CN101251951B - 一种配电网工频通讯方法及*** - Google Patents

一种配电网工频通讯方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种配电网工频通讯方法及***，首先设置一个包括一台主站装置、电力配电网和若干个用户端收发装置的主从式通讯***，该***利用电网工频电压过零点附近电压、电流波形的微弱畸变来携带调制信息，并将调制信息作为交流电正弦波的一部分，以中低压配电网做为信息传输的介质，并以半双工的方式进行双向通讯，故能随工频波一起低损耗的穿透变压器实现跨变压器台区的通讯而无需中继，具有传输距离远，抗干扰能力强，设备简单投资小的特点，解决了传统的电力线载波通讯信号难以穿透配电变压器跨台区传输的难题。本发明可以广泛用于水、电、气三表数据远程抄表和电力负荷控制及电能量远程采集等领域。

Description

一种配电网工频通讯方法及***
技术领域
本发明涉及一种通讯方法及***，特别是关于一种利用中低压配电网来传输数据的配电网工频通讯方法及***。
背景技术
配电网是电力网的重要组成部分，位于电网的末端，主要完成电能的输送与分配，具有分布的广泛性。如图1所示，在此电力配电网***中，高压线路是指10kV以上的电力线路，中压线路我国典型的是10kV线路，低压线路是指单相220V线路。利用已有的配电网在配送电能的同时传输数据信息，如水、电、气抄表数据和电力负荷控制，无疑是非常方便、经济的方式。对输电网而言，电力线载波通信的应用已经较为成熟。与输电网不同，配电网存在分支多、负荷类型复杂、网络拓扑结构多变、噪声干扰大的因素，所以并不是一个理想的通讯环境。国内外现有的中、低压配电网载波通讯普遍存在可靠性较差、有效传输距离短的困难，主要原因是载波信号的频率处于高频段(40kHz～500kHz)，电网对载波信号传输衰减大，传输距离近，远距离传输需要中间装置，如中继器；另一方面，配电网中的配电变压器对高频载波信号是一个天然的阻波器，信号不能穿透变压器传输，只能在同一个电压等级范围内传输。现有的能够穿过配电变压器传输的音频脉动载波和超窄带载波，载波信号频谱在2kHz以下的低频频段，这两种技术只能实现下行和上行的单向传输，不能够双向通讯，携带信息的载体仍然是叠加在电力线上的低频或甚低频载波信号。因此研制一种信号可以穿透配电变压器，能够远距离且双向传输的通讯***成为具有现实意义的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提出一种利用已有的配电网电力线路资源，通过工频电压过零点附近电压和电流波形的微小畸变来传输信息的配电网工频通讯方法及***，以达到信号可以穿透配电变压器、远距离、双向、可靠传输信息的效果。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种配电网工频通讯方法，其包括以下步骤：1)设置一个包括一台主站装置、中低压配电网和若干个用户端收发装置的主从式通讯***；2)主站装置中的主控制器发出下行数据信息给发送电路，发送电路根据编码规则在工频电压过零点处产生瞬间的调制电流，该调制电流通过调制变压器注入到变电站母线中，该调制电流由于变电站中主变压器线圈漏感的作用产生一个电压降叠加在工频电压上，使得工频电压波形在过零点附近产生微弱的畸变，这样携带着调制信号的工频畸变电压波向整个中低压配电网广播，穿过中低压电力线路之间的配电变压器传输到低压电力线路；并联在低压电力线路零线和火线之间的用户端收发装置中的接收电路检测微弱的畸变波形，根据编码规则识别并恢复出主站装置发出的数据信息，完成主站到用户端下行通讯过程；3)用户端发出上行数据信息给用户端收发装置中的发送电路，该发送电路根据编码规则在工频电压过零点附近产生瞬间的调制电流，该调制电流叠加在负荷电流波形上，并随负荷电流波传输到变电站馈线上，安装在该馈线出口的电流互感器变换负荷电流为小电流信号，主站装置中的接收电路从电流互感器二次侧提取电流信号，在电压过零点时刻检测出该电流信号，根据编码规则识别并恢复用户端发出的数据信息，完成用户端到主站的上行通讯过程。
