CN1044185C - 应用脉动信号的电路上的电能负载控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明装置接收包含脉动信号、输入端口状态及时钟状态的输入并根据其中信息而工作。该装置包括：含有算法程序编码的脉动信号接收装置；变信号为数字形式的装置；用某种方式对一个或多个输出端口进行操作的微型控制装置，其工作方式可根据接收输入信息从一组可编程项中选择；其中每个输出端口可作为其它外围设备的接口。该装置可操纵负载控制设备并可与其它负载控制设备一起用于供电网或工业电网、民用或商用成套设备。

Description

应用脉动信号的电路上的电能负载控制装置
本发明涉及用于接收脉动信号(脉动信号是向电力传输系统注入的、代表某种信息的音频信号，通常其频率范围在50Hz～1500Hz之间)、将该信号转换成数字信号并利用这些信号的装置。本发明涉及一种接收装置，该装置可以对所接收的特定脉动信号进行解码，这些信号使得该装置以传统脉动接收机的方式而工作，同时也允许该装置以其它一些附加的方式而工作。
传统脉动控制已经被应用于通过动力传输系统(本发明即为电力传输系统)从动力源向负载传输信息以便对该负载进行遥控。最为普通的应用是控制热水供暖系统。
目前，脉动信号接收机局限于直接控制应用，其中它们对预定信号进行识别并执行预定的功能。它们不能识别多于一个输入或执行多于一项或一组基于输入中信息的功能。另外，信号识别与输出功能参数在生产制造时被限定或设定，从而每个接收机均为某种特定的应用而设计和制造。
目前可供使用的接收机还以传统的方式与建筑物或住宅的主配电板相连，由该配电板，某种专用电路与该接收机所进行控制的电气设备相连。另外，目前可供使用的接收机不能对脉动信号进行解码并向其它设备传输含于信号中的信息。
EP0159896公开了一种脉动控制系统，其中接收机使用一对相互之间具有90°相差的同步滤波器以抑制不需要的信号。该发明的重点在于获得窄带模拟滤波以便能识别可能包含多个频率的预定编码。而后，该接收机执行预定的功能。
已知还有其它的脉动接收机，其中包括Aust 26102/71和Aust 45281/79。然而，那些接收机专门用于接收特定的脉动信号并根据该编码而执行一种或一组预定的功能。
NZ 211797、NZ 216945和NZ 172898公开了关于脉动接收机中对所需脉动信号进行模拟或数字滤波的发明。这些发明强调对所需脉动信号的滤波，而并未公开关于对依赖于一个或多个接收脉动信号的输出功能进行选择。
本发明的目的在于提供数字脉动接收装置，它可在耗电位置与各个电气设备或负载一同使用。本发明的另一个目的在于提供可编程以便识别任何已知脉动信号编码系统的装置。本发明的再一个目的在于提供可根据接收脉动信号中任意给定输入信息而执行各种输出功能的装置。
为了上述这些目的，定义脉动信号包含通过供电局、建筑物内或工业、民用或商用成套设备中的电网以不同于电力干线频率的频率而传输的信息。该信息可用“电报”的形式(即特定长度的信息或指令，例如50比特系统)和/或可包含给信号接收装置的指令、用于控制脉动接收机电路的信息或任何可在脉动信号中传输或被接收的其它信息。该信号频率应优选在50Hz-2000Hz的范围内。
本发明提供了一种应用脉动信号的电路上的电能负载控制装置，它用于接收一个或多个包括脉动信号在内的输入并根据其中所含信息运作来控制一电路中的电能负载，所述装置包括：用于接收所述脉动信号的装置；一信号模拟/数字的变换器，所述变换器与微型控制装置合作运行；一个或多个串行通讯端口；其特征在于：所述信号经过数字式带通滤波；所述微型控制装置能够以一种方式对多个输出端口中一个或多个起作用，其作用方式可从一组可编程序中进行选取，所述选取取决于包含在所述接收输入中的信息，其中每个输出端口可作为其它外围设备的接口。
用于接收脉动信号的该装置最好包括输入电容、衰减器、干线陷波滤波器和低通滤波器。模拟/数字变换器最好将信号模拟电压转换成8位数字信号。
与该装置相连的其它外周设备可包括电气设备、另外的电气或电子线路、向脉动信号源返回脉动信号或某种其它信号的电路中的任一种，或包括其它可以由电气输入进行控制的其它设备。
最好有8个单比特端口可以被定义为输入，输出或零(未使用)。与该端口相接的设备将决定该端口的特性。因此可以有一个或多个串行通讯端口。
同样，该装置最好包含实时时钟和储能装置，以便在电源中断或断路的情况下维持该时钟的工作。该时钟也可以同微型控制装置相连。
下面结合附图详细地说明本发明的优选方案。
图1为本发明装置电气电路的设计示意图。
如图1所示，含于或接于(举例而言)热水泵筒的脉动装置2检测正常干线信号上外加脉动信号的存在。例如，在新西兰，干线信号的频率为50Hz。通常，脉动信号的额定电压电平为干线电压(1.2Vrms)的0.55％。
