專利名稱：利用自動調(diào)整裝置將射頻信號耦合到中壓電源線的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
背景技術：
中壓線(medium tension line)將電能傳送至終端用電設備。這類電線典型地傳送的相電壓在4千伏至33千伏之間，并典型地被設置為單相和中性線、無中性線的三相或具有中性線的三相，以及其他形式的組合。輸電線通常在到居民區(qū)或市區(qū)之前是架空的，在居民區(qū)或社區(qū)通常會轉(zhuǎn)為地下配電的形式。地下中壓電纜通常為同軸單相電纜。這些電纜具有同軸的絕緣屏蔽層，用于傳送中性電流并且可以保護電纜不受電場的影響(電場對于觸碰電纜來說是很危險的)。即使沒有絕緣手套或是其它保護措施，觸碰良好接地的電纜也是很安全的。
地下電纜與架空電纜連接的接頭處得到了特別保護。架空電纜通常是裸露的(沒有絕緣)或是僅覆蓋有防侵蝕的電纜套。地下電纜在其中心的相電流導線與同軸中性屏蔽層之間具有多層絕緣層，在電纜外還覆蓋有絕緣層。為了防止在電纜外產(chǎn)生電弧，在地下電纜的端部連接有“應力錐(stress cone)”。同軸中性屏蔽層在其與應力錐相遇的位置處被剝開并接地。
中壓線從將傳送電壓(典型范圍60～150千伏)降至適當中壓的變電站向外發(fā)散。輸電干線從變電站向外輻射，而輸電支線從干線分散出去。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明中所述的方法是將射頻信號耦合至地下輸電電纜和架空輸電電纜，并且當輸電線中的電流發(fā)生變化時自動調(diào)整信號耦合器至最大效率(最大化信噪比)。
一方面，本發(fā)明包括一種用于調(diào)整電力線通信感應信號耦合設備的方法，所述設備包括耦合器和多個電容，所述方法包括使載波頻率信號傳送通過所述耦合器；檢測所述信號的振幅；以及對所述多個電容進行切換直至所述信號的所述振幅達到最大。
在不同的實施方式中(a)所述信號由第二發(fā)送器發(fā)送，所述方法還包括切換至用于數(shù)據(jù)發(fā)送的第一發(fā)送器；(b)所述信號在通過所述耦合器傳輸后由接收器接收；以及(c)從微處理器接收命令的繼電器控制器對所述電容進行切換。
另一方面，本發(fā)明包括用于電力線通信的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括可操作以發(fā)送期望頻率信號的發(fā)送器；與所述發(fā)送器通訊的感應耦合器；可操作以接收傳輸通過所述感應耦合器的信號的接收器；與所述接收器通訊的微處理器；與所述微處理器通訊的繼電器控制器；以及多個電容；其中所述控制器可操作以根據(jù)從所述微處理器接收的指令對所述電容進行切換，并且其中所述微處理器可操作以分析由所述發(fā)送器發(fā)送經(jīng)過所述耦合器并由所述接收器接收的信號的振幅，所述微處理器還可操作以向所述繼電器控制器發(fā)送指令來控制所述電容，直至所述振幅為最大。
在另一方面，本發(fā)明包括這樣一種電力線通信的系統(tǒng)，包括感應耦合器，所述感應耦合器被配置以代替從饋電線到支線的引入線。
在更進一步的方面，本發(fā)明包括一種用于電力線通信的方法，可包括識別饋電線和支線之間的引入線；以及用感應耦合器代替所述引入線。在一個實施方式中，耦合器是用來實現(xiàn)自動調(diào)整的。
另一方面，本發(fā)明包括一種用于電力線通信的方法，可包括識別從饋電線到一組功率因數(shù)修正電容的引入線；以及使用在線感應耦合器代替所述引入線。在一個實施方式中，所述耦合器是自動調(diào)整耦合器。


