CN1307407A - 一种用电力线传送脉冲信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种在电力线单相回路中传送信号脉冲的方法。脉冲信号在交变电压周期内定位传送,用时钟脉冲数控,收/发同步。本方法利用交变电压的过0(V)点作为时间基准确立信号网内部时钟的同步。脉冲信号可以是一种电压跳变信号,被限定在交变电压半周期内波峰两侧靠近0V的低压区段内传送;也可是高频载波脉冲式载入信号,在全周期范围内传送。通讯网内各网点用脉冲传送器与电力线进行信号连接,发送/接收脉冲信号。本发明为挖掘电力线的通讯资源、开发新型控制器提供了新的技术路线,在野外、矿山和农田设备的集中管理,现代家庭家电的智能管理等场合具有突出应用价值。

Description

一种用电力线传送脉冲信号的方法

本发明涉及一种在电力线单相回路中传送脉冲信号的方法，该方法利用时钟脉冲对脉冲信号进行定位(数控)，利用交变电压过0(V)点作为同步基准，并用一种脉冲传送器实行传送。

电力线分布广泛，是一种潜在通讯资源，但由于电力线上有高峰值交变电压，电网分布面积大，易受干扰，难以用已有通讯技术在电力线上传输信息。国内外在这方面开发研究的主要方向是在电力线上加载高频载波，用调制/解调技术实现信息传输，如US-5246334,US-4479215,DE-2039409，已有的开发工作有：利用电力线通电话；国内电力部门用电力线进行通话和实施电网管理等。由于这类技术抗干扰难度大，至今还没有取得能够广泛应用的技术成果。

本发明的目的是提出一种既能利用电力线传送脉冲信号，又能够与现有弱电控制***相容的技术方法。本方法没有重复载频技术的老路，而是充分利用现代脉冲技术的成果，在交变电压中创造应用脉冲技术的条件。

本发明的目的是这样实现的：脉冲信号以两种形式注入电力线：一是直流电源经高速开关电路控制产生的电压跳变，二是高频载波脉冲式载入形成的载波“片段”；在电力线交变电压周期内用传送器内部时钟对信号发送/接收位置定位；在信号网内用电压过0(V)脉冲对内部时钟确立同步基准，脉冲信号的接收与发送同步；接收电路用接收窗口处理信号和干扰；每个信号网点都用脉冲传送器与电力线作信号连接、发送或接收信号。下面作进一步阐述。

        一、交变电压周期中的脉冲信号传送位置

脉冲信号(无论电压跳变式还是高频载入式)在电力线上传送，都是在电压周期内设定的传送位置上进行的。电压跳变信号(即正规脉冲)的传送位置分布在交变电压周期的特定区段，具体指电压正、负半周内峰值电压两侧的低压区段，这是宏观交变电压中的微观直流低压区段，电压跳变信号(脉冲)从这里注入，夹在交变电压波峰之间0V位置附近传送。高频载波式信号则是一种将载频在信号脉冲控制下的注入形式，传送位置不受高低压区段局限，能在交变电压全周期范围内传送。

信号传送位置是用内部时钟设定的一个几十微秒的时间段，在这个时间段内允许电压发生一次跳变，或载入一段载波，成为信号“1”；如在此时间段内没有电压变化，即为信号“0”。脉冲信号在电力线上传送只发生在传送位置里，别的时间既无信号发送，也不接收任何信号。传送位置由计算机提供的定位脉冲控制。

就一个信号传送位置对应一个信号而言，计算机提供的定位脉冲可以看成为信号传送的一种同步脉冲。

             二、脉冲传送器的内部时钟***

脉冲传送器里设有内部时钟***，有计数器对时钟脉冲进行计数，每过半个交变电压周期，时钟脉冲计数器复位一次，每次复位得到一个时钟脉冲序列，计数器的复位信号来自内部电路中检测交变电压过0(V)点得到的过零脉冲。这样，每个时钟脉冲序列都是从0V开始，到下一个0V结束，长度与半周期一致。序列中每个脉冲的序号也从0V开始顺序编排，到下一个0V为止。脉冲序号用于设定信号发送/接收位置和高电压阻断位置等，设定值将作为定位控制数据储存于计算机。

