论文部分内容阅读
摘 要：电力载波通信是电力系统特有的一种通信方式，其基于现有的电力线路，通过载波方式将信号进行快速传输，最大的特点是无需重新架设通信网络，随着低压电力网载波通信技术的发展，其具有了更加广泛的应用意义。本文里，我们对基于低压电力线的载波模块设计进行简单了解，重点对其设计的合理性进行分析。
关键词：低压电力线；载波模块；合理性分析
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）26-0087-02
前 言
载波通信是经典的模拟通信机制，在传统的电力系统中应用最为广泛，电力载波通信是电力系统特有的通信方式，可直接利用电力线路进行通信而无需另外架设通信网，所以在电力系统中得到了广泛应用。由于在低压配电线路上实现载波通信需要克服的问题比较多，所以以往主要是应用在高压、中压电力线路。随着相关技术的发展，通过与其他通信方式相结合，充分利用现有低压线路实现数据通信。在本文里，我们通过对基于低压电力线路的载波模块设计进行简单了解，重点对该设计的合理性进行分析。
1 低压电力线路对载波通信的限制
由于低压电力系统的特点，对载波通信的应用造成了很大的限制，只有对这些限制实现有效控制，才能使载波通信真正应用在低压电力线路中。
（1）由于配电变压器对载波信号具有阻隔，导致信号的传播范围有一定的限制；
（2）三相电力线间存在信号损失，在相同通信距离不同相间收到的信号不同，所以载波信号往往只在单相线路中传输；
（3）不同信号耦合方式对载波信号的损失不同；
（4）电力线存在其固有脉冲干扰，对信号存在高削减、高噪声和高干扰。[1]
2 载波模块的设计
2.1 低压电力线路载波通信原理
在低压电力线路的载波通信，一般是利用1～30MHz的频率进行信号的传输，在信号发送时，需要先以调制技术完成对数据的调制，待调制完毕之后再通过电力线路完成信号的传输；进行信号接收时，需要对调制输出的信号进行过滤，待过滤完毕之后再进行解调，方可得到原始的通信信号。整个通信系统的主要设备包括局端和调制解调器，其中局端是负责与内部调整解调器和的通信和外部网络的连接。图1为通信系统的原理框图。
2.2 载波模块设计
目前在低压线路载波通信领域应用到的技术主要有窄带通信、扩频通信和OFDM通讯等，在这篇文章里，我们以OFDM技术为基础对载波通信模块进行设计。OFDM是正交分频复用，是一种多载波传输技术，其特点是传输速率高，抗码间干扰、抗噪声干扰及抗信道衰落能力强。设计思想是将信道分成若干正交子道，将传输的高速数据流转换成并行的低速数据流，调整到每个子信道上进行传输，以此实现数据的高速传输。根据模块的设计重点，可将模块分为通信芯片、信号耦合电路、功率放大电路三部分。
2.2.1 通信芯片
通信芯片作为通信模块中的核心功能单元，选择控制器时需要综合考虑处理速度、存储容量、接口等多个方面。目前应用较多的通信芯片有INT5130、MAX2986、MAX2990、MAX2991、ITM10等，结合选择需要考虑的因素，在此我们选择MAX2990、MAX2991，其中MAX2990是采用了16位MAXQ微控制器内核，组合了PHY和MAC层。在10～490kHz频段可提供100kbps数据速率；在10～95kHz频段速率可达32kbps；MAX2991包括两级自动增益控制和片上可编程滤波器，动态范围可达62dB。MAX2991的输出是差分信号，这一特点有效促进电路抗干扰能力的提高，且在相同电压情况下，信号幅度可增大一倍。
2.2.2 信号耦合电路
信号耦合电路是将载波通信模块与低压电力线连接的关键单元，主要是实现以下功能：①滤除交流信号；②抑制瞬时电压冲击；③将发射信号耦合到电力线，保证信号有效功率；④对有用信号实现衰减最小化和接收最佳。电力线载波通信的耦合技术根据所使用的耦合元件可分为电容耦合、电感耦合、电阻耦合及天线耦合等。耦合技术不同，其使用条件、性能特点也不相同，在中、低压电力线载波通信中，最常用的耦合技术是电容耦合、电感耦合这2种。
2.2.3 功率放大电路
功率放大电路的作用是将载波调制信号进行功率放大，高效、不失真的输出信号，使耦合到低压电力线的最大输出信号电平、二次、三次谐波分量符合规约中对于信号频率、最大输出电平等指标的要求。在这里我们采用桥式推挽功率放大电路，即BTL电路。BTL电路与OTL电路（推挽式无输出变压器功率放大电路）、OCL电路（OTL电路的升级，省去了输出端的大电容）相比，BTL电路实现了对电源电压的充分利用，在理想情况下，如果电源电压及负载相同，则BTL电路的输出电压可增大l倍，输出功率可增大4倍。[2]
3 模块设计的合理性分析
3.1 合理性模拟实验
为了对其合理性进行分析，我们对该模块进行模拟实验，实验内容包括：
3.1.1 其他条件不变，改变通信频率
