CN101772902B - 分电器电力线通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分电器电力线通信***。分电器电力线通信***包括经由电信网络(2)发送和接收消息的通信服务器(1)、朝向最终用户(5)的电力分配网络(4)被连接到此的电力分配变电站(3)、在预定频带中将消息从电信网络(2)转移到电力分配网络(4)上的至少一个网关(6；18)、在最终用户电源网络处用于测量电力消耗并且包括经由电力分配网络(4)在预定频带内发送和接收消息的电力线通信调制解调器(8；18)的多个智能计量装置(7；17；27)、在连接电力分配网络和最终用户电源网络的电力线上和在将电力分配网络连接到电力分配变电站的电力线上的电力线通信滤波器(10，11)，每一个滤波器阻断在预定频带内的频率。

Description

分电器电力线通信***
技术领域
本发明涉及电力线通信(PLC)领域。
背景技术
将来几年，公用事业公司包括操作电力分配网络的那些将开始利用能够被以远程方式读出的、所谓的“智能量计”替代它们的大部分或者所有的机电费拉里(Ferraris)量计。存在与那些量计通信的几种方式，但是一种方式特别理想地适合于以下任务，即电力线通信或者PLC。它提供两个主要优点：它由LV网络操作员自身控制并且它是一种获得“即插即用”操作的装置，因为当量计被转移到低电压网络时，该量计被自动地连接到通信平台。根据经验，全世界的结果都表明PLC通信是相当不可靠的并且在很多情形中一天被中断几个小时，因为房屋和建筑物中的各种器具产生大量噪音和失真。进而，由PLC调制解调器在外侧电缆或者线路上注入的HF功率受到在到消费者的LV连接上和在电力变压器上的LV变电站中存在的、非常低的并且变化的阻抗的严重限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更加可靠的分电器电力线通信***。
根据本发明利用示出第一权利要求的技术特征的一种分电器电力线通信***而实现了这个目的。
根据本发明的分电器电力线通信***包括：
-被设置用于经由电信网络发送和接收消息的通信服务器，
-包括至少一个变压器的电力分配变电站，朝向最终用户的电力分配网络被连接到该变压器，
-被设置用于将消息从电信网络转移到电力分配网络的电力线上和反向转移的至少一个网关，在电力线上的消息在被用于电力线通信的预定频带中，
-在最终用户电源网络处的多个智能计量装置，每一个计量装置被设置用于测量分别的最终用户消耗的电力并且包括被连接到电力分配网络以经由电力分配网络在预定频带内发送和接收消息的电力线通信调制解调器。
本发明的***特征在于，它在连接电力分配网络和最终用户电源网络的电力线上以及在将电力分配网络连接到电力分配变电站的电力线上包括电力线通信滤波器。这些滤波器中的每一个包括用于阻断在被用于经由电力分配网络的电力线通信的预定频带内的频率的滤波构件。
根据本发明提出的技术方案通过***在一方面在由智能计量装置、集线器或者外部PLC调制解调器使用的PLC频率上从最终用户设备隔离电力分配网络的滤波器和在另一方面从在变电站中的电力变压器上存在的非常低的并且变化的阻抗分离电力分配网络的滤波器而从双方矫正了干扰源，同时对于在电源频率处的电力分配网络具有最小的影响。
使用这些滤波器能够显著地减少为了保持PLC***运行而通常需要的、经常产生的用于网络操作员的操作和维护成本并且能够因此提供大的成本利益。进而，能够显著地改进信噪比，从而需要少得多的重发操作并且能够考虑使用更加有效率的调制方案如QPSK和QAM。这些调制方案能够提供比通常被用于PLC的FSK或者其它带宽低效调制方案更大的带宽效率(＝数据速度除以所用带宽)，从而要求更高的性能和更少的等待时间的功能变得可行。
在优选实施例中，每一个电力线通信滤波器是包括具有用于阻断被用于电力线通信的预定频带的第一预定阻抗的第一电气构件和具有用于通过包含电力分配网络的电源频率的第二频带的第二阻抗的第二电气构件的无源滤波电路。这种无源滤波电路的一个实例包括在电力分配网络和最终用户设备之间***的一个或者多个并联谐振电路，例如LC网络，所述谐振电路具有如此阻抗，使得覆盖PLC调制解调器的所用频率范围的抑制频带得以实现。优选地抑制频带的中心比电源频率至少高二十倍以限制滤波器对于在电源频率上的电力传输的影响。