输入电容14提供由干线输入信号电压到适当工作电压的低损耗电压降。衰减器13进一步减小该输入信号以便使电平适合于干线陷波滤波器3所使用的信号。干线陷波滤波器3对50Hz干线频率提供高衰减以便使来自该50Hz信号的干线陷波滤波器3的输出信号与载于其上的脉动信号电平处于相同的数量级。该信号通过低通滤波器4，该滤波器对最高所需脉动频率以上的信号频率进行衰减。这给出了抗混淆功能(为了减小任何来自过慢信号取样并因此而在模拟/数字变换器5中得到错误结果的影响)。低通滤波器4的主要作用是滤除干线频率的高次谐波。
来自低通滤波器4的信号被馈至变换器5。变换器5由微型控制器8进行控制。变换器5测量模拟信号的电平并将其变换为8位数字信号。
包含图中未画出整流器、平滑电容和稳压器的电源6为电路提供动力。检波电路7对馈至电源6中稳压器输入端的电源电压进行监测。若电路中电压低于预定的预置电压，则故障电路7向微型控制器8发送信号。如果微型控制器8收到这样的信号，它执行预定的操作将该装置2当时的状态存储于永久存储区10中。输入/输出端口9通过已知类型的继电器和开关将装置2与外部设备(图中未画出)相连。
如果需要的话，实时时钟11可以包含于该装置2中。时钟11可以被微型控制器8访问以确定是否应执行某种特定或任何与时间相关的功能。串行端口12可用于向永久存储区10传送数据和/或用于从装置2输出数据函数。
微型控制器8包括用于控制变换器5和在确切时刻读取变换器5输入信号取样的脉动接收机算法程序编码。微型控制器8还包括根据由脉动信号决定或包含于脉动信号之中的触发脉冲而定义通过端口9接于装置2外部设备操作的布局图操作指令。
该布局图(图中未画出)包含至多16个触发脉冲表列、至多16种功能表列和一个矩阵。该矩阵列出了沿Y轴的触发脉冲和沿X轴的8个端口9以及单元。如果功能与端口9的类型相容，则可从预定功能表列中选取该功能并将其置于该矩阵的任一个或多个单元之中。这样，就限定了对给定触发脉冲信号所要进行的操作。不需要将所有的单元均填满。空单元表示无需在相应端口9处根据与该行(或端口9)相关的触发脉冲情形而改变当前的功能操作。
触发脉冲可以是下列任意一种，或它们之中的某种组合：
·脉动电报，以数字的形式，可与任何输入脉动信号或电报相比较；
·定时触发脉冲，该触发脉冲可以包含以日、周、时、分或秒及其组合形式的时间。这只能用于装置2中存在时钟11的情形；
·时间范围触发脉冲，它可在包括日、周和时的两时间之间定义包含时间范围。这种选择只能用于装置2中存在时钟11的情形；
·暂停触发脉冲。可使用计时器对可编程时间进行倒计数且当计数为零时产生触发脉冲。对每个端口9只能有一个选择的触发脉冲；
·检查时钟11的触发脉冲；
·仅当装置2起动时而作用的触发脉冲；以及
·输入端状态触发脉冲。
以下为可能的功能：
·“导通”功能，用以将相关端口9接通；
·“关断”功能，用以将相关端口9关断；
·脉冲功能，用以在可编程时间期间接通相关端口9，而后将其关断。该功能可包含同样可编程的延迟时间。该功能只能与输出端口9相关联；
·周期功能，它使相关端口9经历通断周期并以可编程次数重复该周期。该功能还可以从起动时进行可编程延迟，或可在一组同样可编程的时间期间内执行；
·重复功能，用以通过输出端口9产生包含接收脉动电极的数据包；
·用于复位时钟11或将其设定为可编程时间的功能；以及
·用于通过串行端口12输出时钟11时间的功能。
因此，装置2可进行编程以便在收到来自微型控制器8的特定信号时对一种电气设备(图中未画出)进行操作。装置2还可用作复合逻辑单元，即它可用作具有特殊功能的可编程单元而无需脉动信号输入作为指令。
用于控制变换器5和在确切时间读取输入信号取样的脉动接收机算法程序编码基于利用离散傅里叶变换的算法。该变换实现固定频率下具有sin(x)/x响应的带通滤波器。该频率依赖于变换器5的取样率。该算法使用两个累加器(实数的与虚数的)。
实数累加器为各个取样与取样频率角正弦乘积之和。虚数累加器为各个取样与取样频率相位余弦乘积之和。如果使用4倍于所需频率(4dft)的取样频率，则应在0°、90°、180°和270°处进行取样。这些角度的正弦和余弦为1、0或-1。因此，该算法简化为如下规则：
·对0°取样，将读自变换器5的值加入实数累加器；
·对90°取样，将读自变换器5的值加入虚数累加器；
·对180°取样，将读自变换器5的值从实数累加器中减去；以及
·对270°取样，将读自变换器5的值从虚数累加器中减去。
如果取样率为8倍所需频率(8dft)，则应在实数和虚数累加器中加上或减去附加取样0.707。8dft取样对于发生在50Hz干线信号的混淆频率而言具有较好的响应，但它具有其它的缺陷。
