專利名稱：一種用電力線傳送脈沖信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在電力線單相回路中傳送脈沖信號的方法，該方法利用時鐘脈沖對脈沖信號進行定位(數(shù)控)，利用交變電壓過0(V)點作為同步基準(zhǔn)，并用一種脈沖傳送器實行傳送。
電力線分布廣泛，是一種潛在通訊資源，但由于電力線上有高峰值交變電壓，電網(wǎng)分布面積大，易受干擾，難以用已有通訊技術(shù)在電力線上傳輸信息。國內(nèi)外在這方面開發(fā)研究的主要方向是在電力線上加載高頻載波，用調(diào)制/解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)信息傳輸，如US-5246334,US-4479215,DE-2039409，已有的開發(fā)工作有利用電力線通電話；國內(nèi)電力部門用電力線進行通話和實施電網(wǎng)管理等。由于這類技術(shù)抗干擾難度大，至今還沒有取得能夠廣泛應(yīng)用的技術(shù)成果。
本發(fā)明的目的是提出一種既能利用電力線傳送脈沖信號，又能夠與現(xiàn)有弱電控制系統(tǒng)相容的技術(shù)方法。本方法沒有重復(fù)載頻技術(shù)的老路，而是充分利用現(xiàn)代脈沖技術(shù)的成果，在交變電壓中創(chuàng)造應(yīng)用脈沖技術(shù)的條件。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的脈沖信號以兩種形式注入電力線一是直流電源經(jīng)高速開關(guān)電路控制產(chǎn)生的電壓跳變，二是高頻載波脈沖式載入形成的載波“片段”；在電力線交變電壓周期內(nèi)用傳送器內(nèi)部時鐘對信號發(fā)送/接收位置定位；在信號網(wǎng)內(nèi)用電壓過0(V)脈沖對內(nèi)部時鐘確立同步基準(zhǔn)，脈沖信號的接收與發(fā)送同步；接收電路用接收窗口處理信號和干擾；每個信號網(wǎng)點都用脈沖傳送器與電力線作信號連接、發(fā)送或接收信號。下面作進一步闡述。
一、交變電壓周期中的脈沖信號傳送位置脈沖信號(無論電壓跳變式還是高頻載入式)在電力線上傳送，都是在電壓周期內(nèi)設(shè)定的傳送位置上進行的。電壓跳變信號(即正規(guī)脈沖)的傳送位置分布在交變電壓周期的特定區(qū)段，具體指電壓正、負(fù)半周內(nèi)峰值電壓兩側(cè)的低壓區(qū)段，這是宏觀交變電壓中的微觀直流低壓區(qū)段，電壓跳變信號(脈沖)從這里注入，夾在交變電壓波峰之間0V位置附近傳送。高頻載波式信號則是一種將載頻在信號脈沖控制下的注入形式，傳送位置不受高低壓區(qū)段局限，能在交變電壓全周期范圍內(nèi)傳送。
信號傳送位置是用內(nèi)部時鐘設(shè)定的一個幾十微秒的時間段，在這個時間段內(nèi)允許電壓發(fā)生一次跳變，或載入一段載波，成為信號“1”；如在此時間段內(nèi)沒有電壓變化，即為信號“0”。脈沖信號在電力線上傳送只發(fā)生在傳送位置里，別的時間既無信號發(fā)送，也不接收任何信號。傳送位置由計算機提供的定位脈沖控制。
就一個信號傳送位置對應(yīng)一個信號而言，計算機提供的定位脈沖可以看成為信號傳送的一種同步脈沖。
