CN111384780A - 高速可靠的物联网电力宽带载波hplc系统 - Google Patents

高速可靠的物联网电力宽带载波hplc系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种高速可靠的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，发送端包括：过零点检测电路，用于检测电力线的过零点；调制电路，用于在过零点向电力线载波调制信号；发送电路，用于通过电力线发送调制后的信号。

Description

高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统
技术领域
本申请涉及下一代信息网络产业技术领域，尤其涉及一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC(High-speed Power Line Carrier，高速电力线载波)系统。
背景技术
HPLC是高速电力线载波，也称为宽带电力线载波，是在低压电力线上进行数据传输的宽带电力线载波技术。宽带电力线载波通信网络则是以电力线作为通信媒介，实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络。宽带电力线载波主要采用了正交频分复用(OFDM)技术，频段使用2MHz-12MHz。与传统的低速窄带电力线载波技术而言，HPLC技术具有带宽大、传输速率高，可以满足低压电力线载波通信更高的需求。
图1示出了电力线信道噪声幅频特性图，可以看出电力线信道是非线性时变，快速衰落系统，对信道时延估计，突发噪声干扰消除是一项具有极大挑战性的工作，高数据率需高信噪比，对在无线通信中运行良好的OFOM技术来讲，常规的HPLC不能可靠工作。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统。
根据本申请实施例，提供了一种高速可靠的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，发送端包括：
过零点检测电路，用于检测电力线的过零点；
调制电路，用于在过零点向电力线载波调制信号；
发送电路，用于通过电力线发送调制后的信号。
优选的，过零点检测电路包括依次电连接的整流模块、限流模块、光电耦合模块和调压输出模块。
优选的，整流模块为四只二极管组成的桥式电路，其输入端连接电力线，其输出端连接限流模块。
优选的，限流模块和调压输出模块为电阻器，光电耦合模块输入端为光电耦合的发光二极管和光敏三极管，其输入端连接限流模块，其输出端连接调压输出模块。
优选的，在整流模块与限流模块之间电连接滤波调压电路。
优选的，滤波调压电路包括：
电阻器，与整流电路并联；
串联的电容器和二极管，其与电阻器并联；
三极管，其发射极连接在电容器与二极管之间，其基极连接至二极管的输出端，其集电极连接至光电耦合模块。
优选的，过零点检测电路包括依次电连接的滤波模块、限流模块、光电耦合模块和调压输出模块。
优选的，光电耦合模块包括：
一对正负极反接并联的发光二极管；
与发光二极管光电耦合的光敏三极管。
优选的，限流模块和调压输出模块为电阻器，滤波电路为电容器。
优选的，在调压输出电路与调制电路之间设置发送阈值电路，用于以预设时间宽度接受调压输出电路的触发，从而使调制电路在过零点的预设时间宽度内工作。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本发明提供了一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统，在电力线的过零点进行信号传输，从而可以降低信号干扰的影响，提高信号传输质量。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是电力线信道噪声幅频特性图；
图2是根据一个示例性实施例示出的一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图；
图3示出了根据一个示例性实施例示出的电力线过零点噪声时频-幅度分布图；
图4示出了根据一个优选实施例示出的过零点检测电路的示意图；
图5示出了图4的过零点检测电路检测波形图；
图6示出了根据另一优选实施例示出的过零点检测电路的示意图；
图7示出了根据又一优选实施例示出的过零点检测电路的示意图；
图8示出了图7的过零点检测电路检测波形图；
图9是根据一个示例性实施例示出的一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图；
