CN109379107B - 一种支持停电事件主动上报的宽带载波（hplc）模块 - Google Patents

Abstract

一种支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块，所述宽带载波模块包括电源单元、宽带载波芯片、过零检测单元、载波信号发送单元、载波信号接受单元、信号耦合单元及超级电容充放电管理单元，所述信号耦合单元输出端将信号传输至载波信号接受单元，载波信号发送单元将信号给信号耦合单元输入端，载波信号发送单元和载波信号接受单元分别连接至宽带载波芯片的输出端和输入端，宽带载波芯片与存储单元进行数据互通；所述超级电容充放电管理单元与电源单元连接，并为宽带载波芯片、载波信号接受单元和载波信号发送单元供电以支持停电事件上报。

Description

一种支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块

技术领域

本发明属于电力行业用电信息采集领域，涉及支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块。

背景技术

电力线通信技术早在二十多年前就被用于电网控制、 继电保护、远动信息传输中压领域来控制电网，但在低压侧大规模使用电力线通信技术则是 2000年左右才开始。电力线作为一种不用重新布线的基础设施，经过过去几十年的发展如今已经大范围用于远程抄表。 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而非数据的传输，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，这具体表现为噪声显著且信号衰减严重。

并且窄带载波窄带电力线载波基本都是采用单频点传输，利用FSK、PSK、OFDM等技术进行调制，部分技术速率较低，仅有几K每秒，但是也有较为先进的窄带载波技术，能达到更快的速率。为了提高电力线噪声的抗干扰能力，很多窄带载波技术是采用过零机制及扩频技术来进行调制，牺牲了部分带宽，致使本不优秀的带宽速率更低。而未来实时费控业务，乃至已实现的阶梯电价业务需要更快的速率，因此部分窄带载波技术不能很好的对业务进行支撑。因此未来部分业务将采用其他方式进行技术支撑。

电力线宽带通信采用 OFDM 技术，能有效的抵抗多径干扰， 使受干扰的信号仍能可靠接收。即使是在配电网受到严重干扰的情况下， 也可提供高带宽并且保证带宽传输效率， 从而实现数据的高速可靠通信。OFDM技术的主要思想是在2-34MHz的频域内将给定信道分成几十乃至上千个独立不同的正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输数据。随着宽带电力线通信技术不断进步， 传输的速率和稳定性不断提高，可以作为传输数据的另一种通信方式，极富诱惑力，也是充满了经济气息的一种技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块，通过增加超级电容充放电管理单元，在停电时实现将停电事件上报的功能 ，同时提高了通信速度、增强抗干扰能力。

本发明采用的技术方案是：一种支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块，所述宽带载波模块也称为HPLC模块，所述宽带载波模块包括电源单元、宽带载波芯片、过零检测单元、载波信号发送单元、载波信号接受单元、信号耦合单元及超级电容充放电管理单元，所述信号耦合单元输出端将信号传输至载波信号接受单元，载波信号发送单元将信号给信号耦合单元输入端，载波信号发送单元和载波信号接受单元分别连接至宽带载波芯片的输出端和输入端，宽带载波芯片与存储单元进行数据互通；所述超级电容充放电管理单元与电源单元连接，并为宽带载波芯片、载波信号接受单元和载波信号发送单元供电以支持停电事件上报。

本发明产生的有益效果：本发明通过增加超级电容充放电管理单元，在停电时实现将停电事件上报的功能 ，同时提高了通信速度、增强抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是过零检测单元的电路图；

图3是载波信号发送单元电路图；

图4是载波信号耦合接收单元电路图；

图5是超级电容充放电管理电路。

具体实施方式

参看附图1-5，一种支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块，所述宽带载波模块也称为HPLC模块，所述宽带载波模块包括电源单元、宽带载波芯片、过零检测单元、载波信号发送单元、载波信号接受单元、信号耦合单元及超级电容充放电管理单元，所述信号耦合单元输出端将信号传输至载波信号接受单元，载波信号发送单元将信号给信号耦合单元输入端，载波信号发送单元和载波信号接受单元分别连接至宽带载波芯片的输出端和输入端，宽带载波芯片与存储单元进行数据互通；所述超级电容充放电管理单元与电源单元连接，并为宽带载波芯片、载波信号接收单元和载波信号发送单元供电以支持停电事件上报。

