具体实施方式

为使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，下面对本发明的实施方式做进一步的详细解释。

基于电力线路脉冲电流数据通讯系统，该系统应用于供电线路上。该系统包括连接在供电线路上的控制终端和设备终端。其中，控制终端和设备终端设有常用终端设备通用的微控制器、电源模块等基础模块。

控制终端设置有数据发送模块100，数据发送模块100用以给设备终端发送控制指令。在发送控制指令的过程中，将控制指令转换成火线与地线之间高频导通和断开的数据电流脉冲组成数字比特流信号，本实施例在10ms内完成一帧数据的发送。在火线与地线导通时，就会产生一个接地电流即供电线路产生一个对地的脉冲电流数据为‘1’，停止导通时，接地电流就会消失数据为‘0’。通过在连续的时间内导通和断开产生一个连续变化的脉冲信号。在产生接地电流的时，供电线路的火线和零线的电流会出现一个相量差。

相应的设备终端设有用以检测该相量差的电流互感器CT1及数据接收模块200。所述数据接收模块200检测供电线路上产生的脉冲电流，并通过解调器110解析出控制指令。在解析出控制指令后控制相应的用电设备进行导通、关闭以及模拟电压变化的调整操作。

更好的，控制终端内部可以设置存储器，存储控制指令，在特定的时间执行特定的指令。同时控制终端也可以设置数据交换模块300，数据交换模块300用以与上一级的控制系统进行通讯，获取上一级控制系统的控制指令。数据交换模块300可以为WiFi模块、蓝牙模块、4G或5G通信模块、NB-IoT通信模块、网络接口、USB接口。当数据交换模块300为USB接口时，可以通过USB接口进行数据的上传和下载以及各控制信息的输入。同样也可以使用RS232接口或者RS485进行数据的上传和下载。

如图8所示，数据发送模块100包括开关管Q1、供电电路、隔离光耦V1以及限定接地电流大小的限流模块。其中开关管Q1的漏极通过二极管D11与火线连接，其中二极管D11的正极和火线电气连接。开关管Q1的源极通过限流模块与接地极电气连接，开关管的栅极和隔离光耦V1的输出端发射极电气连接。供电电路输入端的正极和开关管Q1的漏极电气连接，供电电路输入端的负极和开关管Q1的源极电气连接，供电电路包括串联连接的电阻R11和电容C12，电阻R11的一端作为输入端与开关管Q1的漏极电气连接，电容C12的一端作为另一输入端和开关管Q1的源极电气连接，同时电容C12与稳压二极管D12并联。电阻R12和电容C12的连接点作为供电电路的输出端的正极与隔离光耦V1的电源输入端电气连接，隔离光耦的信号输出端和开关管Q1的栅极电气连接，同时开关管Q1的栅极与供电电路的负极之间串接一个电阻R13。控制器110的输出端输出一个高低电平不断变化的控制信号经隔离光耦V1驱动开关管Q1的通断。

上述电路结构可以实现在正弦波的正半周期内实现数据的发送和接收。如图9所示，更好的，为了实现全周期内的通信，本实施例中执行部件包括开关管Q1、整流桥D1。整流桥D1直流输出端的正极和开关管Q1的漏极连接，整流桥D1的输出端的负极和开关管Q1的源极电气连接。同时设置供电电路，供电电路如图8中所示的供电电路。供电电路包括串联连接的电阻R11和电容C12，电阻R11的一端作为输入端与整流桥D1输出端的正极电气连接，电容C12的一端作为另一输入端和整流桥D1的输出端的负极电气连接，同时电容C12与稳压二极管D12并联。电阻R12和电容C12的连接点作为供电电路的输出端的正极与隔离光耦V1的电源输入端电气连接，隔离光耦V1的输出端和开关管Q1的栅极电气连接。同时开关管Q1的栅极与供电电路的负极之间串接一个电阻R13。整流桥D1的输入端分别连接供电线路的火线和接地极。更好的，为了达到限流的作用，在接地极和整流桥D1的输入端之间串接有限流模块。

本实施例中，开关管Q1采用场效应管，同时也可以使用三极管替代开关管，其电路图与开关管控制的电路图相似，在此不再赘述。

所述数据发送模块根据控制指令在火线与接地极之间产生对地脉冲电流的方法为：

当采用整流桥D1进行控制时，在开关管或三极管导通时，

整流桥D1输出端导通时，整流桥D1的输入端形成通路产生对地的脉冲电流；

在开关管或三极管断开时，整流桥D1输出端断开时，整流桥D1的输入端形成开路。

当采用二极管D11与火线连接时，在开关管或三极管导通时，二极管D11导通，火线与接地极之间产生对地脉冲电流。在开关管和三极管断开时，二极管断开，火线与接地之间的对地脉冲电流消失。