圖1示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式；圖2提供的表顯示了最大阻抗提供最大信號耦合頻率；圖3示出了自動調(diào)整箱的優(yōu)選結(jié)構(gòu)；圖4是描述使用耦合優(yōu)化器的掃描發(fā)射機應答器在分支電路上的優(yōu)選安裝的示意圖；圖5示出了優(yōu)選的感應信號耦合器的現(xiàn)場安裝；圖6示出了圖5中所示的現(xiàn)場安裝，同時也示出了(見插圖)一個可選擇的安裝；以及圖7是圖1中的電容的放大。
具體實施例方式
設備被優(yōu)選地安裝，信號耦合器裝配在配電電纜的分支起點上。由于干線電纜的低阻抗為電流提供了返回通路，因此可以有效地使支線傳輸?shù)男盘栕畲?。同時這也可以有效地把支線從干線部分地隔離，這是由于耦合器在信號頻率(大約15～95千赫茲)具有的串聯(lián)阻抗比干線上的阻抗高。
為了自動改變耦合器的阻抗，優(yōu)選采用圖1框圖中的方法。耦合器具有16匝電線，用于構(gòu)成具有可選的外部電容的并行儲能電路。中壓隔離功率分配電纜通過耦合器的中心。兩根信號電纜通過耦合器；其中一根傳遞選定頻率的載波信號，而另一根傳遞同樣頻率的已調(diào)制的數(shù)據(jù)信號。
發(fā)送器#2在期望的頻率下導通工作，通過250歐姆的電阻和耦合器傳送載波頻率信號。接收器與同一電路相連接，用于檢測耦合器中信號的振幅。微處理器發(fā)送MODBUS協(xié)議指令至DI-509控制器來控制繼電器，繼電器將電容從電路中斷開或是將其接入電路直至在耦合器接收到最大信號。這將耦合器調(diào)整到選定頻率的最大阻抗。最大阻抗是理想的，因為這可以提供最大信號耦合效率，如圖2所示。
自動調(diào)整指令序列結(jié)束且實現(xiàn)了最大信號耦合(最高信噪比)后，使用發(fā)送器#1發(fā)送數(shù)據(jù)。
在一個優(yōu)選的實施例中，耦合器裝配于一段電纜上(舉例來說，2米長左右)并且被防侵蝕的材料圍繞(例如，塑模)。這提高了耐用性并加固了安裝。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有很多有益效果，這對于本領域技術人員來說是顯而易見的。例如，像上面所討論的，由于干線的相關阻抗較低而支線的相應阻抗相對較高，耦合器趨向于將支線上的信號與耦合器隔離，從而防止這些信號被支線吸收。所以它提供了較高的阻抗用于將信號發(fā)送出去，并將這些信號接收回來。在信號到達干線之前需要先經(jīng)過耦合器，這樣耦合器趨向于獲取信號(作為接收器)。為了發(fā)送，在耦合器后具有較低的阻抗對于沿著支線發(fā)送信號是有好處的。
另一個優(yōu)勢在于便于安裝，這經(jīng)常僅需要用本發(fā)明的安裝電纜耦合器替換用于將干線與支線聯(lián)接的現(xiàn)有電纜的一部分。
自動調(diào)整的一個優(yōu)勢在于，其不僅能夠按照需要重新調(diào)整以補償溫度變化，并且還能夠根據(jù)信號頻率的變化重新調(diào)整。優(yōu)選使用幾個不同的頻率(例如，16)，以減少干擾問題或是在相鄰的支線上使用不同的頻率。
在一個可選的實施例中，耦合器配備有溫度傳感器或與溫度傳感器通訊，以能夠根據(jù)溫度值(或是溫度變化值)重新調(diào)整。在另一個實施例中，耦合器配備有頻率檢波器或與頻率檢波器通訊，以能夠根據(jù)頻率的變化重新調(diào)整。在另一個實施例中，當檢測到溫度或頻率的變化時，并不需要整體重新調(diào)整。而是將耦合器調(diào)整為在檢測到這一頻率或溫度時先前使用的狀態(tài)。這減少了需要進行重新調(diào)整的數(shù)量。頻繁的重新調(diào)整是會出現(xiàn)問題的，例如，當頻率頻繁的改變時。
