技术领域
[0001] 本
发明涉及一种面向家庭用户或单位用户使用电力线载波与无线通讯的家电信息通讯系统，该系统中的网桥可以与
电能表网关进行非对称电力载
波数字通讯实施控制及信息交互，包括进行电
能量、电功率、
水量、燃气量、时间、漏电保护、断路负控、费率等显示与控制，同时该网桥通过无线ZigBee（通讯标准采用IEEE802.15.4）标准与用户使用的家电及计量表具等进行无线通讯。非对称电力载波通讯，简写为：APLC(Asymmetric Power line carrier)。
背景技术
[0002] 当前现有的电力线载波
电能表集中抄表系统，参看
附图1A和图1B。
电子电能表是一种电能计量的电表，电力载波集中器（主机）通过380VAC三相四线电力线与各个电力载波电能表（从机），进行的是一种主机与从机都是在电力线上，并联耦合
电压型调制载波
信号进行通讯，称之为：对称电力线载波电能表集中抄表系统。当前还没有电能表为网关（主机），通过电能表输出的电力线进入用户家中与用户家中的家电（从机），进行非对称电力载波通讯实施信息交互与控制的装置，也没有一种能够显示家庭中各种
能源负载功率与使用量的显示装置。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于，提供一种非对称电力载波与无线通讯的家电信息通讯系统，该系统包括：非对称电力载波电能表网关、非对称电力载波与无线通讯网桥装置与APLC标准和无线ZigBee标准通讯的信息家电三大部分；该系统中第一部分非对称电力载波电能表网关，简称APLC电能表网关：是一种通过非对称电力线载波与信息家电进行通讯的电能表网关；第二部分非对称电力载波与无线通讯网桥装置是一种通过非对称电力线载波通讯和无线ZigBee标准通讯进行信息链路桥接的装置，简称ZB-APLC网桥；ZB-APLC网桥同时具备电能量、电功率、时间、费率等显示与漏电保护、负荷断路控制，以及通过家庭内无线ZigBee通讯标准的水、气计量表进行无线通讯；第三部分APLC标准和无线ZigBee标准通讯的信息家电，是指APLC标准与无线ZigBee标准通讯的白色信息家电与智能水表、智能燃气表等；非对称电力载波与无线通讯的家电信息通讯系统，能实现APLC电能表网关与APLC标准的信息家电，以及ZB-APLC网桥与ZigBee标准的智能水、气计量表进行无线通讯，并通过APLC电能表网关实现远程传输，以及能源负载的集中控制、家电的远程监控。
[0004] 本发明是在中国 200410103051.3号发明
专利申请：“一种非对称电力载波通讯装置”的
基础上，实现一种非对称电力线载波与无线通讯的网桥（从机）与非对称电力线载波通讯电能表网关（主机）进行电力线载波通讯的装置，简写为ZB-APLC网桥与APLC电能表网关进行电力线载波通讯的装置。
[0005] 本发明是在中国03158312.1号发明专利申请：“DCPL网络预收费智能型电表抄表器”的基础上，实现一种无线ZigBee标准通讯方式的ZB-APLC网桥与ZigBee标准的
白色家电进行无线通讯的装置。
[0006] 实现本发明目的技术方案是：非对称电力载波与无线通讯的家电信息通讯系统，该系统设有电能表网关、ZB-APLC网桥和白色信息家电，白色信息家电包括APLC标准的白色信息家电和ZigBee标准的白色信息家电；APLC电能表网关的APLC通讯
电路设在电能表中，APLC电能表网关接入电力系统10kV/0.4kV配电
变压器低压侧三相四线制（A相、B相、C相、N相）的相线和N相（中线）之间，并且APLC电能表网关主机内部的APLC电路中设有中线
串联高频互感器与相线耦合电容；ZB-APLC网桥与白色信息家电负载电气连接，ZB-APLC网桥通过APLC电能表网关接入电力系统；所述APLC电能表网关通过非对称电力线载波通讯和ZB-APLC网桥进行数字通讯，所述APLC电能表网关与ZB-APLC网桥通讯采用电压型FSK或S-FSK调制信号，ZB-APLC网桥与APLC电能表网关通讯采用
