CN110971272B - 一种电力线过零双向通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力线过零双向通信系统，包含一个主机和多个从机构成的主从式通信系统，主机通过电力线发送由周波过零通断信号序列编码的从机地址和指令，供从机解码执行，从机利用半周波断电时间发送信息，系统结构简单通信可靠。

Description

一种电力线过零双向通信系统

(一)技术领域：

本发明涉及一种电力线过零双向通信系统，包含一个主机和多个从机构成的主从式通信系统，主机通过电力线发送由周波过零通断信号序列编码的从机地址和指令，供从机解码执行，从机利用半周波断电时间发送信息，系统结构简单通信可靠。

(二)背景技术：

当前电力线通信主要指电力线载波通信和双向工频通信，但是配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器台区内传送，并且只能在单相电力线上传输。实际应用中，当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。

双向工频通信TWACS利用在工频电压基波过零区加入调制信号，用这一区域的电压或电流波形的畸变信号携带信息。其信号检测计算复杂、严谨，干扰严重，影响检测结果，很难广泛应用。

上述电力线通信系统结构复杂造价昂贵。

申请人和发明人在之前申请的专利中涉及了电力线半波通信等电力线通信技术。

(三)发明内容：

一种电力线过零双向通信系统，包含一个主机和多个从机，主机和各从机接于专用的同一单相的电力线上，在主机控制下通过电力线通信。其特征是在所述同一单相的电力线上串接一个电网开关，在电网开关之后安装一个电子开关，该电子开关并联隔离二极管，所述电网开关和电子开关的通断均由主机微控制器控制。

系统有主机发送和从机发送的两种信号，其一是主机接通电子开关，用电网开关作发送器发送由过零时间断电周波编码的从机地址和指令，供从机接收并对其解码执行相应操作；其二是主机要求从机发送信息时，主机微控制器接通电网开关断开电子开关，电网周波经隔离二极管滤去正半周或负半周息，被滤去的半周时间供从机发送信息。

周波检测模块包含二个过零检测电路和二个电压比较器，所述二个电压比较器一个为正电压比较器，另一个为负电压比较器。二个过零检测电路一个为正过零检测电路，另一个为负过零检测电路。所述过零检测电路和电压比较器均采用高速电压比较器组成。

主机在所述电网开关和电子开关的市电电源一侧的电力线上，经电阻降压后主机分四路；主机和从机在所述电网开关和电子开关的市电受控一侧的电力线上，经电阻降压后主机分五路，其中两路分别接于正过零检测电路的信号输入端和正电压比较器的信号输入端，另两路分别经反相器接于负过零检测电路的信号输入端和负电压比较器的信号输入端，在市电受控一侧的电力线上的另一路接于D触发器的输入端，D触发器的输出端分别接微控制器的外部中断口和I/O口。

主机和从机均设置通信电子开关与所述市电受控一侧的电力线连接。所述正过零检测电路指周波正半周过零检测，所述负过零检测电路指周波负半周过零检测。

主机发送从机地址和指令：主机微控制器发送从机地址和指令时，主机、从机的信号输入功能由所述市电受控一侧的电力线上的周波检测模块即过零检测电路和电压比较器完成。

所述过零检测电路和电压比较器中均包含滤波电路，其基准电压由稳压电路提供。其中正过零检测电路和负过零检测电路的基准电压相同设置为1V—2V；正电压比较器和负电压比较器设置的基准电压相同，设置在其相应周波的正或负电压20V—30V处；由周波电压经电阻降压后控制电压比较器输出端电平的跳变。

主机和从机均设置由电压比较器检测的周波个数计数器，一次正电压比较器的输出端从低电平跳变为高电平，紧接着相邻的一次负电压比较器的输出端从高电平跳变为低电平为一个周波，主机和从机对每一信号帧的周波进行计数。