图10是根据一示例性实施例示出的各种负荷设备的波形图；
图11是根据一个示例性实施例示出的一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不只是所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征值“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图2是根据一个示例性实施例示出的一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图，该系统包括：
过零点检测电路10，用于检测电力线的过零点；
调制电路20，用于在过零点向电力线载波调制信号；
发送电路30，用于通过电力线发送调制后的信号。
图3示出了根据一个示例性实施例示出的电力线过零点噪声时频-幅度分布图。一般而言，在物联网中利用电力线传输的数据量主要是控制数据和抄表数据。这些数据的特点是要求一定要有非常高的数据传输质量，数据容错性很低。另一方面，这些数据往往数据量不大，对电力线传输带宽要求不高。发明人在认真分析图3的电力线的噪声特点后，发现了如图3所示，可以看出电力线在过零点的噪声一般比较弱，而在非过零点的噪声变化更加丰富，其峰值噪声幅度一般比过零点的噪声幅度大15dBuV。
发明人基于以上发现，以图2的实施例创造性地提出，检测电力线的电流波形的过零点，仅在电力线的过零点进行信号传输，尽管损失了一定的带宽，但足以满足物联网HPLC的传输数据量的要求，但从而可以降低信号干扰的影响，提高信号传输质量，能够满足物联网对数据容错性的严格要求。
优选的，过零点检测电路包括依次电连接的整流模块、限流模块、光电耦合模块和调压输出模块。
图4示出了根据一个优选实施例示出的过零点检测电路的示意图，如图4所示，整流模块为四只二极管组成的桥式电路，其输入端连接电力线，其输出端连接限流模块。
如图4所示，限流模块为电阻器R267和调压输出模块为电阻器R268，光电耦合模块U137输入端为光电耦合的发光二极管和光敏三极管，其输入端连接限流模块，其输出端连接调压输出模块。
图5示出了图4的过零点检测电路检测波形图。交流电经过整流桥后，变成了脉动直流，交流电的负半周期被翻转为正，在过零点以外的地方都可以使光耦导通，而在零点附近光耦截止。光耦的输出端连接上拉电阻(即调压输出模块)。如图所示，波形分析如下：
正半周期：光耦的发光二极管导通，输出端导通，输出信号为低电平；
负半周期：光耦的发光二极管导通，输出端导通，输出信号为低电平；
零点附近：光耦的发光二极管截止，输出端截止，输出信号为高电平。
从上面的波形可以看出，只要检测到高电平即可判断零点来临，这时候只要触发调制电路工作，即可使HPLC系统仅使用过零点的低噪声期进行信号传输，从而保证通信质量。
优选的，在整流模块与限流模块之间电连接滤波调压电路。
图6示出了根据另一优选实施例示出的过零点检测电路的示意图；如图所示，滤波调压电路包括：
电阻器R1，与整流电路D1-D4并联；
串联的电容器C1和二极管D5，其与电阻器并联；
三极管Q1，其发射极连接在电容器与二极管之间，其基极连接至二极管的输出端，其集电极连接至光电耦合模块。
本优选实施例通过增加滤波调压电路，从而使得电流波形减少噪声影响，能够使得光电耦合模块对过零点的检测更加准确。
优选的，过零点检测电路包括依次电连接的滤波模块、限流模块、光电耦合模块和调压输出模块。
图7示出了根据又一优选实施例示出的过零点检测电路的示意图；如图7所示，优选的，光电耦合模块包括：
一对正负极反接并联的发光二极管；
与发光二极管光电耦合的光敏三极管。
优选的，限流模块为电阻器R29和调压输出模块为电阻器R31，滤波电路为电容器C26。功率R29可以采用150k/2W，R31选用贴片封装或者插件封装，为4.7K，为了进一步限流，可以在R31与检测端之间连接限流电阻R32，可以选用贴片封装或者插件封装，阻值1K。电容C26可以采用一对并联的电容器，可以选用插件或者贴片，容值0.22u/NA(C26-1为备用元件，做调试用)，对电容器并联一个电阻R30100k，以稳定电压。
本优选实施例节省了昂贵而且比较耗能的桥式整流电路。
图8示出了图7的过零点检测电路检测波形图，如图所示，第一道波形是电力线上的电流，第二道波形是发光二极管上的电流波形，第三道检测过零点输出的波形，可以确定过零点位置是三角波的尖端。
图7实施例的电路相对于图4和图6实施例的电路，省去了昂贵而耗能的桥式整流电路，使用元件数量少，占用PCB板面积小。
优选的，在调压输出电路与调制电路之间设置阈值电路，用于以预设时间宽度接受调压输出电路的触发，从而使调制电路在过零点的预设时间宽度内工作。
