低壓電力線載波通信與抗干擾解決途徑

趙新正等

摘 要： 電網(wǎng)是最大、最普及、最可靠的供電網(wǎng)，利用低壓電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，具有利用現(xiàn)有資源、減少投資的現(xiàn)實(shí)意義。陜西凱星公司獨(dú)創(chuàng)了低壓電力線多頻段自適應(yīng)直接序列展頻載波通信技術(shù)，從IC芯片、厚膜電路的研發(fā)，從電力線載波數(shù)據(jù)集中器、采集器、控制器及抗干擾硬件產(chǎn)品入手，徹底解決了低壓電力線上的干擾問(wèn)題。該技術(shù)應(yīng)用在能源計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)方面，是其他技術(shù)無(wú)法比擬的。

關(guān)鍵詞： 載波通信； 多頻段自適應(yīng)； 抗干擾； 計(jì)量監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TN913.6?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）19?0108?06

Solutions for low?voltage power line carrier communication and anti?jamming

ZHAO Xin?zheng， YAO Fa?jiu， BAI Chong?qian， WANG Yang

（Shaanxi Kaistar Company， Xian 710077， China）

Abstract： Since the power grid is the largest， most popular and reliable network， data transmission through low?voltage power line is the most economical way to use the existing resource. The technology for low?voltage power line multi?frequency self?adaption DSSS carrier communication was created by Shaanxi Kaistar Company， in which the development of IC chip and thick film circuit were included. The jamming from low?voltage power line was completely solved on the basis of the data concentrator， data acquisition unit， data controller and anti?jamming products. The application of power line carrier communication in the energy resources measurement and monitoring platform is superior to the other technologies.

Keywords： carrier communication； multi?band frequency self?adaption； anti?jamming； metering monitoring

0 引 言

電力線是供電部門(mén)為用電部門(mén)（用電客戶）提供供給電能的專用線路，具有普及性強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高、安全可靠等特點(diǎn)。怎樣充分利用這個(gè)現(xiàn)有資源，在低壓（380 V AC，220 V AC）端供電線上實(shí)現(xiàn)各類信息的傳輸，就顯得特別必要。20世紀(jì)20年代初期很多國(guó)家的科學(xué)家就將研究的目標(biāo)聚焦到了這個(gè)領(lǐng)域，先后研究了高壓電力線通信，其典型應(yīng)用為高壓電力線電話通信。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用其技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力線載波進(jìn)行數(shù)字信息傳輸，為了抗擊電力線中的高次諧波對(duì)傳輸信息的干擾，電路設(shè)計(jì)上采用了多頻段自適應(yīng)直接序列展頻（Auto?adapt Multi Frequency DSSS）技術(shù)。另外國(guó)內(nèi)較多企業(yè)出于產(chǎn)品成本的考慮，對(duì)電子類用電電器、用電設(shè)備的電磁兼容性電路設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，有些甚至沒(méi)有，特別是利用開(kāi)關(guān)電源供電的電器產(chǎn)品；而當(dāng)這部分電器產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)對(duì)供電電路產(chǎn)生高次諧波干擾?？垢蓴_解決方案給出了相應(yīng)的硬件產(chǎn)品，再加上軟件程序的設(shè)計(jì)，確切保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率、抄讀成功率和通斷控制率。

1 低壓電力線載波原理框圖

在低壓電力線載波通信中，數(shù)據(jù)集中器起著向下提取各類采集終端數(shù)據(jù)及發(fā)送各類程序指令、向上位機(jī)發(fā)送各種采集終端數(shù)據(jù)的關(guān)鍵作用。數(shù)據(jù)集中器與上位機(jī)之間的通信途徑有直連專線、電話線、局域網(wǎng)、公眾網(wǎng)、CDMA無(wú)線等。

終端設(shè)備中的各類采集器和控制器各自有12位的地址碼。對(duì)于采集器而言，數(shù)據(jù)集中器向本臺(tái)區(qū)域內(nèi)的采集器發(fā)送程序指令，提取該終端采集器所采集到的相對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)傳計(jì)量表具的相關(guān)數(shù)據(jù)，上報(bào)給上位機(jī)完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析等。對(duì)于控制器而言，數(shù)據(jù)集中器向本臺(tái)區(qū)域內(nèi)的電力線發(fā)送所要尋找的終端設(shè)備代碼，而相對(duì)應(yīng)的終端設(shè)備通過(guò)電力線接收到自身的代碼，完成之間的通信；然后按照數(shù)據(jù)集中器的程序指令，執(zhí)行通、斷等動(dòng)作給相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器，完成遠(yuǎn)程控制。

2 多頻段自適應(yīng)直接序列展頻技術(shù)

2.1 電路原理框圖

電路原理框圖如圖2所示。

2.2 各功能電路簡(jiǎn)介

2.2.1 編碼電路

編碼部分電路在電力載波IC芯片中完成，芯片內(nèi)部產(chǎn)生本地隨機(jī)碼序列（m序列），其波形根據(jù)芯片設(shè)置狀況以及收發(fā)信號(hào)的情況發(fā)生變化，當(dāng)設(shè)置成15位偽碼時(shí)，為111101011001000。

