CN103475390A - 低压电力线载波通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压电力线载波通信系统，电能表信号发射单元和电能表信号接收单元包括CPU、过零检测电路、脉宽调制电路、功率放大电路、耦合回路、滤波回路和解调回路。本发明采用交流电压过零通信、优化了载波接收电路、优选载波频率这些措施，提升了载波通信的抗干扰能力，载波通信效果显著。

Description

低压电力线载波通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种居民电能表利用低压电力线进行载波抄表的系统。

背景技术

将低压电力线作为传输通道，通过载波技术，进行数据通信，不需要架设专用的通信线路，减少了原材料的使用，降低了施工量和现场设备的维护量，从而提高了通信设备的可靠性。因此，低压电力线载波通信技术在智能家居和居民电能表智能管理方面有越来越多的应用。由于低压电力线并不是专为通信而设计，各种杂波干扰非常严重，现有的低压电力线载波通信技术尚未达到完善的程度，其抗干扰能力较差，有待于进一步完善。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有的载波通信抗干扰能力差的问题，明显改善了载波通信效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低压电力线载波通信系统，包括电能表信号发射单元和电能表信号接收单元；

所述电能表信号发射单元包括发射地CPU、过零检测电路、脉宽调制电路、功率放大电路、耦合回路和滤波回路；来自电能表需要通信传输的数据，由发射地CPU处理后经脉宽调制，产生载波信号，载波信号经功率放大后到达耦合回路，之后经过滤波回路到达低压电力线，完成通信数据的发送。具体地，发射地CPU的信号输，入端与过零检测电路的信号输出端相连，过零检测电路的输入端连接到低压电力线上；发射地CPU的信号输出端与脉宽调制电路相连，脉宽调制电路与功率放大电路相连，功率放大电路与耦合回路相连，耦合回路与滤波回路相连，滤波回路连接到低压电力线上。

所述电能表信号接收单元包括接收地CPU、过零检测电路、解调回路、耦合回路和滤波回路；电力线上的载波信号，经滤波回路、耦合回路后送到解调回路，解调后的信号送到接收地CPU，经接收地CPU处理，恢复原始数据，这样就完成了通信数据的接收。具体地，接收地CPU的信号输入端1与过零检测电路的信号输出端相连，过零检测电路的输入端连接到低压电力线上；接收地CPU的信号输入端2与解调回路相连，解调回路与耦合回路相连，耦合回路与滤波回路相连，滤波回路连接到低压电力线上。

调制方式为BFSK，中心频率为340.58KHz，带宽14.49KHz。

所述过零检测电路用于检测低压电力线电压的过零点，为CPU提供交流电压过零信号。过零检测电路中，与交流电连接的L端和N端依次串联限流电阻R1、R2和稳压管TS1，稳压管TS1的负极串接电容C1和电阻R3后与稳压管TS1的正极连接；稳压管TS1的负极经过电容C1和电阻R4后与达林顿三极管Q1的基极连接，达林顿三极管Q1的集电极与光耦U1的输入端负极连接，达林顿三极管Q1的发射极与稳压管TS1的正极连接；稳压管TS1的负极经过二极管D1和电阻R5后与光耦U1的输入端正极连接，在二极管D1的负极与稳压管TS1的正极之间连接有电容C2。

所述滤波回路和耦合回路中，与交流电连接的L端和N端依次串接电容C1、电感L1和瞬变电压抑制二极管V1，瞬变电压抑制二极管V1的两端与隔离线圈T1的初级线圈连接，隔离线圈T1的次级线圈的一端与地线连接，另一端依次串接电阻R1和R2后与地线连接，电阻R2与二极管D1并列，二极管D1的正极与地线连接，二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与直流电源VCC连接。

所述功率放大电路包括输入端IN和输出端OUT，输入端IN经过电阻R1和电容C2与PNP三极管Q1的基极连接，输入端IN经过电阻R2与NPN三极管Q2的基极连接；PNP三极管Q1的发射极与直流电源VHH连接，PNP三极管Q1的集电极与NPN三极管Q2的集电极连接，NPN三极管Q2的发射极与地线连接；PNP三极管Q1的集电极经过电容C1后作为输出端OUT；PNP三极管Q1的基极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与PNP三极管Q1的发射极连接；PNP三极管Q1的发射极与二极管D2的负极连接，二极管D2的正极与二极管D3的负极连接，二极管D3的负极与NPN三极管Q2的集电极连接，二极管D3的正极与地线连接。

本发明的有益效果是：

1.利用交流电压在过零点附近干扰信号小的特点，在交流电压过零点附近进行载波通信。

2.利用脉宽调制技术，以调频方式，对信号进行调制，产生调制信号。优选调制频率，避开常用开关电源的频率范围，减少开关电源对载波信号的干扰。

3.来自电力线上的载波调制信号经滤波回路选频，送入解调回路，经CPU处理，恢复原有数据。由于采用交流电压过零通信、优化了载波接收电路、优选载波频率这些措施，提升了载波通信的抗干扰能力，载波通信效果显著。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为过零检测电路的电路图。