二、脈沖傳送器的內(nèi)部時鐘系統(tǒng)脈沖傳送器里設(shè)有內(nèi)部時鐘系統(tǒng)，有計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，每過半個交變電壓周期，時鐘脈沖計數(shù)器復(fù)位一次，每次復(fù)位得到一個時鐘脈沖序列，計數(shù)器的復(fù)位信號來自內(nèi)部電路中檢測交變電壓過0(V)點得到的過零脈沖。這樣，每個時鐘脈沖序列都是從0V開始，到下一個0V結(jié)束，長度與半周期一致。序列中每個脈沖的序號也從0V開始順序編排，到下一個0V為止。脈沖序號用于設(shè)定信號發(fā)送/接收位置和高電壓阻斷位置等，設(shè)定值將作為定位控制數(shù)據(jù)儲存于計算機。
三、內(nèi)部時鐘脈沖的同步在電力線回路中，交變電流方向的每次轉(zhuǎn)變都出現(xiàn)一個0電流瞬間，電壓為0，這種電流方向的轉(zhuǎn)變是在全回路范圍同時發(fā)生的，所以電壓過0(V)點在回路內(nèi)具有時間基準(zhǔn)的品質(zhì)，可以用作內(nèi)部時鐘同步的基準(zhǔn)。0V的電路特征也便于檢測，現(xiàn)在有許多檢測電壓過零點的高速電路，在100HZ的檢測頻率下，只需十幾納秒就能得到過零脈沖。這樣，分布在同一回路的各信號網(wǎng)點，由于它們的內(nèi)部時鐘脈沖計數(shù)器都以過0(V)脈沖復(fù)位和啟動，它們的內(nèi)部時鐘脈沖序列被過0(V)脈沖同步，而各網(wǎng)點序列內(nèi)部的脈沖，由于被規(guī)定使用相同頻率，所以只要在脈沖周期不小于微秒，也可視為同步。
時鐘脈沖計數(shù)器每半周期被刷新一次，序列內(nèi)脈沖同步的時間誤差不會積累；同時，時鐘序列每過半周就被過0(V)脈沖更新，所以電力系統(tǒng)工頻不穩(wěn)還會對同步帶來影響。
四、脈沖信號的接收和發(fā)送同步電力線信號脈沖的接收與信號發(fā)送同步可以提高信號傳送的可靠性和抑止干擾的影響。接收端傳送器里的接收電路是用接收窗口的設(shè)計實施同步接收的。
接收窗口是個選通電路，選通脈沖是內(nèi)部計算機提供的定位脈沖，由于接收端的定位脈沖與發(fā)送端的定位脈沖同步，所以接收窗口的開放時間與信號發(fā)送時間同步。不在信號發(fā)送時間，接收窗口對電力線上任何信號(包括干擾)都是關(guān)閉的。
五、接收窗口內(nèi)的干擾處理脈沖傳送器接收窗口與信號發(fā)送同步開放的工作方式，把電力線上干擾影響限制在窗口范圍里，窗口里的干擾問題是指當(dāng)接收到一個高電平信號時要判斷是否干擾造成的高電平 因此窗口里的干擾處理首先是判斷干擾信號的存在與否，如果存在干擾，則窗口接收的高電平信號不能用，應(yīng)重新發(fā)送。接收窗口里的高電平干擾可分成兩類一類是寬大型干擾，一類是超高型干擾。由于信號脈沖的寬度和高度都是固定不變的，而且只存在窗口里，所以凡延伸出窗口外的或者高出正常電平范圍的脈沖信號都應(yīng)視為干擾。判斷寬大型干擾的電路設(shè)計是在接收窗口旁設(shè)置一個付窗口，當(dāng)兩個相鄰窗口同時得到高電平信號時，視為存在寬大型干擾；判斷超高型干擾的電路設(shè)計是在窗口開放時間內(nèi)同時檢測超高電平信號，當(dāng)窗口里得到高電平的同時又檢測到存在超高電平信號時，視為存在超高型干擾。如果發(fā)生持續(xù)干擾的情況，通訊就會持續(xù)中斷，但不會誤傳信號。
還可以根據(jù)信號的脈沖性質(zhì)和干擾信號的交變性質(zhì)(多數(shù)是電磁波)進行處理。
六、脈沖傳送器脈沖傳送器是本方法在電力線上實施信號傳送的專用裝置，所有網(wǎng)點都需要配備、是網(wǎng)點上唯一與電力線直接連接的裝置。脈沖傳送器的下面連接現(xiàn)場控制設(shè)備的傳感器、儀表、執(zhí)行器、操作鍵盤和控制中心的計算機等，都是弱電范疇的器件。脈沖傳送器內(nèi)主要電路單元及其功能如下1、脈沖信號發(fā)送單元接收計算機提供的定位脈沖，并向電力線發(fā)送脈沖信號；本單元內(nèi)備有脈沖電源(或載頻發(fā)生器)和向電力線注入信號的功率元件。