一种配电网工频通讯***，它包括变电站，所述变电站二次侧的母线以辐射状引出多条馈线，所述馈线通过配电变压器连接低压电力线路，其特征在于：在所述变电站内安装主站装置，在所述低压电力线路的任一终端节点处安装若干个用户端收发装置；所述主站装置包括主控制器、接收电路、发送电路、调制变压器四部分，所述主控制器连接所述发送电路，所述发送电路连接所述调制变压器，所述调制变压器接入到所述变电站的母线，所述接收电路通过安装在馈线出口处的电流互感器接入所述变电站的馈线，所述接收电路连接所述主控制器；所述用户端收发装置包括接收电路和发送电路，所述接收电路和发送电路直接并接在所述低压电力线路的火线和零线之间。
在所述主站装置的发送电路中设置有一调制电路，所述调制电路并接在所述发送调制变压器低压侧的相线与零线之间。
在所述用户端收发装置的发送电路中设置有一调制电路，所述调制电路并接在低压电力线路的相线与零线之间。
所述调制电路由发送调制元件和Rc、Lc参数调节元件串联组成。
所述发送调制元件为晶闸管开关，所述Rc参数调节元件为限流电阻器，所述Lc参数调节元件为电感线圈。
本发明由于采取以上技术方案，本发明具有以下优点：1、本发明的信号是利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息实现的一种独特的电力线通信技术，也称之为工频波畸变通信技术。采用本发明工频电压、电流波传输过程信号无泄漏和旁路，衰减小，并且信号可穿透配电变压器实现跨台区通信，减少了地域性的限制。2、本发明的主站装置设计了发送电路和接收电路，因此可以实现完全直接的双向通信。3、本发明的信号在过零点附近调制，对电网本身的频率和幅值变化不敏感，因此抗干扰能力强，且所需的调制功率小，易于实现。4、本发明利用现有的中、低压配电网为传输载体，无需额外通信线路，成本低廉。本发明可以广泛用于水、电、气三表数据远程抄表和电力负荷控制及电能量远程采集等领域。
附图说明
图1是普通电力配电网示意图
图2是本发明的***结构示意图
图3是本发明的工频畸变波调制电路示意图
图4是经本发明调制后的工频畸变波示意图
具体实施方式
本发明的通讯方法具有两个特征：1、利用电网工频50Hz波形本身作为信息传输的载体，而不同于常规的电力线载波通讯，是利用叠加在电网工频波之上的中高频或低频载波信号作为信息的载体，所以本通讯***称之为工频通讯，主要应用在中低压电力配电网。2、通讯信号是在工频电压过零点附近人为产生的工频电压和电流波形的微小畸变来表示信息，发生了微弱畸变的波形是工频50Hz波形的一部分，信号频率低(200Hz～500Hz)，配电网对信号衰减很小，信号可直接穿透配电变压器传输。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2所示，本发明的通讯***是由一台主站装置1和若干个用户端收发装置2通过电力配电网组成的配电网工频通讯***，它采用一点对多点的主从式通讯***，以半双工的方式进行通讯。通讯信号分为下行信号和上行信号，从主站装置1到用户端收发装置2传输的信号定义为下行信号，从用户端收发装置2到主站装置1方向的信号定义为上行信号。由于本发明的信号可以穿透10kV/380v配电变压器3，这样整个变电站4范围只需一台主站装置1，主站装置1主要包括主控制器11、接收电路12、发送电路13和调制变压器14四部分，主站装置1一般安装在变电站4内，从各条馈线出口的电流互感器CT上提取电流信号，接收该变电站4范围内低压配电网上所有用户端收发装置2发送的上行调制电流信号。
