基于低壓電力線的載波模塊設計合理性分析

摘 要：電力載波通信是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式，其基于現(xiàn)有的電力線路，通過載波方式將信號進行快速傳輸，最大的特點是無需重新架設通信網(wǎng)絡，隨著低壓電力網(wǎng)載波通信技術的發(fā)展，其具有了更加廣泛的應用意義。本文里，我們對基于低壓電力線的載波模塊設計進行簡單了解，重點對其設計的合理性進行分析。

關鍵詞：低壓電力線；載波模塊；合理性分析

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）26-0087-02

前 言

載波通信是經(jīng)典的模擬通信機制，在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中應用最為廣泛，電力載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式，可直接利用電力線路進行通信而無需另外架設通信網(wǎng)，所以在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用。由于在低壓配電線路上實現(xiàn)載波通信需要克服的問題比較多，所以以往主要是應用在高壓、中壓電力線路。隨著相關技術的發(fā)展，通過與其他通信方式相結合，充分利用現(xiàn)有低壓線路實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。在本文里，我們通過對基于低壓電力線路的載波模塊設計進行簡單了解，重點對該設計的合理性進行分析。

1 低壓電力線路對載波通信的限制

由于低壓電力系統(tǒng)的特點，對載波通信的應用造成了很大的限制，只有對這些限制實現(xiàn)有效控制，才能使載波通信真正應用在低壓電力線路中。

（1）由于配電變壓器對載波信號具有阻隔，導致信號的傳播范圍有一定的限制；

（2）三相電力線間存在信號損失，在相同通信距離不同相間收到的信號不同，所以載波信號往往只在單相線路中傳輸；

（3）不同信號耦合方式對載波信號的損失不同；

（4）電力線存在其固有脈沖干擾，對信號存在高削減、高噪聲和高干擾。[1]

2 載波模塊的設計

2.1 低壓電力線路載波通信原理

在低壓電力線路的載波通信，一般是利用1～30MHz的頻率進行信號的傳輸，在信號發(fā)送時，需要先以調(diào)制技術完成對數(shù)據(jù)的調(diào)制，待調(diào)制完畢之后再通過電力線路完成信號的傳輸；進行信號接收時，需要對調(diào)制輸出的信號進行過濾，待過濾完畢之后再進行解調(diào)，方可得到原始的通信信號。整個通信系統(tǒng)的主要設備包括局端和調(diào)制解調(diào)器，其中局端是負責與內(nèi)部調(diào)整解調(diào)器和的通信和外部網(wǎng)絡的連接。圖1為通信系統(tǒng)的原理框圖。

2.2 載波模塊設計

目前在低壓線路載波通信領域應用到的技術主要有窄帶通信、擴頻通信和OFDM通訊等，在這篇文章里，我們以OFDM技術為基礎對載波通信模塊進行設計。OFDM是正交分頻復用，是一種多載波傳輸技術，其特點是傳輸速率高，抗碼間干擾、抗噪聲干擾及抗信道衰落能力強。設計思想是將信道分成若干正交子道，將傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)流轉換成并行的低速數(shù)據(jù)流，調(diào)整到每個子信道上進行傳輸，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。根據(jù)模塊的設計重點，可將模塊分為通信芯片、信號耦合電路、功率放大電路三部分。

2.2.1 通信芯片

通信芯片作為通信模塊中的核心功能單元，選擇控制器時需要綜合考慮處理速度、存儲容量、接口等多個方面。目前應用較多的通信芯片有INT5130、MAX2986、MAX2990、MAX2991、ITM10等，結合選擇需要考慮的因素，在此我們選擇MAX2990、MAX2991，其中MAX2990是采用了16位MAXQ微控制器內(nèi)核，組合了PHY和MAC層。在10～490kHz頻段可提供100kbps數(shù)據(jù)速率；在10～95kHz頻段速率可達32kbps；MAX2991包括兩級自動增益控制和片上可編程濾波器，動態(tài)范圍可達62dB。MAX2991的輸出是差分信號，這一特點有效促進電路抗干擾能力的提高，且在相同電壓情況下，信號幅度可增大一倍。

2.2.2 信號耦合電路

信號耦合電路是將載波通信模塊與低壓電力線連接的關鍵單元，主要是實現(xiàn)以下功能：①濾除交流信號；②抑制瞬時電壓沖擊；③將發(fā)射信號耦合到電力線，保證信號有效功率；④對有用信號實現(xiàn)衰減最小化和接收最佳。電力線載波通信的耦合技術根據(jù)所使用的耦合元件可分為電容耦合、電感耦合、電阻耦合及天線耦合等。耦合技術不同，其使用條件、性能特點也不相同，在中、低壓電力線載波通信中，最常用的耦合技術是電容耦合、電感耦合這2種。

