低壓電力線載波通信的無源耦合電路設(shè)計

劉述鋼，劉宏立

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

低壓電力線載波PLC(Power Line Carrier)通信因低壓配電網(wǎng)具有的豐富的用戶資源和經(jīng)濟效益而成為電力系統(tǒng)通信網(wǎng)的首選通信方式。為此，美國和歐洲國家都制定了電力線載波通信標(biāo)準(zhǔn)，同時，我國國家電網(wǎng)也制定了低壓載波信號3 kHz～500 kHz的電力用電用戶信息采集系統(tǒng)通信單元技術(shù)規(guī)范[1]，這些標(biāo)準(zhǔn)促進了低壓電力線載波通信技術(shù)快速發(fā)展。然而低壓電力線是一個輸入阻抗變化大、衰減特性復(fù)雜、多種噪聲并存且噪聲時變性強的有線信道[2-3]，由于低壓電力線的這一固有特點，導(dǎo)致不管是低壓寬帶PLC還是低壓窄帶PLC的發(fā)展都不盡如人意。目前，國內(nèi)低壓寬帶PLC基本上還只停留在研究和實驗階段[4-5]，窄帶PLC也只在集中自動抄表系統(tǒng)中取得了一定程度的應(yīng)用。但是由于PLC終端的信號傳輸距離和抗干擾能力較差，盡管采用了自動路由技術(shù)，仍然存在部分盲區(qū)抄不到表的現(xiàn)象。因此改善PLC的信號耦合技術(shù)是提高點對點通信能力至關(guān)重要的一步。

低壓電力線主要是給用電設(shè)備傳送220 V/50 Hz的電能，耦合電路就是不僅把電網(wǎng)中50 Hz的工頻強電隔離開，而且把帶外的干擾信號濾掉，將載波信號從工頻信號中高效提取出來[6-9]。參考文獻[6-8]采用了變壓器與電容串聯(lián)的耦合方法,電力線信道阻抗是動態(tài)變化的，必然會引起耦合濾波器帶寬的變化。為了能把載波信號提取出來，濾波器的帶寬就要遠(yuǎn)大于載波信號的帶寬，帶外干擾就會增加。參考文獻[10]采用了無變壓器的直接耦合方式,通過Butterworth濾波器對信號進行濾波，這種耦合方法雖然降低了耦合變壓器的成本，但是對無源分立元件的規(guī)格要求相當(dāng)高，否則，電力線上的設(shè)備接入或斷開都可能引起尖峰脈沖,極易致使耦合電路的永久損壞。本文根據(jù)以上耦合電路的特點，設(shè)計了如圖1所示的變壓器與chebyshev帶通濾波器相結(jié)合的無源耦合方法，由于載波信號發(fā)送部分只需設(shè)計阻抗匹配電路，設(shè)計比較簡單。本文只對載波信號耦合電路的接收部分進行設(shè)計和分析，并按照國家電網(wǎng)用戶信息采集系統(tǒng)檢測標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計的耦合電路進行測試。

圖1 電力線載波耦合電路結(jié)構(gòu)

1 電容耦合電路

圖1采用了以耦合電容器為主要元件的電容耦合方式。TVS是瞬變抑制二極管,起浪涌保護作用，它可以有效避免后面電路被高壓擊穿。電力線上的設(shè)備接入或斷開，都有可能引起尖峰脈沖，并導(dǎo)致耦合電路的永久損壞。例如：當(dāng)設(shè)備剛接上電源時，如果電力線剛好處于電壓的最大值，此時電容Cc上的電壓為0 V，則會有300 V以上的高壓直接加在變壓器兩端，會引起很大電流，在次級產(chǎn)生尖峰脈沖，這個脈沖的電流相當(dāng)大，可達幾十安培到上百安培，因此TVS必須選擇一個具有強大吸收電流能力的穩(wěn)壓二極管。

電容Cc(耐壓值＞300 V)將變壓器與工頻交流強電隔離，同時將載波信號耦合到通信電路中。電阻Rc(一般≥1 MΩ)的作用是在離線時給電容 Cc提供放電通道，或防止高壓在用電設(shè)備插頭的兩端出現(xiàn)。由耦合電容Cc和耦合變壓器Tc的初級線圈組成濾波電路，阻止了50 Hz工頻信號，而對高頻載波信號提供盡可能小的衰減，其簡化電路如圖2所示，高低頻率-3dB截止點為：

圖2 變壓器耦合等效結(jié)構(gòu)

其中Lc為變壓器的漏感和串聯(lián)在電力線上的電感之和，R0為耦合電路的輸出阻抗。由于要實現(xiàn)3 kHz～500 kHz范圍內(nèi)甚至更窄載波頻段信號的耦合,耦合變壓器Tc參數(shù)會嚴(yán)重影響信號耦合性能的穩(wěn)定性，譬如磁芯的材質(zhì)和線圈的材料及匝數(shù)等參數(shù)。同時低壓電力網(wǎng)的阻抗時刻變化，必然會造成耦合出的載波信號頻率動態(tài)變化，為了使輸入基帶處理器的載波信號能滿足頻帶要求，耦合進的信號帶寬一般要遠(yuǎn)大于有效載波信號帶寬，特別是對BFSK和PSK的載波信號，其有用信號的頻帶通常比較窄，一般為5 kHz的整數(shù)倍，因此必須對變壓器耦合出的信號進行進一步的濾波處理。