              三、内部时钟脉冲的同步

在电力线回路中，交变电流方向的每次转变都出现一个0电流瞬间，电压为0，这种电流方向的转变是在全回路范围同时发生的，所以电压过0(V)点在回路内具有时间基准的品质，可以用作内部时钟同步的基准。0V的电路特征也便于检测，现在有许多检测电压过零点的高速电路，在100HZ的检测频率下，只需十几纳秒就能得到过零脉冲。这样，分布在同一回路的各信号网点，由于它们的内部时钟脉冲计数器都以过0(V)脉冲复位和启动，它们的内部时钟脉冲序列被过0(V)脉冲同步，而各网点序列内部的脉冲，由于被规定使用相同频率，所以只要在脉冲周期不小于微秒，也可视为同步。

时钟脉冲计数器每半周期被刷新一次，序列内脉冲同步的时间误差不会积累；同时，时钟序列每过半周就被过0(V)脉冲更新，所以电力***工频不稳还会对同步带来影响。

              四、脉冲信号的接收和发送同步

电力线信号脉冲的接收与信号发送同步可以提高信号传送的可靠性和抑止干扰的影响。接收端传送器里的接收电路是用接收窗口的设计实施同步接收的。

接收窗口是个选通电路，选通脉冲是内部计算机提供的定位脉冲，由于接收端的定位脉冲与发送端的定位脉冲同步，所以接收窗口的开放时间与信号发送时间同步。不在信号发送时间，接收窗口对电力线上任何信号(包括干扰)都是关闭的。

             五、接收窗口内的干扰处理

脉冲传送器接收窗口与信号发送同步开放的工作方式，把电力线上干扰影响限制在窗口范围里，窗口里的干扰问题是指当接收到一个高电平信号时要判断：是否干扰造成的高电平?因此窗口里的干扰处理首先是判断干扰信号的存在与否，如果存在干扰，则窗口接收的高电平信号不能用，应重新发送。接收窗口里的高电平干扰可分成两类：一类是宽大型干扰，一类是超高型干扰。由于信号脉冲的宽度和高度都是固定不变的，而且只存在窗口里，所以凡延伸出窗口外的或者高出正常电平范围的脉冲信号都应视为干扰。判断宽大型干扰的电路设计是在接收窗口旁设置一个付窗口，当两个相邻窗口同时得到高电平信号时，视为存在宽大型干扰；判断超高型干扰的电路设计是在窗口开放时间内同时检测超高电平信号，当窗口里得到高电平的同时又检测到存在超高电平信号时，视为存在超高型干扰。如果发生持续干扰的情况，通讯就会持续中断，但不会误传信号。

还可以根据信号的脉冲性质和干扰信号的交变性质(多数是电磁波)进行处理。

            六、脉冲传送器

脉冲传送器是本方法在电力线上实施信号传送的专用装置，所有网点都需要配备、是网点上唯一与电力线直接连接的装置。脉冲传送器的下面连接现场控制设备的传感器、仪表、执行器、操作键盘和控制中心的计算机等，都是弱电范畴的器件。脉冲传送器内主要电路单元及其功能如下：

