雙模電力通信技術(shù)及實(shí)現(xiàn)*

妙紅英

(國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司　承德　067000)

?

雙模電力通信技術(shù)及實(shí)現(xiàn)*

妙紅英

(國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司承德067000)

在供電網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)中,集載波和無線于一體的雙模通信是提高抄表成功率的一個有效手段。由于通信模塊空間有限,將載波和無線兩種通信電路集成在一個模塊上,如果不加以認(rèn)真的設(shè)計,載波和無線通信性能將很難達(dá)到單模工作時的狀態(tài)。這就需要對一些影響通信性能的因素加以考慮并采取相應(yīng)的措施,才可以在雙模模塊上將載波和無線的性能充分發(fā)揮。針對在雙模通信模塊設(shè)計中容易出現(xiàn)的幾個問題,做了理論分析并提出解決方案。采用了解決方案的雙模模塊,載波和無線性能達(dá)到了單模狀態(tài)下的性能水平。

自動抄表; 載波; 無線; 雙模通信; 天線; 匹配; 屏蔽

Class NumberTN914

1　引言

全國范圍電網(wǎng)改造正在進(jìn)行中,如何解決供電網(wǎng)絡(luò)自動化管理問題已迫在眉睫。當(dāng)前,我國在電力通信中廣泛采用電力線載波技術(shù)或基于Sub-1GHz技術(shù)的窄帶無線通信技術(shù)的單模通信。二者分別在不同的地域均得到了批量的應(yīng)用,取得了良好的效果。但是,二者各自的缺陷導(dǎo)致了現(xiàn)場通信成功率總是很難達(dá)到100%。

電力線載波(PLC)利用低壓電力載波通信技術(shù)來傳輸用電數(shù)據(jù),無需布線便可實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)計,是近十年來國內(nèi)外公認(rèn)的一個最佳方案。電力線作為一種通訊媒介網(wǎng)絡(luò),所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率是顯而易見的。但是低壓電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、線路高頻信號衰減嚴(yán)重,電力網(wǎng)絡(luò)的分布電容、分布電感、負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載阻抗值、噪聲等都是動態(tài)的而不是恒定的,特別是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平的提高,各種用電器具數(shù)量急劇增加,這種隨機(jī)性和無規(guī)律性干擾日益嚴(yán)重,雖然各廠家開發(fā)出各種抗干擾技術(shù)加以應(yīng)對,但是電力線載波技術(shù)存在的固有問題一直在影響著自動抄表技術(shù)的發(fā)展[1～2]。

近些年發(fā)展起來的微功率無線通信方案,通過空中傳輸數(shù)據(jù),不受電力線環(huán)境噪聲的影響。但是無線通信由于功率受限,通信性能容易受到墻壁阻擋,金屬屏蔽,天氣環(huán)境的影響。盡管可以通過多頻點(diǎn),自動調(diào)頻等技術(shù)減小這種影響,然而帶寬的限制使無線性能的提高受到制約[3]。

2　雙模方案的出現(xiàn)及設(shè)計中存在的問題

由于以上原因,集電力線載波和微功率無線技術(shù)的雙模方案應(yīng)運(yùn)而生。采用雙模方案,理論上抄表信息可以在兩種媒介(電力線、空氣)中傳輸,電力線環(huán)境惡劣時,可以走無線通道；無線環(huán)境不好時,可以走電力線通道,從而大大提高通信的成功率。

雙模方案的實(shí)現(xiàn),從表面看是把電力線載波和微功率無線的硬件集成在一個模塊上,如果在實(shí)現(xiàn)中沒有對一些影響通信性能的原因加以考慮,則因?yàn)閮煞N工作模式之間的互相影響,雙模模塊的通信性能很難達(dá)到單模狀態(tài)下的通信性能。實(shí)踐中,存在以下需要注意的問題：

1) 天線的阻抗匹配和反射/吸收干擾；

2) 載波及電源紋波對RF性能的影響；

3) 無線傳輸距離的評估；

4) 射頻信號的阻抗匹配；

5) 模塊動態(tài)功耗。

以下將對幾個影響通信性能的因素分別加以討論,并提出解決方案。

3　天線的阻抗匹配和反射/吸收干擾

在雙模抄表通信系統(tǒng)中,載波通信通過電力線與集中器通信,無線通信通過天線與集中器通信。雙向無線通信中,天線既要把發(fā)送的射頻信號有效輻射出去,又要把集中器端發(fā)來的微弱的無線信號接收下來。天線的阻抗匹配,附近大型元器件對射頻信號的吸收/反射等都會影響到無線系統(tǒng)的性能。

