專利名稱：一種非對稱電力載波通訊裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通訊裝置，特別涉及一種電力系統的非對稱載波通訊電路裝置。
背景技術：
當今現有的主機與從機進行電力載波通訊，其主機與從機通訊電路中調制的電壓FSK信號是通過電感、電容隔離耦合到相線、零線之間，并通過相線與零線所形成的線路，進行半雙工電力載波通訊，如圖1所示。該對稱電壓FSK信號耦合型電力載波通訊原理的主要優點是，電力變壓器各相線、零線之間不需要改動，主機與從機載波通訊電路通過并聯在電力線上方式，將各個載波通訊電路中電感、電容隔離耦合到相線、零線之間就可以進行電力載波通訊，電力載波通訊技術較為簡單。但對稱電壓FSK信號耦合型電力載波通訊方式缺點也非常明顯，主要有以下三個方面；1)電力變壓器復阻抗小，影響主機并聯的調制信號功率，主機與從機通訊距離短；2)用戶負載的變化，同樣也影響從機并聯的調制信號功率，并容易干擾通訊；3)通訊易受用戶負載的變化，通訊不穩定可靠性低。所以，我國電力系統在居民用電需求側，采用對稱電壓FSK信號耦合型電力載波通訊的電表抄收，并通過多年的技術開發與試點，基本沒有可推廣的、成熟可靠的系統產品。
發明內容
為解決對稱電壓FSK信號耦合型電力載波通訊電路的不足，本發明采用非對稱電力載波通訊裝置，重點解決了通訊可靠性及通訊距離問題。
本發明的技術方案是一種非對稱電力載波通訊裝置，包括電力變壓器、主機電路和從機電路，主機電路包括主機電力載波通訊電路，主機電路采用電壓互感器結構，電壓互感器的次級線圈串聯在電力系統配電變壓器低壓側三相四線制的N相(零線)中，電壓互感器的初級線圈連接主機電力載波通訊電路；從機電路中的從機電力載波通訊電路串聯在電力變壓器低壓側的相線和零線之間；當所述電壓互感器的初級線圈加載電壓FSK調制信號時，電壓互感器次級線圈耦合的FSK信號電壓源與電力變壓器各個相線與零線的50Hz電壓源串聯相加，電感線圈復阻抗與電力變壓器復阻抗也是串聯相加，形成復合的載波電壓源；而各個相線與零線之間的從機電路在電力變壓器低壓側下端接收、解調FSK電壓信號進行電力載波通訊；從機電路的從機電力載波通訊電路調制FSK電流信號源在電力變壓器N相(零線)串聯的電感器線圈上形成FSK信號電流，并通過電感線圈耦合副級在主機電路上形成FSK電壓信號，主機解調從機的FSK電壓信號，完成主、從機電力載波通訊。
上述電路稱為非對稱電力載波通訊裝置，是因為從機采用電流型FSK調制信號與主機進行電力載波通訊，而主機采用電壓型FSK調制信號與從機進行電力載波通訊。
上述非對稱電力載波通訊裝置可以是電力系統10kV/0.4kV配電變壓器低壓側三相四線制(A相、B相、C相、N相)中，采用N相(零線)串聯隔離型高頻互感器結構，主機通過隔離型高頻互感器產生電壓型FSK(頻移鍵控)調制信號與從機進行電力載波通訊，而從機產生電流FSK(頻移鍵控)調制信號在隔離型高頻變壓器電感器線圈形成感應調制FSK電壓信號與主機進行電力載波通訊。
所述的非對稱電力載波通訊裝置工作原理主要優點是主機電感線圈次級耦合的FSK信號電壓源與電力變壓器各個相線與零線的50Hz電壓源串聯相加，所形成的載波電壓源電力變壓器復阻抗影響小，調制信號功率大、通訊距離遠。而從機與主機在電力載波通訊時，相線與零線之間回路中，串聯電感線圈的FSK信號電流與感抗所形成FSK信號電壓降(串聯電感線圈針對50Hz電流不呈現感抗)，因電力變壓器相線與零線回路中有FSK信號電流，不受電力變壓器低壓側用戶負載復阻抗的影響，所以從機與主機進行電力載波通訊時抗干擾及可靠性大大提高。
作為本發明的進一步改進，主機電路采用網橋電路。