當連接耦合器的支線饋電線上的客戶端多于50～75個時，將耦合器安裝在支線(或支路)饋電線與干線(或快速)饋電線分離的位置處是最好的(出于經(jīng)濟原因)。典型地，耦合器與發(fā)射機應答器(由美國紐約州的紐約Quadlogic Controls公司(“OLC”)出售的一種雙向通訊設備)安裝在一起。耦合器和發(fā)射機應答器的總費用有利于部署耦合器/發(fā)射機應答器的仔細計劃。
自動調(diào)整耦合器可以被用于更多的情況1)在主饋電線上安裝高壓隔直流電容(例如，金屬聚酯0.25微法12千伏AC電容、或商業(yè)上提供的充油式功率因數(shù)修正電容)。使用這種方法，需要在應用極安裝雙絕緣套管電容(dual bushingcapacitor)。通過上面所述的耦合器將一個套管與12千伏相電壓線連接，而將另一個套管與相鄰的相電壓線或是中性線相連。這將耦合器與電容串聯(lián)在一起。這可以通過使用供應商，如ABB(Asea BrownBovari)公司提供的、通過商業(yè)方法可得到的具有雙絕緣套管的10kVAR電容。
2)如果在耦合器安裝前已經(jīng)安裝了多組功率因數(shù)修正電容，這耦合器應被安裝于已有電容組上。已有的電容組安裝在干線或是其它饋電線上以達到修正功率因數(shù)的目的。這些電容組最適合使用如同上面1)中描述的電容。這種方式的最終結(jié)果與上面1)是一樣的。耦合器豎著(end up)與電容串聯(lián)，既可以為相與相連接也可以是相和中性線連接。唯一的區(qū)別是電容組既可以在耦合器被安裝之前已經(jīng)存在，也可以作為耦合器安裝的一部分被安裝。
發(fā)射機應答器/耦合器的布局與選擇發(fā)射機應答器/耦合器的布局影響發(fā)射機應答器/耦合器的位置的主要因素是支線(支路)的數(shù)目以及每一條支線上客戶端的數(shù)目。如果在支線上具有足夠的米數(shù)(meter)，以保證發(fā)射機應答器/耦合器的安裝，則發(fā)射機應答器/耦合器就應該被安裝在該支線上。一些通用的經(jīng)驗規(guī)則如下1.每一發(fā)射機應答器/耦合器的位置的最大米數(shù)-200。
2.信號能夠通過a.一個變壓器b.三條支線(舉例來說，可以表示為支線到下一級支線或是支線到下一級支線到再下一級支線)c.快速線路(express line)超過15公里(實地證明為15公里)3.每一發(fā)射機應答器/耦合器的耦合器的最小數(shù)目為a.3ph.3W.-1個耦合器
b.3ph.4W.-3個耦合器c.單相負載-每相一個耦合器。
信號耦合單元(SCU)部署選項1.在線支線耦合器(Inline lateral coupler)這個單元替代了從饋電線到支線的引入線(drop wire)。該耦合器可以被用于具有很多客戶端(多于75個)的支線上。
2.快速傳輸饋電線耦合器這個單元與增加的10 KVAR 12千伏的雙絕緣套管電容一起直接安裝在快速傳輸饋電線(ABB為此應用加工的電容)。它既可以安裝在相與相之間也可以安裝在相與中性線之間。這在帶有支線的快速傳輸饋電線的具有較少客戶端的、長距離的支線上是有用的(最多為200個或15公里的快速傳輸饋電線長度)。
3.電容性耦合器與在線支線耦合器相似，本裝置替代從支線至一組現(xiàn)有的功率因數(shù)修正電容的引入線。只要在任意的饋電線-直接傳輸饋電線(干線)和支線上安裝有電容組，就需要使用該裝置。
4.分裂鐵心耦合器這些裝置是為地下絕緣電纜設計的，并且只要存在功率因數(shù)修正電容就需要。典型地，這些裝置被用于具有地下配電的郊外再次分配。