3.1天線的阻抗匹配

雙模通信模塊中,由于模塊空間有限及成本因素考慮,一般采用內(nèi)置彈簧天線或棒狀天線,在有特殊需求的場合,也可以外接鞭狀天線。無論是彈簧天線,棒狀天線或外接鞭狀天線,都屬于半波振子天線。半波振子天線具有方向性,最大輻射方向在位于垂直于天線方向的平面上[4],如圖1所示。

圖1　半波振子天線的方向

天線的S11參數(shù),即反射系數(shù),代表了在天線阻抗與驅(qū)動電路不匹配的情況下,會在信號回路形成反射信號。這樣在信號傳輸路徑上,入射信號和反射信號同相的地方,振幅相加成為最大電壓Vmax,形成波腹；在入射信號和反射信號反相的地方,振幅相減成為最小振幅Vmin,形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的電壓值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。反射系數(shù)ΓL與源阻抗ZO,負(fù)載阻抗ZL的關(guān)系如下[5]：

S11=20log(ΓL)

其中,Γr和Γi分別為ΓL的實(shí)部和虛部,z為歸一化負(fù)載阻抗：

其中,R為負(fù)載阻抗的電阻,X為負(fù)載阻抗的電抗,r和x分別為歸一化負(fù)載阻抗的實(shí)部和虛部。

把波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù),也叫電壓駐波比,記為VSWR。

終端負(fù)載阻抗ZL和特性阻抗ZO越接近,反射系數(shù)ΓL越小,駐波比VSWR越接近于1,匹配也就越好。

在雙模模塊設(shè)計過程中,因?yàn)镻CB面積緊張,需要設(shè)計者根據(jù)版面情況認(rèn)真設(shè)計RF部分的走線,并采用專用的設(shè)計軟件對RF信號的發(fā)送/接收部分進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計,才能取得最好的性能。

3.2反射/吸收干擾

在雙模抄表模塊中,載波部分一般具有信號隔離變壓器,安規(guī)電容等比較大的元器件。 如果這些比較大的元器件放在天線的最大輻射區(qū)內(nèi),這些元器件會對天線的輻射信號產(chǎn)生反射或吸收,如圖2所示。

圖2　雙模模塊中大型元器件對天線輻射的吸收和反射

從S11參數(shù)的角度來看,對天線發(fā)射信號的反射和吸收,會對天線的S11參數(shù)隨頻率曲線造成不希望的畸變,根據(jù)式,VSWR也隨之受到影響,導(dǎo)致天線與驅(qū)動電路的阻抗失配,將對通信性能造成很大的影響。

圖3顯示了在一個中心頻率為480MHz的棒狀天線在其附近有安規(guī)電容和信號耦合變壓器時,對天線S11參數(shù)的影響。

可以看到,在天線附近有大型元器件時,由于反射和吸收的效應(yīng),隨頻率變化的曲線在工作頻帶內(nèi)容有很大的變化,實(shí)際工作中表現(xiàn)為發(fā)送功率減小,和接收靈敏度的大幅下降。將兩個相同的天線在網(wǎng)絡(luò)分析儀做無線傳輸?shù)膮?shù)曲線也說明了反射/吸收對傳輸性能的影響,如圖4。

圖3　天線附近有大型元器件時,對天線參數(shù)的影響前后對比

圖4　天線附近有大型元器件時,對無線傳輸網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的影響

為了解決這個問題,有以下幾種解決方案:

1) 壓縮載波部分的PCB占位,使射頻電路,尤其是天線部分原理載波電路的大型元器件；

2) 抬高內(nèi)置天線,使天線最大輻射平面高于載波大型元器件的高度；

3) 在減少載波電路PCB占位面積有困難的情況下,采用外置天線。當(dāng)然,這樣會帶來成本的增加。

3.3無線傳輸距離

無線通信距離可以通過一些傳播模型來估算,典型的模型有Hata模型、COST-231模型和Keenan-Motley傳播模型等[6～7]。

Hata模型的表達(dá)式為：

PL(dB)=69.55+26.16log(F)-13.82log(H)