电力配电网是一个恒压供电网络，由中压(在我国典型的是10kV)电力线路、10kV/380v配电变压器3、220V低压电力线路构成，它作为本发明的通讯媒介。用户端收发装置2主要包括接收电路和发送电路，可以是多个，分别安装在低压电力线路的任一终端节点处，接收电路和发送电路直接并接在低压电力线路的火线(L)和零线(N)之间，同样所有的用户端收发装置2都可以接收主站装置1发出的下行调制电压信号。
在变电站4，主变压器将电网输送来的高压降为10kV中压，通过二次侧10kV母线以辐射状向多条10kV馈线供电，在10kV馈线的出口安装有保护、计量或测量用的电流互感器CT。每条馈线包含A、B、C三条相线，出变电站4向中压用户配送电能。每条馈线上一般接有多台10kV/380v配电变压器3，将10kV中压降为单相220V电压向低压用户供电。
下面分下行和上行信号的传输来说明本发明的通讯过程。
主站装置1与用户端收发装置2之间下行通讯：主站装置1中的主控制器11负责通讯的控制和处理，主控制器11发出的下行数据，由发送电路13根据编码规则在工频电压过零点附近产生瞬间的脉冲调制大电流ic(电流峰值300～400A，持续时间1～3ms)，该瞬间调制大电流ic通过调制变压器14注入到变电站10kV母线，调制变压器14同时起到了将主站装置1与10kV高压隔离的作用。注入到10kV母线上的瞬间调制大电流ic由于主变压器线圈漏感的作用产生一个电压降叠加在工频电压上，使得工频电压波形在过零点附近产生微弱的畸变。这样携带着调制信息的工频电压畸变波向整个中低压配电网广播，穿过10kV/380v配电变压器3传输到低压线路，用户端收发装置2的接收电路检测微弱的畸变波形，识别并恢复出主站装置1发出的数据信息，完成主站装置1到用户端收发装置2的下行通讯。
用户端收发装置2与主站装置1之间上行通讯：用户端收发装置2发出的上行数据，由发送电路根据编码规则在工频电压过零点附近产生瞬间的脉冲调制电流ic(电流峰值20～40A，持续时间1～3ms)，该调制电流ic叠加在负荷电流波形上，并随负荷电流波传输到变电站10kV馈线上，安装在10kV馈线出口的电流互感器CT变换负荷电流为小电流信号，同时起到隔离高压的作用。主站装置1中的接收电路12从电流互感器CT二次侧采集电流信号，在电压过零点时刻检测出用户端收发装置2发出的微弱畸变了的调制电流ic，根据编码规则识别并恢复用户端收发装置2发出的数据信息，完成用户端收发装置2到主站装置1的上行通讯过程。
工频波畸变的产生是本发明技术实现的关键，选择在工频电压过零点附近产生波形畸变而不是在波峰，是因为在过零点附近(前后30°内)，改变波形进行信号调制能量最小；另一方面，信号的接收检测，可以以过零点作为同步，有利于信号的检测识别，同时在工频电压过零点时刻，电网的负荷及各种干扰噪声最少。
如图3、图4所示，下面简述工频波畸变产生的原理。在上行通讯过程中，发送调制元件为晶闸管开关SCR，串连Rc、Lc参数调节元件并接在220V低压电力线路上，Rc参数调节元件为限流电阻器，Lc参数调节元件为电感线圈。当晶闸管开关SCR受控制极S在工频电压过零点前ΔT/2时刻闭合时，产生的调制电流ic将引起一个电压降落，当调制电流ic到达零点时晶闸管自动断开，此时降落了的电压叠加于工频电流波形Ic上，在过零点附近形成一个调制了的工频畸变电流波，通过调整Rc、Lc的参数可以得到所要求的调制信号强度。经过调制产生的工频畸变电流波和调制电流ic在电力线路上低损耗地传播，并可以穿透配电变压器传输3，最终被接收电路12检测和识别。
