CN102194310B - 分割电力输送区间传输数据信号的电力线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力线通信方法，其特征在于，将传输电力和数据信号的整个区间分割成电力输送区间和数据传输区间，在所述分割的区间中承载并传输1个或多个数据信号。

Description

分割电力输送区间传输数据信号的电力线通信方法

技术领域

本发明涉及一种电力线通信方法，其分割电力输送区间并传输数据信号。尤其涉及将输送电力和数据信号的整个区间分割成电力输送区间和数据传输区间，以分割区间传输电力或数据信号的电力线通信方法。

背景技术

一般地，电力线是用于电力输送的设施，其主要目的是用以提供电力。在这些电力线中的电压上重叠数据信号进行传输的技术就是电力线通信。

图1是图示现有的电力线通信方式的原理的波形图。

如图1所示，现有的电力线通信采用在具有额定频率(例如，有些国家用60Hz，50Hz)的高交流电压上重叠具有数KHz至数MHz的高频率的、低电压的数据信号进行传输的方式。利用交流电力线的电力线通信具有诸如以下弊端，即在交流电网内通过使电压上升或下降的变压器传输通信数据信号时引起数据信号的衰减。其中，最大的问题之一在于，连接于电力线的负载电气装置中发生的电气杂音信号影响通信数据信号从而引发通信数据的误差。

最近，随着电力用半导体技术的发展，快速地开/关(ON/OFF)切换电压的电力电路得以广泛地应用到电气产品，而切换电压的过程中发生的电气杂音在电力线通信时影响具有低电压的通信数据信号，加深了所述的弊端。

在一定区域内设有直流电网时，通过直流电力线进行电力线通信，这与通过交流电力线的电力线通信方式类似，采用一种在直流电压上重叠数KHz至数MHz的高频率的、具有低电压的通信数据信号进行传输的方式。

与利用交流电力线相比，直流电力线通信不使用变压器，因此不存在通过变压器时通信数据信号衰减的问题，但是连接于直流电力线的负载电气装置所产生的电气杂音对通信数据信号产生与如上所述相同的问题，因此无法有效得到应用。电气杂音的电压大小对低电压的通信数据信号产生影响，因此如果将数据信号的电压调整为大于电气杂音以便减少电气杂音的影响，就会改变供给的电力量，因此也受到限制。所以现有的电力线通信方式不管使用交流电力线还是直流电力线，负载电气装置中所产生的电气杂音都会影响数据信号而导致传输数据的流失。

发明内容

本发明的目的在于，为了使电力线通信数据信号不受负载电气装置产生的电气杂音的影响，提供一种以如下内容为特征的电力线通信方法。其特征在于：从电源控制并提供电力给负载侧的脉冲宽度调制方式或脉冲周期调制方式中，将传输电力和数据的整个区间分割成向负载侧输送电力的电力输送区间和切断从电源提供给负载侧的电力的数据传输区间，分割电力输送区间并传输数据信号，使所述电力输送区间在切断电力或电压为“低(Low)”的区间传输数据信号，以使电力输送时产生的杂音的影响最小化。

采用该方式既可以使从电源提供给负载侧的电力不发生变化，同时也可以提高数据信号的电压大小，使其不受电气杂音的影响。

根据本发明的一个特征，从电源控制并输送电力给一个或多个负载侧的脉冲宽度调制方式或脉冲周期调制调制方式中，将电力线输送区间分割成提供电力给负载侧的电力输送区间和切断从电源输送给负载侧的电力的数据传输区间，在所述分割的区间中数据传输区间可以承载并传输1个或多个数据信号。

另外，根据本发明的电力线通信方法，其另一特征在于，对传输到所述电力输送区间的电力或传输到所述数据传输区间的数据信号的送信电力进行控制，使得从电源提供给负载侧的平均电力在一个周期或多个周期内维持一定水准。

另外，根据本发明的电力线通信方法，其另一特征在于，所述数据传输区间中传输的1个或多个数据信号的大小小于负载侧的平滑化电压的大小。

另外，根据本发明的电力线通信方法，其另一特征在于，电源和负载的连接被切断的电压为低(Low)的区间中传输的1个或多个数据信号的大小大于负载侧的平滑化电压的大小时，控制送信电力，使得从包含数据信号的电源提供给负载侧的平均电力在1个周期或多个周期内维持一定水准。

