专利名称：特别用于配电系统的点到点通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过配电网络发送的通信；并且，更尤其地，涉及点到点通信系统，通过该点到点通信系统，信息可从在该配电网络中的任意一个地点很容易发射到该网络中任意的其它地点。
背景技术：
输电线通信系统在本领域中是已知的。典型的系统使公用电站(utility)能够在其输电线上将消息发送到诸如子站点的中心地点，或从中心地点将消息发送到连接到那个场所的大多数(如果不是所有)的客户。这些消息涉及诸如在该客户场所的当前用电状况、发起请求以确定在服务区域之内是否已发生停电，或者，在用电高峰期间命令降低或关闭提供给该用户场所处的负载的供电量的事宜。从曾向其发送消息的各个地点接收的应答使公用电站能够确定其当前的操作状态，以及，确定为改变(或预期改变)其操作环境而重新配置该配电系统可能需要做出的改变。在近几年，用电量显著上升，使得，随着时间推移，对公用电站提出的要求大大增力口，并且目前许多公用电站难以为他们的客户维持足够的服务水平。类似地，对由这些公用电站用来支持它们的运作的当前通信系统提出的要求，也大大提高到使这些系统要及时提供公用电站要以其需要操作的水平进行操作所必需的信息已经变得很困难的程度。例如， 在勉强连续的基础上，公用电站所需要的信息量，已经膨胀到使通信系统需要的信息吞吐量(数据传输率)正处于，或接近于通信系统容量的极限的程度。安装、维护和升级这些通信系统是即耗时又昂贵的。一些系统需要例如遍及配电网络以一定间隔设置路由器、中继器或增强器(booster)，以确保维持足够的信号水平，使得被发射出去的信息在接收端能够恢复。此外，某些系统的操作产生了不期望的副作用，这些副作用可能会令公用电站的用户烦恼。本发明涉及点到点通信系统，解决了现有通信系统的这些问题以及其它问题。
发明内容
在本揭示内容中描述了尤其是用于公用电站的配电网络的一种点到点通信系统， 以将信息从网络中的任意一个地点发送到该网络中任意另一个地点。该通信系统使用遍及网络放置的收发机来发送和接收消息。收发机的发送部分包括具有电容器和电感器的谐振发送器，该电容器和电感器的值使该发送器能够生成预定频率的减幅正弦波形。该波形的生成受到控制以提供经调制的波形，该调制波形在存在公用电站生成的主波形的情况下经过配电网络传播。在众多的调制方法中，点到点通信设备中采用的是开关键控(On-Offkeying，00K)、相移键控(phase shift keying，PSK)，和正交幅度调制(QAM)。收发机的接收器部分在该网络的一些，或者所有三个相位(Φ)上接收该减幅正弦波形。该接收器将所接收的信号合并，并对结果进行处理以获得所发射的消息。收发机可以是单个单元，或者单元的发送器和接收器部分可以是分开的多件设备。进一步地，收发机的两个部分可由系统使用者选择性地停用。在此描述的点到点通信系统展现出超越常规系统的显著优势。例如，收发机的谐振发送器部分利用电抗性而不是电阻性的负载；并且因此，热耗散要求低。另一个显著优点。是本发明的系统需要安装和操作的设备相对较小，并且消除了不必要的设备，明显降低了安装、维护和维修该通信系统的成本。此外，消除了由一些系统的操作导致的不想要的副作用。本发明的通信系统的另一个优点是，获得了比当前系统更高的数据传输率，因为所发射信号的每个符号包括了更多的比特。而且，在常规的通信系统中不实用的数字调制方案现在可很容易被采用。此外，提供更高数据传输的能力使得在常规系统中不可使用的安全协议也能够很容易被采用，因此得以更好地保护传输。本系统进一步的优点是，由收发机产生的减幅正弦信号可通过在该网络内出现的多个电平发射，均不需要额外的设备，并且没有明显的信号衰减。在本发明的另一个实施例中，采用了码分多址(CDMA)技术，以更好地改善数据传输。在下文中，其它的目的和特征将变得显而易见或者将被指出。
