CN111030732B - 一种电力线过零通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力线过零通信系统，包含一个主机和多个从机构成的主从式通信系统，在主机控制的通信时间，主机通过电力线发送由周波信号序列编码的从机地址和指令，或者主机发送从机地址以及该从机与主机通信的过零断电周波，供从机编码通信，系统结构简单通信可靠。

Description

一种电力线过零通信系统

(一)技术领域：

本发明涉及一种电力线过零通信系统，包含一个主机和多个从机构成的主从式通信系统，在主机控制的通信时间，主机通过电力线发送由周波信号序列编码的从机地址和指令，或者主机发送从机地址以及该从机与主机通信的过零断电周波，供从机编码通信，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。其特征是主机发送由周波通断序列信号编码的从机地址和指令，或主机发送由周波通断信号编码的从机地址和该从机向主机发送信息的过零时间断电周波序列的信号编码载体，供从机对其过零时间编码通信，从机执行相应指令操作或通过电力线发送给主机的信息。

在主机发送由周波通断序列信号编码的从机地址和指令期间，从机由电源模块的超级电容作断电储能供电。

在主机向从机发送所述信号编码载体时，先发送所述由周波通断序列信号编码的从机地址，紧接着发送周波过零时间内断开市电电源的连续过零断电周波，直到设定通信时间结束停止发送。在设定通信时间内地址匹配从机对主机所发送的连续过零断电周波进行断电时间编码，发送编码所表达的信息。

在所述同一单相的电力线上的始端即主机一端串接一个通信开关，由主机控制该电力线接入或断开市电电网。

主机和从机在周波检测电路控制下剔除干扰信号，检测真实周波信号。从机在检测周波后接收主机发送的指令或向主机发送信息或执行相应的操作。

周波检测电路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构成。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。

主机分别在所述通信开关的市电电源一侧和市电受控一侧的电力线上，从机在所述通信开关的市电受控一侧的电力线上，主机和从机分别从通信开关所述相应一侧的电力线路上经电阻降压后分四路，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。

在主机发送所述信号编码载体中，当从机对其周波的过零断电的时间进行编码时，从机是在所述周波过零断电处加载正方波电压，使该周波所述过零断电时间缩短；否则不加载正方波电压时，该周波过零断电时间不变，从而在该过零断电处得到两个不同的周波过零时间的测量值，表达从机所发送的两个不同的数值用于编码。

各从机在与所述市电受控一侧的电力线之间设置一个通信电子开关，通信电子开关和所述通信开关均由双向可控硅构成。当主机发送允许从机发布信息的信号编码载体，地址匹配的从机发送所述以过零断电时间编码的信息时，从机仅在其需要在周波过零处加载正方波电压时，接通该从机通信电子开关，加载正方波电压结束关断该从机通信电子开关。

各从机各设置一个信号输出电路，并由从机的通信电子开关控制信号输出电路的输出端接入或断开电力线。所述信号输出电路用于加载所述正方波电压，主机和从机的信号输入功能由所述周波检测电路即过零检测电路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。

所述从机在周波过零断电处加载正方波电压，该正方波电压设置为20V，正方波脉宽设置与过零断电时间相同。

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。

在主机向从机发送一帧指令或信息时，当从机中的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接收到真实的正半周；同样，当从机中的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接收到真实的负半周。

所述周波半波时间平均值、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。由主机在不发送指令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。

主机发送地址或指令时的信号帧格式：当系统电源电压为5V，截止工作电压取为4.2V，超级电容储能维持100mA电流，维持时间10S，则超级电容取1.5F。所述10S将包含500个周波的正半周和500个周波的负半周。

