电力线载波通信方法
【专利摘要】本发明涉及电力线载波通信方法。本发明的目的是提供一种电力线载波通信方法，实现快递组网通信，避免局部电网谐波系数超标的问题。本发明的技术方案是：S1、将同一集中器下的各电表的地址下发到该集中器中，集中器根据地址向目标电表发出初始的n级中继信号；S2、电表判断所听到信号强度是否大于设定值；若是，不转发信号；若否，对信号进行转发，中继级别减一；S3、目标电表侦到集中器发送的信号后，读取其初始中继级别n和当前中继级别M，将自身中继级别设定为n-M，并对集中器进行回复；S4、集中器收到目标电表的回复后，将回复的数据和中继级别存储。本发明主要适用于220V低压侧的电力线载波通信领域。
【专利说明】电力线载波通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力线载波通信方法，特别是一种基于R-FSK(Ripple-Frequency-shift keying)调制技术的载波通信方法，即基于脉冲通信和移频键控通信技术的载波通信方法，主要适用于220V低压侧的电力线载波通信领域。
【背景技术】
[0002]近年，随着电子技术与通信技术的发展，以及国内外资金的大批注入，关于低压载波信道这一块的科研工作取得了重大突破，为低压电力载波通信技术的成熟创造了条件。但是就目前的低压载波通信而言仍存在着技术瓶颈:衰减、干扰与动态变化，这些都是制约低压载波通信发展的关键因素。扩频技术、多载波调制、自适应调频技术以及正交频分复用技术等，都是从物理通道上提高载波的抗干扰能力及可靠性。组网技术的优化也是载波抗衰减采取的重要措施，目前国内外比较推崇的通信方案主要有三种:
[0003]Echelon的基于PSK调制的Lonworks技术。Lonworks技术自身具有“全网监听、冲突避让”机制，在无需了解低压电网的网络拓扑结构的情况下可以通过随机搜索的思路，逐步覆盖全网。由于这一技术中采用随机中继的方法，因此其中继效率不高，而且，对于无法形成链路的“孤岛”，它也无能为力。
[0004]东软载波是基于FSK调制的主从式的网络结构中静态组网方案。在主从式的网络结构中静态组网方案中一般采用集中器作为组网的主体，通过专有的算法选出网络节点的一条或多条中继路径，并将多条中继路径记忆在集中器中。在通信的过程中根据成功概率对其优化。通过长时间的路由学习和路径优化选择达到优化通讯效果的目的，但这种技术需要学习时间长，效率低，如果一个主要中继节点损坏，又将学习很长时间。
[0005]瑞斯康载波是基于PSK调制的动态组网的机制，动态组网机制是建立在物理层的载波侦听多路访问(CSMA)的防冲突技术上的。组网算法的核心是网络中的智能节点自动寻找最佳的通讯路径群(不是一条路径)，进行数据包的转发，用动态的路由去适应动态的电网。在动态组网技术当中，集中器组网算法得到了简化，在抄收机制上相当于数据库的检索查询，主要的组网功能由各个智能化的节点来完成。这是与静态组网的根本区别，静态组网全部由集中器来实现，各节点只是被动的转发数据包。动态组网不依赖于低压电网的网络拓扑结构，采用一种绝对的动态网络自适应技术，直到集中器下发抄表指令时，才开始真正组网，不依赖于历史记录，通过全网设备建立起多条传输链路。在智能中继、冲突避让的基础上，使网络内所有设备互动协调，以最快的速度找到目标节点。但是该技术只是解决了快速组网问题，同样会出现孤点无法通讯的现象，并且这种技术带来了一个难题，那就是全网齐呼容易导致局部范围的电网谐波系数超标，损害用户家用电器。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是:针对上述存在的问题提供一种电力线载波通信方法，以实现快递组网通信，同时避免局部电网谐波系数超标的问题。[0007]本发明所采用的技术方案是:电力线载波通信方法，其特征在于步骤如下:
[0008]S1、首先将属于同一集中器下的各电表的地址下发到该集中器中，集中器按照各电表的地址向目标电表发送载波信号；当集中器中不存在目标电表对应的路由级数时，贝1J发出一个初始的η级中继载波信号，η取不大于7的正整数；
[0009]S2、电表判断其所侦听到的信号强度是否大于设定值X, X不大于130dbuv ;若是，则该电表不对该信号进行转发；若否，则对该信号进行转发，同时中继级别减一，且经转发后的彳目号中包含有初始中继级别η和转发后的中继级别m, m取小于η的整数；
[0010]S3、当目标电表侦听到集中器发送的信号后，读取信号的初始中继级别η和当前中继级别Μ，并将自身中继级别设定为η-Μ，然后发出中继级别为η-Μ的中继信息回复给集中器，M取不大于η的整数；
[0011]S4、集中器收到目标电表的回复后，将其回复的数据以及中继级别存储，即可实现中继路由记录和通信。
[0012]所述初始中继级别η为4级。
[0013]若没有电表对集中器进行回复，集中器将初始中继级别调整为7级，然后依次执行步骤S2、S3、S4。
[0014]所述集中器和所有满足转发条件的电表在过零点时同步进行信号发送。
[0015]所述设定值X为70dbuv。
[0016]按照前述步骤执行三轮后，若仍有电表未能与集中器通信，则采用脉动控制技术实现集中器与余下电表的通信。
[0017]采用所述脉动控制技术实现通信的具体步骤如下:
[0018]S11、集中器将拟发送命令进行编码形成二进制编码信号，然后将该编码信号和脉冲信号调制成二进制载波信号，并将该载波信号发送至电力线上，该载波信号的初始中继级别为7级；
[0019]S12、电表判断其所侦听到的信号强度是否大于设定值X，X不大于130dbuv ;若是，则该电表不对该信号进行转发；若否，则对该信号进行转发，同时中继级别减一，且经转发后的信号中包含有初始中继级别7和转发后的中继级别m，m取小于7的整数；
[0020]S13、目标电表侦听到信号后，对该信号进行解调，读取信号的初始中继级别7、当前中继级别M和集中器发送的命令，并将自身中继级别设定为7-M，然后根据集中器发送的命令发出中继级别为7-M的中继信息回复给集中器，M取不大于7的整数；
[0021]S14、集中器收到目标电表的回复后，将其回复的数据以及中继级别存储，即可实现中继路由记录和通信。
[0022]所述二进制编码信号包括命令编码、位于前端的前导符和位于末尾的结束符；所述前导符为2.5s的启动脉冲，结束符为2.5s的结束脉冲。
[0023]所述脉冲信号的频率为222.6Hz。
[0024]所述集中器和所有满足转发条件的电表在过零点时同步进行信号发送；所述设定值 X 为 70dbuvo
[0025]本发明的有益效果是:1、本发明放弃了现有技术中冲突检测转发和通信路径学习的方式，转而采用判断信噪比后进行有条件转发的方式进行中继转发，即信号强度小于70dbuv时进行转发，既能够进行快速的中继路由记录又实现了快速组网通信，并且避免了现有技术中每一个收到信号的电表都进行中继转发，导致信号叠加过大超过130dbuv造成局部电网谐波系数超标的问题。2、利用“过零同步”实现集中器和所有满足条件的从节点(电表侦听到的信号强度小于70dbuv)的同步转发，使用发现服务优化了组网方式，通过采样交流电220V上的过零点，实现所有电表的过零点时的同步。3、采用脉动控制技术来实现集中器与孤点电表的通信，从而解决了因通信距离太远导致孤点电表无法与集中器通信的问题，保证了通信的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明中继转发示意图。
[0027]图2是本发明中二进制编码信号示意图。
[0028]图3是本发明中二进制编码信号调制示意图。
