CN106357304A - 嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，将OFDM技术应用于智能电表的数据通信，保证数据高速可靠传输的同时大大降低电力线固有噪声突发电器干扰的影响。所述智能电表模块的数据通信系统，包括调制解调器、以太网单元、发送单元、接收单元、滤波耦合器、电力线，其中：所述调制解调器和所述滤波耦合器分别与所述发送单元、接收单元连接，所述调制解调器将接收到的通信数据进行调制和/或解调后传输给所述发送单元和/或所述接收单元，所述滤波耦合器对系统通过的数据进行过滤，并将过滤后的数据传输接入电力线。

Description

嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块

技术领域

本发明涉及的是一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，属于电能信息采集领域。

背景技术

电能是生产、生活中不可或缺的能源。市电网络的终端数以亿计。电力线通信技术可直接利用现有的电力线进行数据传输，无须重新布网，成本低廉，信息传输安全有充分的保障。近年来，宽带电力线载波通信(BPLC：BroadbandPowerLineCarrier)技术得到了广泛应用，尤其大量应用于智能电网抄表系统、能源互联网、智能家居和工业数据采集等场景。

目前市场上智能电表的抄表大部分使用电力线载波技术，这种技术是利用现有的电力线进行数据传输的一种通信技术。电力线上固有噪声和介质衰减是影响数据传输是主要因素，要想在电力线上实现数据的高速可靠传输，必须解决低压配电网上的噪声干扰、阻抗匹配困难、配电网结构、电磁兼容以及线路阻抗和容性负载等主要因素对数据传输的影响。宽带载波使用OFDM技术，将宽带载频划分为多个子载波，且子载波间使用正交的方式进行调制和频谱划分，这样可有效减少噪声干扰实现电力线的可靠通信。目前电力线通信市场大多使用多载波频分复用技术来生产电力线载波设备，但是通信速率比较低，现场抄表成功率也不高，不能很好地支持智能电表和集中控制器的数据传输工作。

宽带电力线通信在利用电力线实现信息通信时存在许多问题，而OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing：正交频分复用)技术由于具有数据传输速率高，抗多径干扰和窄带干扰强，频谱利用率高等优点，广泛应用于电力线通信中。OFDM系统可利用多用户分集和信道衰落特性，根据信道增益自适应地进行资源分配，可明显地提高系统吞吐量等性能。

发明内容

本发明提出的是一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，其目的是将OFDM技术应用于智能电表模块的数据传输，使得电力线通信的数据高速可靠，并且具有多种数据通信接口的宽带数据透传模块。

本发明实施例提供了一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，包括：

调制解调器、以太网单元、发送单元、接收单元、滤波耦合器、电力线、通信单元，其中：

所述调制解调器的信号端与所述通信单元中包含的所述以太网单元的信号端对应连接，用于从通信单元接收与发送数据；

所述调制解调器的信号输出端与所述发送单元的信号输入连接，所述调制解调器的信号输入端与所述接收单元的信号输出端连接，用于对数据进行传输；

所述发送单元的信号输出端与所述滤波耦合器的信号输入端连接，所述滤波耦合器的信号输出端与所述接收单元的信号输入端连接，所述滤波耦合器的信号端与电力线中连接的低压集中抄表模块强电接口的信号端对应连接。

本发明实施例提供了一种发送侧实施的嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，包括：

所述调制解调器将接收到的所述通信单元传输的通信数据调制为多路高频信号后传输给所述发送单元，所述发送元接收到传输的信号后对其进行放大，通过所述耦合滤波器将放大后的数据耦合到电力线之上；

本发明实施例提供了一种接收侧实施的智能电表模块的数据通信方法，包括：

所述耦合滤波器在接收到加载在电力线上的其他宽带数据传输模块发送的高频载波信号，通过所述耦合滤波器输入到所述接收单元，所述接收单元接收到通过所述滤波耦合器过滤的信号后发送给所述调制解调器，所述调制解调器将收到的高频信号解调为真实数据后输入所述通信单元。