主机向从机发送地址和指令时，或主机向从机发送所述信号编码载体中的从机地址时，采用周波中的正半周和负半周的通断编码的十六进制字符，表示所发送的信号。

这里将发送每个正半周所表示的数值大小设为1，发送每个负半周所表示的数值大小设为2。每个十六进制字符的编码占用2至6个周波，其中最后一个周波为空即不发送该周波，作为一个十六进制字符编码的结束标记。一个十六进制字符或控制位编码中的周波为发送的周波，其余不参与编码的周波正半周或负半周为不发送，如果占用周波不为整数以编码末尾不发送周波正半周或负半周补上，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周波的正半周加第2周波的负半周为字符0；第1 周波的正半周表示字符1；第1周波的负半周为字符2；第1周波为字符3；第1周波加第2周波的正半周为字符4；第1周波的负半周加第 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周波的正半周表示为字符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的始位；信号帧的第1周波的负半周和第2周波的负半周表示编码载体帧的起始位；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。

主机信号的发送：主机包含电源模块、通信开关、周波检测电路、微控制器；从机包含电源模块、周波检测电路、通信电子开关、微控制器。所述从机电源模块输出端并联一个1.5F超级电容作断电储能供电。

主机向从机发送两种信号，其一是主机向从机发送地址和指令时，或主机向从机发送所述信号编码载体时的从机地址，采用周波中的正半周和负半周的通断编码的十六进制字符，表示所发送的从机地址和指令，主机和从机在从机的超级电容储能的允许供电维持时间即10S 内通信结束。

所述主机和从机的周波检测电路由正过零检测电路、正电压比较器和负电压比较器组成。当主机向从机发送周波正半周和负半周通断序列编码信号前先断开电力线的市电电源数个周波，从机检测不到周波信号时，提示从机准备接收主机发送的信号。主机将周波正半周和负半周通断序列信号对指令和信息进行编码，以信号帧方式向从机发送，主机控制的通信开关作为信号发送器，其信号发送是在主机周波检测电路控制下实现的。当主机的正过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平接通通信开关，当主机的正过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平断开通信开关，为发送周波的正半周；当主机的负过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平接通通信开关，当主机的负过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平断开通信开关，为发送周波的负半周。当主机发送连续的周波时仅在首和尾的半周波作过零检测和通断操作。

其二是向从机发送过零时间断电的连续周波序列的信号编码载体，供从机接收并对其周波过零的断电时间进行编码后发送信息。

从机向主机发送信息，由主机依各从机所担负的任务安排其发送信息的时间间隔和通信顺序，在从机发送信息时由主机发送由周波通断信号编码的从机地址以及信号编码载体。同时，在市电受控一侧的电力线上，主机同时接收所发送的从机地址和过零断电周波序列的信号编码载体并进行比较鉴别，如发现错误则重发。

主机发送信号编码载体时，当主机在通信开关的市电电源一侧检测到负电压比较器输出电压从高到低跳变时，断开通信开关，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通信电子开关，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，断开通信开关，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通信开关，为负半周过零时间断电，主机连续发送正半周过零时间断电和负半周过零时间均断电的周波，直至信息发送结束。

从机通过周波检测电路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，解码后执行相应指令或与主机通信。

周波过零时间断电：所述从机在周波过零断电期间发送的由过零断电时间编码信号，或主机、从机接收该从机发送的信号时，所述过零时间是指当主机发送过零时间断电信号时，主机微控制器检测到负电压比较器输出电压从高到低跳变时通信开关断电，主机的计时器开始计时，紧接着微控制器检测到相邻的正电压比较器输出电压从低到高跳变时通信开关通电，计时结束，为周波正半周过零时间断电；当检测到正电压比较器输出电压从高到低跳变时通信开关断电，主机的计时器开始计时，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通信开关通电，计时结束为周波负半周过零时间断电，正半周和负半周过零时间相同称为过零时间，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。

从机发送的信号帧格式：从机检测到主机发送的由周波的通断信号编码的从机地址和从机发送信息的信号编码载体时，经地址比较匹配后，对主机发送的信号编码载体，按所要发送信息的十六进制字符编码加载正方波电压。

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。一个信号帧都是由正半周过零加载表示数值1和负半周过零加载表示数值2和周波过零断电不加载的组合编码构成。