[0029]图4是本发明采样的过零点等效波形。
[0030]图5是本发明中转发后的信号和原始信号的对比图。
【具体实施方式】
[0031]如图1-图3所示,本实施例首先采用FSK (Frequency-shift keying)通讯方案，集中器快速抄读下面所管辖的电表，针对个别孤点现象，再采用脉动控制技术进行慢速抄读，因为脉动控制数据传送是可以实现非常远距离通讯的一种通讯方案。德国现场测试脉动控制数据传送距离可以达到十几公里，但其缺点是传输速度慢，这个通讯思想可以解决最后几块无法抄读到的电表，进行慢速抄读，从而实现低压集抄最后的孤点问题，其具体步骤如下:
[0032]S1、首先将属于同一集中器下的各电表的地址下发到该集中器中，集中器按照电表的地址向目标电表发送载波信号(由集中器发送的抄读命令和高频信号调制而成，可以采用FSK调制技术，也可以采用BPSK调制技术);当集中器中不存在目标电表对应的路由级数(中继级数)时，集中器则发出一个初始的试探性η (η取不大于7的正整数，本例η取4)级中继载波信号(同样由集中器发送的抄读命令和高频信号调制而成)。
[0033]S2、电表判断其所侦听到的信号强度是否大于设定值70dbuv;若是，则该电表不对该信号进行转发；若否，则对该信号进行转发，同时中继级别减一(每转发一次，中继级别减一)作为信号转发后的中继级别m，且经转发后的信号中包含有初始中继级别η(本例η取4)和转发后的中继级别m，m取小于η的整数，n-m的值等于信号转发的次数。按照国家电网规定，载波发送到电网上面的信号强度最大不能超过130dbuv，因此，本实施例放弃了在同一个相位上的每个电表都进行中继转发的方式(该方式会因为信号叠加增强，导致信号强度大于130dbuv，从而造成电网污染，损害用户家用电器)，而是采用信号强度低于70dbuv的电表进行信号中继转发的有条件转发方式，从而解决了局部电网谐波系数超标的问题。所述集中器和所有满足转发条件的从节点(电表)在过零点时同步进行信号发送。
[0034]S3、当目标电表侦听到集中器发送的信号后，读取信号的初始中继级别η (本例η取4)和当前中继级别Μ，并将自身中继级别设定为η-Μ，然后发出中继级别为η-Μ的中继信息回复给集中器;M取不大于4的整数，对于无需中继转发即可抄读到目标电表数据的情况，初始中继级别η和当前中继级别M均为4，即目标电表的中继级别为O ;对于需要通过中继转发才能够抄读到目标电表数据的情况，当前中继级别M等于转发后的中继级别m。
[0035]如果集中器的4级中继信号发出去后，没有电表回复数据，集中器就会把该表的初始中继级别修改为最高的7级，然后依次执行步骤S2、S3、S4 ;通过最高7级中继转发后，该集中器下绝大部分电表都可以抄到，按照国家电网公司的统计抄表成功率保持在96.5%左右。但是同样还有3.5%的电表通过FSK (或者BPSK)载波通讯无法抄读回数据，主要是距离太远形成一些通信孤点，这也是目前FSK载波通信遇到的最大瓶颈。
[0036]S4、集中器收到目标电表的回复后，将其回复的数据以及中继级别存储，即可实现快速的中继路由记录和快速的抄表。
[0037]如图1所示，本实施例集中器发送一个初始的试探性4级中继信号，第一个电表听到后，如果发现信号强度大于70dbuv则不进行转发，第二个电表听到后如果信号强度小于70dbuv，则进行转发信号，同时转发后的信号中继级别由4降低为3，并记录住初始中继级别4，后面再按照前述规则依次递减中继级别进行转发。如果集中器所需要抄读的目标电表听到抄读命令后，发现信号的当前中继级别为1、初始中继级别为4，则这个电表知道自己的中继级别是4-1=3 ;这块电表回复集中器的命令时，就会发出中继级别为3的中继信息，再通过中继回复给集中器，集中器就可以知道这个电表的中继级别为3并做好记录。如果目标电表发现当前中继级别M和初始中继级别η均为4，则表示无需中继转发即可抄读到目标电表的数据，即目标电表的中继级别为O。