2.2.2 電路工作時(shí)序

電路的接收和發(fā)送時(shí)序如圖3，圖4所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

（1） 電路對(duì)有用信號(hào)的捕捉需要一定的時(shí)間。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)在有用數(shù)據(jù)前增加發(fā)送至少4 B的信息捕捉碼，信息捕捉碼可為任何碼型，如 FF FF FF FF。

（2） 捕捉碼發(fā)送完畢后，應(yīng)繼續(xù)發(fā)送4 B的同步碼，同步碼可復(fù)雜些，如：F5 AF。同步碼發(fā)送完后，即可發(fā)送數(shù)據(jù)包。

（3） 電力線的干擾信號(hào)很強(qiáng)，為避免將隨機(jī)干擾誤認(rèn)為是有用數(shù)據(jù)，應(yīng)在數(shù)據(jù)包后有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。

（4） 有用數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，為保證數(shù)據(jù)確實(shí)從發(fā)射電路發(fā)出，應(yīng)繼續(xù)發(fā)送2或3 b的結(jié)束碼，碼型任意，再將收發(fā)控制端CTL置為接收狀態(tài)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包傳送，應(yīng)發(fā)送以下程序數(shù)據(jù)代碼：

[捕捉碼＼&同步碼＼&數(shù)據(jù)包＼&異或校驗(yàn)＼&和校驗(yàn)＼&結(jié)束碼＼&]

接收方在確認(rèn)接收到同步碼后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)包和校驗(yàn)碼的接收。

2.3 展頻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式

著名的 Shannon 公式指出：在白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的信道容量為：

[C=Blog21+SN （b/s）]

式中：[B]為信道帶寬（單位：Hz）；[S]為信號(hào)平均功率（單位：W）；[N]為噪聲平均功率（單位：W）。

若白噪聲功率譜密度為[N0，]則：

[CB=1.44ln1+S（N0B）]

對(duì)于干擾環(huán)境中的典型情況，[SN?1，]應(yīng)用冪級(jí)數(shù)展開(kāi)，則可得：

[CB≈1.44[S（N0B）]]

上式表明：對(duì)于一個(gè)給定的信道容量C而言，既可用增大信道帶寬B來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可用相應(yīng)降低信號(hào)功率S來(lái)實(shí)現(xiàn)，而展頻通信正是建立在此理論之上的。

2.4 多頻段自適應(yīng)直接序列展頻通信技術(shù)基礎(chǔ)原理

將擴(kuò)頻通信技術(shù)加以創(chuàng)新和突破，發(fā)展為多頻段自適應(yīng)直接序列展頻技術(shù)，綜合了通常的跳、擴(kuò)頻通信技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一體，現(xiàn)在對(duì)擴(kuò)頻通信技術(shù)作一些簡(jiǎn)要的介紹：

2.4.1 擴(kuò)頻技術(shù)（Spread Spectrum）即展頻技術(shù)

為了提高通信數(shù)據(jù)的可靠性和抗干擾能力，把通信的頻譜或頻道進(jìn)行擴(kuò)展，以保證傳輸數(shù)據(jù)在惡劣傳輸環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。擴(kuò)頻技術(shù)主要分為跳頻技術(shù)及直接序列兩種方式。

（1） 跳頻技術(shù)

跳頻技術(shù)也稱跳頻擴(kuò)展頻譜（Frequency Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)HSS），是在同步且同時(shí)的情況下，接收兩端以特定型式的窄頻載波傳送的訊號(hào)。對(duì)于一個(gè)非特定的接收器，F(xiàn)HSS所產(chǎn)生的跳動(dòng)訊號(hào)對(duì)它而言只算是脈沖噪聲。FHSS所展開(kāi)的訊號(hào)可依特別設(shè)計(jì)來(lái)規(guī)避噪聲或One?to?Many的非重復(fù)的頻道，并且這些跳頻訊號(hào)必須遵守FCC的要求，使用75個(gè)以上的跳頻訊號(hào)且跳頻至下一個(gè)頻率的最大時(shí)間間隔（Dwell Time）為400 ms。跳頻技術(shù)實(shí)質(zhì)上是在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，傳輸頻率在時(shí)域上必須不斷地變化，而且頻率變化的頻點(diǎn)至少在75個(gè)以上。

（2） 直接序列展頻技術(shù)（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）

DSSS是將原來(lái)的訊號(hào)“1”或“0”，利用10個(gè)以上的chips來(lái)代表“1”或“0”位，使得原來(lái)較高的功率、較窄的頻率變成具有較寬頻譜的低功率頻率。而每個(gè)bit使用多少個(gè)chips稱做Spreading chips，較高的Spreading chips可以增加抗噪聲干擾，而較低的Spreading Ration可以增加用戶的使用人數(shù)。