2 Chebyshev濾波器電路分析

與Butterworth濾波器相比較，chebyshev濾波器能夠提供較快衰減的截止頻率，對于干擾復(fù)雜的低壓電力線載波通信而言，Chebyshev濾波器抑制帶外抑制能力更強。在圖1所示的電力線載波通信系統(tǒng)中，變壓器耦合進來的是寬廣信號，Chebyshev濾波器把影響系統(tǒng)有用信號接收品質(zhì)的信號濾掉，其低通原型梯形電路有如圖3所示的兩種結(jié)構(gòu)。

圖3 Chebyshev濾波器梯形電路結(jié)構(gòu)

電路中各元件值都是歸一化值，g0和gn+1是歸一化電阻或電導(dǎo)(分別表示歸一化電阻或電導(dǎo)和負(fù)載電阻或電導(dǎo))，g1,g2,…,gn是歸一化電感或電容。根據(jù) Chebyshev濾波器特性可知各元件的歸一化結(jié)果如下：

經(jīng)變壓器耦合以后，除了載波信號外，還有耦合出的工頻諧波信號和寬頻段的噪聲。為了有效抑制諧波和帶外噪聲，耦合電路中的濾波器必為一個chebyshev帶通濾波器，帶通濾波器的電路實現(xiàn)可借助于低通原型，利用頻率變換和阻抗變換得到帶通濾波器的結(jié)構(gòu)和元件值。其串聯(lián)支路和并聯(lián)支路中各元件變換原則如下。

(1)低通原型中的串聯(lián)支路變換到帶通濾波器中為電感L和電容C相串聯(lián)的諧振電路，其歸一化電感和電容值為：

(2)低通原型中的并聯(lián)支路變換到帶通濾波器中為電感L和電容C相并聯(lián)的諧振電路，且歸一化電感和電容為：

假設(shè) Zi為源阻抗，Lk′和Lk分別表示低通和帶通濾波器電路中的電感，Ck′和 Ck分別表示低通和帶通濾波器電路中的電容，RL和GL分別表示負(fù)載電阻和負(fù)載電導(dǎo)， 根據(jù) Ω0Lk=Ω0Lk′/Zi，Ω0Ck=Ω0Lk′Zi，gn+1=RL/Zi(電阻），gn+1=GL/Zi(電導(dǎo)),由低通原型的歸一化元件值通過反歸一化方法可得出串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的電感和電容真實值為：

負(fù)載阻抗和導(dǎo)納為：

對于圖3(b)的電容輸入式結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)變換成帶通濾波器后，元件g1將轉(zhuǎn)換成電感L1和電容C1并聯(lián)形式，此時L1與變壓器的副線圈并聯(lián)，就低頻而言，將導(dǎo)致一個非常低的感抗，會從電力線上吸收大量的電流，這很難應(yīng)用于電力線載波通信的工程實際中。因此本文采用電感輸入式的低通模型進行變化，根據(jù)式(4)和式(5)可得如圖4所示的帶通濾波器歸一化電路(n=3)。

圖4 三階Chebyshev帶通濾波器電路

3 帶通濾波器設(shè)計

電力線上的阻抗主要依賴于用電負(fù)荷的大小和線路結(jié)構(gòu)，經(jīng)研究和測量表明其分布范圍在 0.1 Ω～100 Ω之間，根據(jù)匝數(shù)比為1:1的變壓器電阻轉(zhuǎn)換特性，可取Zi=50，假設(shè)基帶信號處理的輸入阻抗為50 Ω，即 RL=50 Ω。圖3所示三階Chebyshev帶通濾波器中g(shù)0為輸入電導(dǎo),gn+1為負(fù)載電導(dǎo)，結(jié)合式(4)和式(5)的元件變換原則得到三階Chebyshev帶通濾波器歸一化元件值,如表1所示。

實際上，在進行電路設(shè)計時，選擇的元件額定值與理論計算的結(jié)果完全相同是不可能的，只有在保證每個分支滿足諧振要求的前提下,選擇的L、C元件值才會盡可能地接近理論值。無源濾波器位于變壓器和基帶處理器的中間，會引起插入損耗，此損耗主要來源于串聯(lián)支路電抗(XL-XC)的分壓損耗和并聯(lián)支路電抗(XL‖XC)的分流損耗，其中感抗 XL=ΩL，容抗 XC=1/ΩC。 因此在選擇串聯(lián)支路的元件時，電抗(XL-XC)略大于或等于理論值，而在選擇并聯(lián)支路的元件時，電抗(XL-XC)略小于或等于理論值。根據(jù)實驗室可選擇的實際元件，設(shè)計帶寬為30 kHz且中心頻率為270 kHz的三階chebyshev帶通濾波器電路的實際值與理論值對比如表2所示。

