專利名稱：用于電力線通信的耦合電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及將通信信號耦合到電力配電系統。
背景技術：
通信信號可以利用包括寬頻帶電力線調制解調器的各種器件耦合到電力配電系統。許多寬頻帶電力線調制解調器使用擴展頻譜調制技術，如正交頻率分割多路復用(OFDM)或直接順序擴展頻譜(DSSS)。對于每秒鐘幾兆位的數據速率，這種調制解調器使用在1-50MHz范圍內的頻帶。擴展頻譜調制的一個優點是具有連接調制解調器而不管可使頻帶的某些段不能用的共振和窄帶噪音的能力。但是，仍期望減少這種不能用頻段的數量并由此增加數據速率和降低出錯率。
擴展頻譜調制解調器的信號輸出需要有效地耦合于電力配電線。通常，這出現在這些線收斂的點處，如配電變壓器(DT)的二次終端或附近的匯合點。然而，在該耦合點處的阻抗，稱之為驅動點阻抗，可以從一些頻帶上很低的阻抗廣泛到其它頻帶上很高的阻抗之間變化。在一些頻帶上相對簡單的耦合技術可能會相當有效，但會在其它頻帶上引入顯著的耦合損耗衰減。
并聯耦合是一種常用技術，其中調制解調器通過串聯隔直流電容器直接并聯耦合于電力線。圖1A和1B示出根據現有技術的調制解調器到電力配電系統的并聯電容耦合。配電系統包括有具有阻抗ZT108的次級繞組130的配電變壓器135。調制解調器A110通過隔直流電容器113經電力線115和117提供寬頻帶高頻電流。調制解調器A110具有內部電阻RS112。
在圖1B中，對于在其中|ZT|＜＜Rs的頻帶，ZT108重荷載調制解調器A110的輸出而導致相當大的耦合損耗。即使調制解調器A110具有低輸出阻抗，當阻抗ZT108遠小于反射負載阻抗ZLrefl(未示出)時，其會遭受耦合衰減。在這種情況中，來自調制解調器A110的大部分感應電流會流經較小量值的ZT108，而僅有較少部分會經過ZLrefl流向調制解調器B140。因此，并聯電容耦合對廣泛變化的驅動點阻抗及非常低的阻抗是低效率的發明內容本發明的代表性實施例包括用于在基于與并聯電容器連接的串聯電感模式的電力配電系統上耦合數據信號的方法和相應的系統。電感信號耦合器具有兩個繞組。第一繞組與配電系統的線導體串聯。電容連接在配電系統的第一線導體和第二線導體之間，以便電容對電源信號呈現高阻抗而對數據信號呈現低阻抗。通信器件連接到第二繞組以便數據信號可以耦合于通信器件和配電系統之間。
在另外的實施例中，線導體可以為中性導體。通信器件可以是擴展頻譜調制解調器，電感信號耦合器可以包括夾持在線導體上的分裂磁芯，以便第二繞組在磁芯上纏繞且該磁芯內的線導體部分充當第一繞組。第一繞組可以在等于數據信號的最高使用頻率的1/10波長的距離內相鄰于變壓器的次級繞組。該定位足夠近以便將耦合器基本上置于變壓器次級繞組的終端。
本發明的代表性實施例還包括用于基于串聯電感模式和并聯電容模式耦合器將數據信號耦合于電力配電系統上的方法和相應的系統。串聯電感耦合器連接到電力配電系統的第一線導體。并聯電容耦合器連接在第一線導體與第二線導體之間。通信器件具有并聯的第一和第二接口，第一接口連接到一個耦合器而第二接口連接到另一耦合器，以能夠在通信器件與電力配電系統之間耦合數據信號。
在另一實施例中，線導體可以是中性導體。通信器件可以是擴展頻譜調制解調器。電感信號耦合器可以包括夾持在線導體上的分裂磁芯，以便第二繞組在鐵芯上纏繞且位于磁芯內的線導體的部分充當第一繞組。第一繞組可以相鄰于變壓器的次級繞組，即，在數據信號的最高使用頻率的1/10波長內。