电流型FSK或S-FSK调制信号；所述ZB-APLC网桥通过ZigBee无线通讯和ZigBee标准的白色信息家电进行信息交互；所述APLC电能表网关将电能量和费率数据通过非对称电力载波通讯传输到ZB-APLC网桥上；
所述ZB-APLC网桥用于在线电功率检测和时间计量，将检测和计量信息传输给APLC电能表网关；接受APLC电能表网关传来的非对称电力线载波通讯信号和ZigBee标准的白色信息家电传来的ZigBee无线通讯信号，显示电能量、电功率、水量、燃气量和费率。
[0007] 所述ZB-APLC网桥，还进一步用于将获取的ZigBee无线通讯信息发送至APLC电能表网关，所述APLC电能表网关通过非对称电力载波与ZB-APLC网桥装置及APLC白色信息家电进行通讯与控制。
[0008] 所述非对称电力载波与无线通讯家电系统还包括所述APLC电能表网关通过RS-485总线与3G 网桥或ZigBee多链路网桥连接，通过公共IP、TD-SCDMA网络平台与第三方
物联网综合信息港进行网络连接。
[0009] 所述ZB-APLC网桥还进一步作为漏电保护器和
断路器。所述ZB-APLC网桥由电量显示
控制器、漏电保护器和断路器所组成，并且电量显示控制器和漏电保护器是一体化设计，电量显示控制器和漏电保护器进行组合的断路器采用国际标准，一级宽度为1个模数（18mm）、二级宽度为2个模数（36mm）、三级宽度为3个模数（54mm）、四级宽度为4个模数（72mm），根据需要进行级数组合；ZB-APLC网桥采用国际标准35mm
导轨安装方式。
[0010] 所述ZB-APLC网桥电路部分由
微处理器ZigBee无线通讯电路、非对称电力线载波通讯电路、电功率检测电路、漏电保护与断路控制电路组成。
[0011] 本发明的ZB-APLC网桥采用非对称电力线载波通讯电路与ZigBee无线通讯电路，在完成电能量、水量、燃气量、费率显示、在线电功率检测、时间计量、漏电保护、负荷控制基本功能的同时，形成非对称电力线载波通讯与ZigBee无线通讯之间的信息桥接。实现了能源信息的在线显示、传输和家电的远程控制。
[0012] 本发明中的APLC通讯，是在10kV/0.4kV
配电变压器低压侧三相四线制主干电力线中没有设置载波通讯集中器与载波调制电压信号，而APLC电能表网关作为APLC通讯的主机，而且APLC电能表网关的输入端（上端）是连接在配电变压器低压侧三相四线制主干电力线中，APLC电能表网关的输出端（下端）是主干电力线中的电力线支线，所以APLC电能表网关是主干电力线与电力线支线的
节点；APLC电能表网关是一种在电力支线上与电力支线上的APLC信息终端进行APLC通讯；此时APLC电能表网关为主机，电力支线上的APLC信息终端为从机，而且APLC电能表网主机内部的APLC电路，是通过中线（N线）串联高频互感器LA1 与相线耦合电容CA2 ，将电压型FSK或S-FSK调制的电压信号耦合在中线串联高频互感器负载一侧，形成中线与相线之间的；而中线串联高频互感器的另一侧，APLC电能表网关主机内部APLC电路在中线与相线之间有耦合电容CA2 ， APLC电能表网关的电力线输入端的FSK或S-FSK调制的电压信号被耦合电容CA2
短路成同电位，APLC电能表网关的电力线输入端没有载波通讯的电压信号；APLC通讯的优点是在10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制主干电力线中并联有多个APLC电能表网关（电力线节点），而每个APLC电能表网关只能与相关电力支线上的APLC信息终端从机进行APLC通讯，而每个APLC电能表网关相互之间在主干电力线中没有FSK或S-FSK调制的电压信号，使每个APLC电能表网关主机之间在实时通讯时，互不干扰，提高了可靠性与抗干扰性；另外每个电力支线的APLC信息终端从机是发出的FSK或S-FSK调制的电流信号，调制的电流信号不会流向其它电力支线中，只能流回10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制副级线圈中，所以APLC信息终端从机是发出的FSK或S-FSK调制的电流信号只能被相关的电力支线上的APLC电能表网关主机所接收，并且FSK或S-FSK调制的电流信号在长线路中不易被干扰，APLC信息终端从机可以小电流形式的FSK或S-FSK调制，形成小功率方式长距离进行APLC通讯。APLC电能表网关主机与ZB-APLC网桥从机通讯原理图，参看附图3所示。