取样总时间决定了滤波器的带宽一取样点越多则滤波器带宽越窄。实践中已经发现，最有利的滤波取样率为500Hz以上用4dft，而500Hz以下用8dft。这使得混淆问题的减小最为显著。
由于必须以高于每500msec的频率对信号功率进行测定，所以取样数据被存储于“先进先出”累加器队列之中(图中未画出)。这样，可以通过对累加器队列进行求和并按常规处理平方和而得到对所需信号功率的度量。
为了从脉动信号中去除干线频率分量及其谐波，实践中已经发现，必须使总取样时间为干线频率倒数的倍数。因此，如果干线频率为50Hz，则取样时间必须为20msec的倍数。
可对信号进行取样的次数将依赖于微型控制器8中计时器的能力。实践中已经发现，以2μsec增量工作的计时器是适合的。
为减小相邻所需频率之间的阶跃幅度，取样之间的时间以尽可能规则的模式选择为每4个或8个取样t和t+2μsec，究竟是每4个还是8个则依赖于所编程的是4点还是8点dft，这样，对微型控制器(以2μsec增量工作)可选择2μsec增量的频率。
算法中的上述这些变量可全部以程序编入8位微型控制器8之中。同样，如果需要的话，所有变量均可进行重新编程。因此，一旦装置2的安装特性确定或安装完毕之后，所有的变量就可以确定了。如果需要的话，可以使用16位微型控制器。
上述装置2的说明是参考由脉动信号中输入触发脉冲信号的操作而进行的。该触发脉冲可以取脉冲电报的形式。含于该电报中的信息可以是任何形式、可插入该电报中的信息。例如，该信息可以是电力收费率。该触发脉冲可以被编程，以便只有当该收费率降至低于某个预定数值时才对接于相关输出端口9上的装置2进行操作。该电报中的信息可以是有待与预定时间相比较的时间。该信息可以是其它商品(如燃气)的价格，以触发装置2对其它设备或系统(如以燃气驱动的系统或设备等)进行操作。该触发脉冲还可包括任选因子，以便可随意地将某种类型的设备接通或关断。
因此，应当认识到装置2或一组装置2可用于任意尺寸能源网络的间接负载控制。尽管对装置2所进行的说明是参考50Hz电力干线系统而进行的，但应当认识到经过适当的改进该装置2可用于具有另外频率的系统。
串行端口12可用于从装置2向另外的设备输出数据。因此，装置2还可用作转发器。

Claims (24)

1．一种应用脉动信号的电路上的电能负载控制装置(2)，用于接收一个或多个包括脉动信号在内的输入并根据其中所含信息运作来控制一电路中的电能负载，所述装置(2)包括：用于接收所述脉动信号的装置；一信号模拟/数字的变换器(5)，所述变换器(5)与微型控制装置(8)合作运行；一个或多个串行通讯端口(12)；
其特征在于：所述信号经过数字式带通滤波；所述微型控制装置(8)能够以一种方式对多个输出端口(9)中一个或多个起作用，其作用方式可从一组可编程序中进行选取，所述选取取决于包含在所述接收输入中的信息，其中每个输出端口(9)可作为其它外围设备的接口。
2．根据权利要求1所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述微型控制装置(8)还可以在所述输出端口(9)及所述串行通讯端口(12)传输包括所述脉动信号中信息在内的输出信号选择，所述选择依赖于所述输入信息。
3．根据权利要求1或2所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述输入还包括一实时时钟(11)，所述时钟含于所述装置(2)之中。
4．根据权利要求3所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述时钟(11)可以被所述微型控制装置(8)所访问，且所述时钟(11)工作在0.5MHz。
5．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述输入还包括多个单比特输入端口(9)中的一个或多个。
6．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述微型控制装置(8)含有永久存储器(10)并包括对限定接于所述输出端口(9)上外围设备操作的布局图进行操作的指令，所述布局图包括：一个或多个包含一个或多个脉动信号等效数字信号的可编程触发脉冲；一种或多种包括维持原状态在内的可编程功能；决定各个输出端口(9)处对各个触发脉冲所执行功能的可编程矩阵；所述指令包括：将所述触发脉冲与含于所述接收输入中的信息进行比较；在所述输出端口(9)处执行由所述矩阵所确定的功能操作。
7．根据权利要求6所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述触发脉冲和所述功能包括以上所述的各项。
