低壓電力線載波通信的接口電路設計

2019-11-03 10:00:34

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供稿：網友

仲元昌，曾孝平

重慶大學通信工程學院，重慶400044

　　摘要：為了利用低壓電力線實現可靠的載波通信，接口電路的設計是問題的關鍵。其難點在于：一方面，要求載波信號的加載效率高；另一方面，要求電力網50 Hz的工頻信號不能給載波通信系統帶來太大的干擾。為此，采用了“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”，很好地解決了這一難題。基于這種“復合耦合技術”，分析并設計了“低壓電力線載波通信的接口電路”。仿真結果和實驗結果表明：該接口電路既有較高的載波信號加載效率，又能完全地隔離電力網50 Hz的工頻信號。因此，該接口電路可廣泛應用于低壓電力線通信系統。

　　關鍵詞：載波通信；低壓電力線；接口電路；設計

　　一、前言

　　電力線通信，簡稱PLC（Power Line Communication），是以電力網作為信道進行載波通信的一種有線通信方式。電力線載波通信與其他通信方式相比，能充分利用現有的電力線資源，即利用電力線進行通信，實現信息的傳輸。因而，電力線通信具有很好的開發前景和應用價值［１］。

　　最近,英國在電力線媒介開發方面取得了突破性進展,用戶可通過電力線進入Internet網,它從簡單的數據傳輸提高到了網絡聯接。法國已推出了電力線調制解調器集成電路,使住宅智能化產品向市場化方向進一步推進。電力線通信目前在歐洲（德國、英國、瑞典等）發展得較快。德國與英國是目前世界上唯一制定電力線通信規則的國家［２］。中國電力系統已組建國電通信中心，并向信息產業部正式申請了牌照。國家電力公司計劃在2015年建成全國統一的聯合電力網通信系統，其前景極其可觀。

　　但是，低壓電力線是一種通信環境非常惡劣的信道，有許多問題有待進一步研究［３］。低壓電力線傳送著220　V/50　Hz的電能，在低壓電力線上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線的這一固有特點，給低壓電力線通信帶來了很大的困難［４］。因此，低壓電力線通信必須首先解決以下兩個難題：

　　（1）電力網50　Hz的工頻信號不能給載波通信系統帶來太大的干擾；同時，考慮到整個通信系統的安全，必須進行強電隔離；

　　（2）低壓電力線上并接的所有用電器的“統計載波阻抗”要高，以確保較高的載波信號加載效率。

　　上述問題，正是低壓電力線通信的接口技術問題，下面從這兩方面介紹其設計原理和實現方法。

　　二、接口電路的模型

　　根據低壓電力線通信接口技術的要求：一方面，必須進行強電隔離；另一方面，要確保較高的載波信號加載效率。為此，必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”，其接口電路模型如圖1所示。

　　該電路的關鍵物理量是2個回路中的電流i1(t)和i２（t)。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數學模型：

　　對（1）式，通過不同的處理將得到不同的數學模型。對圖1所示的雙RLC耦合回路進行去耦處理，得到２個獨立的RLC串聯回路。對（1）式求導，則可得到二元二階方程組：

　　（2）式同時含有2個未知函數i１(t)和i２（t)的二階導數，不便直接求解。

　　若將RLC串聯回路表示成二元一階方程，則由２個RLC回路便可得到四元一階方程組：

　　該方程組含有４個未知數：i１(t)，i２（t)，

，

。其定解條件，直接由電路的初始儲能情況給出，當無初始儲能時，為齊次初始條件，即：

　　設所有電路元件都是非時變性元件，則所對應的常系數線性一階常微分方程組，可轉化成線性代數方程組進行求解。

　　三、接口電路的實現

　　根據上述的理論分析與建立的數學模型，可設計出低壓電力線通信發送端的接口電路，如圖2所示。

　　在發送電路中，三極管Q1和變壓器T1組成調諧功率放大電路。這里諧振變壓器T1有著雙重作用：一方面，耦合載波信號；另一方面，使通信電路與220 V/50 Hz的強電隔離。在Q1和前級運放之間通過一個電路R1耦合載波信號，這個電阻還可避免后級電路產生自激振蕩，此電阻的另一功能是增加放大器的負載阻抗。