2.4.2 多頻段自適應(yīng)直接序列展頻通信技術(shù)

多頻段自適應(yīng)直接序列展頻通信技術(shù)是在跳、擴(kuò)頻通信技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的，其實(shí)質(zhì)上是DSSS的一種擴(kuò)展，即在直接序列展頻技術(shù)的基礎(chǔ)上增加到三個(gè)可選擇的通信頻段。在檢測(cè)到某一頻段的同頻干擾較大或傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性較差時(shí)，可自適應(yīng)地選擇到其他傳輸較穩(wěn)定和可靠的頻段，其頻點(diǎn)并非象跳頻技術(shù)一樣在定時(shí)變化，解決了信號(hào)在傳輸過(guò)程中遇到的各種白噪聲和定頻干擾的問(wèn)題，從而徹底解決了低壓電力線載波信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)準(zhǔn)確性和超強(qiáng)抗干擾性兩大世界技術(shù)難題。

2.4.3 擴(kuò)頻通信工作原理

擴(kuò)頻通信工作原理如圖5所示。發(fā)送端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制以展寬信號(hào)的頻譜；展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。接收端將收到的寬帶射頻信號(hào)變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)；再經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。

2.4.4 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)頻譜，在接收端解擴(kuò)還原信息，產(chǎn)生了擴(kuò)頻增益，大大地提高了抗干擾容限。擴(kuò)頻通信具有許多窄帶通信難以替代的優(yōu)良性能，抗干擾性能強(qiáng)、誤碼率低是擴(kuò)頻通信的最突出的優(yōu)點(diǎn)。

2.5 實(shí)際應(yīng)用電路

2.5.1 電力載波RS 485數(shù)據(jù)采集器原理電路

由于原理電路圖較大，因此分為二部分，如圖6，圖7所示，整體原理沒(méi)有受到影響。

2.5.2 電路工作原理簡(jiǎn)述

（1） KS?2014電力線載波專用厚膜電路簡(jiǎn)述

KS?2014是陜西凱星電子公司專門(mén)開(kāi)發(fā)研制的一款電力線載波專用厚膜電路，主要包括電力線載波專用IC芯片、表貼電子元器件，組成了編解碼、功信放、接收發(fā)送等電路；利用陶瓷印刷基片，組成了調(diào)阻精度高、工藝先進(jìn)、體積小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)的電力線載波專用厚膜電路。

KS?2014電路的1、3腳經(jīng)[C1]電容，接入電力供電網(wǎng)中的220 V AC供電回路，完成電力線載波程序指令的接收和電力線載波數(shù)據(jù)包的發(fā)送。6腳為發(fā)送功放電路提供15 V DC電源，7腳為專用IC芯片提供5 V DC電源，8、16腳接公共端。其他各引腳功能如表1所示。

（2） 電源電路

基礎(chǔ)電源：由工頻變壓器T1將220 V AC變?yōu)?2 V AC，再經(jīng)CR1整流橋及濾波電容[C2，][C3，]形成15 V DC電壓，供給KS?2014厚模電路；

經(jīng)[R1]分別供給開(kāi)關(guān)電源芯片，經(jīng)WPM調(diào)制后，由續(xù)流二極管D10及續(xù)流電感[L1]形成5 V DC電源；由[R38]和[R39]以及[R29]的分壓比，確定5 V DC的調(diào)整范圍；[C10]是5 V DC的軟啟動(dòng)電容，調(diào)整[C10]的容量，可以改變5 V DC的上升時(shí)間，供給單片機(jī)U6等。

（3） 存儲(chǔ)電路

U2，[R37]組成存儲(chǔ)電路，從U2的6腳（SCL）與單片機(jī)芯片U6的36腳相連；用RS 232串口線及串口調(diào)試軟件，設(shè)置該采集器的地址碼等信息；在電力載波數(shù)據(jù)集中器中也同樣設(shè)入該采集器的地址碼等信息，以實(shí)現(xiàn)電力載波數(shù)據(jù)集中器與電力載波采集器之間的信息。

利用串口調(diào)試軟件4.5設(shè)置RS 485通信的遠(yuǎn)傳計(jì)量表具的指令如下：

接收：除第7位控制碼加“80”，第17位數(shù)據(jù)包校驗(yàn)有變化外，其他和發(fā)送碼一樣。當(dāng)發(fā)送指令的校驗(yàn)位不正確時(shí)，會(huì)接收到一個(gè)正確的校驗(yàn)碼。

（4） RS 485轉(zhuǎn)換電路

U3為RS 485通信專用轉(zhuǎn)換電路芯片，其中1腳單片機(jī)5腳的收、發(fā)信息指令，2、3腳接收單片機(jī)發(fā)岀的程序指令，由它轉(zhuǎn)換為符合RS 485通信規(guī)約的程序，從7（B）腳和8（A）腳與所需采集的具有RS 485通信功能的計(jì)量表具或傳感器對(duì)接。[Z1]為雙向穩(wěn)壓管，起保護(hù)[U3]的作用。

