓側(cè)為信號(hào)側(cè),高壓側(cè)的繞組平分為L及L′兩個(gè)繞組,以同名端相聯(lián),串接于地線的繞組L′上并有諧振電容C2,在用戶側(cè)的火線端與線路側(cè)的地線端接有電容C1,用于穩(wěn)定用戶阻抗。本發(fā)明解決了變量器磁飽和問題,保證高壓側(cè)的電感量,能有效提高耦合效率,結(jié)構(gòu)簡單,體積小,并且適用低壓配電網(wǎng),拓寬了利用配電線作為傳輸媒體進(jìn)行通信的范圍。
文檔編號(hào)H04B3/56GK1252649SQ99116859
公開日2000年5月10日 申請(qǐng)日期1999年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月10日
發(fā)明者黃佩偉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)