1、脉冲信号发送单元：接收计算机提供的定位脉冲，并向电力线发送脉冲信号；本单元内备有脉冲电源(或载频发生器)和向电力线注入信号的功率元件。

2、脉冲信号接收单元：在定位脉冲控制下，接收电力线上的脉冲信号，经干扰检查全格后送计算机处理；当检出干扰时向计算机发送停止信号处理的信号；

3、0(V)电压检测单元：检测交变电压过0(V)点并获取过0(V)脉冲，用作时钟脉冲计数器复位信号和内部时钟同步基准信号；

4、分频-计数单元：对时基脉冲进行分频，对时钟脉冲计数。分频电路中的计数器也用过0(V)脉冲复位，以提高时钟脉冲的同步精度；

5、高压阻断电路：在交变电压周期的高电压段，防止高电压对内部电路元器件的电压冲击。高压阻断区的边界随两旁低压区范围的确定而定，由计算机控制阻断时间；

6、计算机控制单元：是传送器的核心，以时钟脉冲为外同步信号，主要承担如下任务：

A、提供定位脉冲，用于确定信号发送和接收位置。定位脉冲的上升沿和下降沿位置都在时钟脉冲序列里用脉冲数据标定，成为信号网内统一使用的关键技术数据，各个传送器里的计算机只有依据相同的数据才能提供同步的定位脉冲。定位脉冲控制着信号的收发及其同步；当需要发送“1”信号时，就向发送电路提供一个定位脉冲，控制一次脉冲注入，接收电路在另一头同步接收；当需要发送“0”信号时，计算机不提供定位脉冲，电力线上没有脉冲信号，但另一头的接收电路仍在定位脉冲位置接收信号，得到“0”；

B、接受本网点下属设备的弱电信号，计算机将根据预定协议加以处理，构成信息的实质内容，并以提供/不提供定位脉冲方式通过发送电路执行信号发送。信号处理的协议包含在软件内，是一种对现场信息内容进行综合分析和归纳后设计的专用程序；

C、对接收电路送来的信号进行解译，并转换成计算机输出信号，传送到有关设备；

D、当收到存在干扰的通知时，停止处理接收电路来的信号，并向信号发送地发出重新发送信号的请求命令。

               七、信号脉冲

1、电压跳变信号脉冲(正规脉冲)

在电力线负载条件下进行可靠和经济的脉冲传送，要求信号脉冲具有较高的跳变速率和尽可能窄的脉冲宽度。信号识别采用电平比较法，脉冲电平可取低压区背景电压最高值的2倍，即当低压区范围为0-A(V)时，脉冲电源用2A(V)，识别脉冲电平的比较值取1.7A(V)，超高电平比较值取2.3A(V)。脉冲电源为双电源，正半周用正电源，发送正脉冲；负半周用负电源发送负脉冲。

正、负信号脉冲也可取自高频振荡电源，振荡电波经半波整流、分离，成为附合信号脉冲识别特征的单个正、负半波，在定位脉冲控制下作为正负脉冲使用。

2、载频脉冲式载入信号

信号脉冲定位注入方法与载波技术结合的一种信号形式，即在信号传送位置上不是直接注入信号脉冲、而是在信号脉冲控制下加载一组载频周波(少可到几个、甚至一个周波)，连续载频变成不连续的载频“片段”。这种信号在接收电路内可用50HZ反相正弦电压信号与之合成，只要50HZ残余电压的波动小于载频电压的一半，就可将载波信号分离出来。

几个有关问题的补充

1、关于传送电压跳变信号的低压区范围

低压工作区范围一端以0V为界，另一端的边界电压值根据具体条件设定，工作区越大，边界电压值越高，出于信号脉冲电平识别的需要，该边界值以不超过脉冲电压的一半为宜。如脉冲电源为20V时，边界电压值不宜超过10V。低压工作区的时间宽度与边界电压值的关系可用下式表示：

设：低压区一端为0V，另一端为A(绝对值)V，时间宽度为t秒，在50HZ交变电压电路中，低压区时间宽度t与边界电压A的关系为 $t=\frac{\arcsin \left(\frac{A}{110\sqrt{2}}\right)}{2\mathrm{\π}\×50}$