另外，根据本发明的电力线通信方法，其另一特征在于，改变并控制从电源向负载侧供给的平均电力的大小。

另外，根据本发明的电力线通信方法，其另一特征在于，从电源控制并输送电力给一个或多个负载侧的脉冲宽度调制方式或脉冲周期调制方式中，将电力线输送区间分割成提供电力给负载侧的电力输送区间和切断从电源提供给负载侧的电力的数据传输区间，在所述分割的区间中数据传输区间承载1个或多个数据信号在负载侧相互之间进行传输。

本发明的实施例中，将对驱动负载而供给的电力和数据进行传输的整个电力输送区间分割成电力输送区间和数据传输区间，在切断电力或电压为“低(Low)”的区间中承载并传输数据信号，以使向负载侧供给的平均电力不发生变化，同时可以提高数据信号的电压大小，并降低由电气杂音产生的数据信号传输错误。

另外，根据本发明的电力线通信方法不同于现有方式，采用的脉冲宽度调制方式或脉冲周期调制方式，因此具有可以改变并控制供给到负载的电力的效果。

另外，脉冲调制方式的切换频率提高到数十KHz，与现有方式相比，数据传输区间可以更快地进行重复，从而可以拥有更快的数据传输周期，因此可适用于诸如马达控制系统等的需要实时控制的领域。

另外，可以利用脉冲宽度或脉冲周期调制方式传输电力及数据信号，因此在收发数据信号时，具有同步过程非常简单的效果。

附图说明

图1示出了现有的电力线通信的波形图；

图2示出了使用一般的脉冲宽度调制方式向负载侧输送电力的电路；

图3示出了一般的脉冲宽度调制方式的波形及输送到负载侧的电压的波形；

图4示出了根据本发明的第一实施例的电路结构，其用于说明分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法；

图5示出了包含根据本发明第一实施例的通信数据信号的电压波形，所述第一实施例为分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法；

图6示出了根据本发明的第二实施例的电路结构，所述第二实施例用于说明分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法；

图7示出了包含根据本发明第二实施例的通信数据信号的电压波形，所述第二实施例为分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法；

图8示出了根据本发明的第三实施例的电路结构，其用于说明分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法；

图9示出了根据本发明的第三实施例中不包含通信数据信号的电压波形，所述第三实施例为分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法；

图10示出了根据本发明的第三实施例中包含通信数据信号的电压波形，所述第三实施例为分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法；

图11示出了用于说明根据本发明的第二实施例中负载相互间电力线通信的电路结构，所述第二实施例为分割电力输送区间并传输数据信号的电力线传输方法。

具体实施方式

可以对本发明进行变更并可具有多种实施例，特定实施例如图所示，以下将对其进行详细的说明。但是，应该理解，这些不用于将本发明限定为特定实施形态，而本发明包括包含在本发明的思想及技术范围的所有变形、均等物甚至替代物。

下面参照附图详细说明根据本发明实施例，即，对分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法进行详细说明，对于与附图符号无关地相同或对应的组成要素赋予相同的参考号，并省略对此的重复说明。

图2示出了采用一般的脉冲宽度调制方式向负载侧输送电力的电路。图3示出了一般的脉冲宽度调制方式的波形及向负载侧传达的电压波形。

如图2及图3所示，从直流电源200生成的直流电压Vdc根据脉冲宽度调制控制部220的控制信号切换半导体切换组件210，并将脉冲电压传达到负载侧。

传送到负载侧的电压V_L根据半导体切换组件210的开/关(ON/OFF)区间，在所述脉冲电压的平均电压Vavg上产生微小的增减，并向负载电阻270传送。

本发明中向负载侧传送的电力可使用一般的正弦波，也可以使用利用脉冲宽度调制方式或脉冲周期调制方式生成的调幅波，还可以使用电源的电压或电流为直流或交流或直流和交流混合的电压或电流。

图4图示了根据本发明的第一实施例的电路结构，其用于说明分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法。图5图示了根据本发明的第一实施例中包含通信数据信号的电压波形，所述第一实施例为分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法。

如图4所示，根据本发明的第一实施例，用于说明分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法的电路包括电源侧电路和负载侧电路。

电源侧电路包括半导体切换组件401和控制及送信部402，所述半导体切换组件401用于切换连接或切断直流电源400和电力线420，所述控制及送信部402用于以脉冲宽度调制方式控制半导体切换组件401。