本發明的代表性實施例還包括用于通過電力配電系統的低阻抗節點耦合數據信號的方法和相應的系統。電容器與電力配電系統的低阻抗節點并聯連接，且對電源信號呈現高阻抗，對數據信號呈現低阻抗。第一電感耦合器與該節點上游的線導體串聯連接。第二電感耦合器與該節點下游的線導體串聯連接。第一電感耦合器和第二電感耦合器可行地連接以經過節點耦合數據信號。
在另外的實施例中，信號放大器可行地連接第一電感耦合器和第二電感耦合器。選擇地或附加地，數據路由器可以可行地連接第一電感耦合器和第二電感耦合器以在第一電感耦合器與第二電感耦合器之間選擇地路由數據信號。在該情況中，第二電感耦合器可以是該節點下游的多個電感耦合器的一個，以便數據路由器在第一電感耦合器與該多個電感耦合器之間選擇地路由數據信號。
通過結合附圖參考下面的詳細描述會更容易地理解本發明，其中圖1A和1B示出根據現有技術的調制解調器到電力配電系統的并聯電容耦合。
圖1C和1D示出根據本發明的一實施例的調制解調器串到電力配電系統的串聯電感耦合。
圖1E和1F示出根據本發明的一實施例的外加并聯電容的串聯電感耦合。
圖1G示出三角型連接的三相電力配電變壓器的串聯電感耦合的一個實施例。
圖2是展示出阻抗作為在典型配電變壓器次級頻率與阻抗函數的圖。
圖3A和3B示出根據本發明實施例的旁路電力配電系統的低阻抗節點。
圖4示出從公共電力線收斂節點向不同電路發送分離數據流的實施例。
圖5示出克服反射阻抗中的變化的實施例。
圖6示出使用復合并聯和串聯耦合模式的實施例。
具體實施例方式
本發明的代表性實施例使用寬頻帶通信信號到電力配電系統的改進的串聯電感耦合技術。在2,000年12月28日申請的普通受讓的美國專利申請09/752,705中描述了一種在中壓(MV)配電網的情況下串聯電感耦合的具體方法，其并如下文以作參考。與并聯電容耦合相比較，串聯電感耦合可以避免信號衰減，這取決于配電變壓器阻抗在調制解調器的阻抗上的負載。
圖1C是根據本發明的一實施例的改進的串聯電感耦合器的示意圖，而圖1D是等效電路圖。電感耦合器120在配電變壓器(DT)135附近的低壓電源電路的中性線115中起串聯連接作用。耦合器120設置在配電變壓器135的次級繞組130附近，優選地其位于在將要通過耦合器120耦合于中性線115的信號的最高使用頻率的1/10波長內。
從圖1D中，可以看出|ZT|108的低值會促進包括經過耦合器120耦合的調制解調器A110、變壓器次級阻抗ZT108、電力線115和116、以及負載阻抗ZL160和調制解調器B140的并聯組合的電路中的電流。圖1D中的電路還包括反射負載阻抗ZLrefl165，其表示穿過電力線反射回驅動點的高頻負載阻抗。
串聯電感耦合當次級阻抗ZT108穿過利息頻帶均勻低時工作特別好。然而高阻抗ZT108顯著增加ZT108和反射負載阻抗ZLrefl165的串聯組合的總阻抗，并因此減小耦合進電力線的調制解調器的電流IL170的數量。因此，串聯電感耦合可以有效地用于調制低驅動點阻抗，但會對很高的驅動點阻抗效率低。
圖1E和等效電路圖1F示出即使對于|ZT|108很高的頻帶來說保持比圖1C和1D中示出的基本串聯電感模式耦合的耦合效率高的一個實施例。在圖1E中，有一個或更多與變壓器135的次級繞組130并聯的電容125。如圖1F所示，電容器125并聯于ZT108。該并聯組合提供比ZT108單獨的阻抗低的最終阻抗。因此，從調制解調器A110耦合的電流基本獨立于ZT108。耦合器120是串聯電感耦合器，其包括充當單匝繞組的現有電力線120A的封閉部分、繞線120A周圍設置的分裂磁芯120B和纏繞在鐵芯120B上的第二繞組120C。