图3为滤波回路和耦合回路的电路图。

图4为功率放大电路的电路图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

低压电力线载波通信系统包括电能表信号发射单元和电能表信号接收单元。

图1中，电能表信号发射单元包括发射地CPU、过零检测电路、脉宽调制电路、功率放大电路、耦合回路和滤波回路；发射地CPU的信号输入端与过零检测电路的信号输出端相连，过零检测电路的输入端连接到低压电力线上；发射地CPU的信号输出端与脉宽调制电路相连，脉宽调制电路与功率放大电路相连，功率放大电路与耦合回路相连，耦合回路与滤波回路相连，滤波回路连接到低压电力线上。

图1中，电能表信号接收单元包括接收地CPU、过零检测电路、解调回路、耦合回路和滤波回路；接收地CPU的信号输入端1与过零检测电路的信号输出端相连，过零检测电路的输入端连接到低压电力线上；接收地CPU的信号输入端2与解调回路相连，解调回路与耦合回路相连，耦合回路与滤波回路相连，滤波回路连接到低压电力线上。

在图1中，过零检测对交流电压进行检测，当交流电压为零伏时发出脉冲，为发射地或接收地CPU提供过零信号，以便进行过零通信。

CPU通过脉宽调制对信号进行处理，产生载波信号，载波信号经功率放大、耦合回路、滤波回路后就发送到低压电力线上。调制方式为BFSK(数字频率调制)，中心频率为340.58KHz，带宽14.49KHz。这种载波频率，避开了常用开关电源的频率范围，减少了开关电源对载波信号的干扰。

低压电力线上的载波信号经滤波回路进行滤波，滤除干扰信号，之后经耦合回路送到解调回路，解调后的信号送到CPU，解调出原始数据。

过零检测的具体电路如图2，与交流电连接的L端和N端依次串联限流电阻R1、R2和稳压管TS1，稳压管TS1的负极串接电容C1和电阻R3后与稳压管TS1的正极连接；稳压管TS1的负极经过电容C1和电阻R4后与达林顿三极管Q1的基极连接，达林顿三极管Q1的集电极与光耦U1的输入端负极连接，达林顿三极管Q1的发射极与稳压管TS1的正极连接；稳压管TS1的负极经过二极管D1和电阻R5后与光耦U1的输入端正极连接，在二极管D1的负极与稳压管TS1的正极之间连接有电容C2。低压电力线电压处于正半周时(L端的电位大于N端的电位)，电流经限流电阻R1、R2限流，稳压管TS1稳压后，再经过二极管D1对电容C2充电，完成C2的储能功能；当低压电力线电压过零、正半周刚开始的瞬间，电流从限流电阻R1、R2、电容C1、电阻R4、达林顿三极管Q1的基极、发射极流过，达林顿三极管Q1就导通，于是电容C2上的电能经限流电阻R5、光耦U1的发光二极管端、达林顿三极管Q1释放，光耦就导通了，发出交流电压过零信号。由于稳压管TS1上的电压达到稳压值后不再上升，电容C1充满电后达林顿三极管Q1的基极无电流流过，达林顿三极管Q1就自动关断，电容C2的电能就不再释放，光耦也就不再导通，可见光耦发出的只是一个脉冲信号。

当低压电力线电压处于负半周时，电流经稳压管TS1、限流电阻R2、R1流过，同时经限流电阻R3、电容C1也有电流流过，这样，电容C1上的电能就被释放掉了，为下次充电创造了条件。由于二极管D1具有单向导电性，当低压电力线电压处于负半周时，二极管D1不导通，所以电容C2的电能也不会被释放掉。

图2电路的特点是电路简单，工作可靠，功耗很低，功耗仅为0.05瓦。

在图3中，滤波回路和耦合回路连接为一体，与交流电连接的L端和N端依次串接电容C1、电感L1和瞬变电压抑制二极管V1，瞬变电压抑制二极管V1的两端与隔离线圈T1的初级线圈连接，隔离线圈T1的次级线圈的一端与地线连接，另一端依次串接电阻R1和R2后与地线连接，电阻R2与二极管D1并列，二极管D1的正极与地线连接，二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与直流电源VCC连接。电容C1、电感L1组成串联谐振滤波电路；瞬变电压抑制二极管V1提供过压保护；隔离线圈T1提供信号的双向耦合，使原边、副边隔离；电阻R1为限流电阻，电阻R2为阻抗匹配电阻；二极管D1、D2起电压钳位作用。

