一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统

摘要

本发明公开一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统，其特征在于其包括载波数据收发终端（1），卡接式窄带电感耦合适配器（2）、地缆（4），地缆（4）分段依次连接，每段地缆（4）两端的屏蔽层均接地，每个接地点的两侧各设有一个卡接式窄带电感耦合适配器（2），第一段地缆（4）上的第一个卡接式窄带电感耦合适配器（2）连接载波数据收发终端（1），相邻段地缆（4）的相邻的两个卡接式窄带电感耦合适配器（2）连接，本发明能较好的兼顾通信速度和数据传输的准确度，使电力线载波的信号耦合设备的体积重量、安装使用、成本造价与10KV电网的安装条件、投资能力、使用要求全面匹配。

权利要求

1.一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统，其特征在于其包括载波数据收发终端（1），卡接式窄带电感耦合适配器（2）、地缆（4），地缆（4）分段依次连接，每段地缆（4）两端的屏蔽层均接地，每个接地点的两侧各设有一个卡接式窄带电感耦合适配器（2），第一段地缆（4）上的第一个卡接式窄带电感耦合适配器（2）连接载波数据收发终端（1），相邻段地缆（4）的相邻的两个卡接式窄带电感耦合适配器（2）连接；所述的相邻段地缆（4）的相邻的两个卡接式窄带电感耦合适配器（2）分别通过载波数据收发终端（1）或载波双向变频中继终端（3）相连，当需要中继时先从双向变频中继终端（3）开始，每级变频中继由两个卡接式窄带电感耦合适配器（2）分别连接双向变频中继终端（3）的两个接口，当三级变频中继都还需中继时，第四级换成由卡接式窄带电感耦合适配器（2）连接一个载波数据收发终端（1）组成的转发中继，仍需继续中继时又换成变频中继，如此循环；所述的载波双向变频中继终端（3）包括单片机（3-6），单片机（3-6）分别连接第一模拟开关（201）、第二模拟开关（202）、第三模拟开关（203）、第四模拟开关（204）、第五模拟开关（205）、第六模拟开关（206）、混频器（3-2）、LM567锁相环（3-3）、放大整形器（3-4）、功率放大器（3-5）、RS485接口（3-7），第一模拟开关（201）连接分别连接第一滤波器（101）、第二模拟开关（202、功率放大器（3-5）、卡接式窄带电感耦合适配器（2），第一滤波器（101）连接第三滤波器（103）、限幅器（3-1），第三滤波器（103）连接第二模拟开关（202，限幅器（3-1）连接混频器（3-2），混频器（3-2）分别连接第三模拟开关（203）、第四模拟开关（204），第三模拟开关（203）连接第二滤波器（102），第二滤波器（102）分别连接LM567锁相环（3-3）、第四滤波器（104），第四滤波器（104连接第四模拟开关（204），LM567锁相环（3-3）连接第五模拟开关（205）、第六模拟开关（206）、放大整形器（3-4），第六模拟开关（206）连接功率放大器（3-5），功率放大器（3-5）分别连接第二模拟开关（202）、卡接式窄带电感耦合适配器（2），第一滤波器（101）、第二滤波器（102）相同，第三滤波器（103）、第四滤波器（104）相同。

2.根据权利要求1所述的一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统，其特征在于所述的卡接式窄带电感耦合适配器（2）由卡接在地缆屏蔽层外的电感耦合器L、电容C和阻抗适配器SP组成，电感耦合器L采用两个口径与地缆外径匹配的铁氧体半圆磁环，其中一半绕上线圈组成卡接式电感耦合器，阻抗适配器SP采用铁氧体磁罐绕制而成。

3.根据权利要求1所述的一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统，其特征在于所述的载波数据收发终端（1）包括接收滤波器（1-1）、功率放大器（1-2），接收滤波器（1-1）连接解调器（1-3），解调器（1-3）连接单片计算机（1-4），单片计算机（1-4）连接RS485接口（1-5），RS485接口（1-5）连接RS485总线（1-6），接收滤波器（1-1）及功率放大器（1-2）均与卡接式窄带电感耦合适配器（2）连接。

说明书

一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统

[0001] 技术领域：

[0002] 本发明涉及一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统，属于电力线载波（PLC）通信领域。