本发明的目的，如在附图中示出的说明性实施例中阐述的那样来实现，这些附图形成本说明书一部分。图1是被结合到公用电站配电网络中的点到点通信系统的简化示意图；图2是本通信系统的收发机的发送器部分的示意图；图3是收发机的接收器部分的框图；图4说明了使用开关键控(OOK)生成阻尼正弦波；图5说明了使用相移键控(PSK)生成阻尼正弦波；图6是对配电系统的简化表示；图7A至图7C说明了谐振发送器的操作，用于生成阻尼正弦波，用于与由公用电站传播的波形一起通过公用电站的配电网络传送，以便将信息从该配电系统中的一个地点传送到另一个地点；以及图8说明了使用幅度调制生成阻尼正弦波。在附图中的若干视图中，相应附图标记指示相应的部分。
具体实施例方式以下详细描述通过举例说明了本发明，该描述并不构成限制。本说明书清楚地使本领域的技术人员能够制造和使用本发明，并且描述了本发明的若干个实施例、适配情况、 变化、备选方式以及应用，包括目前被认为是执行本发明的最佳的模式。此外，可以理解本发明在其应用方面并不被限制在以下说明中阐述的或附图中描述的具体结构或组件布置中。本发明能够有其他实施例，并且能够以不同的方式实现或执行。而且，应该理解在此使用的措辞或者术语是为了描述的目的，并不应被认为是构成了限制。参考附图，在图6中配电系统或网络被总体指示为10。该网络包括发电机G，从该发电机G，电力通过多个子站点S1-A并通过输电线Ll-Ln被分配，其中输电线Ll-Ln从每个子站点连接到住宅的、商用的和工厂的消费者的用电设备F。覆盖网络10是本发明的点到点通信网络，在图1中用20标识其总体。点到点通信系统20使消息能够从该配电系统内的任意一个地点A传输到该系统内的任意其它地点B。典型地，消息被从子站点S传输到设备F中的一者或多者，而应答消息被从各个设备分别地传输回到该子站点。但是，本发明的特征是消息能够在通信系统20中从除子站点以外的地点传输到任意其它地点(该其它地点可以是但不必须是子站点)。如图1所示，由公用电站产生或传播的电压波形We被施加到高压变压器Thv的主绕线组两端。波形We典型地为3 Φ，240VAC, 60Hz波形，但本领域技术人员将理解通信系统 30对其它公用电站生成的波形，例如120VAC，60Hz波形，以及由许多国家的公用电站生成的50Hz波形也同样起作用。变压器Thv次绕线组继而被连接到变压器T1-Tn的主绕线组。 总体用12标识的收发机的发送器Xl被连接到位置A处的变压器T1的次绕线组或低压绕线组LV的两端；同时收发机12的接收器部分Yl被耦合到输电线，用于接收和处理通过通信系统20传输的消息。在地点B处，收发机13包括被连接到变压器Tn的低压绕线组两端的发送器紐，和收发机13的接收器，该接收器被连接到输电线，用于接收和处理通过该通信系统传输的消息。参考图2，发送器Xl包括由电感器L和电容器C构成的电抗性负载13。电容器和电感器的值被选择成使得收发机12在期望的频率处谐振。电抗性负载13通过开关14连接到泄放电阻器Rd两端。发送器Xl是谐振发送器，如图4和图5所示，其产生减幅正弦或振铃波形(ringing waveform) Wk，其目前与传播波形We—起通过配电系统传输，以经由结果波形Wm将信息(即，命令或指令、查询响应、数据，等)从地点A传送到地点B。为了这个目的，开关14以受控方式由数字控制器16操作。在操作中，控制器16控制发送器Xl的操作，使得该减幅正弦波形的特征代表了通过该配电网络由该结果调制波形传送的信息。参考图7A至图7C，控制器16以如下顺序操作开关14 首先，如图7A所示，控制器16通过开关14将发送器Xl的电抗性负载13连接到变压器Tl的低压(LV)侧，同时泄放电阻器Rd与电抗性负载和变压器隔离开。这产生了如在图4和图5中所示的减幅正弦波形WK。然后，如图7B所示，控制器16操作开关14，将电抗性负载和泄放电阻器均与变压器1\隔离开，并且使电抗性负载和泄放电阻器这二者彼此隔离。将电抗性负载和泄放电阻器与变压器T1隔离开，导致电容器C保持其电荷为第一预定充电水平。