保守的設計注意事項1.在任何有功率因數(shù)修正電容的地方都須安裝發(fā)射機應答器/耦合器。
2.發(fā)射機應答器/耦合器-200的最大可容納200個客戶端。(除了密度大的支線的情況，例如，支線上有75～100個客戶端，為這些客戶端的子集應該安裝一個發(fā)射機應答器/耦合器。)3.每15千米的快速傳輸饋電線需要一組發(fā)射機應答器/耦合器。
4.發(fā)射機應答器/耦合器應橫貫不超過3根支線(例如，從快速線路到支線再至下一級支線，或是從支線至下一級支線至再下一級支線)。
5.不能通過多于一個變壓器發(fā)送客戶端數(shù)據(jù)至發(fā)射機應答器/耦合器(這是非常罕見的)。
6.耦合器可用作為用于相鄰的發(fā)射機應答器/耦合器的阻斷器(block)，以旁路掉支線，耦合器還與該耦合器遠處的儀表通訊。例如，發(fā)射機應答器/耦合器“A”與具有密集度小的、15個客戶端的支線的地理區(qū)域通訊。在那個區(qū)域中，具有一根密集度大的支線(75～100個客戶端)，這就需要發(fā)射機應答器/耦合器“B”。發(fā)射機應答器/耦合器“B”不會允許發(fā)射機應答器/耦合器“A”的PLC信號通過它的支線(“PLC”是電力線通信)。因此，發(fā)射機應答器/耦合器“B”允許發(fā)射機應答器/耦合器“A”從根本上忽略密集度大的支線，并且繞過該支線與剩下的密集度小的支線通訊。
7.由于每個系統(tǒng)都是唯一的，使用不同的耦合系統(tǒng)，通過對每一個系統(tǒng)仔細設計，可以用最少的發(fā)射機應答器/耦合器裝置對通訊完整性進行優(yōu)化，從而減少了付給第三方供應商每月的昂貴的費用。
8.耦合器設計最高可達到35千伏，并且都設計為用于室內(nèi)或戶外并用于銅或鋁之上。
信號耦合單元(SCU)的應用設計高架耦合器是為了在支線饋電線或快速饋電線上使用時可以使用帶電安裝技術。這就表示耦合器可以在不斷電的情況下被安裝。見圖5和圖6。分裂鐵心可以通過這種方式在地下被安裝，其中同軸的中性線被剝光或不存在。
耦合器也可以作為一個上游信號到下游信號的阻斷器，使其成為在PLC通訊設計中的有用的工具。因為發(fā)射機應答器/耦合器可以連接不止一個耦合器，它們可以用于兩根鄰近的不同支線之間的交叉通訊。
發(fā)射機應答器發(fā)射機應答器模塊能夠處理最多為200個測量單元(metering unit)的雙向通信能力，可以將多達三個模塊接合在一起作為能夠通過PLC處理600個測量單元的發(fā)射機應答器單元。發(fā)射機應答器單元具有向多種通訊介質(zhì)輸出的能力(所有經(jīng)由現(xiàn)有的RS232，RS485，或是POTS老式電話調(diào)制解調(diào)器)1.GPRS2.通過內(nèi)部調(diào)制解調(diào)器的POTS電話銅雙絞線(波特率19200)3.CDMA/GSM4.RS2325.RS4856.光纖(通過光纖至RS232轉(zhuǎn)換器)7.通過電力線至主發(fā)射機應答器的PLC本系統(tǒng)具有在多個頻率上傳送的能力，可以使通訊時序成為有計劃和可編程化的，這樣能夠設計可以避免通訊沖突和數(shù)據(jù)沖突的大型系統(tǒng)。
在一個實施例中，所述發(fā)射機應答器需要三相60赫茲供電。
PLC頻率當多個發(fā)射機應答器被安裝于一根饋電線上時，這些發(fā)射機應答器將利用“信道組”特征，這樣不會產(chǎn)生相互干擾。這些發(fā)射機應答器被設置在不同的頻率上。QLC的PLC具有5個波段，每一個波段都有16個頻率，一共有80個信道。