[0003] 背景技术：

[0004] 世界多国正在致力于智能电网建设，智能电网的建设关键技术是数据通信，到目前为止，数据通信仍是制约中低压智能电网建设的瓶颈。当前中压电网流行的GPRS模式是公用网，它只支持AMR（远程抄表），不支持智能电网建设，因此研发能满足中压智能电网需求的专用数据通信平台成了当务之急。事实上中低压智能电网建设除了GPRS外还有光缆、无线、PLC（电力线载波）模式可供选择。由于光缆建设受条件和资金的限制，无线受频谱资源的限制使这两种方式的普及应用均受到严重制约，唯有PLC是电力系统得天独厚的的最佳方式。中压电网与高压电网的结构和载波特性存在巨大差异，传统的电力线载波设备失去了应用价值，重新研发与中压智能电网全面匹配的新型电力线载波数传系统具有重大意义。国内外关于中低压电网PLC通信平台的研究已有20多年的历史，但由于中压电网是一个一对多系统，线路上随机存在的T接、交叉、拐弯、架空线与地缆接口等都严重影响了载波正常传输，因此所有传统方式的研究均无建树。

[0005] 发明内容：

[0006] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供针对中压电网PLC技术的现状，其技术性能、设备造价、安装使用等指标与中压地缆电网全面匹配的一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统。

[0007] 本发明的目的可以通过如下措施来达到：一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统，其特征在于其包括载波数据收发终端，卡接式窄带电感耦合适配器、地缆，地缆分段依次连接，每段地缆两端的屏蔽层均接地，每个接地点的两侧各设有一个卡接式窄带电感耦合适配器，第一段地缆上的第一个卡接式窄带电感耦合适配器连接载波数据收发终端，相邻段地缆的相邻的两个卡接式窄带电感耦合适配器连接。

[0008] 为了进一步实现本发明的目的，所述的相邻段地缆的相邻的两个卡接式窄带电感耦合适配器分别通过载波数据收发终端或载波双向变频中继终端相连，当需要中继时先从双向变频中继终端开始，每级变频中继由两个卡接式窄带电感耦合适配器分别连接双向变频中继终端的两个接口，当三级变频中继都还需中继时，第四级换成由卡接式窄带电感耦合适配器连接一个载波数据收发终端组成的转发中继，仍需继续中继时又换成变频中继，如此循环。

[0009] 为了进一步实现本发明的目的，所述的载波双向变频中继终端包括单片机，单片机分别连接第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第四模拟开关、第五模拟开关、第六模拟开关、混频器、LM锁相环、放大整形器、功率放大器、RS485接口，第一模拟开关连接分别连接第一滤波器、第二模拟开关、功率放大器、卡接式窄带电感耦合适配器，第一滤波器连接第三滤波器、限幅器，第三滤波器连接第二模拟开关，限幅器连接混频器，混频器分别连接第三模拟开关、第四模拟开关，第三模拟开关连接第二滤波器，第二滤波器分别连接LM567锁相环、第四滤波器，第四滤波器连接第四模拟开关，LM567锁相环连接第五模拟开关、第六模拟开关、放大整形器，第六模拟开关连接功率放大器，功率放大器分别连接第二模拟开关、卡接式窄带电感耦合适配器，第一滤波器、第二滤波器相同，第三滤波器、第四滤波器相同。

[0010] 为了进一步实现本发明的目的，所述的卡接式窄带电感耦合适配器由卡接在地缆屏蔽层外的电感耦合器L、电容C和阻抗适配器SP组成，电感耦合器L采用两个口径与地缆外径匹配的铁氧体半圆磁环，其中一半绕上线圈组成卡接式电感耦合器，阻抗适配器SP采用铁氧体磁罐绕制而成。

[0011] 为了进一步实现本发明的目的，所述的载波数据收发终端包括接收滤波器、功率放大器，接收滤波器连接解调器，解调器连接单片计算机，单片计算机连接RS接口，RS485接口连接RS485总线，接收滤波器及功率放大器均与卡接式窄带电感耦合适配器连接。

[0012] 本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：

[0013] 1.采用双向变频中继方式，接收频率fx下变频成fy发送，接收频率为fy上变频成fx发送，变频中继过程中不伴有调制解调过程没有传输时延，不降低传输速度但没有纠错能力，多级中继干扰累积。

[0014] 2.将双向变频中继和转发中继方式科学搭配使用，用转发中继调制解调中的容错或纠错技术消除多级变频中继干扰累积的影响，用一级转发中继就可实现通信速度只降低一倍的7级中继，完全可满足中压电网的数据通信要求。

