CN105703802A - 一种电力线宽带载波通信装置 - Google Patents

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朱德良
吴国强
师晓萌
张征
傅国
张珊珊
郑丹凤
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    • H04B3/56—Circuits for coupling, blocking, or by-passing of signals

Abstract

本发明的电力线宽带载波通信装置，包括电源模块、主芯片、检测模块、存储模块、信号放大模块、BPF模块、耦合电路和对外接口，所述的主芯片包括处理模块和调制解调模块，处理模块负责进行整个系统的通信数据的主处理器，分别于调制解调模块、存储模块和对外接口进行双向连接，检测模块与通信模块连接；调制解调模块与信号放大模块和BFP模块进行连接继而与耦合电路进行连接，耦合电路直接与电力线相连接；对外接口主要与外接的智能电能表或者集中器进行连接。该装置占用频带宽，数据传输速率高，数据容量大，双向传输，无需另外铺设通信线路，安装方便、可以方便的将电力通信网络延伸到低压用户侧，实现对用户电表的数据采集和控制。

Description

一种电力线宽带载波通信装置
技术领域
本发明涉及智能电网通信技术，特别涉及一种用电采集系统中基于电力线宽带载波通信装置，用于提高用电信息采集系统的效率和鲁棒性。
背景技术
近年来，随着国家电网公司智能电网建设的推进，用电信息采集系统正在逐步完善。现有的智能电能表自动抄表系统，从电能表、采集器到集中器大都采取485布线、窄带低频电力线载波或无线通信方式。上述过程中涉及到PLC技术的最大优势在于可以利用现有的、完善的、遍及广泛的电力线，从而可以大大节省通信工程投入和施工时间，能使接入网迅速延伸到拥有电力线的地方。然而，电力线不同于普通的数据通信线路，其初衷是为了进行电能传输，而不是数据的传输，对于数据通信而言，其信道不理想，是一个非常不稳定的传输信道，这具体表现为噪声干扰严重、时变性大以及信号衰减严重等缺点。
发明内容
为解决上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种电力线宽带载波通信装置，与现有的普通窄带电力载波技术相比，宽带电力载波技术占用频带宽，数据传输速率高，数据容量大，双向传输，无需另外铺设通信线路，安装方便、可以方便的将电力通信网络延伸到低压用户侧，实现对用户电表的数据采集和控制，是将来智能电网的主要承载技术。
为解决上述技术问题，本发明方案包括：一种电力线宽带载波通信装置，包括电源模块、主芯片、检测模块、存储模块、信号放大模块、BPF模块、耦合电路和对外接口，所述的主芯片包括处理模块和调制解调模块，所述的电源模块为整个装置提供电力供应，所述的处理模块分别与检测模块、存储模块、调制解调模块电连接，信号放大模块的输入端连接调制解调模块，信号放大模块的输出端连接耦合电路输入端，BPF模块的输入端连接制解调模块，BPF模块的输出端连接耦合电路输入端，耦合电路的输出端连接电力线，对外接口的一端连接处理模块的I/O接口，对外接口的另一端连接电能表或集中器。
进一步的，所述的主芯片采用Hi3911C芯片。
进一步的，所述的电源模块输出3.3V直流电压。
进一步的，所述的存储模块采用Flash芯片。
进一步的，所述的检测模块包括过零检测电路和过流检测电路。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过不同的对外信息转接接口以及形式规范，不仅可以应用在单、三相智能电能表以及集中器中作为宽带载波通信模块使用，也可以作为独立的采集设备进行数据采集和通信。
2、相比低压窄带载波通信，宽带载波通信占用频带宽，在电力线上干扰较少，通信可靠性更高，稳定性和安全性更好，数据容量大，双向全双工快速通信。通过对此方案的测试应用，结果表明在通信环境良好的情况下通信距离可达2km左右，数据物理层通信峰值速率可以达14Mbit/s，误码率达10-9级，在电力线载波通信中体现出良好的抗干扰性能以及抗多径衰减性能，工作频率范围2～12MHz，静态功耗≤250mW，动态功耗≤1.35W，平均功耗≤280mW，完全可以满足现代用电信息采集系统的需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施进行说明，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种电力线宽带载波通信装置，包括电源模块、主芯片、检测模块、存储模块、信号放大模块、BPF模块、耦合电路和对外接口，所述的主芯片包括处理模块和调制解调模块，所述的电源模块为整个装置提供电力供应，所述的处理模块分别与检测模块、存储模块、调制解调模块电连接，信号放大模块的输入端连接调制解调模块，信号放大模块的输出端连接耦合电路输入端，BPF模块的输入端连接制解调模块，BPF模块的输出端连接耦合电路输入端，耦合电路的输出端连接电力线，对外接口的一端连接处理模块的I/O接口，对外接口的另一端连接电能表或集中器。