接收信号时，串联谐振电路能滤除电网上的杂波信号；发送信号时，能对信号进行整形，减少载波信号对电网的污染。

图3电路的特点是电路简单，滤波效果好，信号传输强度大。

在图4中，功率放大电路包括输入端IN和输出端OUT，输入端IN经过电阻R1和电容C2与PNP三极管Q1的基极连接，输入端IN经过电阻R2与NPN三极管Q2的基极连接；PNP三极管Q1的发射极与直流电源VHH连接，PNP三极管Q1的集电极与NPN三极管Q2的集电极连接，NPN三极管Q2的发射极与地线连接；PNP三极管Q1的集电极经过电容C1后作为输出端OUT；PNP三极管Q1的基极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与PNP三极管Q1的发射极连接；PNP三极管Q1的发射极与二极管D2的负极连接，二极管D2的正极与二极管D3的负极连接，二极管D3的负极与NPN三极管Q2的集电极连接，二极管D3的正极与地线连接。

当输入端IN变为低电平时，直流电源VHH的电流经三极管Q1的发射极、基极、隔直(不通直流电)电容C2、限流电阻R1，流到信号输入端IN，电容C2处于充电状态。这样，三极管Q1就导通，直流电源VHH的电流经三极管Q1、隔直电容C1，到达输出端OUT。此时，三极管Q2是截止的。

当输入信号IN变为高电平时，输入信号IN的电流经限流电阻R2、三极管Q2的基极、发射极流过，三极管Q2导通，输出端OUT的电流经隔直电容C1、三极管Q2流到电源的负极。同时，输入信号IN的电流经限流电阻R1、隔直电容C2、二极管D1流到电源VHH，电容C2处于放电状态，这样就为电容C2再次充电作好了准备。二极管D2、D3提供电压钳位保护。

图4电路的特点是电路简单，可靠性高。

以上图2、图3和图4的电路均适用于电能表信号发射单元和电能表信号接收单元。电能表信号发射单元中的脉宽调制电路和电能表信号接收单元中的解调回路，均可采用公知技术实现。运用本载波通信技术制造的载波模块，应用在国网电能表上，通信良好，抄读电能表数据成功率高，达到预期效果。

Claims (5)

1.一种低压电力线载波通信系统，其特征是：包括电能表信号发射单元和电能表信号接收单元；

所述电能表信号发射单元包括发射地CPU、过零检测电路、脉宽调制电路、功率放大电路、耦合回路和滤波回路；发射地CPU的信号输入端与过零检测电路的信号输出端相连，过零检测电路的输入端连接到低压电力线上；发射地CPU的信号输出端与脉宽调制电路相连，脉宽调制电路与功率放大电路相连，功率放大电路与耦合回路相连，耦合回路与滤波回路相连，滤波回路连接到低压电力线上；

所述电能表信号接收单元包括接收地CPU、过零检测电路、解调回路、耦合回路和滤波回路；接收地CPU的信号输入端1与过零检测电路的信号输出端相连，过零检测电路的输入端连接到低压电力线上；接收地CPU的信号输入端2与解调回路相连，解调回路与耦合回路相连，耦合回路与滤波回路相连，滤波回路连接到低压电力线上。

2.根据权利要求1所述的低压电力线载波通信系统，其特征是：所述过零检测电路中，与交流电连接的L端和N端依次串联限流电阻R1、R2和稳压管TS1，稳压管TS1的负极串接电容C1和电阻R3后与稳压管TS1的正极连接；稳压管TS1的负极经过电容C1和电阻R4后与达林顿三极管Q1的基极连接，达林顿三极管Q1的集电极与光耦U1的输入端负极连接，达林顿三极管Q1的发射极与稳压管TS1的正极连接；稳压管TS1的负极经过二极管D1和电阻R5后与光耦U1的输入端正极连接，在二极管D1的负极与稳压管TS1的正极之间连接有电容C2。

3.根据权利要求1所述的低压电力线载波通信系统，其特征是：所述滤波回路和耦合回路中，与交流电连接的L端和N端依次串接电容C1、电感L1和瞬变电压抑制二极管V1，瞬变电压抑制二极管V1的两端与隔离线圈T1的初级线圈连接，隔离线圈T1的次级线圈的一端与地线连接，另一端依次串接电阻R1和R2后与地线连接，电阻R2与二极管D1并列，二极管D1的正极与地线连接，二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与直流电源VCC连接。

4.根据权利要求1所述的低压电力线载波通信系统，其特征是：所述功率放大电路包括输入端IN和输出端OUT，输入端IN经过电阻R1和电容C1与PNP三极管Q1的基极连接，输入端IN经过电阻R2与NPN三极管Q2的基极连接；PNP三极管Q1的发射极与直流电源VHH连接，PNP三极管Q1的集电极与NPN三极管Q2的集电极，NPN三极管Q2的发射极与地线连接：PNP三极管Q1的集电极经过电容C2后作为输出端OUT；PNP三极管Q1的基极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与PNP三极管Q1的发射极连接；PNP三极管Q1的发射极与二极管D2的负极连接，二极管D2的正极与二极管D3的负极连接，二极管D3的负极与NPN三极管Q2的集电极连接，二极管D3的正极与地线连接。

5.根据权利要求1所述的低压电力线载波通信系统，其特征是：调制方式为BFSK，中心频率为340.58KHz，带宽14.49KHz。

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