網橋是指是利用非對稱電力載波通訊技術與電力變壓器低壓需求側電力線上的從機終端，以及通過GSM無線網或RS485與上位管理計算機，進行物理鏈路及通訊協議的橋接。網橋主機是一種智能電子裝置，主機電路中主要設有微處理芯片CPU；主機電力載波通訊電路；通訊調制解調芯片；GSM無線網通訊模塊；RS485接口電路；LCD顯示電路；穩壓電路等。CPU上還連接有日歷時間芯片、模擬開關、光耦合器電路等。其主要特征在于主機中CPU通過調制解調芯片連接有非對稱電力載波通訊裝置，并通過電力變壓器低壓側的從機進行電力載波數據通訊管理，主機的CPU連接GSM無線網模塊、RS485接口與上位管理計算機進行遠程數據通訊管理。
作為本發明的進一步改進，從機電路采用智能電子裝置，從機電路中主要設有IC 1微處理芯片CPU、IC3通訊調制解調芯片、開關型穩壓電路、電力載波通訊電路和電量采集及負荷控制電路。其中電量采集及負荷控制電路包括IC2日歷時間芯片；IC4 LCD顯示電路以及紅外通訊單元、漏電斷路器路燈控制單元、電子電能表接口。從機電路中CPU通過調制解調芯片連接有非對稱電力載波通訊裝置，并通過電力變壓器低壓側下位與上位網橋主機進行電力載波數據通訊管理。
采用非對稱電力載波通訊裝置是面向電力系統10kV/0.4kV配電變壓器低壓側用電負荷控制從機信息終端，實現對各負荷節點的測量與控制，如用電需求側居民電能表復費率計量、城市路燈電器負荷控制、用戶配電終端維護管理等，并通過網橋與配電自動化調度中心、結算中心進行數據通信與配電管理。
圖1為對稱電壓耦合型電力載波通訊結構示意圖；圖2為本發明的結構示意圖；圖3為本發明實施例1系統網絡結構示意圖；圖4為本發明實施例2網橋主機的電路圖；圖5為本發明實施例3從機電力載波通訊電路圖；圖6為本發明實施例4從機電路圖；圖7為本發明實施例2、4主機接收信號電路圖；圖8為本發明實施例2、4主機與從機電力載波通訊工作波形圖；圖9為本發明實施例2、4從機發送信號圖；圖10為本發明實施例2、4從機與主機電力載波通訊工作波形圖。
具體實施例方式
實施例1，參照附圖2、圖3一種非對稱電力載波通訊裝置，包括電力變壓器、主機電路1和從機電路2，主機電路1中的電力載波通訊電路采用電壓互感器結構，電壓互感器TL1的次級線圈串聯在電力系統配電變壓器低壓側三相四線制的N相(零線)中，電壓互感器的初級線圈連接主機電力載波通訊電路；從機電路2中的電力載波通訊電路串聯在電力變壓器低壓側的相線和零線之間；當所述電壓互感器的初級線圈加載電壓FSK調制信號時，電壓互感器次級線圈耦合的FSK信號電壓源與電力變壓器各個相線與零線的50Hz電壓源串聯相加，電感線圈復阻抗與電力變壓器復阻抗也是串聯相加，形成復合的載波電壓源；而各個相線與零線之間的從機電路在電力變壓器低壓側下端接收、解調FSK電壓信號進行電力載波通訊；
從機2中的從機電力載波通訊電路調制FSK電流信號源在電力變壓器N相(零線)串聯的電感器線圈TL1上形成FSK信號電流，并通過電感線圈耦合副級在主機1的電力載波通訊電路上形成FSK電壓信號，主機解調從機的FSK電壓信號，完成主、從機電力載波通訊。
實施例2，與上例基本相同，所不同的是，主機信號電路采用網橋主機電路，網橋主機電路結構如圖4所示，電路中主要器件采用微功耗芯片，其中U2為CPU芯片是該電路的核心微處理器；U1為通訊調制解調芯片；U3為日歷時間電路芯片；U4為外存儲芯片；U5為模擬開關；U6為LCD顯示驅動芯片；U7為RS485接口芯片；U8、U9、U10為光耦合器；TXB為GSM通訊板；DB為多功能電能表；WA為穩壓電路。IC1A、IC1B及周圍電路是主機電力載波通訊接收/發送放大電路，而TL1是與電力變壓器低壓側零線(N相)上串聯的電感器，H1、H2、H3、是多功能電能表DB檢測各相線電流的互感器。