+(44.9-6.55log(H))*log(D)+C

其中,PL為路徑損耗,單位為dB；F為頻率,單位MHz,范圍150～1500MHz；D為距離,單位km；H為天線有效高度,單位m；C為環(huán)境矯正因子,一般在密集城區(qū)取0,城區(qū)取-5；郊區(qū)取-10；農(nóng)村取-17。

COST-231模型為：

PL(dB)=46.3+33.9log(F)-18.82log(H)

+(44.9-6.55log(H))*log(D)+C

其中,PL為路徑損耗,單位為dB；F為頻率,單位MHz,范圍1500～2000MHz；D為距離,單位km；H為天線有效高度,單位m；C為環(huán)境矯正因子,一般在密集城區(qū),取-2,城區(qū)取-5；郊區(qū)取-8；農(nóng)村取-1；開闊地取-26dB。

Keenan-Motley傳播模型為室內(nèi)傳播模型：

+K×F(k)+P×W(p)

其中：d0為參考距離；n為室內(nèi)路徑損耗衰減因子,取值如表1所示。

表1　不同場景下的損耗衰減因子

d:發(fā)送接收天線之間的距離,單位為km；

K：樓層損耗參考值；

F：樓層數(shù)目；

P：墻壁損耗參考值；

W：墻壁數(shù)目。

微功率無線抄表,根據(jù)國網(wǎng)相關(guān)要求[8],頻率在470～510MHz,在這個頻段,Hata模型較為實(shí)用,與實(shí)際的開闊地通信距離測試結(jié)果基本吻合,但是誤差仍然大于6dB,文獻(xiàn)[7]對這些模型進(jìn)行了一些修正,修正后的模型更加符合實(shí)際情況。實(shí)際使用中,傳輸距離受遮擋,反射,部分屏蔽,甚至氣溫等因素影響很大,因此性能預(yù)算要足夠,在環(huán)境特別復(fù)雜和不穩(wěn)定的地方,需要增加中繼器。

4　傳導(dǎo)騷擾及輻射騷擾

在雙模電路中,同時存在載波電路,電源電路,MCU及RF電路。各部分間不可避免會相互干擾。這些干擾中,主要體現(xiàn)為DCDC電源,MCU電路對射頻和載波接收部分的影響。這些干擾通過兩個途徑：傳導(dǎo)和輻射。

通過導(dǎo)體傳播的干擾,叫傳導(dǎo)騷擾；

通過空間傳播的電磁干擾,叫輻射騷擾。

圖5　電磁騷擾途徑

雙模模塊設(shè)計中,考慮到電表的供電狀況和轉(zhuǎn)換效率,一般要采用DCDC電路,將電表供給的12V電壓轉(zhuǎn)變成載波,MCU和RF電路用到的3.3V電壓。一般的DCDC工作頻率在600～2000kHz,如果不對DCDC電路加以認(rèn)真的設(shè)計,DCDC會成為一個強(qiáng)大的干擾源,通過傳導(dǎo)和輻射的方式對載波和RF部分的電路造成嚴(yán)重的影響。

4.1傳導(dǎo)騷擾抑制

減少傳導(dǎo)騷擾,最有效的方法是采用電源及地隔離。在實(shí)踐中,考慮到成本要求,一般要分別給MCU,載波和RF電路的電源線串聯(lián)一個電感,實(shí)現(xiàn)電源測的相互隔離。如圖6所示。

圖6　雙模模塊中的電源和地隔離

此外,除了電源之間的相互串?dāng)_,處理不當(dāng)?shù)牡匾彩歉蓴_的來源,一般也需要分別電路的數(shù)字和模擬部分采用磁珠隔離。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]介紹,磁珠(Ferrite bead)的等效電路如圖所示,其中DCR是一個恒定值,但后面三個元件都是頻率的函數(shù),也就是說它們的感抗,容抗和阻抗會隨著頻率的變化而變化,當(dāng)然它們阻值,感值和容值都非常小。

從等效電路中可以看到,假設(shè)LC的諧振頻率為,率低于時,磁珠呈現(xiàn)電感特性；當(dāng)頻率等于時,磁珠是一個純電阻,此時磁珠的阻抗(impedance)最大；當(dāng)頻率高于諧振頻率點(diǎn)時,磁珠則呈現(xiàn)電容特性。