2、脈沖信號接收單元在定位脈沖控制下，接收電力線上的脈沖信號，經(jīng)干擾檢查全格后送計算機處理；當(dāng)檢出干擾時向計算機發(fā)送停止信號處理的信號；3、0(V)電壓檢測單元檢測交變電壓過0(V)點并獲取過0(V)脈沖，用作時鐘脈沖計數(shù)器復(fù)位信號和內(nèi)部時鐘同步基準(zhǔn)信號；4、分頻-計數(shù)單元對時基脈沖進行分頻，對時鐘脈沖計數(shù)。分頻電路中的計數(shù)器也用過0(V)脈沖復(fù)位，以提高時鐘脈沖的同步精度；5、高壓阻斷電路在交變電壓周期的高電壓段，防止高電壓對內(nèi)部電路元器件的電壓沖擊。高壓阻斷區(qū)的邊界隨兩旁低壓區(qū)范圍的確定而定，由計算機控制阻斷時間；
6、計算機控制單元是傳送器的核心，以時鐘脈沖為外同步信號，主要承擔(dān)如下任務(wù)A、提供定位脈沖，用于確定信號發(fā)送和接收位置。定位脈沖的上升沿和下降沿位置都在時鐘脈沖序列里用脈沖數(shù)據(jù)標(biāo)定，成為信號網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)一使用的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，各個傳送器里的計算機只有依據(jù)相同的數(shù)據(jù)才能提供同步的定位脈沖。定位脈沖控制著信號的收發(fā)及其同步；當(dāng)需要發(fā)送“1”信號時，就向發(fā)送電路提供一個定位脈沖，控制一次脈沖注入，接收電路在另一頭同步接收；當(dāng)需要發(fā)送“0”信號時，計算機不提供定位脈沖，電力線上沒有脈沖信號，但另一頭的接收電路仍在定位脈沖位置接收信號，得到“0”；B、接受本網(wǎng)點下屬設(shè)備的弱電信號，計算機將根據(jù)預(yù)定協(xié)議加以處理，構(gòu)成信息的實質(zhì)內(nèi)容，并以提供/不提供定位脈沖方式通過發(fā)送電路執(zhí)行信號發(fā)送。信號處理的協(xié)議包含在軟件內(nèi)，是一種對現(xiàn)場信息內(nèi)容進行綜合分析和歸納后設(shè)計的專用程序；C、對接收電路送來的信號進行解譯，并轉(zhuǎn)換成計算機輸出信號，傳送到有關(guān)設(shè)備；D、當(dāng)收到存在干擾的通知時，停止處理接收電路來的信號，并向信號發(fā)送地發(fā)出重新發(fā)送信號的請求命令。
七、信號脈沖1、電壓跳變信號脈沖(正規(guī)脈沖)在電力線負(fù)載條件下進行可靠和經(jīng)濟的脈沖傳送，要求信號脈沖具有較高的跳變速率和盡可能窄的脈沖寬度。信號識別采用電平比較法，脈沖電平可取低壓區(qū)背景電壓最高值的2倍，即當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)范圍為0-A(V)時，脈沖電源用2A(V)，識別脈沖電平的比較值取1.7A(V)，超高電平比較值取2.3A(V)。脈沖電源為雙電源，正半周用正電源，發(fā)送正脈沖；負(fù)半周用負(fù)電源發(fā)送負(fù)脈沖。
正、負(fù)信號脈沖也可取自高頻振蕩電源，振蕩電波經(jīng)半波整流、分離，成為附合信號脈沖識別特征的單個正、負(fù)半波，在定位脈沖控制下作為正負(fù)脈沖使用。