（5） 單片機(jī)電路

U6是單片機(jī)芯片，在整個(gè)電路中是核心部分，承擔(dān)著該采集器的程序編寫(xiě)及執(zhí)行、接收?qǐng)?zhí)行電力載波數(shù)據(jù)集中器的程序指令以及將RS 485遠(yuǎn)傳表具或傳感器的數(shù)據(jù)信息上傳給電力載波數(shù)據(jù)集中器等功能，從而實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)集中器之間的通信。

3 抗干擾解決途徑

3.1 干擾的來(lái)源

電力線是供電部門(mén)為用戶或用電設(shè)備提供的專用傳輸電能線路。用電設(shè)備多種多樣，電磁兼容性設(shè)計(jì)差距很大，有些低端用電電器（如電子日光節(jié)能燈、充電器等）只考慮了成本，在電磁兼容性設(shè)計(jì)上做的很少，有些根本就沒(méi)有考慮，所以給電網(wǎng)造成了一定的干擾。

由于電網(wǎng)用戶負(fù)載的原因，低壓載波信道發(fā)送端輸入阻抗很低，加上低壓功率因數(shù)補(bǔ)償電容、低壓電纜分布電容，進(jìn)一步加劇了這種阻抗效應(yīng)，導(dǎo)致載波信號(hào)在低壓電網(wǎng)上的衰減十分劇烈；尤其是在電網(wǎng)晚高峰時(shí)段，電網(wǎng)負(fù)載很重，信號(hào)衰減更加劇烈，這就是很多低壓載波集抄產(chǎn)品在晚高峰時(shí)段無(wú)法實(shí)現(xiàn)集抄的根本原因。

而且低壓電網(wǎng)的干擾與衰減隨著電網(wǎng)負(fù)載變化，也處在劇烈的動(dòng)態(tài)變化之中，而且動(dòng)態(tài)范圍之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2 抗干擾解決途徑

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器在很大程度上具有數(shù)據(jù)集中器的功能。供電線路復(fù)雜、干擾較大的場(chǎng)合，在電力載波數(shù)據(jù)集中器與電力載波數(shù)據(jù)采集器之間的電網(wǎng)中，加上網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器增加傳輸信號(hào)強(qiáng)度，從而提高抗干擾能力。

3.2.2 智能阻波器

智能阻波器根據(jù)干擾源的不同頻率或高次諧波分量的主頻率，自動(dòng)調(diào)節(jié)阻波器的電參數(shù)，原理框圖如圖8所示。

[L1，C1]及[L2，C2]組成了二級(jí)[LC]阻波器，[C2，L2，C1]組成了一級(jí)Π型阻波器。當(dāng)電網(wǎng)干擾源的不同頻率或高次諧波分量的主頻率在不同頻段時(shí)，阻波器內(nèi)部自動(dòng)組合調(diào)整[L2，L3，L4]的接入，將負(fù)載端的干擾阻止在阻波器上，而不會(huì)干擾到電力網(wǎng)上，從而提高了通信效果。

[RL=2πfL]

[RC=1（2πfC）]

兩式表明，干擾信號(hào)頻率越高，[RL]（感抗）越大，干擾信號(hào)的阻止效果越好；干擾信號(hào)頻率越高，[RC]（容抗）越小，將干擾信號(hào)能量消耗在回路中。

3.2.3 智能轉(zhuǎn)換器

智能轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖9所示。

智能轉(zhuǎn)換器內(nèi)部具有識(shí)別載波信號(hào)波波頻率的功能，而且自動(dòng)調(diào)節(jié)電容[C1～C4]的接入，[L1]分別與[C1，][C2，][C3，][C4]的不同組合產(chǎn)生串聯(lián)諧振。[C1～C4]的取值范圍在0.1～10 μF之間。串聯(lián)諧振特性在諧振頻率中心，阻抗接近零，利用此特性進(jìn)行載波信號(hào)在不同電網(wǎng)中的轉(zhuǎn)換，提高載波信號(hào)的傳輸效果。

在三相四線制供電系統(tǒng)中，智能轉(zhuǎn)換器可以在同一臺(tái)變壓器下各配電箱中的同相、異相之間轉(zhuǎn)換，也可在兩臺(tái)變壓器之間的各配電箱中的同相、異相之間轉(zhuǎn)換，使得在兩臺(tái)以上變壓器供電環(huán)境下，利用低壓電力線傳輸數(shù)據(jù)信息成為現(xiàn)實(shí)。

3.2.4 智能陷波器

智能陷波器原理圖與智能轉(zhuǎn)換器原理圖類似，而實(shí)質(zhì)性的差別在于電容器[C1～C4]的取值上，而[L1]是電網(wǎng)中的等效電抗。[C1～C4]的取值范圍在0.1～470 μF之間選取，并在[C1～C4]之間智能組合。智能陷波器電路原理基于串聯(lián)諧振特性，對(duì)于大功率負(fù)荷的用電設(shè)備，采取智能陷波器將干擾雜波吸收“陷治”在允許的范圍內(nèi)，是較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的一種方法。