产生对地的脉冲电流代表1，没有电流代表0，通过控制整流桥D1的输出端的通断实现数据1和0比特流的发送。

控制器110的输出端输出一个高低电平不断变化的控制信号，该控制信号驱动开关管Q1的通断。整流桥D1的直流输出端和开关管Q1两极并接，开关管Q1导通之后，整流桥D1交流输入端形成回路，实现火线与地线的接通，形成一个微小的接地脉冲电流。开关管Q1断开之后，整流桥D1交流输入端的回路断开，接地电流消失。为了防止电流过大，整流桥D1的直流输出端可串接电阻实现限流功能。

其中开关管可以场效应管、MOS三极管等。同时也可以使用三极管作为开关管，在此不再进行赘述。

其中控制导通和关断的频率远大于市电的工频50Hz。数据传输频率可以采用数1-15KHz的高频信号，本实施例中频率设置为8kHz。

限流模块可以为限流电阻R1，通过限流电阻降低接地电流的大小。

更进一步的，由于数据信号传输的速率远大于50Hz，为了实现隔离功能，限流模块设置为串联连接的限流电阻R1和隔离电容C1，隔离电容可以阻断50Hz工频电源的信号，因此使系统更加安全可靠。

进一步的，限流电阻R1可以采用PTC电阻，实现对过流的保护，进而可以防止发生供电线路跳闸。

为了实现可靠的接地，对于居配系统，家庭内部、楼宇内部的走线一般包括火线、零线和地线，因此，控制终端可以设置一个具有三个接头的插头插接在三孔插座上即可。对于特殊的供电线路，如只包括火线和零线，或者只包括A、B、C三相火线，则控制终端需要设置接地端子，通过接地端子及接地桩或连接其它接地点与大地接触。

数据发送模块100根据控制指令在火线与大地之间产生一个高频的对地脉冲电流的方法为：

本实施例中在交流半个周期10ms内传输一帧数据，波特率在1-10kHz范围内。以时间t为一个数据周期，如在第一个周期内导通开关管Q1，整流桥D1输入端导通时产生对地的一个接地电流脉冲，第二个周期内关断开关管Q1则没有接地电流脉冲，通过对每个周期内开关管Q1导通和关断的设置可以组成一串数据，其中接地电流可以代表1，没有接地电流可以代表0进而实现数据的发送。

控制器110用以实现控制指令信号的转换，控制指令一般设置固定的通讯规约，本实施例中采用所述短帧格式，编码选用NRZ编码，帧格式自定义如下：

定义控制命令帧编码格式，定义位逻辑：通讯空闲时电流幅值为0，信号幅值数据为1；定义控制命令帧编码格式：起始位+地址位+命令位+数据位可选校验位+停止位。

定义监测数据帧格式，定义位逻辑；通讯空闲时电流幅值为0，信号幅值数据为1；监测数据帧格式：起始位+地址位+命令位+数据位可选校验位+停止位。

通过转换之后，根据转换的数据控制开关管Q1导通和关断，进而将控制信号加载在供电线路上。

在供电线路上的设备终端通过数据接收模块200检测接地电流，并将连续变化的接地电流转换为数字信号。其中数据接收模块200包括电流互感器CT1、信号放大电路U1和控制器。

所述电流互感器CT1套设在供电线路上，所述供电线路的火线与零线穿设在电流互感器CT1内部。在产生接地电流之后，电流互感器相当于一个零序互感器，可以检测到微小的高频的电流信号。同时，所述电流互感器CT1的输出端和信号放大电路U1电气连接，信号放大电路U1将微小的信号转换为与调制解调器匹配的标准信号。

电流互感器采用高频磁性材料制成，可以检测到供电线路上的脉冲电流数据脉冲毫安/微秒转化为电压毫伏/微秒数据脉冲信号，并经过电流互感器的输出端传输到信号放大电路U1内部，信号放大电路U1将信号放大并整形，形成一个载有信号的矩形波。所述信号放大电路U1的输出端和控制器电气连接。信号放大电路U1输出的信号给控制器110进行处理，控制器110根据预设的通信规约解析出控制指令。

在控制器110解析出控制指令后，控制用电设备400执行控制指令。设备终端设有继电器、电子开关、模拟控制端口等执行部件，上述控制执行部件用以控制用电设备400。

更好的，如图2所示，数据接收模块200的信号放大电路U1与电流互感器之间设有整流模块D2，整流模块D2将交流信号转为直流信号，此时整个正弦波周期内的的信号都可以检测到。如图2所示，整流模块D2的输入端和电流互感器CT1的输出端电气连接。整流模块D2的输出端的正极通过电容C2和运算放大器的输入端连接，电容C2的两端分别通过电阻R2和电阻R3接地。整流模块D2的输出端的负极接地。运算放大器的另一输入端通过电阻R4接地，同时通过电阻R5与运输放大器的输出端电气连接。

其中整流模块可以为整流桥或者是二极管。

本实施例中，控制终端设有数据发送模块100，同样，也可以设置数据接收模块200，用以接收设备终端回传的数据信息。相应的，设备终端为了将监控的数据回传，也可以设置数据发送模块100，此时，在设备终端接收到指令并完成相应的控制操作之后，将确认信息以及状态信息回传给控制终端。