當電容125跨接于配電變壓器的次級繞組時，其降低了跨越調制解調器頻帶上的變壓器終端的最終阻抗，電容器125還在配電頻率處有效地充當開路。例如，10nF電容的阻抗在1MHz上小于16歐姆，在10MHz上小于1.6歐姆，但在60Hz處超過250千歐姆。
圖2是表示阻抗作為在典型配電變壓器次級頻率的函數的圖。曲線A表示不帶電容的阻抗，曲線B表示當10nF電容并聯于次級時的最終阻抗。曲線A示出在2.8-3.9MHz和16.3-30MHz頻帶上不帶并聯電容的阻抗超過40歐姆。這可能是由于在變壓器繞組或導線中的并聯諧振。另一方面，曲線B示出當通過10nF電容旁路配電變壓器次級時，組合的并聯阻抗對所有頻率低于10歐姆。
本發明的實施例可適用于單相電源電路和在wye(“Y”)或三角結構中的多相電源電路。對于兩相電力線(圖1E中所示)，或對于三相Y-連接的電力線，耦合器120優選放置在中性線115上。在該布局中，相線116和117是射頻(RF)返回線路，在其之間，返回電流近似均勻地分開。這樣，在建筑物145的調制解調器，連接在相線116或117中的其中之一與中性線115之間，很可能遇見相似的信號電平。這有別于將耦合器120放置在單相線且允許其它相線僅通過沿著電纜到負載的感應獲得它們各自的信號。在中性線115上放置電感耦合器120還通過減少工頻電流等級，即，由配電系統提供的耦合器鐵芯120B中的電流，來最小化鐵芯飽和效應。
圖1G示出三角連接三相電力變壓器170和三相線175、180和185。耦合器120放置在三相線的其中之一上，例如，線175，而剩余的相線180和185提供信號返回路徑。該布置有助于平衡返回電流的幅度。如示出的那樣，添加一個或多個電容125并聯于電壓器170的次級，以對在變壓器170的次級阻抗的高頻帶確保電流的低阻抗路徑。
圖3A和3B示出根據本發明的實施例在電力輸電線的兩端旁路低阻抗節點的技術。這種情形的例子包括(a)線在多層建筑中線從主配電盤延伸到各層配電盤；(b)線在低壓配電網中從一節點延伸到另一節點；和(c)中壓(MV)線從變電站延伸到多線匯合點。簡化為單相的圖3A，，示出如圖1E和1F中所示連接的數據總線303上的調制解調器A110。變壓器305可以是中壓到中壓和低壓到低壓配電變壓器。
可以通過將負載連接到電路來造成低阻抗節點。例如，在終端332間連接多個負載315、320和325，造成阻抗的并聯以及跨越終端332的最終低驅動點阻抗。選擇或附加地，低阻抗器件333可以跨越終端332連接，且其表示與器件334下游通信的阻抗。
低阻抗節點，如終端對332可以如下被旁路。在終端對332間跨接RF短路電容360，以便確保其重要頻帶上的低阻抗。信號然后經過電感耦合器365和370在終端332附近被旁路。耦合器365優選地連接于電容360上游的中性線310，而耦合器370連接于終端332和電容器360的下游。由于跨越終端332的低阻抗，基本上所有的從調制解調器A110到達中性布線310上的信號電流流經耦合器365以及返回路徑(如線311)。跨越終端332的低阻抗隔離從終端332左側到達的，從終端332的右側到達的信號。