根据本发明的优选实施例，能够在或者智能计量装置自身中或者在外部安装滤波器。在两种情形中，都必须在(一个或者多个)滤波器上游注入PLC调制解调器的信号。
在最优选的实施例中，基本上来自电力分配网络的所有传输线都设有PLC滤波器。这能够包括如经常被用于公共照明和电话亭或者其它的任何未被计量的传输线。
网关能够例如被设于变电站处或者在电力分配网络中的任何位置处。在一个优选实施例中，一个或者多个网关与一个或者多个电力线通信调制解调器组合，从而无需设置单独的网关。这意味着在PLC服务器和无网关智能计量装置之间的通信经由网关智能计量装置之一进行。当例如互联网、电话线或者在最终用户设备处存在的任何其它电信网络被用于在网关和PLC服务器之间的通信时，这个方案是极其方便的。电信网络还可以是本领域技术人员已知的任何无线电信网络。在存在多个网关的情形中，当有必要时，网关功能能够被互相转移。
在优选实施例中，智能计量装置可以进一步设有朝向最终用户器具的通信接口诸如、例如局域网接口、无线接口(例如蓝牙)、家庭电力线通信接口或者其它。以此方式，例如电力分电器能够经由家电诸如、例如电锅炉、加热装置、洗衣机、干燥器等或者其它器具而实现控制，并且根据给定的定时方案开/关它们。这能够导致总体上更加适度的电力消耗，根据电力生产、输送和分配的观点，这是有益的。接口还能够被用于连接其它消耗计量装置诸如、例如水和燃气消耗计量装置，从而也使得能够远程地读出这些装置。
附图说明
将利用以下说明和附图进一步阐述本发明。
图1概略地示出根据本发明的分电器电力线通信***的第一实施例的总体视图。
图2概略地示出根据本发明的分电器电力线通信***的第二实施例的总体视图。
图3示出具有外部PLC滤波的根据本发明的智能计量装置的优选实施例的更加详细的方案。
图4示出具有内部PLC滤波的根据本发明的智能计量装置的优选实施例的更加详细的方案。
图5示出简单和双滤波器方案的实例。
图6示出根据图5的示例性的简单和双滤波器的阻抗图表。
图7示出根据本发明的智能计量装置的可替代实施例。
具体实施方式
将关于具体实施例并且参考特定附图描述本发明，但是本发明并不由此而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅仅是概略的而非限制性的。在图中，为了示意性的目的，一些元件的尺寸可能被放大而非按照比例绘制。尺寸和相对尺寸并不是必要地对应于用于实践本发明的实际缩小。
进而，在说明中和在权利要求中的术语第一、第二、第三等被用于在类似的元件之间加以区别而不是必要地用于描述序列或者时序。在适当情况下术语是可互换的并且本发明的实施例能够以除了在这里所描述或者示意之外的其它顺序操作。
而且，在说明和权利要求中的术语顶部、底部、上面、下面等被用于描述性的目的而不是必要地用于描述相对位置。如此使用的术语在适当情况下是可互换的并且在这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里所描述或者示意之外的其它定向操作。
在权利要求中使用的术语“包括”不应该解释成限制于在此后列出的装置；它并不排除其它元件或者步骤。它需要被解释成规定了所参考的所述特征、整数、步骤或者构件的存在，但是并不排除一个或者多个其它特征、整数、步骤或者构件或其集合的存在或者添加。因此，表达“一种装置包括装置A和B”的范围不应该限于仅仅由构件A和和B构成的装置。它指的是关于本发明该装置的相关构件仅仅是A和B。