附图说明
[0013] 图1A 现有的电力线载波通讯电能表集中抄表系统结构示意图图1B 现有的电力线载波通讯电能表集中抄表系统载波信号传递示意图
图2 非对称电力载波与无线通讯家电系统链路图；
图3 APLC电能表网关主机与ZB-APLC网桥从机通讯原理图；
图4 ZB-APLC网桥结构示意图；
图5 ZB-APLC网桥电路原理图1；
图6 ZB-APLC网桥电路原理图2；
图7 APLC 电 能 表 网 关 与 APLC从 机 载 波 通 讯 电 压 波 形 示 意 图；
1为电能表网关通过LA1高频互感器耦合在下端负载220VAC电源线上FSK电压信号，为ZB-APLC网桥电路进行放大后获得的FSK电压信号；
图8 ZB-APLC网桥从机与APLC电能表网关主机载波通讯电流
波形示意图； 为ZB-APLC网桥电路发送至APLC电能表网关LA1高频互感器耦合的FSK电流信号。
具体实施方式
[0014]
实施例1如图2和图3所示，非对称电力载波与无线通讯家电系统，该系统设有ZigBee多链路网桥1、DCPL总线与APLC信息链路网桥2、DCPL总线与ZigBee无线信息链路网桥3、APLC电能表网关4、DCPL总线信息终端5、ZB-APLC网桥6、APLC标准白色信息家电7所组成。
APLC电能表网关4接入电力系统10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制（A相、B相、C相、N相）的相线和N相（中线）之间，APLC标准的白色家电7作为负载和ZB-APLC网桥6电气连接，ZB-APLC网桥6通过APLC电能表网关4接入电力系统。APLC电能表网关4主机内部的APLC电路，是通过中线（N线）串联高频互感器LA1 4.1与相线耦合电容CA2 4.2，将电压型FSK或S-FSK调制的电压信号耦合在中线串联高频互感器负载一侧，形成中线与相线之间的电压型FSK或S-FSK调制信号与ZB-APLC网桥6进行载波通讯；ZB-APLC网桥6从机是发出的FSK或S-FSK调制的电流信号，通过APLC电能表网关主机电路中中线（N线）串联高频互感器LA1所接收进行载波通讯；ZB-APLC网桥6通过ZigBee无线通讯和ZigBee标准的网络水表、网络燃气表进行信息交互与控制。
[0015] 本实施例的ZB-APLC网桥主要跟ZigBee标准的白色信息家电进行数字通讯；而APLC电能表网关主要跟APLC标准的白色信息家电进行非对称电力线载波通讯。
[0016] ZB-APLC网桥具备电能量、水量、燃气量、费率显示；电能量和费率数据是通过非对称电力载波通讯由APLC电能表网关传输到ZB-APLC网桥上，并在ZB-APLC网桥进行显示，使家庭用户直接了解使用的电能量与费率；而水量与燃气量是ZB-APLC网桥通过ZigBee无线通讯与ZigBee标准的网络水表、网络燃气表进行信息交互与控制，并在ZB-APLC网桥进行显示，使家庭用户直接了解使用的水量、燃气量、费率与控制状态。
[0017] ZB-APLC网桥完成在线电功率检测、时间计量、漏电保护、负荷控制；ZB-APLC网桥自身完成在线电功率检测、时间计量、漏电保护，使用户及时了解在线的电器工作负荷的大小与漏电、过载保护，以及用户或管理部
门需要远程进行负载控制。
[0018] ZB-APLC网桥可以通过ZigBee无线通讯与ZigBee标准的网络信息家电进行无线通讯，并将获取的信息桥接通过非对称电力载波通讯的APLC电能表网关传送到第三方公共管理
网站，使用户在远方通过手机了解、控制家庭白色信息家电及其它安防系统工作状态。