在耦合器365和370之間的信號路徑可以是(a)表示無源旁路的直接連接或(b)有源路徑，該有源路徑包括諸如雙向信號放大器、輸入和輸出處于相同頻帶的數據中繼器、或輸入和輸出頻帶彼此不相同的數據中繼器的有源模塊375。如果模塊375包括雙向升壓放大器，以防止振動，由電容器360產生的衰減的量應當超出模塊375的放大。
圖3B示出在圖3A中的布局的進一步增進。將分離的下游耦合器385連接到單獨的線路，其中每一線路供給一個或多個負載，如負載315、320和325。每一單獨的耦合器385由增壓器或中繼器如模塊380的分離端口XX、YY或ZZ驅動。在端口XX、YY和ZZ的各種輸出可以具有同樣的波形。選擇地，模塊380可以包括路由器功能以向每一負載315、320和325提供單獨數據流。
圖4示出用于從公共的電力線收斂節點向不同電路發送分離的數據流的技術。在中壓應用中，變壓器435在變電站是高壓到中壓(HV-MV)變壓器，線405和410表示到不同中壓電路的供給。在低壓應用中，變壓器435表示中壓-低壓或低壓-低壓配電變壓器，線405和410表示到建筑物內的不同建筑或層的供給。
以低壓配電應用為例，圖4是從配電變壓器435以星型拓撲結構供電給多個建筑物440和445的示意圖。通常，將多個電力電纜405和410鎖定在配電變壓器435的次級終端或從接近于DT435的匯合節點分開，每一電纜被路由以供給建筑物440和445的的一個分離組。例如，電纜405被路由到建筑物445，而電纜410被路由到建筑物440。雖然在圖4中示出兩根電纜405和410，星型拓撲結構可以包括大于兩根的電纜。
電容器125和415的另外的益處是在由電纜405和410供電的各種次級負載電路之間提供高頻隔離。這允許每一電纜405和410用作向建筑物440和445的每一個中的用戶組傳送截然不同的全帶寬數據流的分離媒介。例如，在電纜410上，調制解調器1A425與調制解調器1B426通信，而在電纜405上，調制解調器2A430與調制解調器2B431通信。
圖5是本發明的另一實施例的示意圖，該實施例克服了在ZLrefl中的變化。為了簡化，圖5僅示出信號流的一個方向，系統本身實際上是雙向的。調制解調器在并聯模式中包括來自于具有內部阻抗RS1515的電源發生器VS1510的并聯驅動，該內阻抗RS1515將實質性的信號源耦合進電力線。對在其上反射負載阻抗ZLrefl相當高的頻率范圍，并聯驅動對于傳輸通信信號是非常有效的模式。雙耦合模式調制解調器505設置有兩個輸出電路，該輸出電路提供具有相同波形，振幅可能不同和/或不同阻抗級的信號。第一并聯電容輸出電路包括具有內部阻抗RS1515的發生器VS1510，而第二串聯電感輸出電路包括具有內部阻抗RS2525的發生器VS2520。例如，這些輸出電路可以是由公共信號源驅動的兩個輸出放大器。
圖5示出第一輸出電路在并聯模式中經過耦合電容530驅動配電變壓器次級阻抗215的終端。第二輸出電路驅動與第一輸出電路相位相同的串聯模式電感耦合器120。并聯電容模式對在其上阻抗ZT和ZLrefl都相當高的頻帶范圍提供有效地驅動。串聯電感模式對在其上阻抗ZLrefl相當低的頻帶范圍特別有效。并聯和串聯模式的組合在阻抗組合的大范圍內提供有效驅動。
