专利名称：智能中压开关及其宽带plc通信网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于配电自动化及用电信息采集系统的智能中压开关及其宽 带PLC通信网络
背景技术：
配电自动化系统是应用现代计算机技术、远动技术、自动控制、通信技术、新型配 电设备等先进的技术手段，实现配电在线和离线远方监控与配电管理自动化，达到配电网 安全、可靠、经济、优质、高效运行的目的。该系统对建立正常的用电秩序，保证企业、市政和 人民生活用电，维护经济稳定增长具有非常重要的作用。然而，目前配电自动化发展在通信 方面遇到了较多的限制1)配电网络庞大，架设专用的电力光纤通讯网络成本太高；2)租 用公共通信网络，存在信息安全以及高额的通信费用问题；3)电力线载波技术(PLC)在带 宽、通信距离等方面仍需突破，国内应用基本集中在低压抄表系统。由于上述通信技术的限 制，在中压智能一次设备方面，国内厂家主要借助GPRS/GSM/3G无线公网以及无线电台，实 现配电设备的遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能，中压电力线载波通信在配电监测系统中 的应用(江苏电机工程、第26卷、第4期)一文中，提到利用窄带PLC技术实现配电监测系 统通信组网。用电信息采集系统建设内容包括主站、通信信道、采集终端、电能表及辅助项目， 系统实现计量装置在线监测和用户负荷、电量、计量状态等重要信息的实时采集，并针对采 集的数据，及时、完整、准确地进行多维度综合分析，辅助企业决策。目前，电能表与采集终 端通信采用低压PLC、RS485等通信技术，采集终端与主站通信基本上采用GPRS/GSM/3G无 线公网，由于用电信息采集系统覆盖面广，每年耗费大量的通信费用。现阶段，配电自动化主站与用电信息主站通信网络互不关联，虽已有厂家将宽带 PLC技术应用到配电监测系统中，但其只是实现了开关与主站的通信，未有最大限度的利用 宽带PLC通信资源，考虑与用电信息采集系统共享通信资源。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种智能中压开关和以智能中压开关为节点的宽带 PLC通信网络设计方案，充分利用了中压开关自身特点，紧密融合宽带PLC通信技术，较好 的解决了配电自动化通信问题，并为用电信息采集系统共享通信资源，预计可为电网公司 每年节省上亿元的通信费用，进一步降低通信网络建设投资，降低运行维护工作量。本发明的技术方案是一种智能中压开关，它包括真空灭弧室，操作机构，电流互 感器，电源模块，耦合器I、感应分压器、PLC通信设备、馈线终端FTU或站所终端DTU，其特 征在于还包括短距离无线通信设备和耦合器II ；所述的PLC通信设备为宽带PLC通信设备，宽带PLC载波频率1. 6 40MHz，传输 速率 4. 5 200Mb/s ；所述的耦合器I为电容式电压互感器，既是PLC通信载波耦合器，又能为FTU/TTU提供必要的电压信号；同时在开关另一侧连接的耦合器II为耦合电容器；开关操作机构、FTU/TTU、宽带PLC通信设备、短距离无线通信设备均由电源模块 供电；电源模块由开关内部电流互感器二次感应电流提供电能；宽带PLC通信设备与FTU/TTU、短距离无线通信设备采用485或can现场总线实现 信息交换。一种智能中压开关，它包括真空灭弧室，操作机构，电流互感器，电源模块，耦合器 I、PLC通信设备、馈线终端FTU或站所终端DTU，其特征在于还包括短距离无线通信设备和 耦合器II ；所述的PLC通信设备为宽带PLC通信设备，宽带PLC载波频率1. 6 40MHz，传输 速率 4. 