周波信号的检测：电力网周波正半周输入到所述正电压比较器时其输出端从低电平跳变为高电平，然后又从高电平跳变为低电平，其高电平保持时间对于电力网周波是一固定值称为正电平保持时间。同样，电力网周波负半周经过反相器转换后输入到所述负电压比较器时，其输出端从低电平跳变为高电平，然后又从高电平跳变为低电平，其高电平保持时间对于电力网周波是一固定值称为负电平保持时间。

在主机不发送信息时，正过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平，紧接着检测到相邻的负过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平，为所测量的周波半波时间。

在主机微控制器向从机发送一帧指令或信息时，当从机微控制器检测到正电压比较器的高电平保持时间在正电平保持时间平均值的设置误差范围内，则所检测到的周波为真实的正半周；同样，当从机微控制器检测到负电压比较器的高电平保持时间在负电平保持时间平均值的设置误差范围内，则所检测到的周波为真实的负半周。

所述正电平保持时间的平均值和负电平保持时间的平均值，先以计算值为基础保存在相应的存储器中，再以测量的平均值替换之，每工作日测量并替换一次。由主机在不发送信息时检测到的一组连续真实的周波半波时间、正电平保持时间和负电平保持时间，共检测到10组分别取其平均值替换存储器中的相应平均值，并在替换后发送给各从机保存。主机和从机所述电平保持时间的设置误差范围根据电力网允许周波时间误差范围，按比例由主机统一设置。

周波的过零时间断电：主机在周波过零期间发送的由过零时间断电编码信号，或从机接收主机发送的由过零时间断电编码信号时，所述过零时间是指当主机接通电子开关发送过零时间断电信号时，主机检测到负电压比较器输出电压从高到低跳变时电网开关断电，计时器开始计时，紧接着检测到相邻的正电压比较器的输出电压从低到高跳变时电网开关通电计时结束，该计时时间经数次测量后取其平均值作为周波过零时间断电的时间间隔T1，所述T1由主机计时检测得到并向从机发送，从机保存在存储器中备用。

主机信号的发送：主机包含电源模块、电网开关、电子开关、通信电子开关、周波检测模块、微控制器；从机包含电源模块、周波检测模块、通信电子开关、D触发器、微控制器。

在主机微控制器发送由过零时间断电的从机地址和指令时，在市电受控一侧的电力线上，主机微控制器同时接收所发送的过零时间断电周波的序列编码信号并进行比较鉴别，如发现错误则重发。

主机接通电子开关，主机微控制器控制的电网开关作为信号发送器，其信号发送是在主机周波检测模块控制下实现的。从机微控制器通过周波检测模块接收周波信号并剔除干扰，将接收到信号帧的周波正负半周过零时间断电信号用相应标记；及其周波正负半周对应的周波计数值一块保存在存储器中，用于接收解码后执行相应指令。主机按所要发送信息的编码，按信息的编码结构发送周波过零时间断电周波。

一个信号帧包含起始位、数据位和停止位，其中数据位包含几个十六进制字符。

主机接通电子开关，当主机在电网开关和电子开关的市电电源一侧检测到主机中负电压比较器输出电压从高到低跳变时，断开电网开关，紧接着检测到相邻的正电压比较器输出电压从低到高跳变时接通电网开关，称为正半周过零时间断电；当主机检测到正电压比较器输出电压从高到低跳变时，断开电网开关，紧接着检测到相邻的负电压比较器输出电压从低到高跳变时接通电网开关，为负半周过零时间断电。

收发从机地址和指令的信号帧格式：将周波的正半周过零时间断电表示数值1和负半周过零时间断电表示数值2，一个信号帧都是由所述数值1和数值2和周波过零不断电的组合编码构成，用于表示十六进制字符。每个十六进制字符的编码占用2至6个周波，其中最后一个周波的正和负半周过零不断电，作为一个十六进制字符编码的结束标记。

约定：在下述信号帧格式的编码中，一个十六进制字符或控制位的编码中所述“周波”表示该周波的正半周过零时间断电同时负半周过零时间断电。所述“周波的正半周”和“周波的负半周”表示周波的正半周过零时间断电和周波的负半周过零时间断电。