电源单元包括DCDC降压部分、LDO降压部分、保护电路和滤波电路。信号耦合单元包括LC选频部分，变压器变压部分；用于将载波信号耦合至电网。宽带载波芯片包括内部集成ARM内核及载波调制解调芯片；存储单元主要存储路由信息等。过零检测单原用于采集工频过零点，将过零方波传递给宽带载波芯片。载波信号接受单元用于滤除电力线上的非载波通信信号的其他噪声干扰；存储单元为norflash存储芯片。超级电容充放电管理单元，为载波通道，宽带载波芯片，存储单元提供备用电源，以支撑停电事件主动上报。载波信号发送单元用于对经由所述宽带载波芯片输出的OFDM调制载波信号进行功率放大。载波信号接受单元用于将设计宽带内的OFDM载波信号耦合到所述宽带载波芯片内。

宽带载波基于已经过广泛验证的 TCP/IP 网络技术，具有完善的链路层和网络层数据保护与验证，远非各种轻量级的结点组织和中继算法可比，宽带载波通信速率高，可以在极短的时间内完成数据传输，可大大降低遭受突发干扰的影响，即使一次通信失败，也可迅速进行重发，确保数据可靠。

所述宽带载波芯片包括内部集成ARM内核及载波调制解调芯片。

所述过零检测单元包括N线串联连接二极管M7、电阻R72和电阻R70后连接值光耦E1的接线端1，L线串联连接电阻R73后连接至三极管Q10的基级，三极管Q10的发射级通过二极管D2连接至L线, 三极管Q10的基级与三极管Q10的发射极间并联电容C70，光耦E1的接线端1与三极管的发射级之间并联稳压管ZD1、电容C41；三极管Q10的集电极连接至光耦E1的接线端2；光耦E1的接线端3连接到5V电源，同时对地串联电容C50，光耦的接线端4点为信号输出点、对地加串联电阻R58、电容C51。基本原理为VAC220正弦波，通过电阻输入光耦E1前级的输入信号，通过使前级的不断导通关断，从而得到次级50hz的方波信号。

所述载波信号发送单元包括串联在母线上的电阻R33、电容C20、电感L3，电感L3的接线点5分别连接二极管D21的正级、二极管D22的负极，三极管Q1的集电极，三极管Q3的发射级、三极管Q2的集电极、三极管Q4的发射级分别连接至电感L3的接线点5；二极管D21的负极连接到12V电源的接线端6，三极管Q1的发射级连接至12V电源的接线端6，三极管Q1的基级连接至三极管Q3的集电极并通过电阻R20连接到12V电源的接线端6，三极管Q2的发射级连接到接地连线端7，三极管Q2的基极连接三极管Q4的集电极并通过电阻R21连接到接地连线端7，三极管Q4的基极连接二极管D23的负极并通过电阻R22连接至三极管Q8的集电极，二极管D23的正极连接至三极管Q3的基级接线端8，三极管Q5的集电极连接至三极管Q3的基级接线端8，三极管Q5的发射极连接至三极管Q7的集电极接线端10, 三极管Q5的发射极和基极之间并联电阻R24，三极管Q5的集电极与基极之间并联电容C21，三极管Q5的基极连接三极管Q6的集电极，电阻R24的两端分别连接三极管Q6的集电极和三极管Q7的集电极接线端10，三极管Q6的基极分别连接电阻R26、电阻R27、电阻R28，电阻R26连接到三极管Q7的集电极接线端1，电阻R27连接到地，电阻R28连接电容C23，电容C23的另一端为信号的输出，三极管Q8的基极连接R31电阻、R32电阻，电阻R32连接到三极管Q8的发射极并接地，三极管Q8的集电极通过电阻R29连接至三极管Q7的基极，电阻R30连接三极管Q7的基极和发射极并连接到12v电源，三极管Q7的集电极连接到三极管Q7的集电极接线端10。

参看附图3，载波信号发送单元的功能是把宽带载波芯片输出的模拟信号进行放大，并进行滤波之后，由信号耦合电路单元耦合到电力线上，满足电力线传输要求。 D21 和D22 是保护二极管，起到电压箝位的作用，抑制电力线上的干扰信号对内部电路冲击，Q1,Q2,Q3,Q4,R20,R21共同组成单位增益倒置林达顿输出级，其中Q1,Q3和R20构成P型复合管，Q2，Q4和R21构成N型复合管,Q5和Q6及周围的电阻电容共同构成了电压放大级，其中R26,R27组成分压电路，修改这两个电阻的阻值可调整其静态工作点，R24给Q6提供偏执电流，R23,R25提供负反馈回路，调整这两个电阻的比值可以改变放大电路的增益，C21起高频补偿作用，防止高频震荡。Q7,Q8，R29,R31,R32组成功率放大级的使能控制，当使能端为低电平时，放大电路将输出高组态，不会影响电力载波信号的输入，保证载波通信的正常。R33,C20,L3组成串联谐振带通滤波器，当输入大电流时，不会使载波信号严重失真，同时，当处于输入状态时，可以消除部分带外干扰保护放大电路，R33的作用是增加放大电路的内阻，防止外部阻抗过小损坏放大电路。