式中分子部分是交变电压从0V变到AV(或反方向变)的弧度值，分母是一秒钟内总的弧度变化数值。根据计算，当低压区边界电压A取不同值时，得到如下关系表：

      低压区时间宽度t与边界电压值A关系表

边界电压A	10V	5V	3V	1V
					低压区宽度t	204.9us	102.4us	61.5us	20.5 us

表中可见，如果低压区范围设为0-10V时，时间宽度为204us。如果电力线脉冲传送器在每个低压区只传送一个信号，半周内有两个，每秒钟传送200个信号。

2、关于时钟脉冲频率取值

时钟脉冲频率的取值大小关系到半周期内脉冲信号的个数和定位精度，当电压半周期内有500-1000个时钟脉冲用于定位时，钟脉冲频率为50K-100KHZ，时钟脉冲周期为20-10us。

3、关于三相电源的利用

本发明的信号传送方法是在电力线的单相回路中进行的，三相电源有三个回路可供利用。当信号为正规脉冲时，由于只利用低压区，电压周期有三分之二以上时间在高压阻断状态下空闲。由于三相电源的相位差使三个回路的低压区在时间上均匀差开，为一套机器处理三个回路的脉冲信号创造了时间条件。当信号以载频方式传送时因信号传送密度较大，回路繁忙，计算机难以同时应付三个回路的信号处理量，可分开建立三个独立信号网。

4、关于用户之间的信号干扰

如果在同一供电回路有两个以上用户，例如本发明用于家电智能管理***的场合，信号会相互干扰。解决办法一是在家庭供电线路的入口处安装一个电感器；二是在干扰影响范围内的用户***采用相互错开的信号传送位置。

下面结合附图对本发明作概述。

图一(A)本专利在设备运行监控中的应用图

图一(B)本专利在家电智能管理中的应用图

图二(A)脉冲信号分布图

图二(B)脉冲形态及其时序关系图

图三信号脉冲发送单元电原理图

图四脉冲接收及抗干扰单元电原理图

图五电力线脉冲信号传送器结构框图

图一(A)是本专利应用于机电设备管理的例子，管理内容有开/关控制，电流、电压和温度正常运行范围监控等巡检项目。控制中心与受控设备的弱电信号经过脉冲传送器处理后，在电力线上传送，到接收端再经传送器处理，转为常规弱电信号；图一(B)里是在现代家庭，公寓大楼的一种智能管理***。信号和电源一道从插座取得。脉冲传送器被设计成小巧的器件，安在插座上，亦可直接取代插座位置，永久固定在墙上。这种智能管理器通过简便的用户编程，令家用电器提供24小时定时开/关等智能服务。

图二为脉冲信号的传送位置说明图。图二(A)表示了信号在电压周波中的分布范围，图二(A)的上部为分布在低压区里的电压跳变信号，脉冲高度都是2A(V)，符号L、H分别指示低压区和高压区。图的中部是时钟序列，序列长度与半周期一致，每个序列都以电压0V为起点。信号网内各个网点的内部时钟***之间，由于从分频到计数都用过0(V)脉冲作计数器的复位信号，频率又相同，所以各网点的时钟同步。图中只画出其中两个网点的时钟，数字“0123”表示时钟脉冲编号方向，J、K为高压区起、止点，也是高压阻断时间控制点。图二(A)的下部表明了载频脉冲载入信号的分布范围，不受高低压区的限止。图二(B)表示了时钟脉冲(a)，计算机定位脉冲(b)和信号脉冲(c,d)之间的时序关系和它们的形态；其中(c)为电压跳变信号(虚线是整流、分离得到的单个半波)，(d)为载频载入信号；该组信号传达了“101”的数据信息(e)。

图三为信号发送单元电原理图，上部的图表示了在低压区里，脉冲电源电压(2A)高于回路电压(0-AV)，形成了脉冲电源对回路进行脉冲式放电的电压条件。左图表明在正半周用正脉冲电源供电产生正脉冲，右图是负半周用负脉冲电源供电产生负脉冲。脉冲电源通过频率特性优良的开关电路注入电力线，图中用三极管T代表一个开关电路。开关的控制信号即定位脉冲，由计算机提供，经光电耦合器加到开关电路控制端上。图三下部是脉冲发送单元电原理图，虚线框内是高压阻断电路的原理图。