在主站装置1的发送电路13中也设置有一相同的调制电路，工频畸变电流波产生的原理也与上述原理相同，不同在于该调制电路并接发送调制变压器低压侧的相线与零线之间，并且产生的调制电流要比用户端调制电流大的多；另外该调制电流ic由于主变压器线圈漏感的作用，产生的电压降叠加在工频电压波形上，使工频电压波形在过零点附近发生畸变，因而下行信号是以电压波传播为主，而上行信号传播是以电流波为主。
以上仅为本发明的较佳实施例，任何基于本发明的等效变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种配电网工频通讯方法，其包括以下步骤：
1)设置一个包括一台主站装置、中低压配电网和若干个用户端收发装置的主从式通讯***；
2)主站装置中的主控制器发出下行数据信息给主站发送电路，主站发送电路根据编码规则在工频电压过零点处产生瞬间的调制电流，该调制电流通过调制变压器注入到变电站母线中，该调制电流由于变电站中主变压器线圈漏感的作用产生一个电压降叠加在工频电压上，使得工频电压波形在过零点附近产生微弱的畸变，这样携带着调制信号的工频畸变电压波向整个中低压配电网广播，穿过中低压电力线路之间的配电变压器传输到低压电力线路；所述用户端收发装置包括用户端接收电路和用户端发送电路，所述用户端接收电路和用户端发送电路直接并接在所述低压电力线路的火线和零线之间，所述用户端接收电路检测微弱的畸变波形，根据编码规则识别并恢复出主站装置发出的数据信息，完成主站到用户端下行通讯过程；
3)用户端发出上行数据信息给用户端收发装置中的用户端发送电路，用户端发送电路根据编码规则在工频电压过零点附近产生瞬间的调制电流，该调制电流叠加在负荷电流波形上，使得工频电流波形在过零点附近产生微弱的畸变，并随负荷电流波传输到变电站馈线上，安装在该馈线出口的电流互感器将负荷电流变换为小电流信号，主站装置中的接收电路从电流互感器二次侧提取调制电流信号，在电压过零点时刻检测出该电流信号，根据编码规则识别并恢复用户端发出的数据信息，完成用户端到主站的上行通讯过程。
2.一种实现如权利要求1所述方法的配电网工频通讯的***，它包括变电站，所述变电站二次侧的母线以辐射状引出多条馈线，所述馈线通过配电变压器连接低压电力线路，其特征在于：在所述变电站内安装主站装置，在所述低压电力线路的任一终端节点处安装若干个用户端收发装置；所述主站装置包括主控制器、主站接收电路、主站发送电路、调制变压器四部分，所述主控制器连接所述主站发送电路，所述主站发送电路连接所述调制变压器，所述调制变压器接入到所述变电站的母线，所述主站接收电路通过安装在馈线出口处的电流互感器接入所述变电站的馈线，所述主站接收电路连接所述主控制器；所述用户端收发装置包括用户端接收电路和用户端发送电路，所述用户端接收电路和用户端发送电路直接并接在所述低压电力线路的火线和零线之间。
3.如权利要求2的一种配电网工频通讯***，其特征在于：在所述主站装置的发送电路中设置有一调制电路，所述调制电路并联在所述变电站的母线与馈线之间。
4.如权利要求2的一种配电网工频通讯***，其特征在于：在所述用户端收发装置的发送电路中设置有一调制电路，所述调制电路并联在低压电力线路的火线与零线之间。
5.如权利要求3或4的一种配电网工频通讯***，其特征在于：所述调制电路由发送调制元件和Rc、Lc参数调节元件串联组成。
6.如权利要求5的一种配电网工频通讯***，其特征在于：所述发送调制元件为晶闸管开关，所述Rc参数调节元件为限流电阻器，所述Lc参数调节元件为电感线圈。
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