[0015] 3.利用模拟开关和单片机技术实现双向变频中继过程中的智能频道转换。

[0016] 4.利用廉价的LM567锁相环实现锁相解调和高矩形系数的频道滤波。

[0017] 5.利用并联谐振实现卡接式窄带电感窄带耦合，利用铁氧体瓷罐绕制阻抗适配器，使耦合适配器体积小，重量轻，造价低廉，安装方便。

[0018] 6.所发明的通信系统特别适用于10KV智能电网建设的需求。

[0019] 本发明利用三个信道频点f1、f2、f3和双向变频中继终端与转发中继终端的科学组合构成一套10KV地缆电网专用的电力线载波中继通信系统。由于采用了三级变频插一级转发的组合中继方式，所以系统既能兼顾通信速度又能保障数据传输的准确度。双向变频终端用单片计算机结合模拟开关实行变频中继的双向控制，用廉价的LM567锁相环实行锁相滤波、解调和变频信号的放大。由于系统采用了卡接式窄带电感耦合技术使电力线载波的信号耦合设备的体积、重量、安装使用、成本造价与10KV电网的安装条件、投资能力、使用要求全面匹配。

[0020] 附图说明：

[0021] 图1本发明的结构原理示意图；

[0022] 图2为图1的卡接式窄带电感耦合适配器的外形示意图；

[0023] 图3为图1的卡接式窄带电感耦合适配器的原理图；

[0024] 图4为图1的载波数据收发终端的原理框图。

[0025] 图5为图1的双向变频中继终端的原理框图。

[0026] 实施例：一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统（参见图1）,在由载波数据收发终端1、卡接式窄带电感耦合适配器2、双向变频中继终端3、地缆4组成的地缆PLC数据传输系统上，采用双向变频中继和转发中继两种模式并按三级变频插一级转发中继的链路组合格式组成新型中压PLC数传系统，双向变频中继没有调制解调过程无时间延迟，但多级连续中继时其各级干扰影响是累积的，转发中继虽然中继一次通信速度降低一倍，但它的调制解调过程中可采用容错、纠错编码技术消除多级变频中继干扰累积的影响，采用3级变频中继插入一级转发中继，既能满足通信速度的需求又能保障传输数据准确。

[0027] 一对多半双工应答式地缆电力线载波中继通信系统由载波数据收发终端1，卡接式窄带电感耦合适配器2，载波双向变频中继终端3，地缆4组成，载波数据收发终端1具有数据收发和数据转发两种工作模式，载波双向变频中继终端3具有数据收发和变频中继两种工作模式，实际组网使用中可根据需求由软件设定其工作模式，系统采用地缆屏蔽层做通信载体，载波信号以屏蔽层和大地做回路传输，地缆4分段依次连接，每段地缆两端的屏蔽层均接地，每个接地点的两侧各设有一个卡接式窄带电感耦合适配器2，由于地缆是分段安装，每段两端的屏蔽层都接地，所以信号耦合采用分段耦合。当信号幅度足够时无需中继，只要把两个卡接式窄带电感耦合适配器2连接起来即可，当随着地缆节数增加信号衰减到需加中继时，只要把两个卡接式窄带电感耦合适配器2分别接到载波双向变频中继终端3相对应的两个接口上，当前面已有三级变频中继还需第四级中继时，则把两个卡接式窄带电感耦合适配器2接到载波数据收发终端1即可。当第四级转发中继仍不能满足需求时，后面的中继又恢复使用载波双向变频中继终端，以此类推。

[0028] 主站发出的数据信息由载波数据收发终端1调制到载波上，卡接式窄带电感耦合适配器2耦合到地缆4的屏蔽层上，在电缆节点处将两个电感耦合适配器2连接，当随着地缆节数增加信号衰减到需加中继时则加载波双向变频中继终端3，若三级载波双向变频中继终端3后还需要中继则第四级中继换成载波数据收发终端1，第五级中继又恢复到载波双向变频中继终端3即可。

[0029] 卡接式窄带电感耦合适配器2（参见图2、图3）由卡接在地缆屏蔽层外的电感耦合器L、电容C和阻抗适配器SP组成，电感耦合器L采用两个口径与地缆外径匹配的铁氧体半圆磁环，其中一半绕上线圈组成卡接式电感耦合器，阻抗适配器SP采用铁氧体磁罐绕制而成，电感耦合器L、阻抗适配器SP次级线圈和电容C组成并联谐振，选择适配器初级线圈的抽头使适配器初级阻抗为75Ω。适当选择电感电容值使谐振频率为所需频率构成电感窄带耦合适配器。