4 低壓電力載波技術(shù)應(yīng)用

低壓電力載波技術(shù)主要應(yīng)用于能源計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)，覆蓋了能源遠(yuǎn)程計(jì)量監(jiān)管、用能控制、能耗分析、用能安全預(yù)警等方面。在計(jì)量監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上或者不同地址的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、電話網(wǎng)等其他方式，都可以與電力載波數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)據(jù)集中器利用電力載波通信技術(shù)，完成與下級(jí)所含各類終端采集器（遠(yuǎn)傳計(jì)量表具、傳感器）、控制器等終端之間的程序交互，實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著多頻段自適應(yīng)直接序列展頻通信技術(shù)的研發(fā)成功和成熟，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及底層網(wǎng)絡(luò)的普及，都將給電力載波技術(shù)在水、電、氣、暖等能源計(jì)量與控制及監(jiān)管方面的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著節(jié)能社會(huì)的到來(lái)，政府在節(jié)能環(huán)保方面投資力度加強(qiáng)，人們對(duì)電力載波技術(shù)認(rèn)知度提高，電力載波技術(shù)在節(jié)能監(jiān)管方面的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，也必將帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益，終將造福于人類。

參考文獻(xiàn)

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[4] 全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 15734?1995 電子調(diào)光設(shè)備無(wú)線電騷擾特性限值及測(cè)量方法[S].北京：全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，1995.

[5] 國(guó)家電力公司武漢高壓研究所.GB/Z17625.6?2003 電磁兼容限值對(duì)額定電流大于16 A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[6] 屈振華，朱衛(wèi)華，劉宗瑤，等.基于電力載波通信的新型同步電子鐘設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（9）：167?169.

經(jīng)[R1]分別供給開(kāi)關(guān)電源芯片，經(jīng)WPM調(diào)制后，由續(xù)流二極管D10及續(xù)流電感[L1]形成5 V DC電源；由[R38]和[R39]以及[R29]的分壓比，確定5 V DC的調(diào)整范圍；[C10]是5 V DC的軟啟動(dòng)電容，調(diào)整[C10]的容量，可以改變5 V DC的上升時(shí)間，供給單片機(jī)U6等。

（3） 存儲(chǔ)電路

U2，[R37]組成存儲(chǔ)電路，從U2的6腳（SCL）與單片機(jī)芯片U6的36腳相連；用RS 232串口線及串口調(diào)試軟件，設(shè)置該采集器的地址碼等信息；在電力載波數(shù)據(jù)集中器中也同樣設(shè)入該采集器的地址碼等信息，以實(shí)現(xiàn)電力載波數(shù)據(jù)集中器與電力載波采集器之間的信息。

利用串口調(diào)試軟件4.5設(shè)置RS 485通信的遠(yuǎn)傳計(jì)量表具的指令如下：

接收：除第7位控制碼加“80”，第17位數(shù)據(jù)包校驗(yàn)有變化外，其他和發(fā)送碼一樣。當(dāng)發(fā)送指令的校驗(yàn)位不正確時(shí)，會(huì)接收到一個(gè)正確的校驗(yàn)碼。

（4） RS 485轉(zhuǎn)換電路

U3為RS 485通信專用轉(zhuǎn)換電路芯片，其中1腳單片機(jī)5腳的收、發(fā)信息指令，2、3腳接收單片機(jī)發(fā)岀的程序指令，由它轉(zhuǎn)換為符合RS 485通信規(guī)約的程序，從7（B）腳和8（A）腳與所需采集的具有RS 485通信功能的計(jì)量表具或傳感器對(duì)接。[Z1]為雙向穩(wěn)壓管，起保護(hù)[U3]的作用。

（5） 單片機(jī)電路

U6是單片機(jī)芯片，在整個(gè)電路中是核心部分，承擔(dān)著該采集器的程序編寫(xiě)及執(zhí)行、接收?qǐng)?zhí)行電力載波數(shù)據(jù)集中器的程序指令以及將RS 485遠(yuǎn)傳表具或傳感器的數(shù)據(jù)信息上傳給電力載波數(shù)據(jù)集中器等功能，從而實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)集中器之間的通信。

3 抗干擾解決途徑

3.1 干擾的來(lái)源

電力線是供電部門(mén)為用戶或用電設(shè)備提供的專用傳輸電能線路。用電設(shè)備多種多樣，電磁兼容性設(shè)計(jì)差距很大，有些低端用電電器（如電子日光節(jié)能燈、充電器等）只考慮了成本，在電磁兼容性設(shè)計(jì)上做的很少，有些根本就沒(méi)有考慮，所以給電網(wǎng)造成了一定的干擾。