在低壓到中壓的通訊中使用32個信道在中壓到中壓通信中使用32個信道在低壓到低壓通信中使用16個信道＝總共80個信道每一個信道在規(guī)定的時間內(nèi)對200個客戶的每日測定信息進行收集以完成這項任務。
PLC帶寬QLC系統(tǒng)工作于足夠高的帶寬，從而能夠從大量的測量儀器收集間歇性數(shù)據(jù)。每一個發(fā)射應答器模塊能夠收集200個測量儀器的數(shù)據(jù)，這些儀器在5小時的時幀內(nèi)以每小時的間歇數(shù)據(jù)被編程，這樣使數(shù)據(jù)能夠在上午5點前被收集。
盡管本領域的技術人員根據(jù)上面的敘述應該理解，如何形成和使用本發(fā)明，但是在下面還是提供了對優(yōu)選實施例的附加詳細說明。
應用于150Amp的信號耦合器的結(jié)構(gòu)鐵氧體塊所需材料10個U型的鐵氧體(ferrite)-(磁性49925法)
20根直徑為1.5″的0.50″長的熱收縮套管(3MCP221)8根直徑為1.5″的0.25″長的熱收縮套管(3MCP221)20根7″的綁帶(zip tie)(Gardner Bender46-308)22根11″的綁帶(Gardner Bender46-308)10個墊片-不可壓縮塑料0.375″×0.375″×0.016″Krazy膠水60英尺18號(AWG)連接導線(Alpha Brand UL1015)構(gòu)造程序?qū)啥?.50″的熱縮套管像套管一樣套住U型鐵氧體各個尖頭(prong)。將它們從頭滑到U型的底部。將套管段熱縮以建立緊密的(snug)套管。用兩根7″綁帶纏在每個套管的底部，并拉緊以確保兩個套管不會滑動。重復該過程，做成10段。
將5個U型件并排疊放在一起。在U型件的槽相遇的四個面的每一個處，夾入拉平的0.25″熱縮套管段。將兩個11″的綁帶頭對尾拴緊，形成一根兩倍長度的綁帶。用這個雙倍的綁帶在U型件的槽部將它們固定。再做兩根雙倍綁帶用來在U型件的各個尖頭固定U型件。對剩下的5個U型件重復這個過程形成另一個組件(stack)。
指定一個組件為“底部組件”，另一個為“頂部組件”，在底部組件上用膠水粘上10個墊片，在U型件的各個末端的表面設置一個墊片。讓膠水風干。
將兩個組件對接起來形成一個閉合的矩形塊。讓U型件的末端表面相接觸，形成一個由5個平行矩形框架對疊成的組件。再制作5根雙倍綁帶，保證5個矩形框架中每個都被雙倍綁帶拉緊。
將14 AWG電線在頂部組件上繞16圈，并在兩頭各多留出20英尺長，將留出的電線對絞形成雙絞線對。
自動調(diào)整箱所需材料塑料罩塑料盒電路板高壓的高Q(High-Q)電容2個0.15nF 1KV陶瓷電容(松下ECC-D3A151 JGE)2個0.27nF 1KV陶瓷電容(松下ECC-D3 A271 JGE)2個0.47nF 1KV陶瓷電容(松下ECC-D3A471 JGE)2個1.0nF 630V聚丙烯電容(松下ECQ-P6102JU)2個2.2nF 630V聚丙烯電容(松下ECQ-P6222JU)2個3.9nF 630V聚丙烯電容(松下ECQ-P6392JU)2個8.2nF 630V聚丙烯電容(松下ECQ-P6822JU)2個15nF 630V聚丙烯電容(松下ECQ-P6153JU)2個27nF 630V聚丙烯電容(松下ECQ-P6273JU)2個47nF 630V聚丙烯電容(松下ECQ-P6473JU)20個繼電器筘(Relay Reed)單刀單擲開關(SPST) 12VDC(US繼電器和技術公司(Relays and Technology，Inc.)P1 A12A)1個連接器接線塊，4位，5.08MM，電路板用(Phoenix Contact1729144)2根18″長，22#，UL2462，12芯電線(general Cable/Carol BrandC4067-12-10)1個面包板，2.73X17英寸(Keystone Electronics3407)構(gòu)造參見圖1和圖3雖然在此出于說明的目的，描述一些具體的實施方式，但是本發(fā)明不僅限于指定的細節(jié)、典型的裝置和在此描述的用于說明的實施例。