不参与编码的周波正半周或负半周表示过零不断电，如果一个十六进制字符占用周波不为整数，以编码末尾周波正半周过零不断电或负半周过零不断电补上，数据位用十六进制字符表示，十六进制字符的编码如下：

下述数据位中的周波序号是从数据位的第1周波开始计数。

数据位：第1周波的正半周和第2周波的负半周为字符0；第1周波的正半周为字符1；第1周波的负半周为字符2；第1周波为字符3；第1周波和第2周波的正半周为字符4；第1周波的负半周和第2周波为字符5；第1周波和第2周波为字符6；第1周波和第2周波和第3周波的正半周为字符7；第1周波的负半周和第2周波和第3周波为字符8；第1周波和第2周波和第3周波为字符9；第1、2、3周波和第4周波的正半周为字符A；第1周波的负半周和第2、3、4周波为字符B；第1、2、3、4周波为字符C；第1、2、3、4周波和第5周波的正半周为字符D；第1周波的负半周和第2、3、4、5周波为字符E；第1、2、3、4、5周波为字符F。

信号帧的第1周波的正半周和第2周波的正半周表示指令帧起始位；信号帧的第1周波的负半周和第2周波的负半周表示信息帧起始位；前1周波为空并且和下1周波负半周构成停止位。一个十六进制字符包括结束标记最多占用6个周波，另外，起始位和停止位各占用2个周波。这里设定第一个十六进制字符表示从机地址，“0”表示不指定从机地址。信号帧中数据位可由一个或几个十六进制字符来表达各种代码、汉字、简单图形等。

从机信号的接收：当从机在市电受控一侧的电力线上检测到负电压比较器输出电压和负过零检测电路的输出电压同时从高到低跳变时，计时器开始计时，紧接着检测到相邻的正过零检测电路的输出电压从低到高跳变时计时结束，如果计时值在T1的允许误差范围内表示接收到正半周过零时间断电；同样，当从机检测到正电压比较器输出电压和正过零检测电路的输出电压同时从高到低跳变时，计时器开始计时，紧接着检测到该正过零检测电路的输出电压从低到高跳变时计时结束，如果计时值在T1的允许误差范围内表示接收到负半周过零时间断电。

从机向主机发送信息：主机安排从机向主机发送信息时，主机先接通电子开关，用电网开关作发送器发送所述由过零时间断电周波编码的从机地址和从机向主机发送信息的指令，然后接通电网开关断开电子开关。主机和从机的所述D触发器的输出端一路接微控制器的I/O口，另一路接微控制器的外部中断口，D触发器将输入的半周波信号转换成正方波信号输出，该正方波对应被所述隔离二极管隔离的半周波。地址匹配从机的微控制器接收到主机安排发送信息的指令后，扫描该I/O口，如果接收到不连续正方波信号，即开中断，当D触发器输出端的正方波信号到来时，其上升沿使接于D触发器输出端的外部中断口产生中断，通信电子开关接于微控制器相应串行通信端口，微控制器在中断服务程序中接通通信电子开关并通过串行通信端口和通信电子开关向主机发送信息，中断服务程序结束前关断通信电子开关并开中断等待下一周波的通信，如此周而复始直至一次通信结束关中断并关断通信电子开关，主机在从机发送信息结束后接通电网开关和电子开关。

从机发送信息时，主机在所述D触发器触发的中断服务程序中接通通信电子开关，从机发送的信息经主机信号输入电路的信号调理后送主机微控制器的串行通信口接收和处理，中断服务程序结束前关断通信电子开关并开中断等待下一周波的通信，如此周而复始直至一次通信结束关中断并关断通信电子开关。

(四)附图说明：

图1是一种电力线过零双向通信系统的电路结构示意图。

(五)具体实施方式：

图1是一种电力线过零双向通信系统的电路结构示意图，作为实施例将所述一种电力线过零双向通信系统应用于配电电量参数采集系统，主机A包括:电源模块12、电网开关11、电子开关10、市电一侧的周波检测模块13、市电受控一侧的周波检测模块17、D触发器16、通信电子开关18、微控制器14、键盘显示模块15；电量监测从机B包括:电源模块20、周波检测模块25、D触发器24、通信电子开关21、微控制器22、电量监测仪表23。