[0019] 非对称电力载波与无线通讯家电系统链路图，参看附图2所示。附图2中，1为ZigBee多链路网桥、2为DCPL总线与APLC信息链路网桥、3为DCPL总线与ZigBee无线信息链路网桥、4为APLC电能表网关、5为DCPL总线信息终端、6为ZB-APLC网桥、7为APLC标准白色信息家电；附图2中包括三种信息链路连接方式，链路层方式1和链路层方式2是APLC电能表网关4、ZB-APLC网桥6与APLC标准白色信息家电7之间形成的信息链路连接方式；链路层方式3是APLC电能表网关4、ZB-APLC网桥6与DCPL总线与ZigBee无线信息链路网桥3及APLC标准白色信息家电7之间形成的信息链路连接方式。
[0020] 参照附图4所示，本发明实施例一种ZB-APLC网桥装置由APLC与ZigBee无线通讯电量显示控制器1.0、漏电保护器2.0、断路器3.0所组成；并且APLC与ZigBee无线通讯电量显示控制器1.0、漏电保护器2.0是一体化设计，ZB-APLC网桥装置组合的断路器3.0是采用国际标准一级宽度为1个模数（18mm）、二级宽度为2个模数（36mm）、三级宽度为3个模数（54mm）、四级宽度为4个模数（72mm），根据需要进行级数组合的，而且ZB-APLC网桥装置采用国际标准35mm导轨安装方式。
[0021] 参照附图5、图6所示，ZB-APLC网桥装置电路部分共分：微处理器ZigBee无线通讯电路01、非对称电力线载波通讯电路02、电功率检测电路03、漏电保护与断路控制电路04，四大部分所组成。
[0022] 参照附图5所示，本发明进一步优化说明如下实施例2
微处理器ZigBee无线通讯电路01：电路是由 IC1 CC253X或CC243X系列芯片、IC2 复位电路、IC3 RX8025时间电路、 IC4
存储器24WC08，IC5
温度传感器SE95、IC6显示器PCF8576，以及相对应的外围
电阻、电容、电感器件所组成。本实施例IC1 CC2530芯片是内含8051微处理器及ZigBee无线通讯电路（是采用IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线收发机）。
[0023] IC1 CC253X芯片的I2C总线
接口SDA、SCL对应连接IC3 RX8025时间电路、IC4 存储器24WC08，IC5温度传感器SE95、IC6显示器PCF8576的SDA、SCL接口，其中电阻R1—R4、电阻R10—R13是上拉电阻；IC1 CC253X芯片的P0.2、P0.1、P0.0、P0.3口对应连接到U1
调制解调器芯片RDX、TXD、CD、RS与MOD1；IC1 CC253X芯片的P1.1、P1.2、P1.0、P0.7口对应连接到多路光
耦合器OB1中B3、B4、B1、B2光耦合器，P1.1口接收电能脉冲
频率，P1.2口接收电能流反向判断信号，P1.0与P0.7口可以数控IB1 ADE7755的放大增益；IC1 CC253X芯片的P0.4、P0.5、P0.6口对应连接到光耦合器OP3输出端、光耦合器OA2输出端、光耦合器OA1输入端；IC1 CC253X芯片的RF_N、RF_P口是2.4GHz的RF无线收发机天线端口，其中电感L1、L2电容C6—C10是耦合匹配器件，AN是内置印刷PCB天线；IC1 CC253X芯片的XOSC_Q1、XOSC_Q2与XOSC32K_Q1、XOSC32K_Q2分别是RF收发机晶振Z3与微处理器晶振Z2连接端口；IC4复位电路的RST输出端连接IC1 CC253X芯片的RESET端。
[0024] 非对称电力载波通讯电路02：电路由调制解调器芯片U1、U2
放大器、光耦合器OP1、OP2、OP3、耦合变压器T1、
三极管TU1—TU8、可控
硅SU1、
二极管DU1—DU5，以及外围电阻、电容器件所组成。