如图7C所示，控制器16现在操作开关14，将电抗性负载13与变压器T1隔离开， 同时将泄放电阻器Rd放置到电抗性负载两端，则现在提供了用于泄放电容器C的电荷的路径。最后，控制器16操作开关14，再一次将电抗性负载和泄放电阻器与变压器T1隔离开，并且将电抗性负载和泄放电阻器彼此隔离。同样地，这是在图7B中示出的电路配置。这种切换当前具有使得电容器C将其电荷保持或维持在第二预定水平的效果。备选地，泄放电阻器Rd可以被省略。当这样做时，对于每一个信号的切换顺序是图 7A到图7B，而不是先前描述的图7A-图7B-图7C-图7B的顺序。但是，现在如图4和图5 所示的信号幅度在各个信号之间将不同。这是因为在先前描述的实施例中，泄放电阻器Rd 通过重置振荡器初始状态起到调节信号幅度的作用。控制器16实现了不同的算法，通过这些算法，代表数据、指令等的编码比特被从一个地点传输到另一个地点。在这一点上，控制器16利用了不同的信道编码方案，这些编码方案包括例如低密度奇偶校验(LDPC)码。对于00K，并且如图4所示，控制器实现一种算法，通过这种算法，操作开关14，使得对于加到变压器Tl低压侧的波形We的每半周期发送一个比特。在操作中，在波形We的半周期期间生成谐振脉冲波形代表二进制的1 ；而无谐振脉冲波形代表二进制的0。随附的结合到本文中作为参考的附录A阐述了用于OOK调制的数学公式。如图2所示，包含被从地点A传输到地点B的消息的比特作为输入被提供给控制器16。如果发送二进制的1，则在图4中示出的在时间、处开始并且在时间t2处终止的生成波形上施加谐振脉冲波形。为了这个目的，通过控制器16实施的算法包括锁相环(PLL) 18， 其使谐振脉冲波形(即，二进制符号)的时序与外加给变压器Tl的LV绕线组的电压同步。使用该算法适应性地计算时间、和t2，并且这些计算的结果通过控制器16控制开关14的切换。也就是说，它们控制开关14从图7B中所示的开关的保持位置到图7A中所示的导电位置，然后再返回到保持位置的循环。为了这个目的，通过该算法向控制器16提供反馈信号，用于计算相应的调制开始和完成时间。这种级别的操作控制进一步具有使热耗散最小化，以及减少或消除杂散电磁辐射(spurious electromagnetic emissions)的优点。通过取自变压器T1的LV绕线组两端的电压测量Vt以及取自电容器C两端的电压测量 Vc提供了反馈。这些电压测量被施加到各自的模拟/数字开关22、M上，其数字输出被供应给控制器16。进一步参考图4，该算法还适应性地计算时间t3和t4。这些时间确定何时控制器 16操作开关14，使得该开关从图7B所示的保持位置切换到图7C所示的该开关的使电容器 C放电的位置，然后返回图7B的保持位置。除了提供00K，控制器16还执行了关于PSK的算法，对于此类型的调制，开关14 由该算法操作，以便在调制的每个间隔期间用一个或更多个数据比特调制施加到变压器Tl 的LV绕线组两端的波形We。这产生了数据速率比OOK的更高的传输。正如在图5中示出的，当控制器16使用PSK时，对信号Vt和V。的频谱分析被用于计算电抗性负载13被连接到变压器T1的低电压绕线组时的时间、，和当其断开连接时的时间t2。正如前面所描述的， 这是通过循环开关14完成的。这导致在谐振脉冲正弦中的离散相移。同样地，附录A阐述了用于PSK调制的数学公式。在另一个实施例中，控制器16实现了关于幅度调制(AM)的算法。本领域技术人员将理解，还可以采用其它调制技术，而不背离本发明的范围。无论所采用的调试技术如何， 本领域技术人员将进一步了解，减幅正弦Wk的特征代表在配电系统中由结果调制波形传送的信息。在本实施例中，参考图8，通过改变所发射信号的持续时间并因此改变其能量可实现幅度调制。据此，在图8中示出的信号“00”和“10”具有比其它信号“01”和“11”更大的幅度。信号“00”和“10”因此能够谐振更长一段时间；而能量较低的信号“01”和“11”谐振较短的一段时间。如在PSK调制中那样使用受控的通/断开关来控制符号。