表1 Chebyshev低通原型濾波器歸一化元件值(0.01 dB波紋)

表2 電抗和中心頻率的變化(理論值VS.實際值)

同時，對于電力線載波集中抄表系統(tǒng)，載波通信的應(yīng)用環(huán)境十分惡劣，元件的電壓和電流等規(guī)格都嚴(yán)重影響通信性能，為避免非線性失真的產(chǎn)生，構(gòu)成濾波器的元件都必須不能過負(fù)荷或過飽和，而且要求Q值高，溫度系數(shù)小，避免使用過程中發(fā)生耦合特性變化。

圖5是三階Chebyshev濾波器電路的頻率響應(yīng)，當(dāng)電力線輸入阻抗從 75 Ω逐漸降到 25 Ω時，通帶帶寬保持在30 kHz,且?guī)庖种颇芰χ饾u增強，這表明該濾波器適合于阻抗不斷波動的電力線信道。

圖5 電力線信道阻抗VS.電路的頻率響應(yīng)

4 電路測試

接收端耦合電路的設(shè)計目標(biāo)是提高頻帶內(nèi)的信號接收功率,最大限度地抑制來自電力線上的噪聲干擾。點對點的通信成功率直接反映耦合性能的好壞，在實驗室中搭建了一個載波通信能力的測試平臺，對本文設(shè)計的耦合方法(簡稱方法1)與參考文獻[8]耦合方法(簡稱方法2)進行對比。通信模塊的載波中心頻率為270 kHz且?guī)挒?0 kHz，基帶處理器均采用DSSS技術(shù)和BFSK調(diào)制方式，參照國家電網(wǎng)DL/T 698.31、DL/T 698.35等信息采集規(guī)范，在高溫、低溫、高壓、低壓、群脈沖、強靜電等惡劣環(huán)境下長時間運行來檢驗其穩(wěn)定性。

信號發(fā)送端通過一個60 dB衰減器與信號接收端(單相表或三相表)相接，通信時發(fā)送多功能電能表DLT645-2007協(xié)議報文[12]。當(dāng)進行高低溫測試時，把接收端放置在恒溫箱中。三種溫度下的通信成功率的結(jié)果如圖6所示。方法2雖然在常溫下達到國家電網(wǎng)的通信要求，但是在高溫和低溫時的成功率分別87%和83%，遠(yuǎn)低于國家電網(wǎng)95%的標(biāo)準(zhǔn)。這是由于高低溫降低了耦合電路中元件的性能，使得輸出帶寬變大，帶外干擾增加。方法1中Chebyshev帶通濾波器穩(wěn)定的帶外抑制能力有效地保證了高低溫下通信成功率都高于國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 不同溫度下的通信成功率

兩種方法在進行10 kV空氣放電和17 kV接觸放電的抗靜電試驗后均能恢復(fù)正常通信。在進行幅度為4 kV、頻率為5 kHz的瞬時群脈沖試驗時，雖然試驗結(jié)束后都能正常通信，但是在試驗的過程中方法1的成功率可達62%，而方法2的成功率只有22%，這表明方法 1的抗強脈沖干擾能力強。

低壓配電網(wǎng)中眾多用電設(shè)備的隨機接入和斷開，會產(chǎn)生各種類型的干擾，使得現(xiàn)場環(huán)境與實驗室環(huán)境相差懸殊。為了完整評價耦合電路的抗擊復(fù)雜現(xiàn)場的能力，選擇一個商住兩用社區(qū)進行通信能力測試，信號發(fā)送端安裝在配電房中，兩種不同耦合方式通信模塊的接收端安裝在相同表箱的同一相序上,進行24小時連續(xù)抄表，圖7的成功率顯示方法1耦合方式在傳輸距離110 m以內(nèi)的成功率高達98%以上,距離150 m時也超過80%，然而方法2在70 m時的通信成功率才達到90%，隨著距離的增加，成功率迅速降低。很明顯方法1的耦合效率和抗干擾能力強。

圖7 現(xiàn)場環(huán)境下的通信成功率

目前，我國的低壓居民集中抄表系統(tǒng)的規(guī)約、系統(tǒng)架構(gòu)以及系統(tǒng)功能基本穩(wěn)定，每個省局的要求也相差不大，即使有區(qū)別，也無非是工作量的問題?，F(xiàn)在困擾其進一步發(fā)展的還是通信成功率的問題，PLC通信質(zhì)量較差，抄表成功率較低，能連貫傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)很少，只能做到24 h抄到率98%左右，與實時通信成功率100%的地步還相差甚遠(yuǎn)。本文設(shè)計的Chebyshev式無源耦合電路能夠最大限度地抑制來自電力線上的噪聲干擾，實現(xiàn)有用信號的最佳接收，能有效改善目前低壓居民集中抄表系統(tǒng)中的點對點通信傳輸能力，如果結(jié)合自動中繼和路由技術(shù)使信息通過不同設(shè)備間的轉(zhuǎn)發(fā)傳遞，可以提高通信的實時性和可靠性。

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