所述的U1是通訊調制解調MSM7512芯片，CPU芯片的通過選用P1.0口、P1.1口、U5模擬開關，形成串行通訊與U1通訊調制解調芯片的RXD、TXD進行數據讀寫操作。P0.0為R/T讀寫操作控制端，P1.7是CD模擬調制信號檢測端。U1調制解調MSM7512芯片中Ain、Aout為FSK信號輸入/輸出端，Aout輸出的FSK信號經CC3電容、IC1A、TC1、TC2、TC3、TC4及周圍電路，形成功率放大電路推動TL1電感器N1線圈，在電感器N3線圈上形成FSK信號電壓源。因為FSK信號電壓源串聯在電力變壓器零線(N相)上，并與各相線50Hz電壓源串聯相加，形成50Hz交流波上載有高頻FSK信號波的電壓源，供給電力變壓器低壓側下端的從機終端接收及負載供電，完成網橋主機與從機終端進行非對稱電力載波通訊。
從機終端在與網橋主機進行非對稱電力載波通訊時，從機終端在相線與零線之間回路中，能產生100Hz同步(50Hz交流電半周期)的FSK電流信號，100Hz同步的FSK電流信號通過TL1電感器N3線圈，在電感器N2線圈上感應出100Hz同步的FSK電壓信號，經CC2、IC1B及周圍電路濾波放大輸入到U1調制解調MSM7512芯片中Ain端進行解調，完成從機終端與網橋主機進行非對稱電力載波通訊。
實施例3本實施例與實施2所不同的是，本實施例從機電路2采用智能電路裝置，從機電路中主要設有微處理芯片CPU IC1、通訊調制解調芯片IC3、開關型穩壓電路2.1、從機電力載波通訊裝置單元2.2和負荷控制2.3及電量采集電路2.4，如圖5所示。MSM7512調制解調芯片IC3、CPU微處理器芯片IC1和開關型穩壓單元組成基本單元。非對稱電力載波通訊裝置單元中有整流器BZL電路，BR1、BR2、BR3、R10電阻、穩壓管D2、恒流元件BT3和光耦合器BU2所組成的同步觸發電路；晶體管BT1、二極管BD3、電阻BR4、BR5、BR*、電容BC3、BC4、隔離推動變壓器BLT2所組成的電流功率放大器；光耦合器BU1、BU3、晶體管T1、T2、T3、電阻R6、R7、R8、R9、R11、R12、R13、電容C8、C9、C10、C11、C12所組成的收發控制與FSK信號功率推動放大電路；電容BC1、BC2、C13、C14、C15、C16、隔離變壓器BLT1、電阻R5、R14、R15、R16、限幅器D2、晶體管T3所組成的FSK信號接收放大電路。
為實現從機終端能非對稱電力載波通訊，從機終端在供電線路50Hz交流電上，通過整流形成每半周期同步產生可控的FSK電流信號源。
從機終端的電力載波通訊裝置單元2.2中，電容BC1、BC2、耦合電感BLT1、電阻R5、R14、R15、R16、電容C13、C14、C15、C16及限幅器D2組成接收網橋主機的FSK電壓信號電路，接收到的FSK電壓信號送到IC3MSM7512調制解調芯片的Ain端，并進行解調。網橋主機與從機終端非對稱電力載波通訊工作波形圖，參看附圖7、附圖8。
實施例4本實施例與上例基本相同，所不同的是負荷控制及電量采集電路由漏電斷路器路燈控制單元2.3與電子電能表接口2.4所組成，它還包括IC2日歷時間芯片；IC4 LCD顯示電路以及紅外通訊單元2.5。
參看附圖6是所述的從機終端實施例中的電路原理圖，從機終端與網橋主機可進行非對稱電力載波通訊，可進行網絡化城市路燈控制管理及用電負荷控制管理，其網絡系統的結構，參看附圖3。