5 200Mb/s ；所述的耦合器I为宽频带电压互感器，既是PLC通信载波耦合器，又能为FTU/TTU 提供必要的电压信号；同时在开关另一侧连接的耦合器II也为宽频带电压互感器；开关操作机构、FTU/TTU、宽带PLC通信设备、短距离无线通信设备均由电源模块 供电；电源模块由开关内部电流互感器二次感应电流提供电能；宽带PLC通信设备与FTU/TTU、短距离无线通信设备采用485或can现场总线实现 信息交换。以智能中压开关为节点的宽带PLC通信网络，它采用配电监测主站/用电信息采 集主站、中压开关和用电信息采集终端三级网络架构，中压开关通过电力线载波网与变电 所连接，利用已有的光纤电力专网，实现变电所PLC通信设备分别与配电监测主站和用电 信息采集主站的信息交换，其特征在于所述的中压开关采用上述的智能中压开关，智能中 压开关配置的无线宽带通信设备，利用短距离无线互联技术与其附近的配电变压器、用电 信息采集终端组成小范围无线网络，以变电所为信息“中转站”，智能中压开关作为二级中 转站，实现用电信息采集终端与配电监测主站和用电信息采集主站的信息交换。本发明通过扩大PLC通信设备的频宽，改变目前(电能表等)用电信息采集终端 与用电信息采集主站采用GPRS/GSM/3G无线公网的方式，改为用电信息采集终端与智能中 压开关通讯，然后通过已有电力线载波网和光纤电力专网，实现用电信息采集终端与配电 监测主站/用电信息采集主站的信息交换，预计可为电网公司每年节省上亿元的通信费 用，进一步降低通信网络建设投资，降低运行维护工作量。
图1，本发明实施例的网络拓扑示意图1。图2，本发明实施例的网络拓扑示意图2。其中图2-1是星形网络，图2-2是簇状 网络，图2-3是网状网络。图3，本发明实施例的架空线路智能中压开关结构示意图。图4，本发明实施例的电力电缆智能中压开关结构示意图。
具体实施例方式图2中标记的说明数据节点1，中心节点2，中间节点3参见图1。以智能中压开 关为通信节点的宽带PLC通信网络(配电自动化通信网络)。配电线路的路径走向从配电主站，到开关站，再到配电子站，正是电力调度通信所 要求的合理路由，并且中压电力线载波的通道建设只需附加一些耦合结合设备，信道建设 的投入很低。因此，中压电力线载波通信当之无愧地成为配网通信的基本通信方式，尤其在 边远地区更是这样。通道建设的投资低，既节约了信道建设的成本，也缩短了信道建设的时 间，可以保证中压电力线载波通信系统能够在较短的时间内建成并立即投入使用，具有投 资少，见效快的特点，可以产生很好的经济效益。信道建设的工程投入少还带来了对于已有 城建的保护，对于城建环保来说是非常有利的。本发明采用宽带中压PLC(主)设备为配电监测系统提供通信通道，宽带PLC载 波频率1. 6 40MHz，传输速率4. 5 200Mb/s，可满足配电自动化对配电设备(馈线终端 (FTU)、站所终端(DTU)) “四遥”的通信需求，同时可有足够的带宽余量满足配变终端(TTU) 和用电信息采集终端的通信需求。为此，智能中压开关配置中压宽带PLC(从)设备，通信 网络架构采用配电监测主站/用电信息采集主站、智能中压开关、用电信息采集终端三级 网络设计，以35kV变电所为信息“中转站”，利用已有的光纤电力专网，实现与配电监测主 站/用电信息采集主站的信息交换；智能中压开关配置无线宽带通信设备，利用短距离无 线互联技术与其附近的配电变压器、用电信息采集终端组成短距离小范围无线网络，智能 中压开关作为二级中转站，实现其与配电监测主站/用电信息采集主站的信息交换。网络 拓扑如图1所示。图中“PLC从设备、FTU/DTU和柱上开关”处为智能中压开关。短距离无线互联网络技术(例如=Zigbee)具有低成本、低功耗、低数据速率、网络 自组织等特点。一个典型的短距离无线互联网络由无线节点(本发明中为用电信息采集终 端内短距离无线通信设备，图2中标记为1)和汇聚节点(本发明中为智能中压开关内短距 离无线通信设备，图2中标记为2)组成。大量无线节点随机部署在应用区域内部或附近，能 够通过自组织方式形成网络。