2、載頻脈沖式載入信號信號脈沖定位注入方法與載波技術(shù)結(jié)合的一種信號形式，即在信號傳送位置上不是直接注入信號脈沖、而是在信號脈沖控制下加載一組載頻周波(少可到幾個、甚至一個周波)，連續(xù)載頻變成不連續(xù)的載頻“片段”。這種信號在接收電路內(nèi)可用50HZ反相正弦電壓信號與之合成，只要50HZ殘余電壓的波動小于載頻電壓的一半，就可將載波信號分離出來。
幾個有關(guān)問題的補充1、關(guān)于傳送電壓跳變信號的低壓區(qū)范圍低壓工作區(qū)范圍一端以0V為界，另一端的邊界電壓值根據(jù)具體條件設(shè)定，工作區(qū)越大，邊界電壓值越高，出于信號脈沖電平識別的需要，該邊界值以不超過脈沖電壓的一半為宜。如脈沖電源為20V時，邊界電壓值不宜超過10V。低壓工作區(qū)的時間寬度與邊界電壓值的關(guān)系可用下式表示設(shè)低壓區(qū)一端為0V，另一端為A(絕對值)V，時間寬度為t秒，在50HZ交變電壓電路中，低壓區(qū)時間寬度t與邊界電壓A的關(guān)系為t=arcsin(A1102)2π×50]]>式中分子部分是交變電壓從0V變到AV(或反方向變)的弧度值，分母是一秒鐘內(nèi)總的弧度變化數(shù)值。根據(jù)計算，當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)邊界電壓A取不同值時，得到如下關(guān)系表低壓區(qū)時間寬度t與邊界電壓值A(chǔ)關(guān)系表
表中可見，如果低壓區(qū)范圍設(shè)為0-10V時，時間寬度為204us。如果電力線脈沖傳送器在每個低壓區(qū)只傳送一個信號，半周內(nèi)有兩個，每秒鐘傳送200個信號。
2、關(guān)于時鐘脈沖頻率取值時鐘脈沖頻率的取值大小關(guān)系到半周期內(nèi)脈沖信號的個數(shù)和定位精度，當(dāng)電壓半周期內(nèi)有500-1000個時鐘脈沖用于定位時，鐘脈沖頻率為50K-100KHZ，時鐘脈沖周期為20-10us。
3、關(guān)于三相電源的利用本發(fā)明的信號傳送方法是在電力線的單相回路中進行的，三相電源有三個回路可供利用。當(dāng)信號為正規(guī)脈沖時，由于只利用低壓區(qū)，電壓周期有三分之二以上時間在高壓阻斷狀態(tài)下空閑。由于三相電源的相位差使三個回路的低壓區(qū)在時間上均勻差開，為一套機器處理三個回路的脈沖信號創(chuàng)造了時間條件。當(dāng)信號以載頻方式傳送時因信號傳送密度較大，回路繁忙，計算機難以同時應(yīng)付三個回路的信號處理量，可分開建立三個獨立信號網(wǎng)。
4、關(guān)于用戶之間的信號干擾如果在同一供電回路有兩個以上用戶，例如本發(fā)明用于家電智能管理系統(tǒng)的場合，信號會相互干擾。解決辦法一是在家庭供電線路的入口處安裝一個電感器；二是在干擾影響范圍內(nèi)的用戶系統(tǒng)采用相互錯開的信號傳送位置。
下面結(jié)合附圖
對本發(fā)明作概述。
圖一(A)本專利在設(shè)備運行監(jiān)控中的應(yīng)用一(B)本專利在家電智能管理中的應(yīng)用二(A)脈沖信號分布二(B)脈沖形態(tài)及其時序關(guān)系三信號脈沖發(fā)送單元電原理四脈沖接收及抗干擾單元電原理五電力線脈沖信號傳送器結(jié)構(gòu)框一(A)是本專利應(yīng)用于機電設(shè)備管理的例子，管理內(nèi)容有開/關(guān)控制，電流、電壓和溫度正常運行范圍監(jiān)控等巡檢項目。控制中心與受控設(shè)備的弱電信號經(jīng)過脈沖傳送器處理后，在電力線上傳送，到接收端再經(jīng)傳送器處理，轉(zhuǎn)為常規(guī)弱電信號；圖一(B)里是在現(xiàn)代家庭，公寓大樓的一種智能管理系統(tǒng)。信號和電源一道從插座取得。脈沖傳送器被設(shè)計成小巧的器件，安在插座上，亦可直接取代插座位置，永久固定在墻上。這種智能管理器通過簡便的用戶編程，令家用電器提供24小時定時開/關(guān)等智能服務(wù)。