由于電網(wǎng)用戶負(fù)載的原因，低壓載波信道發(fā)送端輸入阻抗很低，加上低壓功率因數(shù)補(bǔ)償電容、低壓電纜分布電容，進(jìn)一步加劇了這種阻抗效應(yīng)，導(dǎo)致載波信號(hào)在低壓電網(wǎng)上的衰減十分劇烈；尤其是在電網(wǎng)晚高峰時(shí)段，電網(wǎng)負(fù)載很重，信號(hào)衰減更加劇烈，這就是很多低壓載波集抄產(chǎn)品在晚高峰時(shí)段無(wú)法實(shí)現(xiàn)集抄的根本原因。

而且低壓電網(wǎng)的干擾與衰減隨著電網(wǎng)負(fù)載變化，也處在劇烈的動(dòng)態(tài)變化之中，而且動(dòng)態(tài)范圍之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2 抗干擾解決途徑

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器在很大程度上具有數(shù)據(jù)集中器的功能。供電線路復(fù)雜、干擾較大的場(chǎng)合，在電力載波數(shù)據(jù)集中器與電力載波數(shù)據(jù)采集器之間的電網(wǎng)中，加上網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器增加傳輸信號(hào)強(qiáng)度，從而提高抗干擾能力。

3.2.2 智能阻波器

智能阻波器根據(jù)干擾源的不同頻率或高次諧波分量的主頻率，自動(dòng)調(diào)節(jié)阻波器的電參數(shù)，原理框圖如圖8所示。

[L1，C1]及[L2，C2]組成了二級(jí)[LC]阻波器，[C2，L2，C1]組成了一級(jí)Π型阻波器。當(dāng)電網(wǎng)干擾源的不同頻率或高次諧波分量的主頻率在不同頻段時(shí)，阻波器內(nèi)部自動(dòng)組合調(diào)整[L2，L3，L4]的接入，將負(fù)載端的干擾阻止在阻波器上，而不會(huì)干擾到電力網(wǎng)上，從而提高了通信效果。

[RL=2πfL]

[RC=1（2πfC）]

兩式表明，干擾信號(hào)頻率越高，[RL]（感抗）越大，干擾信號(hào)的阻止效果越好；干擾信號(hào)頻率越高，[RC]（容抗）越小，將干擾信號(hào)能量消耗在回路中。

3.2.3 智能轉(zhuǎn)換器

智能轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖9所示。

智能轉(zhuǎn)換器內(nèi)部具有識(shí)別載波信號(hào)波波頻率的功能，而且自動(dòng)調(diào)節(jié)電容[C1～C4]的接入，[L1]分別與[C1，][C2，][C3，][C4]的不同組合產(chǎn)生串聯(lián)諧振。[C1～C4]的取值范圍在0.1～10 μF之間。串聯(lián)諧振特性在諧振頻率中心，阻抗接近零，利用此特性進(jìn)行載波信號(hào)在不同電網(wǎng)中的轉(zhuǎn)換，提高載波信號(hào)的傳輸效果。

在三相四線制供電系統(tǒng)中，智能轉(zhuǎn)換器可以在同一臺(tái)變壓器下各配電箱中的同相、異相之間轉(zhuǎn)換，也可在兩臺(tái)變壓器之間的各配電箱中的同相、異相之間轉(zhuǎn)換，使得在兩臺(tái)以上變壓器供電環(huán)境下，利用低壓電力線傳輸數(shù)據(jù)信息成為現(xiàn)實(shí)。

3.2.4 智能陷波器

智能陷波器原理圖與智能轉(zhuǎn)換器原理圖類似，而實(shí)質(zhì)性的差別在于電容器[C1～C4]的取值上，而[L1]是電網(wǎng)中的等效電抗。[C1～C4]的取值范圍在0.1～470 μF之間選取，并在[C1～C4]之間智能組合。智能陷波器電路原理基于串聯(lián)諧振特性，對(duì)于大功率負(fù)荷的用電設(shè)備，采取智能陷波器將干擾雜波吸收“陷治”在允許的范圍內(nèi)，是較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的一種方法。

4 低壓電力載波技術(shù)應(yīng)用

低壓電力載波技術(shù)主要應(yīng)用于能源計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)，覆蓋了能源遠(yuǎn)程計(jì)量監(jiān)管、用能控制、能耗分析、用能安全預(yù)警等方面。在計(jì)量監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上或者不同地址的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、電話網(wǎng)等其他方式，都可以與電力載波數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)據(jù)集中器利用電力載波通信技術(shù)，完成與下級(jí)所含各類終端采集器（遠(yuǎn)傳計(jì)量表具、傳感器）、控制器等終端之間的程序交互，實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著多頻段自適應(yīng)直接序列展頻通信技術(shù)的研發(fā)成功和成熟，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及底層網(wǎng)絡(luò)的普及，都將給電力載波技術(shù)在水、電、氣、暖等能源計(jì)量與控制及監(jiān)管方面的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著節(jié)能社會(huì)的到來(lái)，政府在節(jié)能環(huán)保方面投資力度加強(qiáng)，人們對(duì)電力載波技術(shù)認(rèn)知度提高，電力載波技術(shù)在節(jié)能監(jiān)管方面的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，也必將帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益，終將造福于人類。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T698?1999 低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版杜，1999.

