CN109039377A - 高速电力线载波通信模块及其工作方法、电能表 - Google Patents

高速电力线载波通信模块及其工作方法、电能表 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种本发明的高速电力线载波通信模块及其工作方法、电能表，本高速电力线载波通信模块包括：载波芯片、信号耦合电路以及滤波电路；其中所述载波芯片适于通过信号耦合电路及滤波电路接收电力线中一路或多路并行信号，再进行解调后发送；或所述载波芯片适于将接收的控制指令调制成一路或多路并行信号，以经过滤波电路及信号耦合电路加载在电力线上传输；本发明可以提高系统的数据传输速率，无需辅以复杂的均衡技术就能够克服高速数据传输带来的码间干扰影响，提高现场用电信息采集的采集效率和采集的稳定性，满足国家电网公司提出的更多的实用化功能需求，从而实现一种通信质量高并且能够有效的远离工频段的噪声干扰的通讯方式。

Description

高速电力线载波通信模块及其工作方法、电能表
技术领域
本发明涉及一种高速电力线载波技术（HPLC），具体涉及一种高速电力线载波通信模块及其工作方法、电能表。
背景技术
国内电网数据通讯包括红外、RS485、载波、无线、4G等方式，由于各种通讯方式对外部配套设施要求不同，通讯效果差异很大。
如红外通讯方式：
优点：无线，投入成本低；
缺点：点对点通讯方式，通讯受距离和角度限制，无法传过障碍物。
如485通讯方式：
优点：数据采集效果好，实时性和准确度高；
缺点：需要铺设专用的485线路，费用高；线路需要维护，增加维护工作量。
如窄带载波方式（当前主要方式）：
优点：借用现有的电力线，不需另外进行线路铺设，费用低，无需增加维护；
缺点：数据采集不稳定，受负载影响，在用电高峰期实时性和准确度都难保证。
基于以上各种通讯方式优缺点，为了降低外部配套设施投入，规避电网主要干扰频段，提升现场采集成功率，有必要发明一种依托电力线进行可靠传输的HPLC载波通讯产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速电力线载波通信模块及其工作方法、电能表，以提高数据传输效率，降低高速数据传输带来的码间干扰影响，提高现场用电信息采集的采集效率和采集的稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高速电力线载波通信模块，包括：
载波芯片、信号耦合电路以及滤波电路；其中
所述载波芯片适于通过信号耦合电路及滤波电路接收电力线中一路或多路并行信号，再进行解调后发送；或
所述载波芯片适于将接收的控制指令调制成一路或多路并行信号，以经过滤波电路及信号耦合电路加载在电力线上传输。
进一步，所述信号耦合电路为高通滤波电路，即包括：信号耦合变压器，以及串联在信号耦合变压器的火线接入端的电容C11；
所述信号耦合变压器的输出端连接滤波电路。
进一步，所述滤波电路包括：并联在信号耦合变压器的正向输出端和接地端的双向二极管；
所述信号耦合变压器的正向输出端与接地端之间连接一无源带通滤波器，
所述无源带通滤波器的输出端与接地端之间正、反向并联设置的两个二极管；以及
所述无源带通滤波器的输出端还连接一LC滤波电路，经过LC滤波电路输出一路或多路并行信号至载波芯片。
进一步，所述无源带通滤波器包括：位于本无源带通滤波器输入端的电感L1；
所述电感L1通过并联设置的电容C12和电容C13形成无源带通滤波器的输出端，再通过并联设置的电容C15、电容C16和电感L2与接地端相连。
进一步，所述高速电力线载波通信模块还包括：弱电接口；
所述弱电接口适于载波芯片发送解调后的信号或接收控制指令。
进一步，所述弱电接口包括：
STA端，在接收地址匹配正确模块的输出电平时，载波芯片适于输出高电平，以使电能表内MCU判定载波发送时禁止操作继电器；
RXD端和TXD端，载波芯片与电能表内MCU的串口通信端。
进一步，所述弱电接口内对应TXD端的控制电路包括：
N-MOS管V71；
所述 N-MOS管V71的栅极通过一电阻R73连接高电平，所述 N-MOS管V71的源极连接载波芯片的TXD端；
所述N-MOS管V71的漏极通过上拉电阻R71接电源，且该漏极还通过一限流电阻R72与MCU的TXD端相连；以及
所述弱电接口内对应STA端的控制电路包括：