如图8所示，因为输出为三角波，通过设置阈值电路，即设置阈值的大小，即可设置触发调制模块进行工作的过零点时间范围。
优选的，阈值电路采用二极管来实现，利用二极管的开启电压作为阈值。
图9是根据一个示例性实施例示出的一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图，该系统的发送端包括：
负荷特征数据库110，用于预存各种负荷设备的预定周期和负荷编号；
接收模块120，用于接收当前负荷设备的负荷编号；
触发电路130，用于根据负荷编号从负荷特征数据库获取预定周期，并在预定周期内保持触发；
调制电路20，用于接收到触发电路的触发时停止向电力线载波调制信号，在触发电路的触发解除时允许向电力线载波调制信号；
发送电路30，用于通过电力线发送调制后的信号。
前文的实施例是对电力线的电力波形进行分析，固定地采用波形周期中的过零点进行信号传输，也就是如果对于50HZ的交流电，固定在每秒的100个过零点周围进行信号传输。而本实施例则对电力线上的负荷设备波形进行分析，从而通过排除负荷设备的噪声对电力线干扰特别大的时长，而只在干扰比较小的时长内进行信号传输，从而可以降低信号干扰的影响，提高信号传输质量。
优选的，该系统还包括：
负荷确定器，用于接收到当前负荷设备启动或关闭时，从负荷特征数据库获取该负荷设备的负荷编号，并发送给接收模块。
对于本优选实施例，适合部署在物联网的智能家居环境。常规的负荷设备开关，通常是简单的开关电路，不会提供负荷设备的负荷编号。对于智能家电，则可以在开关中设置本优选实施例的负荷确定器，用于将负荷编号发送给接收模块，从而使得本系统能从负荷设备数据库中检索到该负荷设备的预设周期，进而锁定调制在预设周期内停止工作，以降低误码率。
优选的，该系统还包括：
录入模块，用于预先获取各种负荷设备的噪声特性，从中确定噪声特征大于预设值的预定周期，并为该负荷设备设置唯一的负荷编号，然后将其负荷编号和预定周期录入负荷特征数据库。
图10是根据一示例性实施例示出的各种负荷设备的波形图，如图所示，冰箱在启动过程中有1个1.2秒左右较大的功率脉冲，采用本发明的上述实施例，可以通过根据负荷设备数据库预存的1.2s预设周期，触发电路控制调制模块在这1.2s内停止工作，从而显著地降低误码率。
如图10所示，电水壶是电阻类负荷，在开启时基本为阶跃图形，则预设周期设为0.5秒即可。
如图10所示，电视机的特点是谐波较多，预设周期设置为0.8s比较合适。
如图10所示，电磁炉的特点是波形缓慢爬升，预设周期设置为5s比较合适。
而本优选实施例则可以实现能对各种场景的负荷设备确定其噪声超过阈值的预设周期。本优选实施例采用了负荷特征来识别各种用电设备，并采用负荷特征数据库来管理各种用电设备的负荷特征，从而大幅提高了本系统的工作效率。
优选的，录入模块将负荷设备的波形划分为过渡阶段和稳定阶段，将过渡阶段的时长设置为预定周期。
根据对图10的分析，本优选实施例将负荷波形划分成过渡阶段和稳定阶段，能够很好地确定各种用电设备的噪声污染比较大的预设周期。
优选的，录入模块通过分析有功功率、无功功率、功率因数、电压和电流来将负荷设备的波形划分为过渡阶段和稳定阶段。
优选的，录入模块确定稳定阶段包括：
以时间周期T获取负荷设备的波形t内的有功功率Pj、无功功率Qj、功率因数Fj、电压Uj、电流Ij，其中j取1-N，如果有功功率Pj、无功功率Qj、功率因数Fj、电压Uj、电流Ij满足预设稳定阶段条件，则确定负荷设备的波形已经进入稳定阶段。
优选的，稳定阶段条件包括：
Figure BDA0002423967910000081
Figure BDA0002423967910000082
Figure BDA0002423967910000083
Figure BDA0002423967910000084
Figure BDA0002423967910000085
Figure BDA0002423967910000086
Figure BDA0002423967910000087
Figure BDA0002423967910000088
Figure BDA0002423967910000091
Figure BDA0002423967910000092
Figure BDA0002423967910000093
Figure BDA0002423967910000094
其中，max()是取最大值函数，min()是取最小值函数，以上条件之间的关系为and，F1,F1,…,F12为预设值。
优选的，录入模块确定过渡阶段包括：
以时间周期S获取负荷设备的波形s内的有功功率Pi、无功功率Qi、功率因数Fi、电压Ui、电流Ii，其中i取1-N，如果有功功率Pi、无功功率Qi、功率因数Fi、电压Ui、电流Ii满足预设过渡阶段条件，则确定负荷设备的波形仍然处于过渡阶段。