8．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述脉动信号接收装置可进行编程以识别任何关于所述脉动信号的已知编码系统，所述装置包括：用于滤除所述脉动信号相关频率并抑制不需要的干线频率、干线谐波及其它信号频率的带通滤波装置(4)；以及用于将所述脉动信号数字化的装置(5)。
9．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述脉动信号接收装置包括：模拟/数字变换器(5)；含于所述微型控制装置(8)中的程序编码，它控制所述变换器(5)并包含利用离散傅里叶变换在脉动信号频率处实现sin(x)/x响应带通滤波器的算法，其中所述变换器(5)的可编程取样率的最小值设置为所述脉动信号频率的四倍且所述信号的取样在0°、90°、180°和270°处，其中信号功率由对实数和虚数累加器中存数的平方进行迭加来决定，而所述存数是在依赖于所述滤波器(4)带宽的可编程取样时间内所累积起来的，且所述实数累加器中的存数为0°取样和减去180°取样和，而所述虚数累加器中的存数为90°取样和减去270°取样和。
10．根据权利要求9所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述取样率八倍于所述脉动信号频率且所述信号取样在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°进行。
11．根据权利要求9或10所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述取样时间为干线频率周期的倍数。
12．根据权利要求9至11中任一项所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述算法还包括一实数及虚数先进先出排队累加器，所述累加器包括若干可编程存储单元，每个单元分别存储来自所述实数及虚数累加器可编程取样数之和，而其中各单元中的取样数及各排队累加器中的单元数由所述算法决定且与所述脉动信号频率相关，所述信号功率的测定由对各个排队累加器中单元总数的平方求和来确定。
13．根据权利要求12所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于取样之间的时间在所述脉动信号频率的各个周期上以交替变化的规则模式选择为t和t+2μsec。
14．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述微型控制器(8)工作于0.5MHz。
15．根据权利要求9至14中任一项所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述变换器(5)为8位变换器(5)。
16．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述装置(2)包括八个单比特端口(9)，这些端口可编程为输入、输出或零状态。
17．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述微型控制装置(8)包括8位微处理器(8)。
18．根据权利要求1至16中任一项所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述微型控制装置(8)包括16位微处理器(8)。
19．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述装置可编程变量可利用所述串行通讯端口(12)进行编程。
20．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述装置(2)包括一输入电容(14)、衰减器(13)、干线陷波滤波器(3)以及低通滤波器(4)。
21．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述装置(2)还包括供电电压检测电路(7)，所述电路在电路电压下降至低于预先设定电压时向所述微型控制装置(8)发出信号，于是所述微型控制装置(8)存储所述装置的状态。
22．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述外围设备包括如前文所述向电同注入脉动信号的电路。
23．根据上述任一项权利要求所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述装置(2)可与各个电气设备在靠近耗电位置处一同使用。
24．根据权利要求23所述的电能负载控制装置(2)，其特征在于所述装置(2)可安放在所述各个设备之中。
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