N-MOS管V72；
所述N-MOS管V72的栅极通过一电阻R76连接载波芯片的PLC_STA端，所述 N-MOS管V72的源极接地；
所述N-MOS管V72的漏极通过上拉电阻R74接电源，且该漏极还通过一限流电阻R75与MCU的STA端相连。
又一方面，本发明还提供了一种电能表，包括：
MCU模块，以及与该MCU模块电性连接的所述的高速电力线载波通信模块。
第三方面，本发明还提供了一种高速电力线载波通讯方法，包括：
由载波芯片适于通过信号耦合电路及滤波电路接收电力线中一路或多路并行信号，再进行解调后发送；或
由载波芯片适于将接收的控制指令调制成一路或多路并行信号，以经过滤波电路及信号耦合电路加载在电力线上传输。
进一步，所述载波芯片适于多个子载波同时传输数据，并且自动切换子载波，以避开信道干扰信号。
本发明的有益效果是，本发明的高速电力线载波通信模块及其工作方法、电能表基于OFDM正交频分复用技术的HPLC通信方式，其采用多个子载波同时传输数据，将串行的数据流变为并行的数据流进行处理，由此可以提高系统的数据传输速率，无需辅以复杂的均衡技术就能够克服高速数据传输带来的码间干扰影响，提高现场用电信息采集的采集效率和采集的稳定性，满足国家电网公司提出的更多的实用化功能需求，从而实现一种通信质量高并且能够有效的远离工频段的噪声干扰的通讯方式。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所涉及的电能表及高速电力线载波通信模块的原理框图；
图2是本发明所涉及的高速电力线载波通信模块中信号耦合电路；
图3是本发明所涉及的高速电力线载波通信模块中强电接口；
图4是本发明所涉及的高速电力线载波通信模块中弱电接口；
图5是本发明所涉及的弱电接口中TXD端的控制电路和STA端的控制电路；图6是本发明所涉及的电能表的抄读效果比对结果表；
图7是本发明所涉及的电能表的抄读效率比对结果表。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
由于电力线不同于其他的通讯数据线路，电力线的布设初衷是为了传输电能，作为数据通讯通道来说，是一个非常不稳定的通道，具体表现为受电网中负载改变而产生的高频噪声信号，对于通讯信号衰减非常严重。
本发明需要解决的技术问题是基于现有的电力线装置，发明一种基于OFDM正交频分复用技术的HPLC通信方式，其采用多个子载波同时传输数据，将串行的数据流变为并行的数据流进行处理，由此可以提高系统的数据传输速率，无需辅以复杂的均衡技术就能够克服高速数据传输带来的码间干扰影响，提高现场用电信息采集的采集效率和采集的稳定性，满足国家电网公司提出的更多的实用化功能需求，从而实现一种通信质量高并且能够有效的远离工频段的噪声干扰的通讯方式。
以下通过三个实施例进行详细说明。
实施例1
图1是本发明所涉及的电能表及高速电力线载波通信模块的原理框图。
如图1所示，本实施例1提供了一种高速电力线载波通信模块，包括：载波芯片、信号耦合电路以及滤波电路；其中所述载波芯片适于通过信号耦合电路及滤波电路接收电力线中一路或多路并行信号，再进行解调后发送；或所述载波芯片适于将接收的控制指令调制成一路或多路并行信号，以经过滤波电路及信号耦合电路加载在电力线上传输。
在本实施例中，载波芯片可以但不限于采用HPLC载波芯片SSC1663。
高速电力线载波通信模块具体为输出一款可以在2MHz以上的信道进行高速通讯的载波方案，并通过现场安装试运行，确保性能安全可靠，包括选择合适通讯芯片、搭建可靠外围接收、发送电路。
SSC1663芯片支持512路子载波；采用多个子载波同时传输数据，将串行的数据流变为并行的数据流进行处理，由此可以提高系统的数据传输速率，芯片可以根据电力线环境变化，自动切换子载波，以避开信道干扰信号，稳定通讯链路，无需采用复杂的均衡技术就能够克服高速数据传输带来的码间干扰影响。
图2是本发明所涉及的高速电力线载波通信模块中信号耦合电路。
如图2所示，所述信号耦合电路为高通滤波电路用于隔离市电中交流强电部分，即包括：信号耦合变压器，以及串联在信号耦合变压器的火线接入端的电容C11；所述信号耦合变压器的输出端连接滤波电路。