优选的，过渡阶段条件包括：
Figure BDA0002423967910000095
Figure BDA0002423967910000096
Figure BDA0002423967910000097
Figure BDA0002423967910000101
Figure BDA0002423967910000102
Figure BDA0002423967910000103
Figure BDA0002423967910000104
Figure BDA0002423967910000105
Figure BDA0002423967910000106
Figure BDA0002423967910000107
Figure BDA0002423967910000108
Figure BDA0002423967910000109
其中，P*i＝Pi-Pi-1，Q*i＝Qi-Qi-1，F*i＝Fi-Fi-1，U*i＝Ui-Ui-1，I*i＝Ii-Ii-1，以上条件之间的关系为or，G1,G1,…,G12为预设值。
上述实施例建立了一种高效的过渡阶段与稳定阶段识别方法，特别适合采用可编程电路来进行计算，实现方案简单高效。
图11是根据一个示例性实施例示出的一种高速可靠的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图，如图所示，将图2和图9的实施例进行结合，调制电路20之前加入过零点检测电路10。
这样，首先由触发电路判断是否可以触发，但确定可以触发时，再由过零点检测电路选择噪音最少的过零点处进行调制，从而进一步提高信号传输质量。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种高速可靠的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，发送端包括：
过零点检测电路，用于检测电力线的过零点；
调制电路，用于在过零点向电力线载波调制信号；
发送电路，用于通过电力线发送调制后的信号。
2.根据权利要求1所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，过零点检测电路包括依次电连接的整流模块、限流模块、光电耦合模块和调压输出模块。
3.根据权利要求2所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，整流模块为四只二极管组成的桥式电路，其输入端连接电力线，其输出端连接限流模块。
4.根据权利要求3所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，限流模块和调压输出模块为电阻器，光电耦合模块输入端为光电耦合的发光二极管和光敏三极管，其输入端连接限流模块，其输出端连接调压输出模块。
5.根据权利要求4所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，在整流模块与限流模块之间电连接滤波调压电路。
6.根据权利要求5所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，滤波调压电路包括：
电阻器，与整流电路并联；
串联的电容器和二极管，其与电阻器并联；
三极管，其发射极连接在电容器与二极管之间，其基极连接至二极管的输出端，其集电极连接至光电耦合模块。
7.根据权利要求1所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，过零点检测电路包括依次电连接的滤波模块、限流模块、光电耦合模块和调压输出模块。
8.根据权利要求7所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，光电耦合模块包括：
一对正负极反接并联的发光二极管；
与发光二极管光电耦合的光敏三极管。
9.根据权利要求8所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，限流模块和调压输出模块为电阻器，滤波电路为电容器。
10.根据权利要求9所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，在调压输出电路与调制电路之间设置发送阈值电路，用于以预设时间宽度接受调压输出电路的触发，从而使调制电路在过零点的预设时间宽度内工作。
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