负载侧电路，包括：二极管410，用于连接在电力线420以从直流电源400提供电流给负载侧并防止逆向电流；低通滤波器，其包括连接二极管410阴极端以对电压进行平滑的电感器412和电容器412；电源部414，其连接于低通滤波器输出端的电气装置；续流二极管411，用于连接于二极管410的阴极端和负载电气装置的电源部414的接地之间，以使电流续流；电气装置控制部416，用于连接于二极管410的阳极端和负载电气装置的电源部的接地之间的收信部415及从收信部415接收通信数据信号以控制电气装置；负载侧电路的收信部415从负载侧传达的电压信号接收通信数据。

如图5所示的电压波形是在未通过利用负载侧的电感器412和电容器413的低通滤波器之前的、检测Vout端的波形。根据本发明的第一实施例的、分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法是一种在脉冲电压的周期T中，在脉冲电压为“低(Low)”的区间中，在“ton2”区间内，将半导体切换组件401切换成“开(ON)”，以使传达数据信号“1”向负载侧传达的方法。

所述情况下，数据信号为“0”时，在“toff3”区间内，半导体切换组件401保持“关(OFF)”状态。

根据本发明的电力线通信方法是一种如下的传输方法：将从电源提供电力和数据信号给负载侧的整个区间分割成电力输送区间和数据传输区间，并在分割的区间中切断电力的数据传输区间承载并传输1个或多个数据信号。所述方法中，向负载侧供给的电力的平均值或实效值保持不变。

向负载侧供给的电力的平均值意味着一个周期内供给的电压或电流积分并除以周期T的值。因此，在图5中，进行控制使得ton1和ton2时间之和等于ton3，则面积S1和面积S2之和将等于S3，由此不管承载数据信号为“1”期间还是承载数据信号为“0”的期间，向负载侧平均传达的平均电压可以维持一定水准。

根据本发明的第一实施例中，在一个周期内只传输一个数据信号，但是也可以在一个周期内承载并传输多个数据信号。并且，可以以相同的方法，在不为一个周期的多个周期内，可以进行控制使得对向负载侧传送的平均值或实效值保持一定水准，并进行电力线通信。

图6图示了根据本发明的第二实施例的电路结构，其用于说明分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法。图7图示了根据本发明的第二实施例中包括通信数据信号的电压波形，所述第二实施例为其分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法。

如图6所示，根据本发明的第二实施例的电路包括电源侧电路和负载侧电路，所述第二实施例用于说明分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法。

电源侧电路包括：直流电源600；半导体切换组件601；控制部电源602；脉冲宽度调制控制部603及电力线通信部604。

控制部电源602向电力线通信部604和脉冲宽度调制控制部603供给电源，脉冲宽度调制控制部603控制半导体切换组件601的开/关(ON/OFF)使得从直流电源600供给的电源或电流波形的幅度变化。

电力线通信部604与脉冲宽度调制控制部603相连接，并在电力线620收发电力线通信信号。

负载侧电路包括：二极管610；续流二极管611；电感器612；电容器613；电气装置电源部614；电力线通信部615及电气装置控制部616。

二极管610与电力线620连接，并将从电源供给的电力向负载侧传达，并防止电流逆向流动，由包括电感器612和电容器613的低通滤波器连接于二极管610的阴极端，使得电压平滑化。

电气装置电源部614连接于低通滤波器的输出端，续流二极管611连接于二极管610的阴极端和负载电气装置电源部614的接地之间，使得电流环流。

电力线通信部615连接于二极管610阳极端和负载电气装置的电源部614的接地之间，电气装置控制部616接收通过电力线通信部615发送的数据，以控制电气装置。

在图6的电路中，通过半导体切换组件601切换直流电源600时，一个周期T期间切断电力的区间toff是电力线620与电源侧直流电源600Vdc分离，为了在电力线620承载通信数据，电力线通信部604中将多个数据信号以如下方式承载比并传输在电力线620上：将toff时间分割成一定的间隔，在各区间中在数据信号为“1”时，施加Vsig电压，为“0”时不施加Vsig电压。

如图7所示，切断电力的数据传输区间toff分割成10个区间，第一个区间和最后一个区间留着用于防止杂音的冗余区间，通过在第2至第9区间施加Vsig电压以传输数据信号“1”且切断Vsig电压以传输数据信号“0”的方式传输数据信号。

可以以多种方法和周期分割数据传输区间toff，假如数据信号的大小Vsig小于负载侧的平滑化电压V_L，则根据数据信号的电流不会流到负载侧。

即，Vsig电压在小于负载侧的平滑化电压的范围内可以具备任意大的电压值，由此可以减小来自电力线上的电气杂音的影响，而且不会影响供给到负载侧的电力量。

并且，Vsig电压大于平滑化电压的情况下，可以进行控制，使得在一个周期中数据信号波形的面积之和与电力输送电压的ton期间的面积之和保持一定，则可使供给的电压平均值或实效值保持不变的情况下进行电力线通信。