[0025] 调制解调器芯片U1采用MSM7512（或LM1893、73M223、AMIS-49587），Ain口是电能表网关主机发出的调制信号的输入端；电能表网关主机发出的调制电压信号耦合在电力线上，P1、P2接点是对应连接在电力线P1、P2接点上，通过高压电容CU6、CU7与T1变压器初级线圈1、2连接，此时电能表网关主机发出的调制电压信号能耦合在T1变压器次级线圈3、4上，经U2放大器与电容CU3、CU4，电阻RU8、RU9、RU10组成放大电路，进行信号放大及滤波，使电能表网关主机发出的调制电压信号，能可靠的输入到U1 调制解调器芯片Ain口； 调制解调器芯片U1的Aout口是ZB-APLC网桥从机给电能表网关主机发出的FSK调制电压信号的输出端；非对称电力线载波通讯电路02，主要是将调制解调器芯片U1 Aout口发出的FSK调制电压信号转换成FSK调制的电流信号；调制解调器芯片U1 Aout口通过电容CU2、三极管TU2、光耦合器OP1，以及外围器件电阻RU6、RU7、RU3、电容CU8、
开关三极管TU1所组成的隔离放大电路，将U1 调制解调器芯片Aout口输出的FSK调制电压信号驱动光耦合器OP1输入端，此时开关三极管TU1导通状态；光耦合器OP1的输出端驱动三极管TU7与TU8，形成TU8发射极FSK调制的电流，并在电阻RU14有电压降，选择电阻的大小，可以改变TU8发射极FSK调制的电流，一般选择有效值FSK调制的电流值在4mA~10mA之间，FSK调制的电流是在ZB-APLC网桥与电能表网关之间相关联的电力支线上与配电变压器构成回路，并被该电能表网关接收到ZB-APLC网桥从机发出的FSK调制的电流信号；三极管TU5、TU6，
整流桥DU5，电阻RU22、RU12、RU13组成高压限流电路，改变RU13阻值的大小，可以调整该支路限流值的大小，一般选择限流值≤10mA；三极管TU4、电阻RU21、RU11，稳压管DU2，电容CU5组成稳压电路；光耦合器OP3、电阻RU16—RU20，可控硅SU1、二极管DU3、稳压管DU4组成100Hz
同步信号电路，由光耦合器OP3隔离输出；电路中三极管TU1、TU3，光耦合器OP2电阻RU2、RU4、RU5，二级管DU1组成收发控制电路；当U1 调制解调器芯片端口RS、MOD1为低电平时为发送，高电平为接收。
[0026] 电功率检测电路03：IB1 电能计量芯片是采用当前美国ADI公司（或我国生产相对应的芯片BL6503）的ADE7755芯片，以及美国ADI公司提供公知的电能计量电路；公知的电能计量电路中电阻RB1、RB2、RB3，电容CB1、CB2组成电流
采样电路，电阻RB1为锰
铜合金分流器（阻值约1.0 mΩ），当用户负载用电时电力相线电流经过电阻RB1，电阻RB1有电压降电压，该电压降电压经过RB2、RB3连接到IB1 电能计量芯片ADE7755的5端与6端，电容CB1、CB2为滤波电容；电能计量电路中RB4、RB5、RB6为串联组成分压电路，电阻RB4中1端接到电力中线，2端接相线地，3端与电阻RB5、RB6进行分压，是将220VAC电压进行分压降到几百毫伏，电阻RB6与RB7的一端连接到电力相线地，电阻RB6与RB7的另一端连接IB1 电能计量芯片ADE7755的8端与7端；IB2 复位电路采用MAX809，MAX809复位RST端连接IB1 电能计量芯片ADE7755的RST端；IB1 电能计量芯片ADE7755的13、14端接高电平，15、16端是芯片内部放大器增益选择端，分别连接多路光耦合器OB1中B2、B1光耦合器输出端4、2；IB1 电能计量芯片ADE7755的22端是电能频率转换的输出端，频率输出脉冲通过RB13、
发光二极管DB3连接到多路光耦合器OB1中B3光耦合器5端；电能计量芯片ADE7755的20端是判断电阻RB1上的电流是正向还是反向的输出端，ADE7755的20端通过RB12连接到多路光耦合器OB1中B4光耦合器7端，B3、B4光耦合器6端与8端连接DGND ；ADE7755的17、18端连接
晶体振荡器ZB1。电路中电能计量电路使用的稳压电路是由压敏电阻MOV、电阻RB8、电容CB7、稳压二极管DB1、