重要的是， 幅度调制和PSK可被合并以实施正交幅度调制(QAM)，并因此便于实现更高的数据传输速率。通过改变接通和关断的时间生成了较大的符号星座图。除这些技术之外，本发明的方法还利用了与00K、PSK或QAM相结合的码分多址 (CDMA)，以便进一步通过实现多个发送器接入通信信道来改进数据传输。收发机12的接收器Yl为例如多输入数字接收器，如图1和图3所示，接收器使用各自的耦接器26或27连接到一个或更多个相位的中压MV或低压LV电线。耦接器沈例如是电流变压器，而耦接器27是电压变压器。重要的是，相干地收集在配电网络的所有相位上的信号，并对它们进行合并和处理，改善了使用系统20传输和接收的信息的保真度。对接收器Y的每一个输入被首先供应给A/D转换器观。在图3中，这些被示出为并联连接。重要的是，在通信系统20不需要使用信号增强器或在常规通信系统中典型地使用的其它辅助设备以使发射信号能够被检测出来的情况下，接收器Y就能够检测和调制所接收的传输。这显著地简化了通信处理，提供了低成本系统，这是因为在整个公用电站配电网络中需要更少的组件来完成通信，并且还由于减少了在操作通信系统20中涉及的设备维护和维修量而降低了成本。来自转换器的数字信号输出作为输入被提供给接收器的信号处理器30，该接收器包括PLL32，其同步所接收的信号与所传输的时钟信号。在这一方面，在地点A处的收发机 12发射的每第Z个符号包括一个导频符号(pilotsymbol)，该导频符号是在地点B处的接收器办“知道”会有的。由接收器办使用的算法现在使用这些发射的导频符号执行对所接收的传输的自适应均衡。处理器30然后进一步执行该算法以对OOK和PSK传输进行解调，以及，例如，对LDPC编码通信进行解码。该解码消息被接收器作为输出提供给用电设备 F上的电表或其它装置，电表或其它装置对通过系统20传输的信息作出响应。在此描述的是一种在公用电站的配电网络中实现的点到点通信系统，通过该通信系统，信息从该网络内的任意地点被传输到该网络中的另一任意地点。由该通信系统使用的谐振发送器提供了比常规通信系统更强的数据传输能力(吞吐量)。该点到点通信系统还提供了更高的信号透明度，排除了与常规系统相关联的RFI和光闪问题，并且在这样做的同时并不需要诸如增强器、转发器，以及类似的辅助设备，因此为公用电站提供了迅速、 高质量的通信能力。综上所述，可以看出已经达到了本揭示内容的若干个目的和优点，并且还获得了其它的有益效果。附录 A使用谐振发送器的数字通信1.谐振切换的负载发送器考虑由电压源us(t)供电的RLC电路，在其中，电流和电容器电荷初始为零。如果该电压源在时间0处被启动，则在频域中，描述电流的等式为Vrs(S) - RI(s) - sLI{s) - ^Hs) = 0.(1)解出电流为
权利要求
1.在配电系统中，一种用于将消息从该配电系统中的任意地点传输到该配电系统中的任意其它地点的点到点通信系统，包括发送器，其在所述的任意地点对通过该配电系统传播以在整个系统中供应电力的波形进行调制，该发送器是生成减幅正弦波形的谐振发送器，该减幅正弦波形与所传播的波形一起被传输通过所述配电系统；控制器，其控制所述发送器的操作以生成减幅正弦波形，该减幅正弦波形的特征代表在所述配电系统中传送的信息；以及在所述的任意其它位置的接收器，用于接收并解调所述减幅正弦波形，以从中提取出被传送的信息。
2.如权利要求1所述的点到点通信系统，其中，所述谐振发送器包括电抗性负载，该电抗性负载包括电感器-电容器(LC)电路，其产生所述减幅正弦波形。
3.如权利要求2所述的点到点通信系统，其中，所述谐振发送器包括泄放电阻器，其选择性地连接到所述LC电路中，以从所述电容器泄放电荷和在所述被传播的波形的调制间隔之间重置所述电路。
4.如权利要求3所述的点到点通信系统，进一步包括开关，所述控制器通过该开关控制所述泄放电阻器到所述LC电路的连接。