圖6示出本發明的另一實施例，在其中組合的并聯和串聯耦合模式用于多個次級電力線605和610的情況中。一組相似的絕緣線，例如中性線，可以在直徑上足夠大以便防止連接單個電感耦合器120，例如如圖1C中所示出的。相應地，多個耦合器620和622可以一一連接到每一中性線并通過來自調制解調器A625的相同的波形驅動。調制解調器A625設置有多個輸出615A、615B和615C。輸出615A和可選擇的電容器635，與所有低壓電力線一樣，提供單獨的并聯驅動，低壓電力線在在調制解調器信號頻率處一起短路相線以便兩相線可以由輸出615A驅動。輸出615B和615C的每一個在串聯模式中驅動單個中性線。這樣調制解調器A625發送和接收來自調制解調器626和631的數據。雖然圖6示出具有兩條電力線的拓撲結構，但其可以包括任意合適數目的線。
雖然已經公開了本發明的各種示例性的實施例，但對本領于技術人員顯而易見地可以在不脫離本發明的真實范圍內做出的各種獲得本發明的一些優點的變化和修改。
權利要求
1.用于在配電系統上耦合數據信號的方法，該方法包括在與配電變壓器的次級繞組相鄰的電力配電系統的變壓器次級線導體上安裝電感信號耦合器；和將通信器件連接到所述電感信號耦合器以便數據信號可以在所述通信器件與所述電力配電系統之間耦合。
2.根據權利要求1的方法，其中所述安裝電感信號耦合器進一步將所述在數據信號的最高使用頻率的1/10波長內相鄰于所述配電變壓器的所述次級繞組放置所述耦合器。
3.根據權利要求1的方法，進一步包括將電容器跨接在所述變壓器次級繞組的兩個終端以便所述電容器對電源信號呈現高阻抗并且對數據信號呈現低阻抗。
4.根據權利要求1的方法，其中所述變壓器次級線導體是中性導體。
5.根據權利要求1的方法，其中所述通信器件是擴展頻譜調制解調器。
6.根據權利要求1的方法，其中所述電感信號耦合器包括夾持在所述變壓器次級線導體上的分裂磁性鐵芯，且電感繞組纏繞在所述鐵芯上以便所述鐵芯內的所述變壓器次級線導體的部分耦合所述數據信號。
7.用于在電力配電系統上耦合數據信號的數據信號系統，所述信號系統包括在配電變壓器附近的電力配電系統的變壓器次級線導體上安裝的電感信號耦合器；和通信器件，其連接到所述電感信號耦合器以便數據信號可以在所述通信器件與所述電力配電系統之間耦合。
8.根據權利要求7的信號系統，其中所述電感信號耦合器在所述數據信號的最高使用頻率的1/10波長內相鄰于所述配電變壓器的所述次級繞組安裝。
9.根據權利要求7的信號系統，進一步包括電容器，其跨接于所述變壓器次級繞組的兩個終端以便所述電容器對電源信號呈現高阻抗而對數據信號呈現低阻抗；和
10.根據權利要求7的信號系統，其中第一線導體是中性導體。
11.根據權利要求7的信號系統，其中所述通信器件是擴展頻譜調制解調器。
12.根據權利要求7的信號系統，其中所述電感信號耦合器包括夾持在所述變壓器次級線導體上的分裂磁性鐵芯，且電感繞組纏繞在所述鐵芯上以便在所述鐵芯內的部分的所述變壓器次級線導體耦合數據信號。
13.用于在配電系統上耦合數據信號的方法，所述方法包括將串聯電感耦合器連接到電力配電系統的第一線導體；將并聯電容耦合器連接在所述第一線導體和第二線導體之間；和提供具有并聯的第一和第二接口的通信器件，一個接口連接到所述電感耦合器并且另一接口連接到所述電容耦合器，以能夠在所述通信器件與所述電力配電系統之間耦合數據信號。
14.根據權利要求13的方法，其中所述第一線導體是中性導體。
15.根據權利要求11的方法，其中所述通信器件是擴展頻譜調制解調器。
16.根據權利要求11的方法，其中所述電感信號耦合器包括在所述第一線導體上夾持的分裂磁性鐵芯。