2.2.3 功率放大電路

功率放大電路的作用是將載波調(diào)制信號進行功率放大，高效、不失真的輸出信號，使耦合到低壓電力線的最大輸出信號電平、二次、三次諧波分量符合規(guī)約中對于信號頻率、最大輸出電平等指標的要求。在這里我們采用橋式推挽功率放大電路，即BTL電路。BTL電路與OTL電路（推挽式無輸出變壓器功率放大電路）、OCL電路（OTL電路的升級，省去了輸出端的大電容）相比，BTL電路實現(xiàn)了對電源電壓的充分利用，在理想情況下，如果電源電壓及負載相同，則BTL電路的輸出電壓可增大l倍，輸出功率可增大4倍。[2]

3 模塊設計的合理性分析

3.1 合理性模擬實驗

為了對其合理性進行分析，我們對該模塊進行模擬實驗，實驗內(nèi)容包括：

3.1.1 其他條件不變，改變通信頻率

電力線的信道傳播能力會隨著載波信號頻率以及傳輸距離的增加而增強，與此同時，進行信號接收時所產(chǎn)生的信噪也有所提高，傳輸電力線不宜使用高頻的載波信號進行遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，故而進行電力線載波通信芯片的選擇時需要確保頻率不要過高。

3.1.2 短距離無負荷

在短距離無用電負荷的情況下，由于道噪聲的干擾小、阻抗穩(wěn)定，導致發(fā)射出的信號波形極少會發(fā)生畸變，從而使得電力線的通信能夠有效實現(xiàn)。

3.1.3 短距離有負荷

在短距離有用電負荷的情況下，接收端接收到的信號存在一定誤碼率，模塊接收端的帶通濾波器能將大部分的帶外噪聲濾除，而頻率在載波附近的噪聲，濾波器不能有效濾除而造成了誤碼，當投切負荷時，線路上回出現(xiàn)較大噪聲，造成誤碼的急劇上升。

3.1.4 長距離無負荷

在長距離無負荷情況下，由于無負載，噪聲干擾小，通信效果良好，但是隨著距離的增加，信號衰減較大。

3.1.5 長距離有負荷

在長距離有用電負荷的情況下，誤碼率出現(xiàn)上升，且隨著距離的增大，傳輸衰減增大，用電負荷導致多徑現(xiàn)象嚴重，同時接入點阻抗失配造成信號反射，增大了信號衰減，用電設備產(chǎn)生了很多噪聲，與載波頻率接近的噪聲易被解調(diào)出來增大了誤碼率。

3.2 結 論

通過對上述是實驗結果的總結，我們得出如下結論：

（1）模塊的濾波效果良好，滿足應用需求。

（2）隨著傳輸距離的增加電力線的信道傳輸能力會下降，而信號接收的有效性會隨著載波信號頻率的降低而逐漸減小。

（3）由于用戶分布的復雜性，在電力線路負載過重時，會導致電力線路的傳輸能力大大降低，在傳輸過程中所產(chǎn)生的噪聲也會對載波信號產(chǎn)生嚴重的干擾。若噪聲與載波信號頻率趨向一致時，雖然仍會被調(diào)制解調(diào)器解調(diào)出來，但是信號的準確性仍受到影響。[3]

4 結束語

基于低壓電力線的載波通信技術，在電費收繳、家用電器智能化控制等領域都有著實際的應用意義。在上面文章里我們簡單的對載波通信技術及載波模塊的設計進行了了解，雖然其具有無需重復組建通信網(wǎng)、傳輸速度快等優(yōu)點，但是在應用過程中受到的限制條件還很多，且其他的通信技術，如光纖、無線網(wǎng)絡等的發(fā)展也突飛猛進，所以其未來的發(fā)展應用面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

參考文獻

[1]李照彬，林 宏，謝嘉倍.基于低壓電力線的載波模塊設計[J].電子產(chǎn)品世界，2018（1）：63～65.

[2]張 婷，王祖良，黃世奇.基于OFDM的高速電力線載波通信系統(tǒng)設計[J].測控技術，2017（12）：39～42.

[3]高 旗.探究電力載波通信技術在低壓配電網(wǎng)中的應用[J].數(shù)字技術與應用，2015（09）：31.

收稿日期：2018-8-9