图四为信号脉冲接收和抗干扰单元电原理图。回路电压经过阻断电路后，其正弦波形的高压段降为0V，整流后的电力线电压信号幅度只有0-A(V)，但其中的信号脉冲电平高度达2A(V)左右。本单元对信号电平的识别第一步是电平比较，考虑到信号在电力线上的衰减，将信号脉冲的鉴别值降到1.7A(V)。图中从比较器A1输出的是电力线上所有达到和超过脉冲信号高电平标准的电压信号。接下来电路用接收窗口在定位脉冲控制下同步检出信号脉冲，图中用一个与门I2模拟选通电路来检出信号，窗口的开通时间由选通脉冲a(定位脉冲)控制。如果没有干扰，与门I2的输出即可送计算机进行信号处理。

图四中有三个与门用于接收信号和处理干扰：与门I2的d端为信号接收端，与门I3的e端为宽大型干扰检测端，与门I1的c端为超高型干扰检测端。与门I3构成检查宽大型干扰脉冲的付接收窗口，窗口开通时间和宽度由选通脉冲b控制，选通脉冲b与a宽度相等，但两者在时钟脉冲序列中的位置是前后相邻。所以当与门I2的输出端d收到高电平信号、与门I3输出端e也得到高电平时，按存在宽大型干扰处理，将d端信号作废重发。检测超高型干扰的电路是先用比较器A2以2.3A(V)为比较值从低压区检出全部超过正常电平高度的信号，再用与门I1和窗口选通脉冲a进一步检查在接收窗口开放时间内有没有超高电平信号。当信号接收端d为高电平，与门I1的超高型干扰检测端c也为高电平时，按存在超高型干扰处理，信号重发。

图五是脉冲传送器的电路结构框图。图中表示该传送器连接在A相电源回路，电源进入***后一路去内部电源，一路去零电压检测单元，获得过零脉冲后送分频和计数单元，该单元可在计算机内，亦可外置。第三路电源进高电压阻断电路，该电路是个低压通道，信号脉冲的发送和接收都经此通道。计算机是***的核心，它要按照时钟脉冲序列中的定位数据进行时间控制，更要承担信息处理任务。

本发明为挖掘电力线的通讯资源、开发新一代控制器材，提供新的技术途径，为计算机技术打开了又一应用领域；本发明在野外、矿山和农田的设备集中管理，现代家庭家电的智能化管理等方面，能够显示独特的应用价值。

Claims (5)

1、一种在电力线上利用时钟脉冲定位传送脉冲信号的方法，其特征在于：

a．利用电力线的单相回路传送脉冲信号；

b．用电力线传送的脉冲信号在交变电压周波内的设定位置上进行发送和接收，发送和接收位置用内部时钟脉冲定位，计算机控制；

c．利用检测电力线电流方向转折点、即检测交变电压0V得到的过0(V)脉冲作为时钟脉冲计数器的复位信号，并用于电力线信号网内部时钟的同步；

d．脉冲信号的发送和接收在内部定位脉冲控制下同步进行；

2、按照权利要求1所述的方法，其特征为用电力线传送的脉冲信号是一种电压跳变信号；

3、按照权利要求1所述的方法，其特征为用电力线传送的脉冲信号，是高频载波脉冲式载入的载波“片段“；

4、按照权利要求1所述的方法，其特征为利用电力线交变电压半周内两端0V附近的低电压区段传送一个或多个脉冲信号；

5、按照权利要求1所述的方法，其特征为信号网中的每个网点需要通过一个脉冲传送器与电力线作信号连接，信号转换和信号传送。

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