基于電力線載波通信的調光控制系統(tǒng)研究

李小娣，柴 斌，王 婷，馬文英

(1.銀川能源學院，寧夏 銀川 750100； 2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

低壓電力線網(wǎng)絡覆蓋面廣，近些年來的一個重要問題是如何確保可靠和高質量的數(shù)據(jù)傳輸作為一種物理通信手段。但是，低壓線路并不是特定的通信線路，因為它們有許多妨礙數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜秉c，例如，作為大量的干擾源和高電阻率時間變化特性。這些缺點在一定程度上影響了導體的應用。然而，隨著先進的干涉算法和矯形技術的應用，與導體的通信已經出現(xiàn)在一些特殊的應用中。典型的應用包括遙感系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)和智能照明系統(tǒng)。特別是現(xiàn)有的低電壓輸電線，將減少大量的輸電線和空間，減少施工時間。傳統(tǒng)的開關已經不能滿足人們的普通需求[1-4]。

傳統(tǒng)的照明方式將能量和信息流連接起來，盡管結構簡單而直觀，但控制是唯一可以打開或關閉的方法。整個照明系統(tǒng)是手工操作的，在打開和關閉時需要特別注意，現(xiàn)場工作需要很長時間。一旦連接完成，就很難改變系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)錯誤，控制線就變得足夠笨重，無法實時控制每盞燈的使用情況。隨著商業(yè)辦公樓和半獨立式住宅樓的引入，越來越多地使用人工能源照明，對節(jié)能元件，如照明系統(tǒng)的自動照明、自動燈等。自20世紀90年代美國提出“綠燈”倡議以來，它一直備受關注并廣為傳播。此外，中國出版的“綠色城市”和“智慧城市”達到了前所未有的高度。不是碳，不是生態(tài)學、節(jié)能等概念出發(fā)，未來城市建筑的智能照明需要解決和發(fā)展基礎工程、光纖通信、自動化管理技術以及一個有效的控制平臺，以解決目前房屋照明的不足，實現(xiàn)環(huán)境保護節(jié)能是光控領域的一項重要任務[5-10]。

本文提出的基于電力線載波通信技術的智能調光系統(tǒng)，重點介紹了一種可通過手機或PAD等移動電話實現(xiàn)的室內LED燈，用于靈活調光，并對屋內所有燈進行分組控制以及實時監(jiān)控屋內外燈的行走情況，這有助于及時發(fā)現(xiàn)“誤開”和故障，請將標準手動開關切換到智能開關，系統(tǒng)可在指定時間自動開關和控制燈具，節(jié)約用電，增加燈具壽命，提供現(xiàn)場調節(jié)能力，滿足用戶審美多樣性.要求大大提高了照明理論系統(tǒng)的靈活性、效率和智能性，豐富了家居照明，有效利用和節(jié)約能源[11-15]。

1 電力線載波通信技術

1.1 電力載波通信概念

電力線載波通信(Power Line Carrier)，與PLC一樣，它是電力系統(tǒng)的一種獨特的通信方式。它在高頻信標中產生有用的信息，然后將其充電到電線上，并提供信息等遠程數(shù)據(jù)傳輸，語音和圖像，以布線為通信手段[16-21]。以往應用的PLC技術主要用于低速高壓遠距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，低壓技術公司開始應用高速信息服務。乘以最常見的電源線，同時降低投資成本范圍廣，連接方便，工作速度快，傳輸速度快。目前，寬帶接入、家庭網(wǎng)絡等領域的信息通信技術應用再次受到國內外的高度重視，電表遠程控制、智能住宅、照明控制等。關于輸電線路車輛的高壓通信，“十一五”規(guī)劃需要特別關注這類問題和關鍵技術，作為高壓線路傳輸系統(tǒng)，信號傳輸頻率、連接頻率和噪聲特性.這是驚人的?！?0后”規(guī)劃之初，110 kV以上線路全長26萬km，目前全長65萬km。電力機車的確是高壓電力系統(tǒng)中應用最廣泛的通信手段。2007年，北京電力中心成立。北京電信有限公司中央技術研究的聯(lián)合結束。PLC平臺進行了環(huán)境測試和測試，以及許多系統(tǒng)性能測試。國家智能電網(wǎng)的電力分配系統(tǒng)的自動化和自動化取決于發(fā)展輸電線的壓力。

1.2 電力線載波通信PLC原理

配置形成的主要方法是調制、調制和相位調制。主信號由2種類型組成，一種是連續(xù)的，另一種是特殊的。主區(qū)連續(xù)模擬信號的載頻控制稱為并聯(lián)節(jié)點，而主區(qū)特殊信號的載頻形成稱為數(shù)字節(jié)點。目前，電源線改性器和芯片主要用于數(shù)字調頻或數(shù)字調制[22-29]。