[0038]针对通信距离太远形成的通信孤点，本实施例采用脉动控制技术控制集中器对余下电表进行抄读。为了波形传送距离远并防止空载时信号因谐振在线路末端的过分放大，
300000
最长线路应小于四分之一的信号波长，即线长小于公里，实际上当线路超过0.8倍
上述长度时，谐振现象已经明显，再者，加上线路通常有很多支线，这对于线路增加了电容。
300000
因此，最长的线路不宜大于0.5倍的上述理论数值，即最长线路不大于一f，因此,对于
频率为222.6HZ的信号，其最长通讯线路一般不超过168公里。本实施例利用这种低频率通信方案通讯距离远的特征来解决孤点问题，具体步骤包括:
[0039]S11、按照前述步骤执行三轮后(按照顺序依次执行步骤S1、S2、S3、S4作为一轮)，若仍有电表未能与集中器通信，集中器则将拟发送命令进行编码形成二进制编码信号(如图2所示)，然后将该编码信号和低频脉冲信号(频率为222.6Hz)调制成二进制载波信号(如图3所示，其中A为二进制编码信号，B为低频脉冲信号，C为调制后待发送的二进制载波信号)，并将该载波信号发送至电力线上，该载波信号的初始中继级别为7级；
[0040]S12、电表判断其所侦听到的信号强度是否大于设定值70dbuv;若是，则该电表不对该信号进行转发；若否，则对该信号进行转发，同时中继级别减一(每转发一次，中继级别减一)作为信号转发后的中继级别m，且经转发后的信号中包含有初始中继级别7和转发后的中继级别m，m取小于7的整数，7-m的值等于信号转发的次数。所述集中器和所有满足转发条件的从节点(电表)在过零点时同步进行信号发送。
[0041]S13、 目标电表侦听到信号后，对该信号进行解调，读取信号的初始中继级别7、当前中继级别M和集中器发送的命令，并将自身中继级别设定为7-M，然后根据集中器发送的命令发出中继级别为7-M的中继信息回复给集中器;M取不大于7的整数，对于无需中继转发即可抄读到目标电表数据的情况，初始中继级别和当前中继级别M均为7，即目标电表的中继级别为O ;对于需要通过中继转发才能够抄读到目标电表数据的情况，当前中继级别M等于转发后的中继级别m。
[0042]S14、集中器收到目标电表的回复后，将其回复的数据以及中继级别存储，即可实现中继路由记录和通信。
[0043]如图2所示，所述二进制编码信号包括命令编码、位于前端的前导符和位于末尾的结束符；其中前导符为2.5s的启动脉冲，结束符为2.5s的结束脉冲；命令编码中，相邻两下降沿之间的时间间隔为1.5s时，表示二进制中的“O”码，相邻两下降沿之间的时间间隔为2.5s时，表示二进制中的“I”码。电码的设计应考虑接收机译码方便，提高抗干扰能力，在高电平的时候发送222.6HZ的低频信号进行调制。
[0044]根据对电网参数的测量，电网中三次和五次谐波约为4.5?5.5 %和4.5?4.7%,各地各时都不一样，一般不会超过10 %。接收机接收回路必须简单，故采用单谐回路，为使信号可靠接收，故取0.5秒为编码单位时间。因接收机识码的时间回路随温度和其他因素变化而改变时间参数，故“O”码和“I”码距离为I秒。
[0045]这样通讯虽然通讯速度会大大降低，但是因为其通信距离非常远，基本可以保证通信的可靠性，通过这种慢速通信来解决最后的孤点问题。
[0046]如图4所示的采样过零点等效波形，横轴是时间轴，纵轴是电压轴，说明两个模块(分别指的集中器和电表)采样的过零信号等效波形图是完全重叠，可以做到过零点同步。图中两种波形(颜色稍浅的为A波形，颜色稍深的为B波形)是用两个示波器探头采样过零点等效信号得到的图像。