由多台电量监测从机B和一台主机A构成，每条配电线路和主要用电设备均配置一台电量监测从机B，电量监测从机B中的电量监测仪表23监测配电线路的运行实时参数，在主机A中的微控制器14控制下将其采集的电量数据通过电力线传送给主机A处理，系统造价低且易于维护。

当需要测量各条配电线路的电量参数优化配电系统时，就要采集配电电量参数，调整配电线路设备和合理安排设备运行时间。每台电量监测仪表23包含一个或数个电压互感器和电流互感器，电量监测仪表23监测配电线路的运行实时参数。

主机A微控制器14经所述电力线向电量监测从机B传送由过零时间断电周波编码的从机地址和指令，然后主机A微控制器14关断电子开关10，电网周波经隔离二极管给电量监测从机B发送信息，地址匹配的电量监测从机B微控制器22接收到主机A发送的指令后经所述电力线利用被隔离的周波半波时间向主机A传送测量电量数据。

Claims (3)

1.一种电力线过零双向通信系统的实现方法，包含一个主机和多个从机，主机和各从机接于专用的同一单相的电力线上，在主机控制下通过电力线通信，其特征在于：

在所述同一单相的电力线上串接一个电网开关，在电网开关之后安装一个电子开关，该电子开关并联隔离二极管，所述电网开关和电子开关的通断均由主机微控制器控制；系统包含主机发送和从机发送的两种信号，其一是主机微控制器接通电子开关，用电网开关作发送器发送由周波过零时间断电周波编码的从机地址和指令，供从机微控制器接收并对其解码执行相应操作；其二是主机要求从机发送信息时，主机接通电网开关断开电子开关，电网周波经隔离二极管滤去周波的正半周或周波的负半周，被滤去的半周时间供从机发送信息；

主机发送从机地址和指令：主机接通电子开关，当主机在电网开关和电子开关的市电电源一侧检测到主机中负电压比较器输出电压从高到低跳变时，断开电网开关，紧接着检测到相邻的正电压比较器输出电压从低到高跳变时接通电网开关，称为正半周过零时间断电；当主机检测到正电压比较器输出电压从高到低跳变时，断开电网开关，紧接着检测到相邻的负电压比较器输出电压从低到高跳变时接通电网开关，为负半周过零时间断电；

所述过零时间是指当主机接通电子开关发送周波过零时间断电信号时，主机检测到负电压比较器输出电压从高到低跳变时电网开关断电，计时器开始计时，紧接着检测到相邻的正电压比较器的输出电压从低到高跳变时电网开关通电计时结束，该计时时间经数次测量后取其平均值作为周波过零时间断电的时间间隔T1，所述T1由主机计时检测得到并向从机发送，从机保存在存储器中备用；

在主机微控制器发送由周波过零时间断电的从机地址和指令时，在市电受控一侧的电力线上，主机微控制器同时接收所发送的周波过零时间断电周波的序列编码信号并进行比较鉴别，如发现错误则重发；

从机信号的接收：当从机在市电受控一侧的电力线上检测到负电压比较器输出电压和负过零检测电路的输出电压同时从高到低跳变时，计时器开始计时，紧接着检测到相邻的正过零检测电路的输出电压从低到高跳变时计时结束，如果计时值在T1的允许误差范围内表示接收到正半周过零时间断电；同样，当从机检测到正电压比较器输出电压和正过零检测电路的输出电压同时从高到低跳变时，计时器开始计时，紧接着检测到该正过零检测电路的输出电压从低到高跳变时计时结束，如果计时值在T1的允许误差范围内表示接收到负半周过零时间断电；