电力线的信道传播能力会随着载波信号频率以及传输距离的增加而增强，与此同时，进行信号接收时所产生的信噪也有所提高，传输电力线不宜使用高频的载波信号进行远距离的数据传输，故而进行电力线载波通信芯片的选择时需要确保频率不要过高。
3.1.2 短距离无负荷
在短距离无用电负荷的情况下，由于道噪声的干扰小、阻抗稳定，导致发射出的信号波形极少会发生畸变，从而使得电力线的通信能够有效实现。
3.1.3 短距离有负荷
在短距离有用电负荷的情况下，接收端接收到的信号存在一定误码率，模块接收端的带通滤波器能将大部分的带外噪声滤除，而频率在载波附近的噪声，滤波器不能有效滤除而造成了误码，当投切负荷时，线路上回出现较大噪声，造成误码的急剧上升。
3.1.4 长距离无负荷
在长距离无负荷情况下，由于无负载，噪声干扰小，通信效果良好，但是随着距离的增加，信号衰减较大。
3.1.5 长距离有负荷
在长距离有用电负荷的情况下，误码率出现上升，且随着距离的增大，传输衰减增大，用电负荷导致多径现象严重，同时接入点阻抗失配造成信号反射，增大了信号衰减，用电设备产生了很多噪声，与载波频率接近的噪声易被解调出来增大了误码率。
3.2 结 论
通过对上述是实验结果的总结，我们得出如下结论：
（1）模块的滤波效果良好，满足应用需求。
（2）随着传输距离的增加电力线的信道传输能力会下降，而信号接收的有效性会随着载波信号频率的降低而逐渐减小。
（3）由于用户分布的复杂性，在电力线路负载过重时，会导致电力线路的传输能力大大降低，在传输过程中所产生的噪声也会对载波信号产生严重的干扰。若噪声与载波信号频率趋向一致时，虽然仍会被调制解调器解调出来，但是信号的准确性仍受到影响。[3]
4 结束语
基于低压电力线的载波通信技术，在电费收缴、家用电器智能化控制等领域都有着实际的应用意义。在上面文章里我们简单的对载波通信技术及载波模块的设计进行了了解，虽然其具有无需重复组建通信网、传输速度快等优点，但是在应用过程中受到的限制条件还很多，且其他的通信技术，如光纤、无线网络等的发展也突飞猛进，所以其未来的发展应用面临着巨大的挑战。
参考文献
[1]李照彬，林 宏，謝嘉倍.基于低压电力线的载波模块设计[J].电子产品世界，2018（1）：63～65.
[2]张 婷，王祖良，黄世奇.基于OFDM的高速电力线载波通信系统设计[J].测控技术，2017（12）：39～42.
[3]高 旗.探究电力载波通信技术在低压配电网中的应用[J].数字技术与应用，2015（09）：31.
收稿日期：2018-8-9
关键词：低压电力线；载波模块；合理性分析
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）26-0087-02
前 言
载波通信是经典的模拟通信机制，在传统的电力系统中应用最为广泛，电力载波通信是电力系统特有的通信方式，可直接利用电力线路进行通信而无需另外架设通信网，所以在电力系统中得到了广泛应用。由于在低压配电线路上实现载波通信需要克服的问题比较多，所以以往主要是应用在高压、中压电力线路。随着相关技术的发展，通过与其他通信方式相结合，充分利用现有低压线路实现数据通信。在本文里，我们通过对基于低压电力线路的载波模块设计进行简单了解，重点对该设计的合理性进行分析。
1 低压电力线路对载波通信的限制
由于低压电力系统的特点，对载波通信的应用造成了很大的限制，只有对这些限制实现有效控制，才能使载波通信真正应用在低压电力线路中。
（1）由于配电变压器对载波信号具有阻隔，导致信号的传播范围有一定的限制；
（2）三相电力线间存在信号损失，在相同通信距离不同相间收到的信号不同，所以载波信号往往只在单相线路中传输；
（3）不同信号耦合方式对载波信号的损失不同；
（4）电力线存在其固有脉冲干扰，对信号存在高削减、高噪声和高干扰。[1]
2 载波模块的设计
2.1 低压电力线路载波通信原理
在低压电力线路的载波通信，一般是利用1～30MHz的频率进行信号的传输，在信号发送时，需要先以调制技术完成对数据的调制，待调制完毕之后再通过电力线路完成信号的传输；进行信号接收时，需要对调制输出的信号进行过滤，待过滤完毕之后再进行解调，方可得到原始的通信信号。整个通信系统的主要设备包括局端和调制解调器，其中局端是负责与内部调整解调器和的通信和外部网络的连接。图1为通信系统的原理框图。
2.2 载波模块设计
目前在低压线路载波通信领域应用到的技术主要有窄带通信、扩频通信和OFDM通讯等，在这篇文章里，我们以OFDM技术为基础对载波通信模块进行设计。OFDM是正交分频复用，是一种多载波传输技术，其特点是传输速率高，抗码间干扰、抗噪声干扰及抗信道衰落能力强。设计思想是将信道分成若干正交子道，将传输的高速数据流转换成并行的低速数据流，调整到每个子信道上进行传输，以此实现数据的高速传输。根据模块的设计重点，可将模块分为通信芯片、信号耦合电路、功率放大电路三部分。