5.如权利要求3所述的点到点通信系统，其中，在所述的任意地点处放置有变压器，并且所述谐振发送器被放置在该变压器的低压侧，并且，所述控制器选择性地操作所述开关以产生所述谐振发送器的导电模式，在该导电模式中，所述负载被连接到所述变压器的低压侧，并且生成所述减幅正弦波，同时所述泄放电阻器与所述负载和所述变压器二者隔离开。
6.如权利要求5所述的点到点通信系统，其中，所述控制器进一步将所述负载与所述变压器隔离开，同时将所述泄放电阻器连接到所述负载，用于泄放所述电容器上的电荷。
7.如权利要求1所述的点到点通信系统，其中，所述接收器包括在所述任意其它地点被耦合到所述配电系统的输电线上的电流变压器，用于接收所述减幅正弦波形。
8.如权利要求1所述的点到点通信系统，其中，所述接收器包括被耦合地放置在所述任意其它位置的电压变压器，用于接收所述减幅正弦波形。
9.如权利要求1所述的点到点通信系统，其中，所述发送器在所述配电系统的多于一个相位上发送所述减幅正弦波形，并且所述接收器在所述减幅正弦波形被发送的每一个相位上接收所述减幅正弦波形。
10.如权利要求9所述的点到点通信系统，其中，所述接收器将在每一个所述相位上接收的所述减幅正弦波形合并，并对结果进行处理，以提取出所传送的信息。
11.如权利要求10所述的点到点通信系统，其中，对于在其上接收到所述减幅正弦波形的每一个相位，所述接收器包括模拟-数字转换器，用于处理所述波形。
12.一种在配电系统中的点到点通信的方法，包括将减幅正弦波形加到通过所述配电系统传播以在整个所述系统中供应电力的波形上；控制所述减幅正弦波形的生成，以产生其特征代表在所述配电系统上传送的信息的减幅正弦波形；以及，在所述配电系统中与产生所述减幅正弦波形的位置不同的位置处，接收并解调所述减幅正弦波形，以从中提取出被传送的信息。
13.如权利要求12所述的方法，其中，将所述减幅正弦波形加到所述传播波形上，包括操作谐振发送器，以产生其特征代表在所述配电系统上传送的信息的减幅正弦波形。
14.如权利要求13所述的方法，其中，控制所述减幅正弦波形的生成包括所述发送器的开关键控(OOK)。
15.如权利要求13所述的方法，其中，控制所述减幅正弦波形的生成包括所述发送器的相移键控(PSK)。
16.如权利要求13所述的方法，其中，控制所述减幅正弦波形的生成包括使用所述发送器对所述传播波形进行正交幅度调制(QAM)。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述谐振发送器包括电抗性负载，并且该谐振发送器被连接到变压器的低压侧，该变压器跨接到输电线，所述传播波形通过该输电线在整个所述配电系统中传输，并且，将所述减幅正弦波形加到所述传播波形上包括将所述电抗性负载连接到所述变压器的低压侧，同时泄放电阻器与所述电抗性负载和所述变压器隔离，使得减幅正弦波形生成，并且被加到所述传播波形上；将所述电抗性负载和所述泄放电阻器与所述变压器隔离，使得所述电抗性负载的电容器将电荷保持在第一预定水平；将所述电抗性负载与所述变压器隔离，并且将所述泄放电阻器切换到所述电抗性负载，用于从所述电容器泄放电荷；并且，再次将所述电抗性负载和所述泄放电阻器二者与所述变压器隔离，以便所述电容器将电荷保持在第二预定水平。
18.如权利要求12所述的方法，进一步包括在所述配电系统的多于一个相位上发送所述减幅正弦波形，并且在发送所述减幅正弦波形的每一个相位上接收所述减幅正弦波形。
19.如权利要求18所述的方法，其中，接收所述减幅正弦波形包括在所述任意其它地点将电流变压器耦合到所述配电系统的输电线上。
20.如权利要求18所述的方法，其中，接收所述减幅正弦波形包括在所述任意其它地点将电压变压器连接到输电线上。
21.如权利要求18所述的方法，其中，解调所述减幅正弦波形包括对在每一个所述相位上接收的减幅正弦波形进行合并，并且对结果进行处理，以提取出所传送的信息。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括对在每一个相位上接收的减幅正弦波形执行模拟-数字转换，并且合并所述转换的结果。