圖6中，IC3 MSM7512調制解調芯片Aout輸出的同步FSK信號經C10電容、T1晶體管、R11、C11推動BLT2變壓器初級，并T2晶體管、BU1光耦合器導通，BU3光耦合器截止在發送狀態時，BLT2變壓器次級激勵BT1及由BD3、BR5、BR4、BR*、BC4、BC3所組成的電流功率放大器，在220VAC相線與零線之間經BZL整流形成100Hz同步FSK電流信號源。其中，100Hz同步信號是由BR1、BR2、BR3電阻；BD2穩壓二級管；BT3恒流元件；BSCR可控硅元件；BU2光耦合器及R10組成的觸發同步電路，R10輸出的觸發同步信號送到IC1 CPU微處理器芯片INT1端，由CPU按觸發同步周期控制串口RXD、TXD及收發控制端口P2.5，使IC3 MSM7512調制解調芯片Aout輸出同步FSK信號。
由IC1 CPU微處理器；IC2日歷時間電路芯片；IC3 MSM7512調制解調芯片；IC4 LCD顯示驅動芯片組成基本微處理單元。在基本微處理單元周圍接入的電路單元有紅外通訊電路單元2.5、非對稱電力載波通訊裝置單元2.2、漏電斷路器路燈控制單元2.6、開關型穩壓電路單元2.1及電子電能表接口2.3.1。
漏電斷路器路燈控制單元2.6中P1、P2接線端子，可接入路燈及其它電器，完成遠程負荷控制，這時從機終端2實施例中的電路模塊是安裝在符合國家DZ47L(C45L)、DXM65L(C65L)、DZ23L、F360、NF1N系列以及RDL20系列漏電斷路器標準條件，所有電路系統模塊安裝在漏電保護斷路器結構盒內。從機終端2實施例中的電路中P1、P2接線端子接入路燈時，DSCR可控硅元件的觸發端由DU2光耦合器通過CPU的P2.2口進行路燈開與關的控制，而DD1 LED發光管、DR1電阻、DU1光耦合器組成路燈開與關顯示及路燈損壞檢測，DR2、DR3、DR4電阻與DD2穩壓管組成可控硅導通角觸發電壓。
紅外通訊單元2.5是滿足手持機在現場與從機終端進行維護信息通訊，所以從機終端裝置有LCD顯示窗及紅外通訊窗口。
開關型穩壓電路單元2.1是從機終端電路系統的電源，而電子電能表接口2.3.1是滿足電表遠程復費率管理時，提供D1、D2外接電表脈沖輸出的檢測接口。
本實施例中的智能化從機外形及安裝結構形式，在中國專利號或申請號為200420079031.2，名稱為“網絡智能時間控制漏電保護斷路器”的申請文件中已有詳盡說明。
權利要求
1.一種非對稱電力載波通訊裝置，包括電力變壓器、主機電路(1)和從機電路(2)，主機電路(1)包括主機電力載波通訊電路，其特征在于電力載波通訊電路采用電壓互感器結構，電壓互感器(TL1)的次級線圈串聯在電力系統配電變壓器低壓側三相四線制的N相(零線)中，電壓互感器(TL1)的初級線圈連接主機電力載波通訊電路；從機電路(2)的從機電力載波通訊電路串聯在電力變壓器低壓側的相線和零線之間；當所述電壓互感器TL1的初級線圈加載電壓FSK調制信號時，電壓互感器次級線圈耦合的FSK信號電壓源與電力變壓器各個相線與零線的50Hz電壓源串聯相加，電感線圈復阻抗與電力變壓器復阻抗也是串聯相加，形成復合的載波電壓源；而各個相線與零線之間的從機電路在電力變壓器低壓側下端接收、解調FSK電壓信號進行電力載波通訊；從機電路(2)的從機電力載波通訊電路調制FSK電流信號源在電力變壓器零線串聯的電感器線圈上形成FSK信號電流，并通過電感線圈耦合副級在主機電路上形成FSK電壓信號，主機解調從機的FSK電壓信號，完成主、從機電力載波通訊。
2.按照權利要求1所述的非對稱電力載波通訊裝置，其特征在于所述電壓互感器(13)為隔離型高頻變壓器。