本发明的有益效果包括：

1)将OFDM的技术应用于智能电表模块的数据通信模块，能够有效提高抗多径效应的能力，获得可靠的信号传输，即使在固有电网受到严重干扰的情况下，也可提保证宽带传输效率，从而使得数据高速可靠通信；

2)电力线数据传输模块的传输速度快、效率高，可以在极短的时间内完成大量的数据传输，可以大大降低电力线上突发噪声的影响，有效提高信号断点重传的能力，确保数据可靠；

3)通过所述以太网单元扩展了以太网通讯方式，使得宽带电力线传输模块串口通讯与以太网通讯自适应。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中，智能电表模块系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中，OFDM收发信机的结构框图；

图3为本发明实施例中，智能电表模块发送侧实施的嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块流程示意图；

图4为本发明实施例中，智能电表模块接收侧实施的嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块流程示意图。

具体实施方式

为了使电力线通信的数据更加高速可靠，并且具有多种数据通信接口的宽带数据透传模块，本发明实施例提供了一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块。

OFDM技术指的是将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用独立的正交子载波进行调制，各个子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，但每个子信道是相对平坦的，并且每个子信道上传输的是窄带信号，信号带宽小于信道的相应带宽，可以大大消除信号波间的干扰。又由于各个子信道的载波间相互正交，于是它们的频谱是相互重叠，这样既减小了子载波间干扰的同时又提高了频谱利用率。OFDM技术抗信道频率选择性衰落较好，是抗信道多径的有效方法。

基于此，本发明实施例提供的一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块的实施原理是：其结构包括调制解调器，以太网单元、发送单元、接收单元、滤波耦合器，其中调制解调器的信号端与以太网单元的信号端对应连接，调制解调器的信号输出端与发送单元的信号输入端连接，调制解调器的信号输入端与接收单元的信号输出端连接，发送单元的信号输出端与滤波耦合器的信号输入端连接，滤波耦合器的信号输出端与接收单元的信号输入端连接，滤波耦合器的信号端与集中控制器强电接口的信号端对应相连。调制解调器将接收到的通信数据进行调制和/或解调后传输给所述发送单元和/或所述接收单元，所述滤波耦合器对系统通过的数据进行过滤，并将过滤后的数据传输接入电力线。上述嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块采用OFDM技术进行通信，具有很多传统通信无可比拟的先天优势，例如：能够有效提高抗多径效应的能力、获得可靠的信号传输，同时，电力线数据传输模块的传输速度快、效率高，可以在极短的时间内完成大量的数据传输，可以大大降低电力线上突发噪声的影响，有效提高信号断点重传的能力，确保数据可靠。

以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，其为本发明实施例提供的智能电表模块数据通信系统与方法的结构示意图，可以包括：

通信接口1、以太网单元2、调制解调器3、发送单元4、滤波耦合器5、电力线6、接收单元7，其中：

所述调制解调器3的信号端与所述以太网单元2的信号端对应连接，用于从通信单元接收与发送数据；

所述调制解调器3的信号输出端与所述发送单元4的信号输入端连接，所述调制解调器3的信号输入端与所述接收单元7的信号输出端连接，用于对数据进行传输；

所述发送单元4的信号输出端与所述滤波耦合器5的信号输入端连接，所述滤波耦合器5的信号输出端与所述接收单元7的信号输入端连接，所述滤波耦合器5的信号端与电力线6中连接的低压集中抄表模块强电接口的信号端对应连接。

具体实施时，所述调制解调器3和所述滤波耦合器5分别与所述发送单元4、接收单元7连接，所述调制解调器3将接收到的通信数据进行调制和/或解调后传输给所述发送单元4和/或所述接收单元7，所述滤波耦合器5对系统通过的数据进行过滤，并将过滤后的数据传输接入电力线。