外圍電路由4個組成和載波傳輸電路(側向濾波器、信號增強芯片)，基于LME 2200C的調制器框架顯示如圖1所示。

圖1 基于LME2200C的電力線調制解調模塊框圖Fig.1 Block diagram of power line modulation and demodulation module based on LME2200C

由于高線臨時電阻大、干擾大等缺點，傳統(tǒng)的成形工藝無法可靠地工作。鑒于電氣和無線通信信道的特性有些相似，國內外一些公司開始應用一些先進技術在無線通信到電力線路中的矯形、干涉和數(shù)字信號處理。廣泛應用的廣譜和倍頻技術以及廣譜技術可分為直接序列譜(DSS)，廣泛的跳頻、廣泛的(IH)和線性頻率校正(CHID)等。有的甚至采用帶寬較高的雙頻寬帶技術，提高通信可靠性。PLC通信模塊的功能是完成輸電線路數(shù)據(jù)的形成和處理。該系統(tǒng)使用LME 2200C芯片，專門為低壓通信環(huán)境設計，性能優(yōu)異。LME 220C使用了一種多重分裂技術，有效地中和了鏈條上的大裂縫，并在高頻和噪聲條件下保持傳輸能力。芯片有一個內置的音頻放大器和一個數(shù)字過濾器，但需要外部通道來實現(xiàn)通信效果。通過在前板上添加簡單的模擬電路，可以使調制解調器成為高質量的電線。

圖2 LME2200C核心電路Fig.2 LME2200C core circuit

(2)電力線耦合電路。高壓絕緣功能N9Y TVS(臨時壓力電阻管)可防止劇烈沖擊，保護端部電路，電力線耦合電路，如圖3所示。

圖3 電力線耦合電路Fig.3 Power line coupling circuit

(3)過零檢測電路。過零檢測電路220 V交流信號完全調波后，沿著電信號為零的位置上升，至少是在線路上。過零檢測電路如圖4所示。

圖4 過零檢測電路Fig.4 Zero crossing detection circuitx

1.3 常見的電力線載波芯片

對于電力線載波通信，在國外進行了相關的研究和應用，在20世紀90年代達到了成熟期。例如，在美國司法部，芯片達到了14 MB的使用水平。1997年，國家電力工業(yè)研究院開始研究PIC技術，2000年開始研制傳輸精度為2M的電信系統(tǒng)。2001年底，福建省電工學院還研制出了10 m電源調制解調器。

1.4 Intellon的 SSCP485和 INT51X

Intellon公司的SSCP485具有標準串行通信接口9600 H/YO，平均外圍電路元件數(shù)，15 V電源，低功耗，20 PINX包。使輸電線路能夠擴展到VIP視頻傳輸?shù)榷嗝襟w系統(tǒng)，網(wǎng)絡游戲等，最終將建立一個完整的無線家庭網(wǎng)絡。

1.5 Echelon的PLT系列

Echelon的產品主要有PI3120、PI31SQ、PI系列，采用雙速自動開關、窄帶技術和多種糾錯方法，能夠適應較硬的電線，如電視、電源等。此外，它是一種基于LON-WORKS并支持單相通信的神經芯片，能滿足全世界對電動汽車頻率的要求，包括美國通信委員會ANSI09、標準2和FCC，但這一系列芯片成本較高。

1.6 北京福星曉程的PI3105

PL2102是福星小城公司專業(yè)開發(fā)半異步成形晶體，專為應對惡劣環(huán)境而設計。它有第5個電源，在干擾和遙控領域具有優(yōu)異的性能。我國已經有許多成功應用的例子。

1.7 上海彌亞微電子的MI200E

彌亞微電子公司的MI200E是一種網(wǎng)絡接口控制模塊，設計用于性能高、集成度高的低壓電氣元件元件的優(yōu)化。采用單5 V電源，應用先進的傳播技術，在檢測干擾時采用干擾控制器，具有自主知識產權擔保，符合EN 50065-1、IEC61000-3-8標準。

2 照明調光技術

所謂智能照明調光系統(tǒng)，自動控制光線，并根據(jù)特定區(qū)域的活動和一天中不同時間外部光線的亮度改變燈的位置。該系統(tǒng)可設計為每盞燈設置背光和亮度模式，這些設置也被稱為場景。

2.1 白熾燈的調光控制

當光線充足時，光線會變白；當光線變暗時，會變成黃色或橙色。有3種主要方法可以使燈變暗。①將可調電阻連接到電路中，以控制燈具的電量變暗，但不節(jié)省能源，而是浪費熱量，變成了反抗。②將變壓器的電壓調節(jié)到所需的水平，但變壓器體積大，金屬消耗不能連續(xù)減少。通過在電路中連接桿，通過改變電壓調節(jié)光通過桿的通角。然而，這種方法可能會導致電磁場的兼容性，同時降低電能質量，電力線車輛之間的通信中斷。