[2] 陜西凱星電子科技有限責(zé)任公司.KS?2014電力厚膜電路手冊(cè)[M].西安：陜西凱星電子科技有限責(zé)任公司，2014.

[3] 全國(guó)照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T18595?2001一般照明用設(shè)備電磁兼容抗擾度要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[4] 全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 15734?1995 電子調(diào)光設(shè)備無(wú)線電騷擾特性限值及測(cè)量方法[S].北京：全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，1995.

[5] 國(guó)家電力公司武漢高壓研究所.GB/Z17625.6?2003 電磁兼容限值對(duì)額定電流大于16 A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[6] 屈振華，朱衛(wèi)華，劉宗瑤，等.基于電力載波通信的新型同步電子鐘設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（9）：167?169.

經(jīng)[R1]分別供給開(kāi)關(guān)電源芯片，經(jīng)WPM調(diào)制后，由續(xù)流二極管D10及續(xù)流電感[L1]形成5 V DC電源；由[R38]和[R39]以及[R29]的分壓比，確定5 V DC的調(diào)整范圍；[C10]是5 V DC的軟啟動(dòng)電容，調(diào)整[C10]的容量，可以改變5 V DC的上升時(shí)間，供給單片機(jī)U6等。

（3） 存儲(chǔ)電路

U2，[R37]組成存儲(chǔ)電路，從U2的6腳（SCL）與單片機(jī)芯片U6的36腳相連；用RS 232串口線及串口調(diào)試軟件，設(shè)置該采集器的地址碼等信息；在電力載波數(shù)據(jù)集中器中也同樣設(shè)入該采集器的地址碼等信息，以實(shí)現(xiàn)電力載波數(shù)據(jù)集中器與電力載波采集器之間的信息。

利用串口調(diào)試軟件4.5設(shè)置RS 485通信的遠(yuǎn)傳計(jì)量表具的指令如下：

接收：除第7位控制碼加“80”，第17位數(shù)據(jù)包校驗(yàn)有變化外，其他和發(fā)送碼一樣。當(dāng)發(fā)送指令的校驗(yàn)位不正確時(shí)，會(huì)接收到一個(gè)正確的校驗(yàn)碼。

（4） RS 485轉(zhuǎn)換電路

U3為RS 485通信專用轉(zhuǎn)換電路芯片，其中1腳單片機(jī)5腳的收、發(fā)信息指令，2、3腳接收單片機(jī)發(fā)岀的程序指令，由它轉(zhuǎn)換為符合RS 485通信規(guī)約的程序，從7（B）腳和8（A）腳與所需采集的具有RS 485通信功能的計(jì)量表具或傳感器對(duì)接。[Z1]為雙向穩(wěn)壓管，起保護(hù)[U3]的作用。

（5） 單片機(jī)電路

U6是單片機(jī)芯片，在整個(gè)電路中是核心部分，承擔(dān)著該采集器的程序編寫(xiě)及執(zhí)行、接收?qǐng)?zhí)行電力載波數(shù)據(jù)集中器的程序指令以及將RS 485遠(yuǎn)傳表具或傳感器的數(shù)據(jù)信息上傳給電力載波數(shù)據(jù)集中器等功能，從而實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)集中器之間的通信。

3 抗干擾解決途徑

3.1 干擾的來(lái)源

電力線是供電部門(mén)為用戶或用電設(shè)備提供的專用傳輸電能線路。用電設(shè)備多種多樣，電磁兼容性設(shè)計(jì)差距很大，有些低端用電電器（如電子日光節(jié)能燈、充電器等）只考慮了成本，在電磁兼容性設(shè)計(jì)上做的很少，有些根本就沒(méi)有考慮，所以給電網(wǎng)造成了一定的干擾。

由于電網(wǎng)用戶負(fù)載的原因，低壓載波信道發(fā)送端輸入阻抗很低，加上低壓功率因數(shù)補(bǔ)償電容、低壓電纜分布電容，進(jìn)一步加劇了這種阻抗效應(yīng)，導(dǎo)致載波信號(hào)在低壓電網(wǎng)上的衰減十分劇烈；尤其是在電網(wǎng)晚高峰時(shí)段，電網(wǎng)負(fù)載很重，信號(hào)衰減更加劇烈，這就是很多低壓載波集抄產(chǎn)品在晚高峰時(shí)段無(wú)法實(shí)現(xiàn)集抄的根本原因。

而且低壓電網(wǎng)的干擾與衰減隨著電網(wǎng)負(fù)載變化，也處在劇烈的動(dòng)態(tài)變化之中，而且動(dòng)態(tài)范圍之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2 抗干擾解決途徑

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器在很大程度上具有數(shù)據(jù)集中器的功能。供電線路復(fù)雜、干擾較大的場(chǎng)合，在電力載波數(shù)據(jù)集中器與電力載波數(shù)據(jù)采集器之間的電網(wǎng)中，加上網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器增加傳輸信號(hào)強(qiáng)度，從而提高抗干擾能力。