图1示出根据本发明的分电器电力线通信***的第一实施例。电力线通信服务器1被设置用于经由电信网络2发送和接收消息。电力分配变电站3包括朝向多个最终用户5的电力分配网络4被连接到此的至少一个变压器，仅仅示出最终用户中的一个。网关6将消息从电信网络2转移到电力分配网络4的电力线上和反过来进行。在电力线上的消息在被用于电力线通信的预定频带中。具有电力消耗测量装置9的智能计量装置7被设于每一个最终用户电源网络5处以用于测量分别的最终用户的电力消耗。这个装置7包括被连接到电力分配网络4从而经由电力分配网络4在预定频带内发送和接收消息的电力线通信调制解调器8。图1的***在连接电力分配网络4和最终用户电源网络5的电力线上以及在将电力分配网络4连接到电力分配变电站3的电力线上进一步包括电力线通信滤波器10、11。这些滤波器10、11中的每一个包括用于阻断在被用于经由电力分配网络4的电力线通信的预定频带内的频率的滤波构件。
图1***的滤波器11是并联的谐振电路，例如LC网络，谐振电路以如此方式在LV连接和房屋或者建筑物设备5之间***，使得覆盖PLC调制解调器所使用的频率范围的抑制频带得以实现。最经常地被用于PLC的频率在为共用事业使用保留的Cenelec PLC频带A(9-95Khz)和用于建筑部内部使用的C+D(125-148，5kHz)，但是频带B(95-125kHz)还可以由最终用户使用。所提出的方案对于所使用的全部PLC频率而言都能够是有效率的。优选地抑制频带的中心比电源频率高至少二十倍以限制滤波器对于在电源频率上的电力传输的影响。所以对于50Hz的电源频率而言，抑制频带的中心优选地高于5000Hz。
结果还在于，由建筑物设备5和相连接的器具引起的PLC频率的虚拟短路得以消除并且在房屋和建筑物内部产生的噪音朝向外侧LV电缆或者电力分配网络4中的线路而被衰减。
相同种类的电路10被***在MV/LV变压器的二级分接头和离开变电站3的LV电缆或者线路之间以消除因为变压器在它的二级绕组上的低阻抗而对于PLC信号而言存在的短路。在离开变电站的不同电缆上的分离的滤波器使得能够将分配区域分割从而在每一个PLC片段上存在更小数目的连接，这能够进一步减少注入的噪音和在PLC频带下在网络上存在的阻抗下降。
如在图1中所示，滤波器11能够在外部但是如在图2的***中所示还可以被集成到智能量计7、17中。在两种情形中，PLC调制解调器8的信号必须在(一个或者多个)滤波器11的上游经由分配网络4为广域PLC注入。将在建筑物5内部被进一步传送的PLC信号在(一个或者多个)滤波器11的下游被再次注入(见图3和4)。
图2所示的***进一步不同于图1***之处在于，在给定最终用户15处的一个(或者更多)智能量计17具有还起到朝向电信网络2的网关作用的PLC调制解调器18。这并不排除也存在图1的***的第一网关6，而是它能够被省略。存在多个网关6、16意味着如果有必要网关功能能够被相互间转移。
在最优选的实施例中，来自分配网络4的所有的传输线均被滤波。这能够包括如经常被用于公共照明和电话亭的、任何未经计量的传输线。
滤波器10、11是被设计成限制由于在电源频率(50Hz或者60Hz)下的电感而引起的电压降的一个或者多个并联谐振电路，例如LC网络(见图5：L1-R1-C1)。例如，如果线圈的数值低于大约2mH，则认为在达63A的负载电流下能够满足这个条件，因为电压下降因此被限制为大约1％或者2.3V。这个串联线圈的另外的好处在于，短路电流被降低为更加安全的数值。由于非常低的线圈线组电阻，这些线圈并不引起显著的电力损失。使用Cenelec Band A频率范围的更高部分允许使用更小电感和电容器值并且能够因此进一步限制滤波器对于电源频率的影响。
滤波器11被设计成维持所被连接的用户网络5的额定负载电流(量级最大为100A)而不过热，并且经受在LV网络上的典型短路电流(对于在费拉里量计中使用的电流线圈提出类似的要求)。滤波器10被设计成维持被连接到变电站或者在此处设置滤波器的分别的变电站出口的全部负载(变电站可以具有多个出口)，以及经受典型的短路电流。
图5示出简单Z1和双重Z12滤波器概图。关于三相4导线***，优选地在三根电力线R、S和T上使用相同滤波电路Z1。可选地能够在中性导体N上使用另外的滤波电路。关于三相量计，优选地PLC信号的注入也是三相的，理想地具有120°的相位旋转。
图6示出根据图5的示例性简单和双滤波器的阻抗图表。明显地，是串联的两个简单滤波器L1-R1-C1和L2-R2-C2的双滤波器Z12示出是简单滤波器的两个抑制频带的组合的抑制频带。