当发送信号从机中的微控制器检测到负电压比较器输出电压和负过零检测电路输出电压同时从高到低跳变时，从机接通通信电子开关经0.15ms延迟后加载所述正方波电压，紧接着检测到相邻的正过零检测电路输出电压和正电压比较器的输出电压同时从低到高跳变时从机断开通信电子开关，称为正半周过零加载，表示发送数值1；当发送信号从机中的微控制器检测到正电压比较器输出电压和正过零检测电路输出电压同时从高到低跳变时，从机接通通信电子开关经0.15ms延迟后加载所述正方波电压，紧接着检测到相邻的负过零检测电路输出电压和负电压比较器的输出电压同时从低到高跳变时从机断开通信电子开关，为负半周过零加载，表示发送数值2；上述计时值在T1的允许误差范围内称为正或负半周过零不加载为无数值。

用上述正半周和负半周的数值大小对应一个十六进制字符，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加载，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编码中所述“周波”表示该周波的正半周过零加载同时负半周过零加载。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加载和周波的负半周过零加载。

不参与编码的周波正半周或负半周表示过零不加载，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加载或负半周过零不加载补上，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号编码载体帧起始位；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。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。

主机、从机信号的接收：当主机、从机中的微控制器检测到负电压比较器输出电压和负过零检测电路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电路的输出电压从低到高跳变时计时结束，如果计时值在0.15ms至T1的60﹪范围内表示接收到正半周过零加载；当主机、从机中的微控制器检测到正电压比较器输出电压和正过零检测电路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15ms至T1的60﹪范围内表示接收到负半周过零加载。

(四)附图说明：

图1是一种电力线过零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通信系统应用于流量信号采集系统，主机A包括:电源模块12、通信开关11、市电一侧的周波检测电路13、市电受控一侧的周波检测电路16、微控制器14、键盘显示模块15；流量测量从机B包括:电源模块20、周波检测电路24、通信电子开关21、微控制器22、信号采集模块23。

该流量信号采集系统由多个流量测量从机B和一个主机A构成，每个流量测量从机B将信号采集模块23测量的液体流量信号，经A/ D转换成数字信号传送给主机A中的微控制器14处理。流量测量从机 B与主机A之间通过所述电力线通信，利用电力线通信使其控制系统造价低且易于维护。

各流量测量的从机B和主机A接于同一电力线上并在电力线上设置通信开关11。各流量测量从机B各设置一个信号输出电路，并由流量测量从机B的通信电子开关21控制信号输出电路的输出端接入或断开电力线。所述信号输出电路用于加载所述正方波电压，从而对所述主机A发送的信号编码载体的过零时间断电周波，改变其过零断电时间用于对发送信号编码。

主机A发送两种信息，其一是主机A发送所述由周波通断序列信号编码的流量测量从机B地址和采集参数和模式设置的指令，各流量测量从机B接收主机A发送的信息后，执行相应指令操作。

其二是主机A发送所述由周波的通断信号编码的各流量测量从机 B的地址和该流量测量从机B向主机A发送信息的所述过零时间断电周波序列的信号编码载体，供各流量测量从机B将流量测量数据采用对信号编码载体的过零时间进行加载所述正方波电压的编码后发送给主机A汇总处理。

Claims (3)

1.一种电力线过零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：

主机向从机发送两种信号，一种是主机向从机发送地址和指令，或主机向从机发送信号编码载体时的从机地址，采用周波中的正半周和负半周的通断编码的十六进制字符，表示所发送的从机地址和指令，主机控制的通信开关作为信号发送器，当主机的正过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平接通通信开关，当主机的正过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平断开通信开关，为发送周波的正半周；当主机的负过零检测电路的输出端从低电平跳变为高电平接通通信开关，当主机的负过零检测电路的输出端从高电平跳变为低电平断开通信开关，为发送周波的负半周；