圖二為脈沖信號的傳送位置說明圖。圖二(A)表示了信號在電壓周波中的分布范圍，圖二(A)的上部為分布在低壓區(qū)里的電壓跳變信號，脈沖高度都是2A(V)，符號L、H分別指示低壓區(qū)和高壓區(qū)。圖的中部是時鐘序列，序列長度與半周期一致，每個序列都以電壓0V為起點。信號網(wǎng)內(nèi)各個網(wǎng)點的內(nèi)部時鐘系統(tǒng)之間，由于從分頻到計數(shù)都用過0(V)脈沖作計數(shù)器的復(fù)位信號，頻率又相同，所以各網(wǎng)點的時鐘同步。圖中只畫出其中兩個網(wǎng)點的時鐘，數(shù)字“0123”表示時鐘脈沖編號方向，J、K為高壓區(qū)起、止點，也是高壓阻斷時間控制點。圖二(A)的下部表明了載頻脈沖載入信號的分布范圍，不受高低壓區(qū)的限止。圖二(B)表示了時鐘脈沖(a)，計算機定位脈沖(b)和信號脈沖(c,d)之間的時序關(guān)系和它們的形態(tài)；其中(c)為電壓跳變信號(虛線是整流、分離得到的單個半波)，(d)為載頻載入信號；該組信號傳達(dá)了“101”的數(shù)據(jù)信息(e)。
圖三為信號發(fā)送單元電原理圖，上部的圖表示了在低壓區(qū)里，脈沖電源電壓(2A)高于回路電壓(0-AV)，形成了脈沖電源對回路進行脈沖式放電的電壓條件。左圖表明在正半周用正脈沖電源供電產(chǎn)生正脈沖，右圖是負(fù)半周用負(fù)脈沖電源供電產(chǎn)生負(fù)脈沖。脈沖電源通過頻率特性優(yōu)良的開關(guān)電路注入電力線，圖中用三極管T代表一個開關(guān)電路。開關(guān)的控制信號即定位脈沖，由計算機提供，經(jīng)光電耦合器加到開關(guān)電路控制端上。圖三下部是脈沖發(fā)送單元電原理圖，虛線框內(nèi)是高壓阻斷電路的原理圖。
圖四為信號脈沖接收和抗干擾單元電原理圖?；芈冯妷航?jīng)過阻斷電路后，其正弦波形的高壓段降為0V，整流后的電力線電壓信號幅度只有0-A(V)，但其中的信號脈沖電平高度達(dá)2A(V)左右。本單元對信號電平的識別第一步是電平比較，考慮到信號在電力線上的衰減，將信號脈沖的鑒別值降到1.7A(V)。圖中從比較器A1輸出的是電力線上所有達(dá)到和超過脈沖信號高電平標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號。接下來電路用接收窗口在定位脈沖控制下同步檢出信號脈沖，圖中用一個與門I2模擬選通電路來檢出信號，窗口的開通時間由選通脈沖a(定位脈沖)控制。如果沒有干擾，與門I2的輸出即可送計算機進行信號處理。
圖四中有三個與門用于接收信號和處理干擾與門I2的d端為信號接收端，與門I3的e端為寬大型干擾檢測端，與門I1的c端為超高型干擾檢測端。與門I3構(gòu)成檢查寬大型干擾脈沖的付接收窗口，窗口開通時間和寬度由選通脈沖b控制，選通脈沖b與a寬度相等，但兩者在時鐘脈沖序列中的位置是前后相鄰。所以當(dāng)與門I2的輸出端d收到高電平信號、與門I3輸出端e也得到高電平時，按存在寬大型干擾處理，將d端信號作廢重發(fā)。檢測超高型干擾的電路是先用比較器A2以2.3A(V)為比較值從低壓區(qū)檢出全部超過正常電平高度的信號，再用與門I1和窗口選通脈沖a進一步檢查在接收窗口開放時間內(nèi)有沒有超高電平信號。當(dāng)信號接收端d為高電平，與門I1的超高型干擾檢測端c也為高電平時，按存在超高型干擾處理，信號重發(fā)。