所述的调制解调器3的输入输出串口与集中控制器的输入输出串口相连，所述调制解调器3的RMII接口与所述以太网单元2相连；

优选地，所述以太网单元2使用KSZ8041以太网收发芯片，其中：

所述以太网单元2物理层与集中控制器1的弱电通信端口连接，网络层RMII接口与所述调制解调器3连接，

至此，即可实现所述调制解调器3和所述以太网单元2实现所述通信接口1、以太网RMII接口与所述发送单元4、接收单元7之间的信号转换。

具体地，所述调制解调器频谱宽度为2M-12MHZ，采用基于OFDM的DMT调制方式，不同于传统的OFDM调制方式，使用自适应载波算法瞬时计算所有子通道的信噪比，根据其结果动态的进行阻抗匹配，同时预测下一瞬间的信噪分布并且自行学习电网干扰概算，有效规避干扰，提高传输信号的质量，并从根本上降低了宽带载波芯片的功耗。

优选的，所述滤波耦合器5主要包括信号变压器、高通滤波器、保护电路和电力线耦合接口，其中：

电力线耦合接口接收到信号后依次通过保护电路、高通滤波器、信号变压器，保护电路过滤外部过压信号，高通滤波器对电力线50Hz信号的阻隔并使宽带载波信号可以双向传输，所述发送单元4与所述接收单元7与信号变压器相连进行信号的收发。

如图2所示，其为本发明实施例提供的OFDM收发信机的结构框图，主要显示利用OFDM进行通信的数据的转换与传输方式，由图2可知：

智能电表载波模块在接收到数据后，通过所述调制解调器3进行数字调制，将调制后的串行数据先经过串/并信号转换，实现数据流的多路分离，然后再通过IFFT完成相应的调制，经过并/串信号转换后，加入系统信号循环前缀，然后通过数模转换，上变频至高频区将信号发射至信道，完成信号的发送调制过程；

信号的接收则进行相反的过程，信道发出来的信号先经过下变频，通过滤波耦合器5过滤相应的数据信息，将留下的数据进行模数转换，并将转换后的信号移除信号的保护间隔，再通过串/并信号转换、FFT解调、并/串信号转换后传输至调制解调器3，进行数字解调，最终还原得到信宿序列，完成信号的接收解调过程；

至此，信号的发送与接收进行完成了循环。

由于所述调制解调器3具有串行通信接口和所述以太网单元2RMII接口，可以实现外部数字通信连接，两者在接口和功能上相互独立，可根据需要单独或同时使用，实现了集中控制器和宽带电力线数据透传模块之间的通信自适应，集中控制器既可以与数据传输模块之间通过串口进行通讯，也可以通过所述以太网单元2进行通讯。

如图3所示，其为本发明实施例提供的智能电表模块发送侧实施的嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块流程示意图，可以包括：

S31、所述通信接口1将数据发送至所述调制解调器3；

S32、所述调制解调器3将接收到的数据调制到多路高频子载波信号上；

S33、所述发送单元4接收到调制后的数据并将数据进行放大；

S34、放大后的数据通过所述耦合器5耦合至所述电力线6；

发送信号时，所述调制解调器3将通信数据调制到多路高频子载波信号上，并利用所述发送单元4进行放大，通过所述滤波耦合器5耦合到所述电力线6上进行通信。

优选地，所述发送单元4的主要性能指标包括电力传输线特性线性阻抗Rz＝100Ω，输出功率Po＝14.5dBm，信号峰平比为5.33。

优选地，所述发送单元主要包括线路驱动放大电路及其外围电路，使用TI公司的THS6214线路驱动放大器，最大功率电平为+14.5dBm。差分信号从两个运放的同相端输入，环路增益由电阻R2、R3和R8的比值确定。由于THS6214使用电流反馈工作方式，电路的实际增益与计算所得有一定误差，而且反馈电阻会直接影响到整个电路的精确程度。需要使用一个变压器减小等效负载阻抗来降低对线驱动器输出电压的要求。这里变压器的初级与次级的匝数比为1∶2，因此反映到初级一边的等效负载阻抗为25Ω。串联于放大器输出端的两个电阻R5、R9提供与初级的等效负载阻抗的匹配：R5＝R9＝12.5Ω。

如图4所示，其为本发明实施例提供的智能电表模块发送侧实施的嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块流程示意图，可以包括：