[0047]如图5所示，转发后的信号和原始信号的对比图(其中信号C为原始信号，信号D为转发后的信号，即中继信号，从图中可知，原始信号的振幅大于转发后的信号的振幅，即原始信号的最大电压大于转发后的信号的最大电压)就是两个模块(分别指的集中器和电表，下同)在中继时的信号发出波形图，横轴是时间轴，纵轴是电压轴，说明两个模块通过过零同步后中继载波信号是可以进行重叠发送的。
【权利要求】
1.一种电力线载波通信方法，其特征在于步骤如下: 51、首先将属于同一集中器下的各电表的地址下发到该集中器中，集中器按照各电表的地址向目标电表发送载波信号；当集中器中不存在目标电表对应的路由级数时，则发出一个初始的η级中继载波信号，η取不大于7的正整数； 52、电表判断其所侦听到的信号强度是否大于设定值X，X不大于130dbuv;若是，则该电表不对该信号进行转发；若否，则对该信号进行转发，同时中继级别减一，且经转发后的信号中包含有初始中继级别η和转发后的中继级别m，m取小于η的整数； 53、当目标电表侦听到集中器发送的信号后，读取信号的初始中继级别η和当前中继级别Μ，并将自身中继级别设定为η-Μ，然后发出中继级别为η-Μ的中继信息回复给集中器，M取不大于η的整数； 54、集中器收到目标电表的回复后，将其回复的数据以及中继级别存储，即可实现中继路由记录和通/[目。
2.根据权利要求1所述的电力线载波通信方法，其特征在于:所述初始中继级别η为4级。
3.根据权利要求2所述的电力线载波通信方法，其特征在于:若没有电表对集中器进行回复，集中器将初始中继级别调整为7级，然后依次执行步骤S2、S3、S4。
4.根据权利要求1或2或3所述的电力线载波通信方法，其特征在于:所述集中器和所有满足转发条件的电表在过零点时同步进行信号发送。
5.根据权利要求1或2或3所述的电力线载波通信方法，其特征在于:所述设定值X为70dbuvo
6.根据权利要求1或2或3所述的电力线载波通信方法，其特征在于:按照前述步骤执行三轮后，若仍有电表未能与集中器通信，则采用脉动控制技术实现集中器与余下电表的通信。
7.根据权利要求6所述的电力线载波通信方法，其特征在于:采用所述脉动控制技术实现通信的具体步骤如下: 511、集中器将拟发送命令进行编码形成二进制编码信号，然后将该编码信号和脉冲信号调制成二进制载波信号，并将该载波信号发送至电力线上，该载波信号的初始中继级别为7级； 512、电表判断其所侦听到的信号强度是否大于设定值X，X不大于130dbuv;若是，则该电表不对该信号进行转发；若否，则对该信号进行转发，同时中继级别减一，且经转发后的信号中包含有初始中继级别7和转发后的中继级别m，m取小于7的整数； 513、目标电表侦听到信号后，对该信号进行解调，读取信号的初始中继级别7、当前中继级别M和集中器发送的命令，并将自身中继级别设定为7-M，然后根据集中器发送的命令发出中继级别为7-M的中继信息回复给集中器，M取不大于7的整数； 514、集中器收到目标电表的回复后，将其回复的数据以及中继级别存储，即可实现中继路由记录和通/[目。
8.根据权利要求7所述的电力线载波通信方法，其特征在于:所述二进制编码信号包括命令编码、位于前端的前导符和位于末尾的结束符；所述前导符为2.5s的启动脉冲，结束符为2.5s的结束脉冲。
9.根据权利要求7所述的电力线载波通信方法，其特征在于:所述脉冲信号的频率为222.6Hz。
10.根据权利要求7所述的电力线载波通信方法，其特征在于:所述集中器和所有满足转发条件的电表在过零点时同步.进行信号发送；所述设定值X为70dbuv。
【文档编号】H04L27/10GK103475391SQ201310429213
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】周君鹏, 赵小进, 何城, 王智, 戴韧 申请人:杭州迅龙科技有限公司