具体的，所述滤波电路包括：并联在信号耦合变压器T1的正向输出端和接地端的双向二极管F1，以保护经过滤波电路的电压中的高频高压干扰，保护后端电路；所述信号耦合变压器T1的正向输出端与接地端之间连接一无源带通滤波器，能够有效消除来自电力线上的干扰，所述无源带通滤波器的输出端与接地端之间正、反向并联设置的两个二极管（二极管D3和二极管D4），利用二极管单相导通特性，防止输入到载波芯片的电压过高，从而损伤芯片；以及所述无源带通滤波器的输出端还连接一LC滤波电路，经过LC滤波电路输出一路或多路并行信号至载波芯片。
所述无源带通滤波器包括：位于本无源带通滤波器输入端的电感L1；所述电感L1通过并联设置的电容C12和电容C13形成无源带通滤波器的输出端，再通过并联设置的电容C15、电容C16和电感L2与接地端相连。
在本实施例中，所述高速电力线载波通信模块还包括：强电接口和弱电接口；所述弱电接口适于载波芯片发送解调后的信号或接收控制指令。
图3是本发明所涉及的高速电力线载波通信模块中强电接口。
如图3所示，所述强电接口适于采用XS-220插座，采集电网进电力线输入到电表中的交流市电，为载波模块提供电能。
图4是本发明所涉及的高速电力线载波通信模块中弱电接口。
如图4所示，所述弱电接口采用2×6双排插针作为连接件。
弱电接口的接口管脚定义示意表
SSC1663芯片对应管脚编号 信号名称 信号方向(针对本通信模块) 说 明
9 RESERVE 预留
10 EVENTOUT IN 电能表时间状态输出，当有开表盖、功率反向、时钟错误、存储器故障事件发生时，输出高电平，请求查询异常事件：查询完毕输出低电平。电平上拉电阻在基表（即电能表）侧
11 STA OUT 接收时地址匹配正确模块输出0.2s高电平；通信模块输出高电平，电能表内MCU判定载波发送时禁止操作继电器 。电平上拉电阻在基表（即电能表）侧
12 /RST IN 复位输入（低电平有效）
13 RXD IN 通信模块接收电能表内MCU信号引脚（5V TTL电平）
14 /SET IN MAC地址设置使能：低电平时，方可设置载波模块MAC地址
15 VDD 通信模块数字部分电源，由电能表提供。电压：5V±5%；电流：50mA
16 TXD OUT 通信模块给电能表CPU发送信号引脚（5V TTL电平）
17、18 VSS 通信地
19、20 VCC 通信模块模拟电源，由电能表提供，电压范围：+12V ~ +15V，输出功率：1.5W。滤波电容放电时间常数不小于10倍工频周期，总容量不小于2200uF。
注：上表内高速电力线载波通信模块简写成通信模块。
图5是本发明所涉及的弱电接口中TXD端的控制电路和STA端的控制电路。
如图5所示，所述弱电接口内对应TXD端的控制电路包括：N-MOS管V71；所述 N-MOS管V71的栅极通过一电阻R73连接高电平，所述 N-MOS管V71的源极连接载波芯片的TXD端；所述N-MOS管V71的漏极通过上拉电阻R71接电源，且该漏极还通过一限流电阻R72与MCU的TXD端相连。
弱电接口采用N-MOS管V71设计的开漏电路（左侧），右侧为接收端通过上拉电阻R71为开漏信号提供电源，经过限流电阻R72提供接收本弱电机构的相应IO口处理。当PLC-TXD为高电平时，N-MOS管V71截止，TXD端受+5V钳位，输出高电平，当PLC-TXD输出低电平时，N-MOS管V71的栅极为3.3V，N-MOS管V71导通，TXD段输出低电平。
所述弱电接口内对应STA端的控制电路包括：N-MOS管V72；所述N-MOS管V72的栅极通过一电阻R76连接载波芯片的PLC_STA端，所述 N-MOS管V72的源极接地；所述N-MOS管V72的漏极通过上拉电阻R74接电源，且该漏极还通过一限流电阻R75与MCU的STA端相连。
实施例2
在实施例1基础上，本实施例2提供了一种电能表。
所述电能表包括：MCU模块，以及与该MCU模块电性连接的如实施例1所述的高速电力线载波通信模块。
实施例3
在实施例1基础上，本实施例3还提供了一种高速电力线载波通讯方法，包括：由载波芯片适于通过信号耦合电路及滤波电路接收电力线中一路或多路并行信号，再进行解调后发送；或由载波芯片适于将接收的控制指令调制成一路或多路并行信号，以经过滤波电路及信号耦合电路加载在电力线上传输。
所述载波芯片适于多个子载波同时传输数据，并且自动切换子载波，以避开信道干扰信号。
具体对比案例如下：
图6是本发明所涉及的电能表的抄读效果比对结果表。