进一步的，为了接收设备终端回传的信息，数据接收模块200可以集成到控制终端上，也可以独立成为一个终端，对供电线路上的设备终端以及控制终端的发送的数据进行采集，并通过通信网络回传到监控平台。

应用上述基于电力线路脉冲电流数据通讯系统，可以搭建一个供电线路设备的监控系统，该系统设置一个监控平台，或者应用既有的智慧城市服务器系统。应用上述系统，通过脉冲电流数据通讯的控制方法包括以下步骤：

步骤1、需要对设备实施监控时，监控平台向控制终端发送指令数据。其中控制终端可以通过wifi通讯模块、网线、光纤、蓝牙、等通信方式与监控平台实现数据通信，监控平台通过通信通道将指令发送给控制终端。

步骤2、控制终端接收到指令数据之后，通过数据发送模块将指令数据转换成高频脉冲电流信号加载到供电线路上。首先控制终端将指令数据发送到数据发送模块100，数据发送模块100根据指令数据转换为通信报文，并根据通信报文转换为通断控制脉冲数据信号，数据发送模块100的通断控制信号控制开关管Q1导通和关断，将信息加载到供电线路上。

步骤3、供电线路上所有的设备终端实时检测供电线路上脉冲电流并解析指令数据。供电线路上的设备终端检测到脉冲电流信号，并解析出报文。

步骤4、设备终端检测指令数据中的地址与自身地址是否匹配，如果地址匹配则执行控制指令。具体的，根据预设的通信规约对数据报文进行解规约处理，得出控制指令中的地址信息、控制信息等，并判别指令是否是发送给自己的，如果是发送给自己则进行相应的控制，如果地址与自己的地址不符则不执行接收到控制指令。

对于一些重要的设备，需要回传其操作的确认信息，而对于一些非重要的设备，则不需要回传确认信息，因此为了减少对信道的使用，基于上述方法，所述指令数据分为需要应答命令和无需要应答命令。因此在所述步骤2中，控制终端接收的指令数据后判定为需要应答命令时，控制终端发送完指令数据后启动接收数据模块检测供电线路上脉冲电流的状态。

所述步骤4中，设备终端检测到指令数据为需要应答命令时，设备终端执行完控制指令后，在设定的时间内将执行结果转换为高频脉冲电流并通过数据发送模块加载到供电线路上。

还包括步骤5、控制终端接收设备终端的执行结果数据后，通过数据交换模块回传给监控平台。

上述系统中，可以三层结构：第一层无线网络监控平台具有无线网络通讯能力，作为配电网络的管理者具有独立的监控界面。第二层网络信息控制终端作为通讯主机，接收无线网络及其它输入信息并转换通讯报文数据为电流数据编码，同时监控所有相连用电设备控制器。第三层用电设备控制器，用于解析供电线脉冲电流数据报文，控制相连电气设备执行各种对应操作，并将其工作状态生成新的电流数据报文上传。

如图5所示，在单回路供电线路中，在供电线路的末端设置控制终端T，用以发送控制信息，在供电线路的首端设置一个控制终端T，首端的控制终端T设置有数据接收模块200，用以接收设备终端回传的信息，并通过网络传输给监控平台。这种控制方式适用于要求较高信息反馈的监控用电场所，如：智慧化城市、主要照明干线、隧道路灯照明、地下潜水泵网络控制等。

如图6所示，在单回路供电中，在供电线路的末端设置控制终端T，在供电线路上设置有多个设备终端S，控制终端T发送指令，设备终端S接收指令并控制用电设备。上述控制方式中，不用对用电设备的状态进行监控，适用于单向控制用电设备场所如：农田水泵灌溉、智能家居、广场照明灯等。

如图7所示，控制终端T设有数据接收模块200和数据交换模块300，并且控制终端T设置在供电线路的首端，设备终端S设置有数据发送模块100，设备终端检测到用电设备400的状态后，通过数据发送模块100将信号加载到供电线路上，在控制终端中检测到线路上的脉冲电流之后，转换成数据信息并通过数据交换模块300发送给监控平台500。该种结构适应于网络监控信息上传如：消防报警、交通信号灯、天网供电设备等要求较高的场所；还可以用于智能电表、高层电梯层间信息、矿道地下工程信息回传等。该系统可以实现一线多用智能配线功能，如：总配电柜所辖控制单元的监控设备及各种计量仪器仪表数据信息上传等，减少复杂的布线及线材的消耗。

更好的，为了实现设备的简单统一，产品为一个终端设备，即设备终端S和控制终端T都都为终端设备，终端设备设置数据接收模块200和数据发送模块100，作为一个设备终端，同时设置一个模式切换模块，当需要作为控制终端时，将终端设备设置为控制终端T，当作为设备终端S使用时，将终端设备设置为设备终端。此时，产品单一化，用户使用更加方便。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的范围，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，凡依本发明的要求范围所述的原理形状、构造、特征及精神所谓的均等变化与修饰，均应包括与本发明的权利要求范围内。