在權(quán)利要求限定的及與其同等的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可以進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)整電力線通信感應信號耦合設備的方法，所述設備包括耦合器和多個電容，所述方法包括使載波頻率信號傳送通過所述耦合器；檢測所述信號的振幅；以及對所述多個電容進行切換直至所述信號的所述振幅達到最大。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述信號由第二發(fā)送器發(fā)送，所述方法還包括切換至用于數(shù)據(jù)發(fā)送的第一發(fā)送器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述信號在通過所述耦合器傳輸后由接收器接收。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中從微處理器接收命令的繼電器控制器對所述電容進行切換。
5.一種用于電力線通信的系統(tǒng)，包括可操作以發(fā)送期望頻率信號的發(fā)送器；與所述發(fā)送器通訊的感應耦合器；可操作以接收傳輸通過所述感應耦合器的信號的接收器；與所述接收器通訊的微處理器；與所述微處理器通訊的繼電器控制器；以及多個電容；其中所述控制器可操作以根據(jù)從所述微處理器接收的指令對所述電容進行切換，并且其中所述微處理器可操作以分析由所述發(fā)送器發(fā)送經(jīng)過所述耦合器并由所述接收器接收的信號的振幅，所述微處理器還可操作以向所述繼電器控制器發(fā)送指令來控制所述電容，直至所述振幅為最大。
6.一種用于電力線通信的系統(tǒng)，包括感應耦合器，所述感應耦合器被配置以代替從饋電線到支線的引入線。
7.一種用于電力線通信的方法，包括識別饋電線和支線之間的引入線；以及用感應耦合器代替所述引入線。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述耦合器可操作以實現(xiàn)自動調(diào)整。
9.一種用于電力線通信的方法，包括識別從饋電線到一組功率因數(shù)修正電容的引入線；以及使用在線感應耦合器代替所述引入線。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述耦合器是自動調(diào)整耦合器。
全文摘要
一方面，本發(fā)明包括一種用于調(diào)整電力線通信感應信號耦合設備的方法，所述設備包括耦合器和多個電容，所述方法包括使載波頻率信號傳送通過所述耦合器；檢測所述信號的振幅；對所述多個電容進行切換直至所述信號的所述振幅達到最大，所述信號由第二發(fā)送器(2)發(fā)送；切換至用于數(shù)據(jù)發(fā)送的第一發(fā)送器(1)；所述信號在通過所述耦合器傳輸后由接收器接收；以及從微處理器接收命令的繼電器控制器對所述電容進行切換。
文檔編號G05B11/01GK101019080SQ200580029506
公開日2007年8月15日 申請日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者塞爾·A·斯瓦茨特勞貝, 馬克·紐瑟姆, 西達爾塔·馬利克 申請人:闊德邏輯控制公司