抄读效果比对：选取山东青岛2台区（农村台区），共计634只表，抄读日冻结抄读数据效果如图6所示。
图7是本发明所涉及的电能表的抄读效率比对结果表。
本电能表与其他方案进行比较，即对634只电能表进行抄表测试；从图7可见634只电能表抄读成功率100%，采用窄带载波耗时大于2小时，采用HPLC模块耗时5分钟，提效600%。
综上所述，本发明的高速电力线载波通信模块及其工作方法、电能表基于OFDM正交频分复用技术的HPLC通信方式，其采用多个子载波同时传输数据，将串行的数据流变为并行的数据流进行处理，由此可以提高系统的数据传输速率，无需辅以复杂的均衡技术就能够克服高速数据传输带来的码间干扰影响，提高现场用电信息采集的采集效率和采集的稳定性，满足国家电网公司提出的更多的实用化功能需求，从而实现一种通信质量高并且能够有效的远离工频段的噪声干扰的通讯方式。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种高速电力线载波通信模块，其特征在于，包括：
载波芯片、信号耦合电路以及滤波电路；其中
所述载波芯片适于通过信号耦合电路及滤波电路接收电力线中一路或多路并行信号，再进行解调后发送；或
所述载波芯片适于将接收的控制指令调制成一路或多路并行信号，以经过滤波电路及信号耦合电路加载在电力线上传输。
2.根据权利要求1所述的高速电力线载波通信模块，其特征在于，
所述信号耦合电路为高通滤波电路，即包括：信号耦合变压器，以及串联在信号耦合变压器的火线接入端的电容C11；
所述信号耦合变压器的输出端连接滤波电路。
3.根据权利要求1或2所述的高速电力线载波通信模块，其特征在于，
所述滤波电路包括：并联在信号耦合变压器的正向输出端和接地端的双向二极管；
所述信号耦合变压器的正向输出端与接地端之间连接一无源带通滤波器，
所述无源带通滤波器的输出端与接地端之间正、反向并联设置的两个二极管；以及
所述无源带通滤波器的输出端还连接一LC滤波电路，经过LC滤波电路输出一路或多路并行信号至载波芯片。
4.根据权利要求3所述的高速电力线载波通信模块，其特征在于，
所述无源带通滤波器包括：位于本无源带通滤波器输入端的电感L1；
所述电感L1通过并联设置的电容C12和电容C13形成无源带通滤波器的输出端，再通过并联设置的电容C15、电容C16和电感L2与接地端相连。
5.根据权利要求1所述的高速电力线载波通信模块，其特征在于，
所述高速电力线载波通信模块还包括：弱电接口；
所述弱电接口适于载波芯片发送解调后的信号或接收控制指令。
6.根据权利要求5所述的高速电力线载波通信模块，其特征在于，
所述弱电接口包括：
STA端，在接收地址匹配正确模块的输出电平时，载波芯片适于输出高电平，以使电能表内MCU判定载波发送时禁止操作继电器；
RXD端和TXD端，载波芯片与电能表内MCU的串口通信端。
7.根据权利要求6所述的高速电力线载波通信模块，其特征在于，
所述弱电接口内对应TXD端的控制电路包括：
N-MOS管V71；
所述 N-MOS管V71的栅极通过一电阻R73连接高电平，所述 N-MOS管V71的源极连接载波芯片的TXD端；
所述N-MOS管V71的漏极通过上拉电阻R71接电源，且该漏极还通过一限流电阻R72与MCU的TXD端相连；以及
所述弱电接口内对应STA端的控制电路包括：
N-MOS管V72；
所述N-MOS管V72的栅极通过一电阻R76连接载波芯片的PLC_STA端，所述 N-MOS管V72的源极接地；
所述N-MOS管V72的漏极通过上拉电阻R74接电源，且该漏极还通过一限流电阻R75与MCU的STA端相连。
8.一种电能表，其特征在于，包括：
MCU模块，以及与该MCU模块电性连接的如权利要求1-7任一项所述的高速电力线载波通信模块。
9.一种高速电力线载波通讯方法，其特征在于，包括：
由载波芯片适于通过信号耦合电路及滤波电路接收电力线中一路或多路并行信号，再进行解调后发送；或
由载波芯片适于将接收的控制指令调制成一路或多路并行信号，以经过滤波电路及信号耦合电路加载在电力线上传输。
10.根据权利要求9所述的高速电力线载波通讯方法，其特征在于，
所述载波芯片适于多个子载波同时传输数据，并且自动切换子载波，以避开信道干扰信号。
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