从机向主机发送信息：主机安排从机向主机发送信息时，主机微控制器先接通电子开关，用电网开关作发送器发送所述由周波过零时间断电周波编码的从机地址和从机向主机发送信息的指令，然后接通电网开关断开电子开关；主机的D触发器和从机的D触发器的输出端均为一路接微控制器的I/O口，另一路接微控制器的外部中断口，所述主机和从机的D触发器将输入的半周波信号转换成正方波信号输出，该正方波对应被所述隔离二极管隔离的半周波，当主机通过电力线发送由周波过零通断信号序列编码的从机地址时，地址匹配从机的微控制器接收到主机安排发送信息的指令后，扫描该I/O口，如果接收到不连续正方波信号，即开中断，当D触发器输出端的正方波信号到来时，其上升沿使接于D触发器输出端的外部中断口被D触发器触发产生中断，通信电子开关接于微控制器相应串行通信端口，微控制器在中断服务程序中接通通信电子开关并通过串行通信端口和通信电子开关向主机发送信息，中断服务程序结束前关断通信电子开关并开中断等待下一周波的通信，如此周而复始直至一次通信结束关中断并关断通信电子开关，主机在从机发送信息结束后接通电网开关和电子开关；

从机发送信息时，主机在所述被D触发器触发产生中断的中断服务程序中接通通信电子开关，从机发送的信息经主机信号输入电路的信号调理后送主机微控制器的串行通信口接收和处理，中断服务程序结束前关断通信电子开关并开中断等待下一周波的通信，如此周而复始直至一次通信结束关中断并关断通信电子开关。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主机发送从机地址和指令的信号帧格式，其步骤包括：

将周波的正半周过零时间断电表示数值1和负半周过零时间断电表示数值2，一个信号帧都是由所述数值1和数值2和周波过零不断电的组合编码构成，用于表示十六进制字符，每个十六进制字符的编码占用2至6个周波，其中最后一个周波的正和负半周过零不断电，作为一个十六进制字符编码的结束标记；

信号帧的第1周波的正半周和第2周波的正半周表示指令帧起始位；信号帧的第1周波的负半周和第2周波的负半周表示信息帧起始位；前1周波为空并且和下1周波负半周构成停止位，一个十六进制字符包括结束标记最多占用6个周波，另外，起始位和停止位各占用2个周波，这里设定第一个十六进制字符表示从机地址，“0”表示不指定从机地址，信号帧中数据位可由一个或几个十六进制字符来表达各种代码、汉字、简单图形。

3.一种电力线过零双向通信系统的装置，该装置用于实现如权利要求1所述的电力线过零双向通信系统的实现方法，其特征在于：

主机包含电源模块、电网开关、电子开关、通信电子开关、周波检测模块、D触发器、微控制器；从机包含电源模块、周波检测模块、通信电子开关、D触发器、微控制器，同一单相的电力线上串接一个电网开关，在电网开关之后安装一个电子开关，该电子开关并联隔离二极管，所述电网开关和电子开关的通断均由主机控制；

周波检测模块包含二个过零检测电路和二个电压比较器，所述二个电压比较器一个为正电压比较器，另一个为负电压比较器，二个过零检测电路一个为正过零检测电路，另一个为负过零检测电路，所述过零检测电路和电压比较器均采用高速电压比较器组成；

主机在所述电网开关和电子开关的市电电源一侧的电力线上，经电阻降压后主机分四路；主机和从机在所述电网开关和电子开关的市电受控一侧的电力线上，经电阻降压后主机分五路，其中两路分别接于正过零检测电路的信号输入端和正电压比较器的信号输入端，另两路分别经反相器接于负过零检测电路的信号输入端和负电压比较器的信号输入端，在市电受控一侧的电力线上的另一路接于D触发器的输入端，D触发器的输出端分别接微控制器的外部中断口和I/O口；

其中正过零检测电路和负过零检测电路的基准电压相同设置为1V—2V；正电压比较器和负电压比较器设置的基准电压相同，设置在其相应周波的正或负电压20V—30V处；由周波电压经电阻降压后控制电压比较器输出端电平的跳变；

主机和从机均设置通信电子开关与所述市电受控一侧的电力线连接。

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