23.一种在配电系统中进行点到点通信的方法，包括通过所述配电系统传播波形，以在整个该系统中供应电力；将减幅正弦波形加到所述被传播波形上，该减幅正弦波形的特征定义了在整个所述配电系统中传送的信息；并且在所述配电系统中与所述减幅正弦波形被加到所述传播波形上的地点不同的地点处接收并解调所述结果波形，从而提取出被传送的信息。
24.如权利要求23所述的方法，其中，调制所述波形包括使用谐振发送器将振铃波形加到所述传播波形上。
25.如权利要求M所述的方法，其中，所述谐振发送器包括电抗性负载，该电抗性负载包括电感器-电容器(LC)电路和泄放电阻器，并且所述方法进一步包括选择性地将所述泄放电阻器切换到所述LC电路上，以泄放所述电容器上的电荷。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括将所述电抗性负载连接到变压器的一侧，同时将所述泄放电阻器与所述电抗性负载和所述变压器二者隔离，以便使减幅正弦波形被生成，并被加到所述传播的波形上；将所述电抗性负载和所述泄放电阻器二者与所述变压器隔离，使得所述电容器将电荷保持在第一预定水平；将所述电抗性负载与所述变压器隔离，并将所述泄放电阻器切换到所述电抗性负载， 以便从所述电容器泄放电荷；以及再次将所述电抗性负载和所述泄放电阻器二者与所述变压器隔离，以便使所述电容器将电荷保持在第二预定水平。
27.如权利要求沈所述的方法，其中，加上所述减幅正弦波形包括对所述谐振发送器的开关键控(OOK)。
28.如权利要求沈所述的方法，其中，加上所述减幅正弦波形包括对所述谐振发送器的相移键控(PSK)。
29.如权利要求沈所述的方法，其中，控制所述减幅正弦波形的生成包括使用所述谐振发送器对所述传播波形进行正交幅度调制(QAM)。
30.如权利要求23所述的方法，进一步包括在所述配电系统的多于一个的相位上发送所述减幅正弦波形，并且在发送所述减幅正弦波形的每一个相位上接收所述减幅正弦波形。
31.如权利要求31所述的方法，其中，接收所述减幅正弦波形包括在所述任意其它地点将电流变压器耦合到所述配电系统的输电线上。
32.如权利要求31所述的方法，其中，接收所述减幅正弦波形包括在所述任意其它地点将电压变压器连接到输电线上。
33.如权利要求31所述的方法，其中，解调所述减幅正弦波形包括对在每一个所述相位上接收的减幅正弦波形进行合并，并且对结果进行处理，以提取出所传送的信息。
34.如权利要求33所述的方法，进一步包括对在每一个相位上接收的减幅正弦波形执行模拟-数字转换，并且将所述转换的结果合并。
35.如权利要求14所述的方法，进一步包括采用码分多址(CDMA)和开关键控，以实现多个发送器接入通信信道。
36.如权利要求15所述的方法，进一步包括采用码分多址(CDMA)和相移键控，以实现多个发送器接入通信信道。
37.如权利要求16所述的方法，进一步包括采用码分多址(CDMA)和正交幅度调制，以实现多个发送器接入通信信道。
全文摘要
一种点到点通信系统(20)，用于将消息从配电系统或网络(10)内的任意地点(A)传输到该网络内的任意其它地点(B)。在该一个地点的收发机(12)包括发送器(X)，其将波形(WR)加到通过该网络传播以在整个网络中供应电力的波形(WG)上。该发送器是谐振发送器，其包括电抗性负载(13)，该电抗性负载被选择性地连接到配电网络和与配电网络断开。控制器(16)控制该发送器的操作，以将电抗性负载连接到该网络或者与其断开连接，以便在所传播的波形上加上其特征代表了在配电系统上传送的信息的减幅正弦波形。在另一个地点的接收器(Yn)接收并解调该减幅正弦波形，以从其中提取出由其传送的信息。
文档编号H04L27/02GK102484502SQ200980160612
公开日2012年5月30日 申请日期2009年11月5日 优先权日2009年5月29日
发明者D.W.里肯 申请人:阿克拉拉输电线系统股份有限公司