17.根據權利要求11的方法，其中所述配電系統包括配電變壓器且并且所述電感信號耦合器在所述數據信號的最高使用頻率的1/10波長內相鄰于所述變壓器的次級繞組連接。
18.用于在配電系統上耦合數據信號的數據信號系統，所述信號系統包括連接在電力配電系統的第一線導體的串聯電感耦合器；連接在所述第一線導體和第二線導體之間的并聯電容耦合器；和具有并聯的第一和第二接口的通信器件，所述第一接口連接于一個耦合器，而第二接口連接于另一耦合器，以能夠在所述通信器件與所述電力配電系統之間耦合數據信號。
19.根據權利要求16的信號系統，其中所述第一線導體是中性導體。
20.根據權利要求16的信號系統，其中所述通信器件是擴展頻譜調制解調器。
21.根據權利要求16的信號系統，其中所述電感信號耦合器包括在第一線導體上夾持的分裂磁性鐵芯。
22.根據權利要求16的信號系統，其中所述配電系統包括配電變壓器且所述電感信號耦合器在所述數據信號的最高使用頻率的1/10波長內相鄰于所述變壓器次級繞組連接。
23.用于跨越配電系統的低阻抗節點耦合數據信號的方法，該方法包括將電容器并聯于電力配電系統的低阻抗節點，所述電容器對電源信號呈現高阻抗并且對數據信號呈現低阻抗；在所述節點上游將第一電感耦合器串聯于線導體；在所述節點下游將第二電感耦合器串聯于所述線導體；可操作地連接所述第一電感耦合器與所述第二電感耦合器以跨越所述節點耦合數據信號。
24.根據權利要求21的方法，其中可操作地連接包括在所述第一電感耦合器與所述第二電感耦合器之間連接信號放大器。
25.根據權利要求21的方法，其中可操作地連接包括在所述第一電感耦合器與所述第二電感耦合器之間連接數據路由器，以用于在所述第一電感耦合器與所述第二電感耦合器之間選擇性路由數據信號。
26.根據權利要求23的方法，其中所述第二電感耦合器是所述節點下游的多個電感耦合器的其中之一，且其中所述數據路由器在所述第一電感耦合器與所述多個電感耦合器之間選擇性路由數據信號。
27.用于跨越電力配電系統的低阻抗節點耦合數據信號的數據信號系統，所述數據信號系統包括并聯于電力配電系統的低阻抗節點的電容，且其對電源信號呈現高阻抗而對數據信號呈現低阻抗；在所述節點上游串聯于線導體的第一電感耦合器，在所述節點下游串聯于所述線導體的第二電感耦合器；其中所述第一電感耦合器和所述第二電感耦合器可操作地連接以跨越該節點耦合數據信號。
28.根據權利要求25的數據信號系統，其中信號放大器可操作地連接所述第一電感耦合器與所述第二電感耦合器。
29.根據權利要求25的數據信號系統，其中數據路由器可操作地連接所述第一電感耦合器與所述第二電感耦合器，以在所述第一電感耦合器與所述第二電感耦合器之間選擇性路由數據信號。
30.根據權利要求27的數據信號系統，其中所述第二電感耦合器是所述節點下游的多個電感耦合器的其中之一，且其中所述數據路由器在所述第一電感耦合器與所述多個電感耦合器之間選擇性路由數據信號。
全文摘要
提供用于在電力配電系統上耦合數據信號的方法及系統。電感信號耦合器具有兩個繞組。第一繞組串聯于電力配電系統的線導體。電容連接在該配電系統的第一線導體與第二線導體之間以便電容對電源信號呈現高阻抗而對數據信號呈現低阻抗。通信器件連接到該第二繞組以便數據信號可以在該通信器件與該配電系統之間耦合。
文檔編號H04B3/56GK1537365SQ02809245
公開日2004年10月13日 申請日期2002年2月25日 優先權日2001年3月29日
發明者Y·色恩, Y 色恩 申請人:埃姆別特公司