各个模块的作用的参数要求为：
电源模块：由DCDC电路完成12V到3.3V工作电压的转换，输入耐压大于30V，大于600mA输出能力；选用线绕式功率电感，感值10μH，过流能力大于600mA。
存储模块由flash新品完成对数据及参数的存储，支持片选SFC_CSN。写保护管脚SFC_WPN接10kΩ电阻下拉，保证Flash在非操作状态下内容不被改写。
BPF模块：芯片内部有可变高通滤波器，因此输入端需串联100pF电容与芯片内部组成高通。同时增加带外抑制，电路需外置2M～9M的BPF（BandPassFilter）；其中2MHPF（HighPassFilter）为5阶，9MLPF（LowPassFilter）为3阶。
信号放大模块：主芯片输出的差分信号，经过差分放大，输入到耦合线圈进行发送。LineDriver驱动芯片要求频响上下限截止频率大于差分管脚输出带宽，电流输出大于450mA。管脚保护：在芯片管脚输出端添加双二极管钳位保护电路。
检测模块包括过零检测模块和过流检测模块，过零检测模块的作用为：为了达到更好的传输效果，芯片有时候需要进行选时发送，即在选择电力线正弦波上底噪相对较小的一个点进行载波发送。因此芯片需要对电力线正弦波进行采点，在正弦波峰值时光耦导通，放大后输入到芯片普通GPIO管脚，通过计算延时，选择在下降沿或者上升沿（此时干扰最小）进行载波发送。过流检测模块的作用为：在通信模块发送数据的过程中，对供电电源进行过流检测，防止电流过大，限流大小可根据串电阻阻值来调节。通过中断通知CPU降低发射功率。
耦合电路的作用为：强电部分通过高压连接器到模块后，使用4.7nF的安规电容和耦合线圈，滤除220V市电，将需要的1MHz～12MHz信号传输到电路板中
对外接口以插针形式按照客户形式规范要求进行定义。
处理模块和调制解调模块封装在主芯片内部，采用华为Hi3911V100芯片。
该装置的工作原理和过程为：
在本装置运行时，由电源模块给整个单元，尤其是主芯片中处理模块进行供电；外接的智能电能表或者集中器通过对外接口部分将帧数据或者帧命令传输给处理模块，处理模块对接收的信号进行解析处理并将要发送的数据或者命令进行数模转换变成模拟信号，发送给调制解调模块；调制解调模块中有封装好的OFDM调制编码算法，用OFDM调制到2-12MHz频率带宽的1536个载波上，经过信号放大模块的模拟前端对信号进行滤波和自适应功率放大处理后利用耦合电路将信号加载到电力线上进行发送；相对的，接收时将电力线上用OFDM调制到2-12MHz频率带宽的1536个载波信号从电力线通信接口提取出来，信号经过耦合电路传输至BPF模块进行滤波处理后发送至调制解调模块进行解调处理，并发送给处理模块进行解析以及模数转换，还原为原始命令或数据通过对外接口返回给外接的智能电能表或者集中器。对于比较重要的参数和数据，本实例会利用一定的存储规则加载到存储模块中，同时对于主芯片处理模块的运行过程由检测模块进行监控，保证系统的正常运行以及信号的发送质量。
相比低压窄带载波通信，宽带载波通信占用频带宽，在电力线上干扰较少，通信可靠性更高，稳定性和安全性更好，数据容量大，双向全双工快速通信。通过对此方案的测试应用，结果表明在通信环境良好的情况下通信距离可达2km左右，数据物理层通信峰值速率可以达14Mbit/s，误码率达10-9级，在电力线载波通信中体现出良好的抗干扰性能以及抗多径衰减性能，工作频率范围2～12MHz，静态功耗≤250mW，动态功耗≤1.35W，平均功耗≤280mW，完全可以满足现代用电信息采集系统的需求。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换、简单组合等多种变形，这些均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种电力线宽带载波通信装置，其特征在于，包括电源模块、主芯片、检测模块、存储模块、信号放大模块、BPF模块、耦合电路和对外接口，所述的主芯片包括处理模块和调制解调模块，所述的电源模块为整个装置提供电力供应，所述的处理模块分别与检测模块、存储模块、调制解调模块电连接，信号放大模块的输入端连接调制解调模块，信号放大模块的输出端连接耦合电路输入端，BPF模块的输入端连接制解调模块，BPF模块的输出端连接耦合电路输入端，耦合电路的输出端连接电力线，对外接口的一端连接处理模块的I/O接口，对外接口的另一端连接电能表或集中器。
2.根据权利要求1所述的一种电力线宽带载波通信装置，其特征在于，所述的主芯片采用Hi3911C芯片。
3.根据权利要求1所述的一种电力线宽带载波通信装置，其特征在于，所述的电源模块输出3.3V直流电压。
4.根据权利要求1所述的一种电力线宽带载波通信装置，其特征在于，所述的存储模块采用Flash芯片。
5.根据权利要求1所述的一种电力线宽带载波通信装置，其特征在于，所述的检测模块包括过零检测电路和过流检测电路。
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