传输的数据信号的波形出现在利用负载侧电感器612和电容器613的低通滤波器之前的Vout端，因此可以将用于接收该数据的负载侧的电力线通信部615连接到Vout端，以接收数据信号。并且，电力线通信部615接收的通信数据是通过电气装置控制部616接收并控制电气装置。

通过上面说明的方式，可以从电源侧向负载侧传输通信数据，也可以在切断电源侧供给电力(电压或电流)的数据传输区间toff内，逆向从负载侧向电源侧传输数据，因此，可以利用电力线实现双方向收发数据信号。

即，可以利用切断电力的数据传输区间，从负载侧向电源侧传输电气装置状态信息等。并且，利用切断电力的数据传输区间，连接于电力线上的多个负载之间也可以互相收发信息。

如上说明地，在图4及图6中，以脉冲周期调制方式替代脉冲宽度调制方式时，也存在电压或电流为低(Low)的区间或切断电力的区间，因此可以完全应用本发明的原理。

并且，在应用于逆变器的正炫脉冲宽度调制方式中，也存在电压或电流为低(Low)的区间，因此也可以完全应用本发明的原理。

并且，脉冲调制方式的切换频率高到数十KHz，数据传输区间比现有方式更快地进行重复，具有较快的数据传输周期，因此也可以适用于像马达控制系统等需要实时控制的领域。

并且，由于采用脉冲宽度调制方式或脉冲周期调制方式，因此本发明电力线通信方法具有可以改变并控制供给到负载的电力的效果。

并且，根据本发明的电力线通信方法还可以在负载侧相互之间收发数据。图11图示了根据本发明的第二实施例中用于说明负载间电力线通信的电路结构，所述第二实施例是分割电力输送区间并传输数据信号的电力线传输方法。图11是图6的电力线添加1个负载而并列连接的情况，并列连接的负载可以数量不限地添加到电力线。此时，负载之间也可以在所述电源向负载侧切断电力的数据传输区间中，负载1和负载2相互之间通过电力线以如上所述的方式收发数据信号。

图8图示了根据本发明的第三实施例的电路结构，所述第三实施例用于说明分割电力并传输区间传输数据信号的电力线通信方法。图9图示了根据本发明的第三实施例中不包含通信数据信号的电压波形，所述第三实施例是分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法。图10图示了根据本发明的第三实施例中包含通信数据信号的电压波形，所述第三实施例是分割电力输送区间并传输数据信号的电力线通信方法。

如图8所示，根据本发明的第三实施例的电路结构与图6所示的第二实施例的电路结构类似，所述第三实施例是分割电力输送区间传输数据信号的电力线通信方法。两种电路差异在于，控制交流电的半导体装置801代替了电源侧电路的半导体切换组件601，整流电路810代替了负载侧电路的二极管610及续流二极管611。

还具有差异，如：控制交流电的半导体切换组件801将交流电源800连接或切断于电力线820，整流电路810连接于电力线820，从交流电源800提供直流电压给负载侧的电气装置。

如图9所示，在数据传输区间的1个周期T内，在电压为“低(Low)”的区间toff，切断电力线与电源侧交流电源800的连接。

在数据传输区间toff内，为了在电力线上承载数据信号，电力线通信部804如图10所示将数据传输区间toff分割成一定间隔，通过在数据信号为“1”时施加Vsig电压、数据信号为“0”时不施加Vsig电压的方式，将多个数据信号承载并传输在电力线820上。

如图10所示，将数据传输区间toff等分为10个区间，第一个区间和最后一个区间留作防止杂音的冗余区间，在第二至第九区间传输数据信号。在此，数据传输区间toff可分为多种数量和周期。

数据信号的大小Vsig小于负载侧的平滑化电压V_L时，数据信号的电流不会流到负载侧，因此数据信号的大小Vsig在小于负载侧的平滑化电压范围内，可以具备任意大的电压值，使得可以减小受到电力线上的电气杂音的影响，而且还不会影响供给到负载侧的电力量。

因此，可以在现有电路上在维持以脉冲宽度调制方式供给的电压平均值或实效值的情况下进行电力线通信。

如图8所示，负载侧在传输的数据信号的波形通过负载侧的整流电路810之前的Vout端，通过用于接收该数据的电力线通信部813接收通信数据。

从电力线通信部813收信的通信数据接收于电气装置控制部814来控制电气装置。

通过上面所述方式，可以从电源侧向负载侧传输通信数据，也可以以相同的方式在电压为“低(Low)”的区间toff从负载侧向电源侧传输数据，因此可以实现利用电力线双向收发数据。并且，还可以利用切断电力的数据传输区间，使得连接于电力线的多个负载之间也可以相互收发数据。