节点传输的数据可以沿着其他节点逐跳地进行传输，在传输 过程中业务数据可能被多个节点处理，经过单跳或多跳后路由到汇聚节点，然后直接到达 应用节点(本发明中为智能中压开关内宽带PLC通信设备)；在这个过程中，无线节点既充 当信息发源节点，又充当数据转发的路由器。实际应用可根据现场情况采用星形网络(图 2-1)、簇状网络(图2-2)、网状网络拓扑(图2-3)结构。(2)智能中压开关从上述通信网络结构不难看出，要实现以智能中压开关为通信节点的配电自动化 通信网络，需要宽带PLC通信设备及其耦合设备、短距离无线通信设备，设备的供电形式决 定了上述设备所处的位置，由于中压开关设备内置PT、CT单元，可通过PT或CT从配电线路 上获取足够的功率，可将宽带PLC通信设备、短距离无线通信设备安装在中压开关设备附 近，以简化施工流程，节省从它处取能增加的工程成本。另外，中压载波通信设备是通过耦合器将载波信号耦合到中压配电线路上，实现 载波传输数据的，耦合器另外的功能是实现强电与弱电的隔离功能。对于架空线路，载波信 号耦合采用电容耦合方式(见图3)，电容耦合方式又分相_地耦合方式和相_相耦合方式。对于电力电缆线路，载波通信是利用电力电缆的屏蔽层传输数字信息，耦合方式有两种注 入式电感耦合方式和卡接式电感耦合方式(见图4)。采用独立的耦合电容器将增加配电 系统设备，同时增加系统的维护量，产品设计时可将耦合电容器、电感集成在中压开关本体 内，预留中压宽带PLC设备接口，开关安装完毕即可实现与配电自动化主站通信，无需安装 耦合电容器设备，减少工程量及后期维护工作量。
本发明提出的一种集耦合器、宽带PLC通信设备、短距离无线通信设备、馈线终端 (FTU)或站所终端(DTU)为一体智能中压开关设计方案，原理示意图如图3、图4所示。图3为架空线路智能中压开关结构示意图，在现有中压开关设计基础上，将原中 压开关内集成的电磁式电压互感器更换为电容式电压互感器(耦合器I)，既是PLC通信载 波耦合器，又能为FTU/TTU提供必要的电压信号，同时在中压开关另一侧集成一耦合电容 器(耦合器II)；开关操作机构、FTU/TTU、宽带PLC通信设备、短距离无线通信设备均由电 源模块供电，电源模块由开关内部电流互感器二次感应电流提供电能；宽带PLC通信设备 与FTU/TTU、短距离无线通信设备采用485或can现场总线实现信息交换。图4为电力电缆一体化智能中压开关结构示意图，在现有中压开关设计基础上， 改变原中压开关内集成的电磁式电压互感器参数型号为宽频带电压互感器(耦合器I)，既 能做为PLC通信载波耦合器，又能为FTU/TTU提供必要的电压信号，同时在中压开关另一侧 集成一宽频带电压互感器(耦合器II)；开关操作机构、FTU/TTU、宽带PLC通信设备、短距 离无线通信设备均由电源模块供电，电源模块由开关内部电流互感器二次感应电流提供电 能；宽带PLC通信设备与FTU/TTU、短距离无线通信设备采用485或can现场总线实现信息 交换。(3)宽带PLC自适应网络控制技术如图3、4所示，在两种智能中压开关中均集成了 PLC通信耦合器，主要为了实现在 中压开关分闸后，保障离PLC主设备较远的PLC从设备拥有与PLC主设备通信的通道，处于 分闸状态开关的宽带PLC通信设备在开关处于分闸状态时不仅承担本地配电设备的通信 工作，而且还承担后续PLC设备通信的中继工作。由于配电自动化对配电设备通信实时性 要求较高，若通过通信握手、多次通信失败后，再启动宽带PLC通信设备中继功能，影响配 电自动化操作实时性，不利用电网安全稳定。另外，一条配电线路上分段器较多，结构多样， 定位实施中继功能的宽带PLC通信设备需要结合配电网络结构，不利于工程实施及调试。为此，本发明提供一种自适应网络控制技术无需通信终端感知配电线路开关的开 关量状态，由中压开关本体集成的宽带PLC通信设备感知即可，具体实施如图3所示，FTU/ TTU在开关动作后，除正常发送信息外，及时提供宽带PLC通信设备开关量信息，宽带PLC通 信设备采用触发机制，一旦接收到开关量变化信息，延时100 500ms，改变中继功能，若开 关量由合向开变化，宽带PLC通信设备打开中继功能，若开关量由开向合变化，宽带PLC通 信设备关闭中继功能，保证整个线路配电设备的通信通道畅通。