本发明如上所述提出一种使用无源滤波器以改进从未被设计成输送通信信号的网络的性质的、新颖的方案。全世界的经验已经证实，即使当使用支持损坏数据重发的先进协议用作重发器的PLC调制解调器和鲁棒性的但是低效率的调制方案如FSK时，电力线通信也仍然不具有足以被视为“接近实时”的通信***的可靠性。
如果适当地设计，则使用前述滤波器能够以通常20dB改进电力线通信信号的信噪比并且因此能够以几个量级改进电力线通信的可靠性并且能够消除大多数的PLC损耗。这使得能够使用智能计量***来向消费者提供接近实时的服务并且通过动态地切换负载以消除暂时过载而使用它改进网络利用率。能够按照间隔读出消费者的电力消耗，从而它们能够通过经由共用事业网页服务器检索接近实时的在线消耗信息而使用该***改进它们的消耗行为。
使用这些滤波器10、11能够显著地减少为了保持PLC***运行而通常需要的、经常产生的用于网络操作员的操作和维护成本并且能够因此提供大的成本利益。
因为能够显著地改进信噪比，所以需要少得多的重发操作并且能够考虑使用更加有效率的调制方案如QPSK和QAM。这些调制方案能够提供比通常被用于PLC的FSK更大的带宽效率(＝数据速度除以所用带宽)，从而要求更大的性能和更少的等待时间的功能变得可行。
图3更加详细地示出智能计量装置7。以下功能块能够得以区别：
-LV输入，14
这些被连接到分配网络4。
-LV输出，15
这些被连接到最终用户电源网络5。
-“逻辑”
带有用于量计数据的存储器、固件和参数的中央处理单元。这事实上是该装置的最具功能性的部分，该部分控制电力消耗计量过程、电力线通信过程以及可能地很多其它过程。
能够例如经由PLC WAN接口或者以太网接口升级固件和特定参数。所以这能够从PLC服务器得以实现而且并不要求技术人员为了升级而到达该装置。
该单元具有足够的非易失存储器以存储至少几天的计量数据。这能够包括不仅电力消耗，而且例如还包括有关供应电力的质量(谐波)或者来自例如用于燃气/水消耗的外部计量装置的数据的信息。
-PSU
设有用于断电情形的备用蓄电池的、不带变压器的低损失开关供应电路。
-PLC WAN
这是使得能够经由电力线分配网络发送和接收消息的PLC调制解调器。
-LV1和LV2
低电压输出。带有用于电流和电压的断续器和测量电路。在供电中断时，所有的低电压输出都是可断开的。在量计的实时时钟(RTC)的控制下，能够利用远程可编程费率周期执行费率切换。
-PLC家庭
朝向最终用户网络的可选接口，旨在与智能应用(例如洗衣机、干燥器、加热、热水、冷却、CHP，...)通信。PLC在这方面是有利的，因为它提供了即插即用功能性。
这例如能够被用于连接报警***与报警中心。PLC通信在这方面是有利的，因为它不易于被废止或者破坏。
-LV保护＞＝63A，12
这是在一些状态中需要的另外的短路保护。
图4更加详细地示出智能计量装置17。以下功能块能够得以区别。与图3的装置7的差异在于，PLC滤波器11是集成的。
图7示出能够在根据本发明的分配***中使用的智能计量装置27的可替代实施例。以下功能块能够得以区别：
-LV输入，14
这些被连接到分配网络4。
-LV输出，15
这些被连接到最终用户电源网络5。
-CPU/DSP
带有用于量计数据的存储器、固件和参数的中央处理单元。这事实上是该装置的最具功能性的部分，该部分控制电力消耗计量过程、电力线通信过程以及可能很多的其它过程。
能够例如经由PLC WAN接口或者以太网接口升级固件和特定参数。所以这能够从PLC服务器得以实现而且并不要求技术人员为了升级而到达该装置。
该单元具有足够的非易失性存储器以存储至少几天的计量数据。这能够包括不仅电力消耗，而且例如还包括有关供应电力的质量(谐波)或者来自例如用于燃气/水消耗的外部计量装置的数据的信息。
-PSU
设有用于断电情形的备用蓄电池的、不带变压器的低损失开关供应电路。
-LCD、开关、LED、呼叫器
在本地指示计量数据、事件、参数、警报等。可能多个用户控制器被设于该装置上以与用户交互。不同的LED能够例如被用于不同的费率。
-PLC WAN