3.2.2 智能阻波器

智能阻波器根據(jù)干擾源的不同頻率或高次諧波分量的主頻率，自動(dòng)調(diào)節(jié)阻波器的電參數(shù)，原理框圖如圖8所示。

[L1，C1]及[L2，C2]組成了二級(jí)[LC]阻波器，[C2，L2，C1]組成了一級(jí)Π型阻波器。當(dāng)電網(wǎng)干擾源的不同頻率或高次諧波分量的主頻率在不同頻段時(shí)，阻波器內(nèi)部自動(dòng)組合調(diào)整[L2，L3，L4]的接入，將負(fù)載端的干擾阻止在阻波器上，而不會(huì)干擾到電力網(wǎng)上，從而提高了通信效果。

[RL=2πfL]

[RC=1（2πfC）]

兩式表明，干擾信號(hào)頻率越高，[RL]（感抗）越大，干擾信號(hào)的阻止效果越好；干擾信號(hào)頻率越高，[RC]（容抗）越小，將干擾信號(hào)能量消耗在回路中。

3.2.3 智能轉(zhuǎn)換器

智能轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖9所示。

智能轉(zhuǎn)換器內(nèi)部具有識(shí)別載波信號(hào)波波頻率的功能，而且自動(dòng)調(diào)節(jié)電容[C1～C4]的接入，[L1]分別與[C1，][C2，][C3，][C4]的不同組合產(chǎn)生串聯(lián)諧振。[C1～C4]的取值范圍在0.1～10 μF之間。串聯(lián)諧振特性在諧振頻率中心，阻抗接近零，利用此特性進(jìn)行載波信號(hào)在不同電網(wǎng)中的轉(zhuǎn)換，提高載波信號(hào)的傳輸效果。

在三相四線制供電系統(tǒng)中，智能轉(zhuǎn)換器可以在同一臺(tái)變壓器下各配電箱中的同相、異相之間轉(zhuǎn)換，也可在兩臺(tái)變壓器之間的各配電箱中的同相、異相之間轉(zhuǎn)換，使得在兩臺(tái)以上變壓器供電環(huán)境下，利用低壓電力線傳輸數(shù)據(jù)信息成為現(xiàn)實(shí)。

3.2.4 智能陷波器

智能陷波器原理圖與智能轉(zhuǎn)換器原理圖類似，而實(shí)質(zhì)性的差別在于電容器[C1～C4]的取值上，而[L1]是電網(wǎng)中的等效電抗。[C1～C4]的取值范圍在0.1～470 μF之間選取，并在[C1～C4]之間智能組合。智能陷波器電路原理基于串聯(lián)諧振特性，對(duì)于大功率負(fù)荷的用電設(shè)備，采取智能陷波器將干擾雜波吸收“陷治”在允許的范圍內(nèi)，是較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的一種方法。

4 低壓電力載波技術(shù)應(yīng)用

低壓電力載波技術(shù)主要應(yīng)用于能源計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)，覆蓋了能源遠(yuǎn)程計(jì)量監(jiān)管、用能控制、能耗分析、用能安全預(yù)警等方面。在計(jì)量監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上或者不同地址的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、電話網(wǎng)等其他方式，都可以與電力載波數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)據(jù)集中器利用電力載波通信技術(shù)，完成與下級(jí)所含各類終端采集器（遠(yuǎn)傳計(jì)量表具、傳感器）、控制器等終端之間的程序交互，實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著多頻段自適應(yīng)直接序列展頻通信技術(shù)的研發(fā)成功和成熟，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及底層網(wǎng)絡(luò)的普及，都將給電力載波技術(shù)在水、電、氣、暖等能源計(jì)量與控制及監(jiān)管方面的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著節(jié)能社會(huì)的到來(lái)，政府在節(jié)能環(huán)保方面投資力度加強(qiáng)，人們對(duì)電力載波技術(shù)認(rèn)知度提高，電力載波技術(shù)在節(jié)能監(jiān)管方面的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，也必將帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益，終將造福于人類。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T698?1999 低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版杜，1999.

[2] 陜西凱星電子科技有限責(zé)任公司.KS?2014電力厚膜電路手冊(cè)[M].西安：陜西凱星電子科技有限責(zé)任公司，2014.

[3] 全國(guó)照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T18595?2001一般照明用設(shè)備電磁兼容抗擾度要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[4] 全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 15734?1995 電子調(diào)光設(shè)備無(wú)線電騷擾特性限值及測(cè)量方法[S].北京：全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，1995.

[5] 國(guó)家電力公司武漢高壓研究所.GB/Z17625.6?2003 電磁兼容限值對(duì)額定電流大于16 A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[6] 屈振華，朱衛(wèi)華，劉宗瑤，等.基于電力載波通信的新型同步電子鐘設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（9）：167?169.