虽然对本发明实施例进行了详细说明，但本发明的权利范围没有局限于此，利用权利要求书中所定义的本发明基本概念的本领域技术人员进行的变形和改良均包含于本发明的权利范围。

Claims (4)

1.一种电力线通信方法，其中：

从电源控制并提供电力给1个或多个负载侧的脉冲宽度调制方式或脉冲周期调制方式中，将电力线输送区间分割成将电力提供给负载侧的电力输送区间和切断从电源输送给负载侧的电力的数据传输区间，在所述分割的区间中数据传输区间承载并传输1个或多个数据信号，其中，对传输到所述电力传输区间的电力或传输到所述数据传输区间的数据信号的传输电力进行控制，使得从电源供给到负载侧的电力均值在一个周期或多个周期内维持一定水准，在数据传输区间中传输的一个或多个数据信号的大小大于负载侧平滑电压的大小时，控制传输电力，使得从包含数据信号的电源提供给负载侧的电力均值在一个周期或多个周期内维持一定水准；

电源侧电路包括直流电源、半导体切换组件、控制部电源、脉冲宽度调制控制部及电力线通信部；

控制部电源向电力线通信部和脉冲宽度调制控制部供给电源，脉冲宽度调制控制部控制半导体切换组件的开／关使得从直流电源供给的电源或电流波形的幅度变化；

电力线通信部与脉冲宽度调制控制部相连接，并在电力线收发电力线通信信号；

负载侧电路包括二极管、续流二极管、低通滤波器、电气装置电源部、电力线通信部及电气装置控制部；

二极管与电力线连接，并将从电源供给的电力向负载侧传达，并防止电流逆向流动，低通滤波器连接于二极管的阴极端，使得电压平滑化；

电气装置电源部连接于低通滤波器的输出端，续流二极管连接于二极管的阴极端和负载电气装置电源部的接地之间，使得电流环流；

电力线通信部连接于二极管阳极端和负载电气装置的电源部的接地之间，电气装置控制部接收通过电力线通信部发送的数据，以控制电气装置。

2.根据权利要求1所述的电力线通信方法，其特征在于：

传输到所述数据传输区间的1个或多个数据信号的大小小于负载侧的平滑电压的大小。

3.如权利要求1所述的电力线通信方法，其特征在于：

从电源提供给负载侧的电力均值的大小进行改变并进行控制。

4.一种电力线通信方法，其特征在于：

从电源控制并提供电力给1个或多个负载侧的脉冲宽度调制方式或脉冲周期调制方式中，将电力线输送区间分割成将电力向负载侧供给的电力输送区间和切断从电源提供给负载侧的电力的数据传输区间，在所述分割的区间中数据传输区间承载一个或多个数据信号并在电源和负载侧相互间进行传输，其中，对传输到所述电力传输区间的电力或传输到所述数据传输区间的数据信号的传输电力进行控制，使得从电源供给到负载侧的电力均值在一个周期或多个周期内维持一定水准，在数据传输区间中传输的一个或多个数据信号的大小大于负载侧平滑电压的大小时，控制传输电力，使得从包含数据信号的电源提供给负载侧的电力均值在一个周期或多个周期内维持一定水准；

电源侧电路包括直流电源、半导体切换组件、控制部电源、脉冲宽度调制控制部及电力线通信部；

控制部电源向电力线通信部和脉冲宽度调制控制部供给电源，脉冲宽度调制控制部控制半导体切换组件的开／关使得从直流电源供给的电源或电流波形的幅度变化；

电力线通信部与脉冲宽度调制控制部相连接，并在电力线收发电力线通信信号；

负载侧电路包括二极管、续流二极管、低通滤波器、电气装置电源部、电力线通信部及电气装置控制部；

二极管与电力线连接，并将从电源供给的电力向负载侧传达，并防止电流逆向流动，低通滤波器连接于二极管的阴极端，使得电压平滑化；

电气装置电源部连接于低通滤波器的输出端，续流二极管连接于二极管的阴极端和负载电气装置电源部的接地之间，使得电流环流；

电力线通信部连接于二极管阳极端和负载电气装置的电源部的接地之间，电气装置控制部接收通过电力线通信部发送的数据，以控制电气装置。