S41、所述耦合滤波器5接收加载在所述电力线6上的高频载波信号；

S42、将高频载波信号通过所述接收单元7发送至所述调制解调器3；

S43、所述调制解调器3将接收到的高频信号调解为真实数据；

S44、调节后的真实数据传输至所述通信接口1；

接收信号时，将已加载在所述电力线6上的高频载波信号，通过所述耦合滤波器5接收并输入到所述接收单元7，再进入所述调制解调器3，将多路高频信号解调为真实数据。

优选地，所述接收单元7主要包括带通滤波器和限幅电路，带通滤波器滤除干扰信号，限幅电路过滤外部过压信号，防止外部干扰对调制解调器造成影响，其中：

所述接收单元7通过带通滤波器滤除干扰信号，带通滤波器由五阶段滤波器组成，截止频率为12MHZ，通频带为10MHZ，阻抗为50Ω，纹波为0.2dB。根据查表计算的L1＝1065.9nH，C1＝165.0pF，L2＝413.3nH，C2＝425.6pF，L3＝1723.7nF，C3＝102.1pF，L4＝413.3nH，C4＝425.6pF，L5＝1065.9nF，C5＝165.0pF。

一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，将OFDM技术运用于通信中，通过调制解调器进行宽带数字化调制解调，可以在电力线上高速传输数字信号，对信号进行采集和处理；通过电力线耦合单元实现保护和滤波的功能，其电力线接口可以支持直播，采用电容耦合方式；通过串行通信接口和所述以太网RMII接口，支持多种外部连接方式。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，其特征结构包括调制解调器、以太网单元、发送单元、接收单元、滤波耦合器、电力线、通信单元，其中：

所述调制解调器的信号端与所述通信单元中包含的所述以太网单元的信号端对应连接，用于从通信单元接收与发送数据；

所述调制解调器的信号输出端与所述发送单元的信号输入连接，所述调制解调器的信号输入端与所述接收单元的信号输出端连接，用于对数据进行传输；

所述发送单元的信号输出端与所述滤波耦合器的信号输入端连接，所述滤波耦合器的信号输出端与所述接收单元的信号输入端连接，所述滤波耦合器的信号端与电力线中连接的低压集中抄表模块强电接口的信号端对应连接。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，其特征是所述的与调制解调器相连的网络层RMII接口与以太网单元相连，调制解调器的频带宽带为为2M-12MHZ。

3.根据权利要求2所述的一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，其特征是所述的调制解调器和以太网单元实现串行接口、以太网RMII接口与发送单元、接收单元之间的数据传输，由于调制解调器具有串行通信接口和以太网RMII接口，实现外部数字通信连接的功能，并且两者在接口和功能上相互独立，可以并行工作，实现了集中控制器与宽带电力线数据透传模块之间的通讯自适应，集中控制器既可以与宽带数据透传模块之间既可以通过串口进行通讯，也可以通过以太网进行通讯。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，其特征是所述的发送单元中的线路驱动放大器，最大功率电平为+14.5dBm，差分脉冲信号从两个输入端输入，环路增益由第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第八电阻(R8)的比值确定。

5.根据权利要求4所述的一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，其特征是发送单元中的变压器的输入输出之比为1∶2，等效到初级一边的等效负载阻抗为25Ω；串联于放大器输出端的第五电阻(R5)、第九电阻(R9)提供与初级的等效负载阻抗匹配均为12.5欧姆；发送单元的电力传输线特性线性阻抗R_z＝100Ω，输出功率P_o＝14.5dBm，峰值信号比为5.33。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，其特征是所述的接收单元中的带通滤波器由三阶低通滤波器组成，截止频率为12MHZ，通频带为10MHZ，阻抗为50Ω，插入损耗为2dB。

7.根据权利要求1所述的一种嵌入于智能电表的宽带电力线数据透传模块，其特征是所述的滤波耦合器包括信号变压器、高通滤波器、保护电路和电力线耦合接口，其中模块接口接收到信号后依次通过保护电路、高通滤波器、信号变压器，保护电路过滤外部过压信号，高通滤波器对电力线50Hz信号的阻隔并使宽带载波信号可以双向通过，发送单元接口与接收单元接口与信号变压器相连进行信号的收发。