2.2.1 通信芯片
通信芯片作为通信模块中的核心功能单元，选择控制器时需要综合考虑处理速度、存储容量、接口等多个方面。目前应用较多的通信芯片有INT5130、MAX2986、MAX2990、MAX2991、ITM10等，结合选择需要考虑的因素，在此我们选择MAX2990、MAX2991，其中MAX2990是采用了16位MAXQ微控制器内核，组合了PHY和MAC层。在10～490kHz频段可提供100kbps数据速率；在10～95kHz频段速率可达32kbps；MAX2991包括两级自动增益控制和片上可编程滤波器，动态范围可达62dB。MAX2991的输出是差分信号，这一特点有效促进电路抗干扰能力的提高，且在相同电压情况下，信号幅度可增大一倍。
2.2.2 信号耦合电路
信号耦合电路是将载波通信模块与低压电力线连接的关键单元，主要是实现以下功能：①滤除交流信号；②抑制瞬时电压冲击；③将发射信号耦合到电力线，保证信号有效功率；④对有用信号实现衰减最小化和接收最佳。电力线载波通信的耦合技术根据所使用的耦合元件可分为电容耦合、电感耦合、电阻耦合及天线耦合等。耦合技术不同，其使用条件、性能特点也不相同，在中、低压电力线载波通信中，最常用的耦合技术是电容耦合、电感耦合这2种。
2.2.3 功率放大电路
功率放大电路的作用是将载波调制信号进行功率放大，高效、不失真的输出信号，使耦合到低压电力线的最大输出信号电平、二次、三次谐波分量符合规约中对于信号频率、最大输出电平等指标的要求。在这里我们采用桥式推挽功率放大电路，即BTL电路。BTL电路与OTL电路（推挽式无输出变压器功率放大电路）、OCL电路（OTL电路的升级，省去了输出端的大电容）相比，BTL电路实现了对电源电压的充分利用，在理想情况下，如果电源电压及负载相同，则BTL电路的输出电压可增大l倍，输出功率可增大4倍。[2]
3 模块设计的合理性分析
3.1 合理性模拟实验
为了对其合理性进行分析，我们对该模块进行模拟实验，实验内容包括：
3.1.1 其他条件不变，改变通信频率
电力线的信道传播能力会随着载波信号频率以及传输距离的增加而增强，与此同时，进行信号接收时所产生的信噪也有所提高，传输电力线不宜使用高频的载波信号进行远距离的数据传输，故而进行电力线载波通信芯片的选择时需要确保频率不要过高。
3.1.2 短距离无负荷
在短距离无用电负荷的情况下，由于道噪声的干扰小、阻抗稳定，导致发射出的信号波形极少会发生畸变，从而使得电力线的通信能够有效实现。
3.1.3 短距离有负荷
在短距离有用电负荷的情况下，接收端接收到的信号存在一定误码率，模块接收端的带通滤波器能将大部分的带外噪声滤除，而频率在载波附近的噪声，滤波器不能有效滤除而造成了误码，当投切负荷时，线路上回出现较大噪声，造成误码的急剧上升。
3.1.4 长距离无负荷
在长距离无负荷情况下，由于无负载，噪声干扰小，通信效果良好，但是随着距离的增加，信号衰减较大。
3.1.5 长距离有负荷
在长距离有用电负荷的情况下，误码率出现上升，且随着距离的增大，传输衰减增大，用电负荷导致多径现象严重，同时接入点阻抗失配造成信号反射，增大了信号衰减，用电设备产生了很多噪声，与载波频率接近的噪声易被解调出来增大了误码率。
3.2 结 论
通过对上述是实验结果的总结，我们得出如下结论：
（1）模块的滤波效果良好，满足应用需求。
（2）随着传输距离的增加电力线的信道传输能力会下降，而信号接收的有效性会随着载波信号频率的降低而逐渐减小。
（3）由于用户分布的复杂性，在电力线路负载过重时，会导致电力线路的传输能力大大降低，在传输过程中所产生的噪声也会对载波信号产生严重的干扰。若噪声与载波信号频率趋向一致时，虽然仍会被调制解调器解调出来，但是信号的准确性仍受到影响。[3]
4 结束语
基于低压电力线的载波通信技术，在电费收缴、家用电器智能化控制等领域都有着实际的应用意义。在上面文章里我们简单的对载波通信技术及载波模块的设计进行了了解，虽然其具有无需重复组建通信网、传输速度快等优点，但是在应用过程中受到的限制条件还很多，且其他的通信技术，如光纤、无线网络等的发展也突飞猛进，所以其未来的发展应用面临着巨大的挑战。
参考文献
[1]李照彬，林 宏，謝嘉倍.基于低压电力线的载波模块设计[J].电子产品世界，2018（1）：63～65.
[2]张 婷，王祖良，黄世奇.基于OFDM的高速电力线载波通信系统设计[J].测控技术，2017（12）：39～42.
[3]高 旗.探究电力载波通信技术在低压配电网中的应用[J].数字技术与应用，2015（09）：31.
收稿日期：2018-8-9