2.2 熒光燈的照明控制

在通過熒光燈輸入源回收交流220 V后，從2個S轉換器進入半路，實現(xiàn)暗目標；另一種選擇是調節(jié)工作循環(huán)，在這種循環(huán)中，開關軟管使用頻率不高，可通過改變注射器和CF電容器的電阻來達到變暗的目的，半橋諧振電路如圖5所示。

圖5 半橋諧振電路Fig.5 Half bridge resonant circuit

2.3 LED的照明控制

LED是一種可靠的光源，體積小，質量小，節(jié)能，使用壽命長，適用于各種不利條件，LED模式有3種固定電源、充電泵和電源。第一種從恒定LED源驅動IU的方法，控制恒定流是困難的，但由于LED的顏色范圍與工作電流有關，而這種控制系統(tǒng)往往導致暗化，光源產生對光源要求的變化。在這2種情況下均采用RVI驅動充電泵控制信號I電壓輸出Eix克服了因電流變化而引起的色變缺陷。

3 基于電力線載波通信的調光控制系統(tǒng)

調光控制系統(tǒng)方案框架如圖6所示，主控制臺是一臺遙控計算機。無線遙控器上有用戶控制和周邊訪問的按鈕、燈和電子控制設備。

圖6 系統(tǒng)方案框Fig.6 Block diagram of system scheme

控制單元的調光對象為白熾燈，為了控制光的亮度，通過主軸透射角控制，射頻孔主要用于解碼從控制臺發(fā)出的射頻信號，識別從控制臺發(fā)出的指令，并用于輸電線路的傳輸R232單元用于接收來自主控的指令，并通過電源單元傳輸。

3.1 PLC通信模塊的設計

(1) PLC通信模塊硬件設計。PLC通信模塊的功能是完成數(shù)據(jù)在電力線上的調制與解調。該系統(tǒng)使用LME 2200C芯片，專門為低壓通信環(huán)境設計，性能優(yōu)異。LME 2200C使用多層設備、高頻彈性應變技術(YS)、有效中和電路中的強烈干擾，并且在噪聲和頻率上仍然有很強的帶寬。芯片有一個內置的音頻放大器和一個數(shù)字過濾器。LME 220C集成了過濾器等電路，但需要一些外圍電路來確保通信效率，這些電路可以在高性能電導線調制解調器中有效，并在前端添加一個簡單的模擬電路。

(2)LME2200C 核心電路。當SMOD工作在高電時，異步模式被記錄。目前，串行端口在UART模式下工作，波級9 b/s，起始級，8個數(shù)據(jù)，停止位，無偶數(shù)控制。RXD和TXD分別用于異步傳輸和數(shù)據(jù)獲取。本文中，SMOD通過UART串行端口采用異步模式建立了高水平的微控制器通信。

(3)電力線耦合電路。交流電輸入端有一個0.1 F/275 V的安規(guī)電容，連接線圈1 MH：L MH，發(fā)送有用的載波信號，高壓絕緣的(瞬變電壓抑制二極管)快速沖擊保護端電路。

(4)載波發(fā)送電路。載波發(fā)送電路US6M2TR采用組合MO-S通道P+N作為電源驅動(圖10)。芯片通過VPLC中的LME 2200C TROUT燈腳增加傳輸信號的電壓，連接到5～20V DC，電壓越高，通信能力越高，而距離相對較長，能耗更高，然后方波通過由L1和C2組成的濾波器。用于MOP管的RS傳輸電阻。TS1對于MOP管保護的POS電路，應選擇低壓肖特基二極管。載波發(fā)送電路如圖7所示。

圖7 載波發(fā)送電路Fig.7 Carrier transmission circuit

3.2 RS-232和RF網(wǎng)關

網(wǎng)關硬件結構框圖如圖8所示，US6M2TR使用MO-S P+N通道組合作為電源驅動。芯片提高了傳輸信號的電壓(連接到5～20 V DC，電壓越高，通信功率越高，距離相對較大，功耗越高)，然后將矩形波通過由L1和C2組成的濾波器.金屬氧化物歧管的RS傳輸電阻。對于MOP管保護的POS電路，TS1必須選擇低壓肖特基二極管。

圖8 網(wǎng)關硬件框圖Fig.8 Gateway hardware block diagram

3.3 控制器

控制器硬件組成框圖如圖9所示。MCU通過供電通信單元接收網(wǎng)關指令，然后操作調光單元或交換單元執(zhí)行用戶指令。同樣，可以根據(jù)實際應用選擇不同的暗單元或交換單元。

圖9 控制單元硬件框圖Fig.9 Hardware block diagram of control unit

4 結語

隨著電力線車輛通信技術的日益發(fā)展，在此過程中經歷了很多干擾。此外，大多數(shù)低壓電源接口通常通信速度較低，串行連接通常低于標準9 600 b/s，因此，它們只能用于中小型控制系統(tǒng)。