这是使得能够经由电力线分配网络发送和接收消息的PLC调制解调器。经由以太网端口(ETH)，这个调制解调器还起到网关作用，经由该网关，PLC服务器能够达到被连接到相同分配网络的其它智能量计。这个调制解调器是多信道的，从而如果以前的信道受到过度干扰，则它能够切换到另一信道。这还使得同时的上游和下游消息成为可能。
调制解调器还监视信噪比并且如果PLC信号变得太弱则发出警告。
-USB
多个USB端口被设置用于连接外部量计(燃气、水...)或者其它设备。由于将电力供应到外部量计的能力，USB是方便的。然而还可以考虑其它可替代的端口。
-ETH
用于连接到电信网络(例如互联网)或者外部设备的以太网端口。
-串口I/F(可选的)
可能用于连接到便携式装置或者PC。
-LV TOU输出
低电压使用时间输出，例如双费率(日/夜)输出。带有用于电流和电压的断续器和测量电路。在供电中断时所有的低电压输出都是可断开的。在量计实时时钟(RTC)的控制下，能够利用远程可编程费率周期执行费率切换。
-LV ENT输出
低电压完全夜间费率输出。
-LV-无中断或者完全绿色能量输出
用于或者被应用于为此的供电中断能够导致严重伤害或者关键数据损失等的关键应用的“不可间断的”供应或者用户希望完全利用绿色能量供以动力的器具的输出。
-PLC家庭
朝向最终用户网络的可选接口，旨在与智能应用(例如洗衣机、干燥器、加热、热水、冷却、CHP，...)通信。PLC在这方面是有利的，因为它提供了即插即用功能性。
这例如能够被用于连接报警***与报警中心。PLC通信在这方面是有利的，因为它不易于被废止或者破坏。
-LV保护＞＝63A
这是在一些状态中需要的另外的短路保护。

Claims (9)

1.一种分电器电力线通信***，包括：
被设置用于经由电信网络(2)发送和接收消息的通信服务器(1)，
包括至少一个变压器的电力分配变电站(3)，朝向最终用户(5)的电力分配网络(4)被连接到所述变压器，
被设置用于将消息从电信网络(2)转移到电力分配网络(4)的电力线上和反向转移的至少一个网关(6；18)，在所述电力线上的消息在被用于电力线通信的预定频带中，
在最终用户电源网络处的多个智能计量装置(7；17；27)，每一个计量装置被设置用于分别测量最终用户的电力消耗并且包括被连接到电力分配网络以经由电力分配网络(4)在所述预定频带内发送和接收消息的电力线通信调制解调器(8；18)，
其特征在于，所述***在连接电力分配网络和最终用户电源网络的电力线上以及在将电力分配网络连接到电力分配变电站的电力线上进一步包括电力线通信滤波器(10，11)，每一个滤波器包括用于阻断在所述预定频带内的频率的滤波构件(L1，R1，C1；L2，R2，C2)。
2.根据权利要求1所述的分电器电力线通信***，其特征在于，每一个电力线通信滤波器(10，11)是包括具有用于阻断被用于电力线通信的所述预定频带的第一预定阻抗的第一电气构件和具有用于通过包含电力分配网络的电源频率的第二频带的第二阻抗的第二电气构件的无源滤波电路。
3.根据权利要求1所述的分电器电力线通信***，其特征在于，所述预定频带的中心比所述电力分配网络的电源频率至少高二十倍。
4.根据权利要求1所述的分电器电力线通信***，其特征在于，每一个智能计量装置作为集成构件包括电力线通信滤波器(11)之一。
5.根据权利要求1所述的分电器电力线通信***，其特征在于，电力线通信滤波器(11)是在所述智能计量装置外部的构件。
6.据权利要求1所述的分电器电力线通信***，其特征在于，来自所述电力分配网络的未经计量的传输线还设有电力线通信滤波器。
7.据权利要求1所述的分电器电力线通信***，其特征在于，所述至少一个网关中的第一个(18)被结合到智能计量装置(17)之一中。
8.据权利要求1所述的分电器电力线通信***，其特征在于，所述至少一个网关(6)中的第二个位于所述电力分配网络的分配站处。
9.据权利要求1所述的分电器电力线通信***，其特征在于，智能计量装置(7；17；27)中的至少一个设有朝向最终用户器具的通信接口。
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