权利要求
一种智能中压开关，它包括真空灭弧室，操作机构，电流互感器，电源模块，耦合器I、感应分压器、PLC通信设备、馈线终端FTU或站所终端DTU，其特征在于还包括短距离无线通信设备和耦合器II；所述的PLC通信设备为宽带PLC通信设备，宽带PLC载波频率1.6～40MHz，传输速率4.5～200Mb/s；所述的耦合器I为电容式电压互感器，既是PLC通信载波耦合器，又能为FTU/TTU提供必要的电压信号；同时在开关另一侧连接的耦合器II为耦合电容器；开关操作机构、FTU/TTU、宽带PLC通信设备、短距离无线通信设备均由电源模块供电；电源模块由开关内部电流互感器二次感应电流提供电能；宽带PLC通信设备与FTU/TTU、短距离无线通信设备采用485或can现场总线实现信息交换。
2.一种智能中压开关，它包括真空灭弧室，操作机构，电流互感器，电源模块，耦合器 I、PLC通信设备、馈线终端FTU或站所终端DTU，其特征在于还包括短距离无线通信设备和 耦合器II ；所述的PLC通信设备为宽带PLC通信设备，宽带PLC载波频率1. 6 40MHz，传输速率 4. 5 200Mb/s ；所述的耦合器I为宽频带电压互感器，既是PLC通信载波耦合器，又能为FTU/TTU提供 必要的电压信号；同时在开关另一侧连接的耦合器II也为宽频带电压互感器；开关操作机构、FTU/TTU、宽带PLC通信设备、短距离无线通信设备均由电源模块供电；电源模块由开关内部电流互感器二次感应电流提供电能；宽带PLC通信设备与FTU/TTU、短距离无线通信设备采用485或can现场总线实现信息 交换。
3.以智能中压开关为节点的宽带PLC通信网络，它采用配电监测主站/用电信息采集 主站、中压开关和用电信息采集终端三级网络架构，中压开关通过电力线载波网与变电所 连接，利用已有的光纤电力专网，实现变电所PLC主设备分别与配电监测主站和用电信息 采集主站的信息交换，其特征在于所述的中压开关采用权利要求1或2所述的智能中压开 关，智能中压开关配置的无线宽带通信设备，利用短距离无线互联技术与其附近的配电变 压器、用电信息采集终端组成小范围无线网络，以变电所为信息“中转站”，智能中压开关作 为二级中转站，实现用电信息采集终端与配电监测主站/用电信息采集主站的信息交换。
全文摘要
智能中压开关和以智能中压开关为节点的宽带PLC通信网络，智能中压开关还包括短距离无线通信设备和耦合器II；所述的PLC通信设备为宽带PLC通信设备，宽带PLC载波频率1.6～40MHz，传输速率4.5～200Mb/s。以智能中压开关为节点的宽带PLC通信网络，采用配电监测主站/用电信息采集主站、智能中压开关和用电信息采集终端三级网络架构，智能中压开关配置的无线宽带通信设备与其附近的配电变压器、用电信息采集终端组成小范围无线网络，以变电所为信息“中转站”，智能中压开关作为二级中转站，实现用电信息采集终端与配电监测主站/用电信息采集主站的信息交换。本发明预计可为电网公司每年节省上亿元的通信费用。
文档编号H02B1/04GK101834409SQ201010190758
公开日2010年9月15日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者刘飞, 廖源, 陈家宏, 陈轩恕 申请人:国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司