所述信号耦合单元包括串联在母线L的电容C11，母线L和母线N分别连接到变压器T1的初级，变压器T1的次级一端依次串联连接电阻R11、电感L1、并联设置的电容C13和电容C12、电感L7和电容C17，变压器T1的次级一端连接到接地连线端15；电容C15、电容C16、电感L2、二极管D11、二极管D12的一端连接在电感L7的接线端14，另一端连接到接地连线端15，其中二极管D11和二极管D12反向并联；电容C69、电容C68、电阻R10的一端分别连接到电容C17的接线端16，另一端分别连接到接地连线端15；变压器T1的次级两端之间并联设有瞬态二极管F1。

参看附图4，信号耦合变压器T1和C11组成高通滤波电路，用于隔离高压的工频交流电，F1是12V的TVS，用于消除来自电力线上的高频高强度干扰，从而保护内部电路。R11,L1,C12,C13,C15,C16,L2,L7,C68,C69,R10共同组成无缘带通滤波器能够消除来自电力线上的带歪告饶，D11,D12是并联倒置结构，利用二极管的正向导通压降来钳位这两个二极管所在的出线上的电压，防止电压过高损坏芯片。

所述超级电容充放电管理单元包括在母线上串联连接稳压二极管TD1、电容R180和超级电容C38，超级电容C38通过电感L5连接到稳压芯片LM2623的电源输入脚8脚, 稳压芯片LM2623的电源输入脚 8脚和3脚之间并联电容C127，稳压芯片LM2623的电源输入脚8脚连接稳压二极管TD7的正极，稳压芯片LM2623的电源输入脚7脚连接稳压二极管TD7的负极，稳压芯片LM2623的电源输入脚1脚和5脚接地；稳压芯片LM2623的电源输入脚2脚为使能脚，通过电阻R188上拉至稳压芯片LM2623的电源输入脚7脚，电阻R188另一端连接至三极管Q13的集电极，三极管Q13的发射极接地，三极管Q13的基极连接电阻R190，电阻R190的另一端连接至电阻R189和电阻R191的中点，电阻R189接电源DC12V，电阻R191另一端接地，稳压芯片LM2623的电源输入脚4脚连接至电阻R192和电阻R193的中点，电阻R193另一端接地，电阻R192另一端接稳压芯片LM2623的电源输入脚7脚，稳压芯片LM2623的电源输入脚7脚连接至稳压二极管TD5，稳压二极管TD5输出所需电压；电阻R200一端连接电源DC12V、另一端通过电阻R201接地，电阻R200与电阻R201连接至宽带载波芯片的外部中断源引脚。超级电容采用2.7v/25F的规格电容。

本次发明的载波模块支持停电模块主动上报，要求停电后模块可以正常工作并主动上报三次停电时间，如图5所示，当模块有外部电源时DC12V 时通过R189，R190，R191，Q13，将LM2623的使能引脚拉低，使LM2623停止输出，此时3.3V电源可对超级电容进行充电，当发生停电时，DC12V此时为0，电容瞬间放电，R188将LM2623使能引脚拉高，芯片开始工作，稳压输出通过R192，R193两个电阻设置输出值，本次设计将电压稳压置11.8V，因此可保证有电时仍由外部DC12供电。停电瞬间宽带载波芯片通过R200，R201两个电阻检测到停电，此时由电容供电，进行停电事件上报。

本次发明宽带载波频率为0.7MHZ-3MHZ，可以有效避免低频信号的干扰，提高通信速度，又避免过高的频率对其他设备产生干扰。

Claims (4)

1.一种支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块，所述宽带载波模块也称为HPLC模块，其特征在于：所述宽带载波模块包括电源单元、宽带载波芯片、过零检测单元、载波信号发送单元、载波信号接受单元、信号耦合单元及超级电容充放电管理单元，所述信号耦合单元输出端将信号传输至载波信号接受单元，载波信号发送单元将信号给信号耦合单元输入端，载波信号发送单元和载波信号接受单元分别连接至宽带载波芯片的输出端和输入端，宽带载波芯片与存储单元进行数据互通；所述超级电容充放电管理单元与电源单元连接，并为宽带载波芯片、载波信号接受单元和载波信号发送单元供电以支持停电事件上报；