磁珠選擇的原則：磁珠的阻抗在騷擾頻率處最大。如,騷擾噪聲的最大值在500MHz,則選擇的時候就要看磁珠的特性曲線,并根據(jù)其工作電流情況,使其阻抗的最大值在500MHz左右,如圖7所示,此時可以達(dá)到最佳的騷擾抑制效果。

圖7　磁珠的等效電路和阻抗曲線

4.2輻射騷擾的抑制

對于輻射干擾,一般采用以下方法加以減輕或避免：

1)改進(jìn)電路設(shè)計,對于弱信號接收電路,由于輻射干擾引起的干擾一般是共模形式的,所以采用差分結(jié)構(gòu),并對其進(jìn)行良好的對稱設(shè)計,可以有效避免輻射引起的共模干擾。

2)對干擾敏感電路施加屏蔽措施,即在干擾源和干擾對象之間插入一個接地的金屬屏蔽層,從而有效阻擋輻射干擾。

電磁場通過金屬材料隔離時,電磁場的強(qiáng)度將明顯減弱,這就是金屬材料的屏蔽作用。通常用屏蔽效能(Shielding Effectiveness,簡稱 SE)來定義同一位置無屏蔽體時電磁場的強(qiáng)度與加屏蔽體之后電磁場的強(qiáng)度之比來表征金屬材料的屏蔽作用,若屏蔽前后的電場分別為和,則電場屏蔽效能為：

其中TE為電場傳輸系數(shù),指屏蔽時某點(diǎn)的電場強(qiáng)度與非屏蔽時該點(diǎn)的電場強(qiáng)度之比。

若屏蔽前后的磁場分別為H1和H2,則磁場屏蔽效能為：

其中TH為磁場傳輸系數(shù),指屏蔽時某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度與非屏蔽時該點(diǎn)的磁場強(qiáng)度之比。

用磁路分析法可以得到矩形截面的屏蔽盒的磁場屏蔽效能為[10]：

其中,a為屏蔽盒在垂直磁場方向的尺寸,壁厚為d,μr是屏蔽材料的相對導(dǎo)磁率。可以看到,屏蔽盒的屏蔽效能與屏蔽材料的厚度成正比,與截面積成反比,與屏蔽材料的導(dǎo)磁率成正比。所以在實(shí)際設(shè)計中,要盡量減小屏蔽電路的面積,同時盡量用比較厚的材料,同時屏蔽材料用導(dǎo)磁率比較高的材料,一般用表面鍍錫的銅材料為佳。

3)距離隔離：拉開干擾源與被干擾對象之間的距離,這是由于干擾只在近場區(qū),干擾強(qiáng)度與距離平方或立方成比例,當(dāng)距離增大時,干擾衰減很快。

4)吸收涂層法：被干擾對象有時可涂復(fù)一層吸收電磁波的材料,以減小干擾。

在雙模電路設(shè)計中,采用1)可以有效降低共模干擾,方案2)則可以降低所有輻射干擾強(qiáng)度,但是會增加模塊成本。在模塊空間充足的情況下,可以采用方案3)。方案4)同樣可以取得良好的抗干擾效果,但是存在工藝復(fù)雜,成本高的問題。

5　功耗控制

我們知道,用于電力線抄表的通信模塊對功耗有嚴(yán)格的要求,在國網(wǎng)電科院的要求文檔中[11],對于單相模塊,靜態(tài)功耗不得大于250mW,動態(tài)功耗不得大于1.5W。一般的載波模式下,尤其在OFDM方式下,目前已有芯片的靜態(tài)功耗普遍比較大。如果再增加RF電路,靜態(tài)功耗要求很難滿足。在動態(tài)功耗方面,由于要盡可能大的將載波信號發(fā)送到電力線,對于電能表能提供的電源容量,基本已經(jīng)充分利用,如果再增加射頻部分,電源供電也將捉襟見肘。

實(shí)踐中,一般采用如下手段降低雙模模塊的功耗：

1) 載波電路的低功耗工作模式,接收模式下,載波電路定時喚醒,這樣可以有效降低模塊的靜態(tài)功耗。

2) 載波與RF電路的分時工作模式,通過硬件及算法的配合,使載波和RF在不同的時隙工作,從而降低模塊的動態(tài)功耗。

3) 改進(jìn)組網(wǎng)方式,在子網(wǎng)內(nèi)部自動偵測當(dāng)前通信環(huán)境,采用適合的單模方式,而在子網(wǎng)間采用靈活的雙模方式,降低動態(tài)功耗的同時提高組網(wǎng)效率。