整流二极管DB2、滤波电容CB8—CB12、IB3 稳压器芯片、电感LB1所组成，稳压电路是一个悬浮型稳压电路。
[0027] 微处理器ZigBee无线通讯电路01与非对称电力载波通讯电路02中使用的稳压电路，是由电阻RB9、电容CB13、变压器TB1、
整流器DB1、滤波电容CB14、电容CB15、电容CB16—电阻RB18、IB4 稳压器芯片、二极管DB4—DB6、充电
电池E（3.6V）所组成，提供VDD与VE电源。
[0028] 漏电保护与断路控制电路04：电路由IA1 漏电保护芯片采用FM2140；可控硅SA1；脱口开关电磁线圈DCT；电流互感器ZCT；光耦合器OA1、OA2；防雷开关管LK；整流桥ZA1；电阻RA1—RA8；电容CA1—CA5所组成。
[0029] 电路中IA1 漏电保护芯片FM2140的2端通过电容CA2连接电流互感器中次级线圈的一端，另一端连接FM2140的3端基准电压参考端，FM2140的4端为芯片的基准地；而FM2140的7端是可控硅的触发输出端，当电流互感器ZCT中电力线的中线与相线的进出电流不相等时，FM2140的7端将触发可控硅导通SA1，此时整流桥ZA1输出端P+的电流经脱口开关电磁线圈DCT会流到整流桥ZA1输入端P-，脱口电磁
铁启动，断路器脱口开关状态为开路；光耦合器OA1输出三极管发射极连接可控硅导通SA1触发极，CC253X芯片的P0.6I/O口连接光耦合器OA1输入端，可以进行数控断路器的开路；光耦合器OA2是判断断路器状态，当断路器脱口开关状态为开路时，光耦合器OA2输出为高电平，当断路器脱口开关状态为闭合时，光耦合器OA2输出为高低平。
[0030] 参照附图6所示，本发明进一步优化说明如下实施例3
实施例3与实施例2都是由四大部分所组成，所不同是微处理器ZigBee无线通讯电路
01；其它非对称电力线载波通讯电路02、电功率检测电路03、漏电保护与断路控制电路04，三部分电路与实施例2相同。
[0031] 微处理器ZigBee无线通讯电路01：电路是由 IC1 MC13224芯片，MC13224芯片是内含ARM7微处理器及ZigBee无线通讯电路（是采用IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线收发机）；IC2 PCF8576显示器电路；IC3 SD2403时间电路；IC4 SE95温度传感器；IC5 复位电路，以及相对应的外围电阻、电容器件所组成。
[0032] 电路中IC1 MC13224芯片通过I2C总线接口SDA、SCL与IC2 PCF8576显示器电路、IC3 SD2403时间电路、IC4 SE95温度传感器相对应的SDA、SCL接口连接，电阻R7—R12是I2C总线的上拉电阻；电路中IC1 MC13224芯片的串行口U1-TX、U1-RX分别对应连接U1调制解调芯片的RD、XD串行口；U1调制解调芯片的收发控制RS、MOD1与检测信号CD端口分别连接IC1 MC13224芯片ADC6-I/0口与ADC5-I/O口；IC1 MC13224芯片的端口P47与P48连接晶振Z2、电容C8、C9，端口P49与P50连接晶振Z1、电容C6、C7；IC1 MC13224芯片的端口P60是2.4GHz的RF无线收发机天线端口，其中电感L1、电容C4、C5是耦合匹配器件，AN是内置印刷PCB天线；IC1 MC13224芯片的端口P1、P2连接多路光耦合器OB1中的B1、B2光耦合器，可以数控IB1 ADE7755的放大增益，而IC1 MC13224芯片的端口P25、P26连接多路光耦合器OB1中的B3、B4光耦合器，接收电功率频率脉冲与电能流反向判断信号；IC1 MC13224芯片的端口P3、P5连接漏电保护与断路控制电路中光耦合器OA1与OA2，OA1为断路控制信息输入光耦合器，OA2电力线断路判断信息输出光耦合器；IC1 MC13224芯片的端口P4连接光耦合器OP3，OP3是非对称电力线载波通讯同步信息输出光耦合器；电路中的JTAG接口是编程与调试MC13224芯片的外接JTAG接口。