所述信号耦合单元包括串联在母线L的电容C11，母线L和母线N分别连接到变压器T1的初级，变压器T1的次级一端依次串联连接电阻R11、电感L1、并联设置的电容C13和电容C12、电感L7和电容C17，变压器T1的次级一端连接到接地连线端15；电容C15、电容C16、电感L2、二极管D11、二极管D12的一端连接在电感L7的接线端14，另一端连接到接地连线端15，其中二极管D11和二极管D12反向并联；电容C69、电容C68、电阻R10的一端分别连接到电容C17的接线端16，另一端分别连接到接地连线端15；变压器T1的次级两端之间并联设有瞬态二极管F1；

所述超级电容充放电管理单元包括在母线上串联连接稳压二极管TD1、电容R180和超级电容C38，超级电容C38通过电感L5连接到稳压芯片LM2623的电源输入脚8脚, 稳压芯片LM2623的电源输入脚 8脚和3脚之间并联电容C127，稳压芯片LM2623的电源输入脚8脚连接稳压二极管TD7的正极，稳压芯片LM2623的电源输入脚7脚连接稳压二极管TD7的负极，稳压芯片LM2623的电源输入脚1脚和5脚接地；稳压芯片LM2623的电源输入脚2脚为使能脚，通过电阻R188上拉至稳压芯片LM2623的电源输入脚7脚，电阻R188另一端连接至三极管Q13的集电极，三极管Q13的发射极接地，三极管Q13的基极连接电阻R190，电阻R190的另一端连接至电阻R189和电阻R191的中点，电阻R189接电源DC12V，电阻R191另一端接地，稳压芯片LM2623的电源输入脚4脚连接至电阻R192和电阻R193的中点，电阻R193另一端接地，电阻R192另一端接稳压芯片LM2623的电源输入脚7脚，稳压芯片LM2623的电源输入脚7脚连接至稳压二极管TD5，稳压二极管TD5输出所需电压；电阻R200一端连接电源DC12V、另一端通过电阻R201接地，电阻R200与电阻R201连接至宽带载波芯片的外部中断源引脚。

2.根据权利要求1所述的支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块，其特征在于：所述宽带载波芯片包括内部集成ARM内核及载波调制解调芯片。

3.根据权利要求1所述的支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块，其特征在于：所述过零检测单元包括N线串联连接二极管M7、电阻R72和电阻R70后连接值光耦E1的接线端1，L线串联连接电阻R73后连接至三极管Q10的基级，三极管Q10的发射级通过二极管D2连接至L线, 三极管Q10的基级与三极管Q10的发射极间并联电容C70，光耦E1的接线端1与三极管的发射级之间并联稳压管ZD1、电容C41；三极管Q10的集电极连接至光耦E1的接线端2；光耦E1的接线端3连接到5V电源，同时对地串联电容C50，光耦的接线端4点为信号输出点、对地加串联电阻R58、电容C51。

4.根据权利要求1所述的支持停电事件主动上报的宽带载波（HPLC）模块，其特征在于：所述载波信号发送单元包括串联在母线上的电阻R33、电容C20、电感L3，电感L3的接线点5分别连接二极管D21的正级、二极管D22的负极，三极管Q1的集电极，三极管Q3的发射级、三极管Q2的集电极、三极管Q4的发射级分别连接至电感L3的接线点5；二极管D21的负极连接到12V电源的接线端6，三极管Q1的发射级连接至12V电源的接线端6，三极管Q1的基级连接至三极管Q3的集电极并通过电阻R20连接到12V电源的接线端6，三极管Q2的发射级连接到接地连线端7，三极管Q2的基极连接三极管Q4的集电极并通过电阻R21连接到接地连线端7，三极管Q4的基极连接二极管D23的负极并通过电阻R22连接至三极管Q8的集电极，二极管D23的正极连接至三极管Q3的基级接线端8，三极管Q5的集电极连接至三极管Q3的基级接线端8，三极管Q5的发射极连接至三极管Q7的集电极接线端10, 三极管Q5的发射极和基极之间并联电阻R24，三极管Q5的集电极与基极之间并联电容C21，三极管Q5的基极连接三极管Q6的集电极，电阻R24的两端分别连接三极管Q6的集电极和三极管Q7的集电极接线端10，三极管Q6的基极分别连接电阻R26、电阻R27、电阻R28，电阻R26连接到三极管Q7的集电极接线端1，电阻R27连接到地，电阻R28连接电容C23，电容C23的另一端为信号的输出，三极管Q8的基极连接R31电阻、R32电阻，电阻R32连接到三极管Q8的发射极并接地，三极管Q8的集电极通过电阻R29连接至三极管Q7的基极，电阻R30连接三极管Q7的基极和发射极并连接到12v电源，三极管Q7的集电极连接到三极管Q7的集电极接线端10。

Images