6　結(jié)語

雙模通信模塊屬于近年來發(fā)展起來的新技術(shù),它利用了電力線載波和無線通信的優(yōu)點(diǎn),同時又避免的二者的缺點(diǎn),是解決電力通信成功率的有效措施。然而雙模通信在實(shí)踐中會遇到很多問題,如體積小造成的阻抗匹配困難,傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾,功耗超標(biāo)等。通過一定的技術(shù)手段,這些問題都可以在一定程度上減輕甚至完全解決。

[1] 趙丙鎮(zhèn),范鵬展.采用復(fù)合通信提高用電信息采集成功率[J].能源技術(shù)經(jīng)濟(jì),2012,24(3):28-31.

ZHAO Bingzhen, FAN Pengzhan. Upgrading the AMI Success Rate Based on Composite Communication Technology[J]. Energy Technology and Economics,2012,24(3):28-31.

[2] 陳晨.電力線載波+微功率無線通信在用電信息采集系統(tǒng)中的創(chuàng)新研究及應(yīng)用[J].科技論壇,2014(34):110.

CHEN Chen.Creative Research and Application of PLC+SUB 1GHz WIRELESS in AMI system,Technoloy Forum,,2014(34):110.

[3] 韓娜.無線與電力載波雙信道用電信息采集設(shè)備的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(9):54.

HAN Na. Research of duo channel of wireless and PLC in AMI system. Digital technology and Application,2014(9):54.

[4] 韓露,喬磊,張馳.半波對稱振子天線的設(shè)計與仿真[J].電子質(zhì)量,2013(11):76-78.

HAN Lu, QIAO Lei, ZHANG Chi. Design and Simulation of Half-wavelength Dipole Antenna[J]. Quality of Electronics,2013(11):76-78.

[5] Maxim.阻抗匹配與斯密斯圓圖[EB].RF design,2000(7).

Maxim,Co. Ltd. Impedance match and Smith Chart[EB]. RF design,2000(7).

[6] 李焜,王喆.無線通信電波傳播模型的研究[J].無線通信技術(shù),2008,17(1):10-12.

LI Kun, WANG Zhe. Research of Wireless Communications Radio Wave Propagation Model. Wireless Communications,1st,2008,17(1):10-12.

[7] 劉勇,周新力,金慧琴.電波傳播預(yù)測模型分析與研究[J].艦船電子工程,2011,31(7):84-86.

LIU Yong, ZHOU Xinli, JIN Huiqin. Analysis and Research of Radio Wave Propagation Model[J]. Ship Electronic Engineering,2011,31(7):84-86.

[8] 國網(wǎng)電科院.電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議：微功率無線通信標(biāo)準(zhǔn)[S].2013.

Electric Power Research Institute of State Grid,China,Protocols of AMI communication of energyconsumer[S].2013.[9] http://blog.csdn.net/david_xtd/article/details/40738635,磁珠的特性[EB].

http://blog.csdn.net/david_xtd/article/details/40738635,Charactoristic of magnetic bead[EB].

[10] 趙萬章,吳瓊.屏蔽效能的工程計算[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,26(4):335-339.

ZHAO Wanzhang, WU Qiong. Engineering Arithmetic of Shelding Efficiency[J]. Journal of Changchun University of Technology(Natural Science Edition),2005,26(4):335-339.

[11] 國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S]. Q/GDW 1828-2013-11.Electric Power Research Institute of State Grid,China,Q/GDW 1828-2013-11.

Introduction and Implementation of Dual Mode Communication of AMR

MIAO Hongying

(State Grid JiBei Electric Power Co., Ltd. Chengde Power Supply Company, Chengde067000)

Dual mode communication, which combines the PLC(power line communication) with RF(radio frequency) technology, is an effective way to solve the problems of success rate of AMR(Automated Metering Reading). For the space reason, in dual mode module, the performance of PLC and RF can hardly be as same as mono mode if without the sophisticated design. Only several negative factors which effective the performance should be considered and some corresponding solution must be adopted, the performance of PLC and RF can be largely increased.

AMR, PLC, wireless, dual mode, antenna, match, shield

2016年4月7日,

2016年5月23日

妙紅英,女,高級工程師,研究方向：營銷管理,用電信息采集。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.022