发送每个正半周所表示的数值大小设为1，发送每个负半周所表示的数值大小设为2；用数值大小对应一个十六进制字符；每个十六进制字符的编码占用2至6个周波，其中最后一个周波为空即不发送该周波，作为一个十六进制字符编码的结束标记；一个十六进制字符或控制位编码中的周波为发送的周波，其余不参与编码的周波正半周或负半周为不发送，如果占用周波不为整数以编码末尾不发送周波正半周或负半周补上；

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号编码载体帧起始位；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；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；

主机向从机发送两种信号的另一种是主机向从机发送过零时间断电的连续周波序列的信号编码载体，供从机接收并对其周波过零的断电时间进行编码后发送信息；

所述过零时间是指当主机微控制器检测到负电压比较器输出电压从高到低跳变时通信开关断电，计时器开始计时，紧接着检测到相邻的正电压比较器输出电压从低到高跳变时通信开关通电，计时结束为周波正半周过零时间断电；当检测到正电压比较器输出电压从高到低跳变时通信开关断电，计时器开始计时，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通信开关通电，计时结束为周波负半周过零时间断电，正半周和负半周过零时间相同称为过零时间，计时时间经数次测量后取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并保存；

从机检测到主机发送的由周波的通断信号编码的从机地址和信号编码载体时，经地址比较匹配后，对主机发送的信号编码载体，按所要发送信息的十六进制字符编码加载正方波电压；

对主机发送的信号编码载体加载正方波电压过程：当发送信号从机中的微控制器检测到负电压比较器输出电压和负过零检测电路输出电压同时从高到低跳变时，从机接通通信电子开关，经0.15ms延迟后加载所述正方波电压，紧接着检测到相邻的正电压比较器的输出电压和正过零检测电路输出电压同时从低到高跳变时，从机断开通信电子开关，称为正半周过零加载，表示发送数值1；当发送信号从机中的微控制器检测到正电压比较器输出电压和正过零检测电路输出电压同时从高到低跳变时，从机接通通信电子开关经0.15ms延迟后加载所述正方波电压，紧接着检测到相邻的负电压比较器输出电压和负过零检测电路输出电压同时从低到高跳变时，从机断开通信电子开关，为负半周过零加载，表示发送数值2；计时值在T1的允许误差范围内称为正或负半周过零不加载为无数值；

用上述正半周和负半周的数值大小对应一个十六进制字符，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加载，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号编码载体帧起始位；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；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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主机、从机信号的接收步骤包括：

在主机向从机发送一帧指令或从机地址时，当从机中的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接收到真实的正半周；同样，当从机中的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接收到真实的负半周；

当主机、从机中的微控制器检测到负电压比较器输出电压和负过零检测电路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电路的输出电压从低到高跳变时计时结束，如果计时值在0.15ms至T1的60﹪范围内表示接收到正半周过零加载；当主机、从机中的微控制器检测到正电压比较器输出电压和正过零检测电路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0.15ms至T1的60﹪范围内表示接收到负半周过零加载。

3.一种电力线过零通信系统的装置，该装置用于实现如权利要求1所述的电力线过零通信系统的实现方法，其特征在于，

主机包含电源模块、通信开关、微控制器、周波检测电路；从机包含电源模块、周波检测电路、微控制器、通信电子开关；从机电源模块输出端并联一个1.5F超级电容作断电储能供电；

在同一单相的电力线上的始端即主机一端串接一个通信开关，由主机控制该电力线接入或断开市电电网；

周波检测电路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；二个过零检测电路电路一个为正过零检测电路，另一个为负过零检测电路；

主机分别在所述通信开关的市电电源一侧和市电受控一侧的电力线上，从机在所述通信开关的市电受控一侧的电力线上，主机和从机分别从通信开关一侧的电力线路上经电阻降压后分四路，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；

所述过零检测电路和电压比较器均采用高速电压比较器构成；

各从机在与所述市电受控一侧的电力线之间设置一个通信电子开关，通信电子开关和所述通信开关均由双向可控硅构成。

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