3.按照權利要求1或2所述的非對稱電力載波通訊裝置，其特征在于所述主機電路(1)中還包括核心微處理器CPU芯片U2、通訊調制解調芯片U1、日歷時間電路芯片U3；外存儲芯片U4；模擬開關U5；LCD顯示驅動芯片U6；RS485接口芯片U7；光耦合器U8、U9、U10；GSM通訊板TXB；多功能電能表DB；穩壓電路WA；IC1A、IC1B及周圍電路組成主機電力載波通訊接收/發送放大電路；所述的U1是通訊調制解調MSM7512芯片，CPU芯片的通過選用P1.0口、P1.1口、U5模擬開關，形成串行通訊與U1通訊調制解調芯片的RXD、TXD進行數據讀寫操作；P0.0為R/T讀寫操作控制端，P1.7是CD模擬調制信號檢測端；U1調制解調MSM7512芯片中Ain、Aout為FSK信號輸入/輸出端，Aout輸出的FSK信號經CC3電容、IC1A、TC1、TC2、TC3、TC4及周圍電路，形成功率放大電路推動TL1電感器N1線圈，在電感器N3線圈上形成FSK信號電壓源。
4.按照權利要求3所述的非對稱電力載波通訊裝置，其特征在于從機電路(2)中設有CPU微處理芯片IC1、日歷時間電路芯片IC2、通訊調制解調芯片IC3、開關型穩壓電路(2.1)、從機電力載波通訊裝置單元(2.2)、負荷控制電路(2.3)和電量采集接口電路(2.4)、紅外通訊電路(2.5)、漏電斷路器路燈控制單元(2.6)。
5.按照權利要求4所述的非對稱電力載波通訊裝置，其特征在于從機電路(2)中MSM7512調制解調芯片IC3、CPU微處理器芯片IC1和開關型穩壓單元組成基本單元；從機電力載波通訊電路單元中有整流器BZL電路，電阻BR1、BR2、BR3、R10、穩壓管D2、恒流元件BT3和光耦合器BU2所組成的同步觸發電路；晶體管BT1、二極管BD3、電阻BR4、BR5、BR*、電容BC3、BC4、隔離推動變壓器BLT2所組成的電流功率放大器；光耦合器BU1、BU3、晶體管T1、T2、T3、電阻R6、R7、R8、R9、R11、R12、R13、電容C8、C9、C10、C11、C12所組成的收發控制與FSK信號功率推動放大電路；電容BC1、BC2、C13、C14、C15、C16、隔離變壓器BLT1、電阻R5、R14、R15、R16、限幅器D2、晶體管T3所組成的FSK信號接收放大電路；電容BC1、BC2、耦合電感BLT1、電阻R5、R14、R15、R16、電容C13、C14、C15、C16及限幅器D2組成接收網橋主機的FSK電壓信號電路，接收到的FSK電壓信號送到IC3 MSM7512調制解調芯片的Ain端，并進行解調。
6.按照權利要求4所述的非對稱電力載波通訊裝置，其特征在于漏電斷路器路燈控制單元(2.6)的結構為負荷接線端子，用于接入路燈及其它電器；DSCR可控硅元件的觸發端由DU2光耦合器通過CPU的P2.2口進行路燈開與關的控制；DD1 LED發光管、DR1電阻、DU1光耦合器組成路燈開與關顯示及路燈損壞檢測，DR2、DR3、DR4電阻與DD2穩壓管組成可控硅導通角觸發電壓。
7.按照權利要求5或6所述的非對稱電力載波通訊電路，其特征在于所述負荷控制電路(2.3)中還設有電子電能表接口電路(2.3.1)。
8.按照權利要求5所述的非對稱電力載波通訊電路，其特征在于所有電路系統安裝在漏電保護斷路器結構盒內，漏電保護斷路器帶有LCD顯示器及紅外通訊窗口。
全文摘要
本發明涉及一種電力系統的非對稱載波通訊電路裝置。本發明的技術方案是一種非對稱電力載波通訊裝置，包括電力變壓器、主機電路和從機電路，主機電路包括主機電力載波通訊電路，主機電路采用電壓互感器結構，電壓互感器的次級線圈串聯在電力系統配電變壓器低壓側三相四線制的N相(零線)中，電壓互感器的初級線圈連接主機電力載波通訊電路；從機電路中的從機電力載波通訊電路串聯在電力變壓器低壓側的相線和零線之間。本發明面向電力系統10kV/0.4kV配電變壓器低壓側負載，進行網絡化負荷節點的測量與控制，并通過網橋與配電自動化調度中心、結算中心進行數據通信與配電管理。
文檔編號H04B3/54GK1649281SQ20041010305
公開日2005年8月3日 申請日期2004年12月30日 優先權日2004年12月30日
發明者郭建國, 郭建華 申請人:郭建國