　　前級運放輸出的信號經R1輸入到功率放大管Q1，再經Q1和諧振網絡組成的單調諧放大器放大耦合到交流電力線上。其調諧回路的諧振頻率應滿足：

　　若將中心頻率選在460 kHz［5］，電容取值為22　nF，經計算可得電感L的取值在5.3　μH左右，即通過調節變壓器初級繞組電感量來調節中心頻率。

　　變壓器T1將電力線與接口電路的其余部分相隔離，將發送信號送至電力線；從電力線上取接收載波信號；濾除來自電力線上的干擾噪聲。

　　信號經L1、L2、C1、C2耦合至電力線上，C1、C2、L1、L2組成了帶通濾波器，而低壓電力線阻抗R具有時變特性。由此，可計算出C1、C2、L1、L2和低壓電力線阻抗R組成的雙口網絡的電壓轉移函數：

　　四、接口電路的仿真

　　根據該接口電路的電壓轉移函數，對此雙口網絡進行了計算機仿真分析。這里，著重分析了在不同的低壓電力線阻抗條件下，此帶通濾波器的通頻帶，即該接口電路的頻率特性。其頻率特性是評價該接口電路耦合性能的一項重要指標。仿真顯示了當電力線電阻為2 Ω、5 Ω、10 Ω、15 Ω、30 Ω、50 Ω、100 Ω時，通頻帶的情況，其頻率響應曲線如圖3所示。

　　從圖3的分析結果可見：電力線阻抗越大，接口電路的通頻帶越寬，對信號的耦合性能就越好，但選擇性差；電力線阻抗越小，接口電路的通頻帶越窄，對信號的耦合性能就越差，但選擇性好。經統計分析得知，低壓電力線的統計阻抗一般在5～15 Ω之間［６］。因此，所使用的429～503　kHz的信號均在通頻帶（衰減小于3 dB）范圍內，也就是說，以460 kHz作為低壓電力線通信接口電路的中心頻率是合理的。一方面，滿足了載波發射高阻抗的要求，提高了載波的加載效率；另一方面，在滿足信號的耦合性能的同時，也兼顧了對頻率選擇性的要求，從而提高了系統的抗干擾能力。

　　在電路的具體安裝和調試過程中，通過調節電感磁芯來調節電感量，使通頻帶達到最佳。電容選用22 nF/450 V，電感量在5～6 μH之間。

　　關于接收端接口電路的設計，其基本原理和分析方法是相同的，這里不再重述，而直接給出低壓電力線接收端接口電路，如圖4所示。圖4中的二極管D1、D2起限幅作用，用來保護后續電路。

　　通過實驗，發射端接口電路和接收端接口電路都達到了設計要求。應用該接口電路進行低壓電力線通信實驗，取得了很好的通信效果。

　　五、結論

　　基于“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”，從理論上分析并建立了低壓電力線載波通信的接口電路”的數學模型，由此設計了“低壓電力線載波通信的接口電路”。仿真結果和實驗結果表明，該接口電路既有較高的載波信號加載效率，又能完全地隔離電力網50 Hz的工頻信號。因此，該接口電路可廣泛應用于低壓電力線通信系統。

　　參考文獻

　　［１］John Newbury， William Miller. Multiprotocol Routing for Automatic Remote Meter Reading Using Power Line Carrier Systems ［J］. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 2001，１６（１）：1～5.

　　［２］Manfred Zimmermann， Klaus Dostert. Analysis and Modelingof Impulsive Nois in Broad-Band Powerline Communications ［J］. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGETIC COMPATIBLITY,2002，４４（１）：249～258.

　　［３］Charles J Kim， Mohamed F Chouikha. Attenuation Characteristics of High Rate Home-Networking PLC Signals ［J］. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,2002，１７（４）：945～950.

　　［４］Tian Yew Lim， Tat-Wai Chan. Experimenting Remote Kilowatthour Meter Reading Through Low-Voltage Power Lines at Dense Housing Estates ［J］. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,2002，１７（３）：708～711.

　　［５］ Manfred Zimmermann， Klaus Dostert. A Multipath Model forthe Powerline Channel ［J］. IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,2002，５０（４）：553～559.

　　［６］J　Michael Silva， Bruce Whitney. Evaluation of the Potential for PLC to Interfere With Use of the Nationwide Differential GPS Network ［J］. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,2002，１７（２）：348～352．

　　
摘自《電訊技術》

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