圖五是脈沖傳送器的電路結(jié)構(gòu)框圖。圖中表示該傳送器連接在A相電源回路，電源進入系統(tǒng)后一路去內(nèi)部電源，一路去零電壓檢測單元，獲得過零脈沖后送分頻和計數(shù)單元，該單元可在計算機內(nèi)，亦可外置。第三路電源進高電壓阻斷電路，該電路是個低壓通道，信號脈沖的發(fā)送和接收都經(jīng)此通道。計算機是系統(tǒng)的核心，它要按照時鐘脈沖序列中的定位數(shù)據(jù)進行時間控制，更要承擔(dān)信息處理任務(wù)。
本發(fā)明為挖掘電力線的通訊資源、開發(fā)新一代控制器材，提供新的技術(shù)途徑，為計算機技術(shù)打開了又一應(yīng)用領(lǐng)域；本發(fā)明在野外、礦山和農(nóng)田的設(shè)備集中管理，現(xiàn)代家庭家電的智能化管理等方面，能夠顯示獨特的應(yīng)用價值。
權(quán)利要求
1.一種在電力線上利用時鐘脈沖定位傳送脈沖信號的方法，其特征在于a．利用電力線的單相回路傳送脈沖信號；b．用電力線傳送的脈沖信號在交變電壓周波內(nèi)的設(shè)定位置上進行發(fā)送和接收，發(fā)送和接收位置用內(nèi)部時鐘脈沖定位，計算機控制；c．利用檢測電力線電流方向轉(zhuǎn)折點、即檢測交變電壓0V得到的過0(V)脈沖作為時鐘脈沖計數(shù)器的復(fù)位信號，并用于電力線信號網(wǎng)內(nèi)部時鐘的同步；d．脈沖信號的發(fā)送和接收在內(nèi)部定位脈沖控制下同步進行；
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為用電力線傳送的脈沖信號是一種電壓跳變信號；
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為用電力線傳送的脈沖信號，是高頻載波脈沖式載入的載波“片段“；
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為利用電力線交變電壓半周內(nèi)兩端0V附近的低電壓區(qū)段傳送一個或多個脈沖信號；
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為信號網(wǎng)中的每個網(wǎng)點需要通過一個脈沖傳送器與電力線作信號連接，信號轉(zhuǎn)換和信號傳送。
全文摘要
一種在電力線單相回路中傳送信號脈沖的方法。脈沖信號在交變電壓周期內(nèi)定位傳送,用時鐘脈沖數(shù)控,收/發(fā)同步。本方法利用交變電壓的過0(V)點作為時間基準(zhǔn)確立信號網(wǎng)內(nèi)部時鐘的同步。脈沖信號可以是一種電壓跳變信號,被限定在交變電壓半周期內(nèi)波峰兩側(cè)靠近0V的低壓區(qū)段內(nèi)傳送;也可是高頻載波脈沖式載入信號,在全周期范圍內(nèi)傳送。通訊網(wǎng)內(nèi)各網(wǎng)點用脈沖傳送器與電力線進行信號連接,發(fā)送/接收脈沖信號。本發(fā)明為挖掘電力線的通訊資源、開發(fā)新型控制器提供了新的技術(shù)路線,在野外、礦山和農(nóng)田設(shè)備的集中管理,現(xiàn)代家庭家電的智能管理等場合具有突出應(yīng)用價值。
文檔編號H04B3/54GK1307407SQ0010052
公開日2001年8月8日 申請日期2000年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月21日
發(fā)明者周振權(quán), 蔡小鷹, 周青 申請人:周振權(quán)