[0030] 载波数据收发终端1（参见图4），它包括接收滤波器1-1、功率放大器1-2，接收滤波器1-1连接解调器1-3，解调器1-3连接单片计算机1-4，单片计算机1-4连接RS485接口1-5，RS485接口1-5连接RS485总线1-6。接收滤波器1-1及功率放大器1-2均与卡接式窄带电感耦合适配器2连接。信号经卡接式窄带电感耦合适配器2耦合进行滤波、解调成数据送单片机1-4，单片机将数据通过RS485接口1-5和RS485总线1-6送出，由RS485总线1-6来的数据送单片机1-4，单片机1-4对接受的数据进行载波调制送功率放大，功率载波信号经耦合适配器2到电力线发送。

[0031] 载波双向变频中继终端3（参见图5），它包括第一滤波器101、第二滤波器102、第三滤波器103、第四滤波器104、第一模拟开关201、第二模拟开关202、第三模拟开关203、第四模拟开关204、第五模拟开关205、第六模拟开关206、限幅器3-1、混频器3-2、LM567锁相环3-3、放大整形器3-4、功率放大器3-5、RS485接口3-7和单片机3-6，单片机3-6分别连接第一模拟开关201、第二模拟开关202、第三模拟开关203、第四模拟开关204、第五模拟开关205、第六模拟开关206、混频器3-2、LM567锁相环3-3、放大整形器3-4、功率放大器3-5、RS485接口3-7，第一模拟开关201连接分别连接第一滤波器101、第二模拟开关202、功率放大器3-5、卡接式窄带电感耦合适配器2，第一滤波器101连接第三滤波器103、限幅器3-1，第三滤波器103连接第二模拟开关202，限幅器3-1连接混频器3-2，混频器3-2分别连接第三模拟开关203、第四模拟开关204，第三模拟开关203连接第二滤波器102，第二滤波器102分别连接LM567锁相环3-3、第四滤波器104，第四滤波器104连接第四模拟开关204，LM567锁相环3-3连接第五模拟开关205、第六模拟开关206、放大整形器3-4，第六模拟开关206连接功率放大器3-5，功率放大器3-5分别连接第二模拟开关202、卡接式窄带电感耦合适配器2。第一滤波器101、第二滤波器102相同，第三滤波器103、第四滤波器
104相同，所有的模拟开关状态由单片机控制，双向变频中继终端3有模式1和模式2两种工作模式，单片机模式控制线为高电平时为模式1——双向变频器中继器3，低电平时为模式2——带变频中继功能的数据收发终端1。

[0032] 所述的模式1——双向变频中继器的工作模式是：静态下单片机将模拟开关201、204、205接通，202、203、206断开，单片机串行接收口关闭，LM567锁相环自然振荡频率为fy，设备处在fx→fy的下行变频等待状态，当接收到fx时经混频滤波成为fy送到LM567锁相环的3脚，LM567锁相环锁定后8脚锁定指示变成0，单片机打开模拟开关6发送fy，当fx结束后锁定指示回复1，单片机接通模拟开关2、3断开1、4、5、6，LM567自然振荡在fx，处在fy→fx上变频等待状态，当接收到fy时混频滤波将fy变成fx，锁定指示由1变成
0，单片机接通模拟开关6发送fx，fy结束后单片机将模拟开关的状态恢复到下变频等待状态，若上变频等待时间大于规定值时（后几级通信失败）单片机将自动恢复到下变频等待状态。

[0033] 所述的模式2——带变频中继的数据收发终端，单片机的串行接收口设置在打开接收状态，每个终端都有自己的地址码且设在码流的最前端，当地址不是自己时单片机不干预变频器，当是自己时单片机断开所有的模拟开关，变频器退场单片机通过RS485接口送出解调数据并将RS485口接收的数据调制载波送功率放大发送，发送完后恢复下变频等待状态。

[0034] 一对多半双工应答式10KV地缆电力线载波中继通信系统通过双向变频中继和转发中继的科学组合实现了数据高速准确的传输，有效地保证了通信的实时性指标，它比目前流行的单频转发中继方式具有显著的优势，特别适合于做中压智能电网的通信平台，一般情况下设三个频点f1、f2、f3，上下行中继模式为：

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