CN116405064A - 一种基于倒l型匹配衰减器的中压宽带plc信号耦合系统 - Google Patents

一种基于倒l型匹配衰减器的中压宽带plc信号耦合系统 Download PDF

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曹旺斌
陈哮锋
梁晓林
谢志远
赵雄文
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Abstract

本发明提供了一种基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统。该耦合系统包括耦合模块、隔离模块、倒L型阻抗匹配模块、带通滤波模块与保护元件。耦合模块为耦合电容，用于信号耦合与阻隔50Hz工频电压；隔离模块为隔离变压器，用于电流隔离；倒L型阻抗匹配模块用于匹配终端载波机与电力线端阻抗，降低信号反射；带通滤波模块为一带通滤波器，用于信号选频并滤除带外干扰；保护元件是避雷器，用于感知和抑制电路上的瞬时过压浪涌。本发明可以在1‑30MHz宽频范围进行信号耦合，使用可变的纯电阻元件调节电路可大大简化匹配过程，提高电路的可靠性，为宽带PLC耦合技术在智能配电网中的实用化提供了一种新的依据。

Description

一种基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统
技术领域
本发明涉及电力线载波通信领域，具体为一种基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统。
背景技术
电力线通信(Power Line Communication,PLC)耦合器是放置在PLC发射机/接收机与电力线信道之间的接口电路，用于将高频载波信号耦合到电力线，或从电力线上解耦出来。在实际应用中，连接到线路上的电气设备会随机的接入或移除，从而导致电力线信道的输入阻抗具有位置和时变特性，这会引起终端载波机与电力线信道之间存在阻抗失配，导致PLC信号发生反射，影响通信质量。
当前低频窄带电力线通信技术已广泛应用到智能抄表、负荷管理、配电自动化等业务中，但其带宽与通信速率在快速发展的通信业务中正逐渐处于劣势，而高频宽带耦合方法为智能配电网的优化提供了一种新的理论依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，以解决窄带电力线耦合技术在信号带宽与阻抗不匹配方面的局限性问题。
本发明是这样实现的：
一种基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，包括耦合模块、隔离模块、阻抗匹配模块、带通滤波模块和保护元件。所述耦合模块为耦合电容，耦合电容高压侧连接电力线，低压侧与隔离模块相连接，用于信号耦合与阻隔50Hz工频电压；所述隔离模块为隔离变压器，隔离变压器初级线圈侧连接耦合电容低压侧，次级线圈侧连接阻抗匹配模块，用于电流隔离；所述阻抗匹配模块为一倒L型匹配衰减器，连接隔离模块与带通滤波模块，用于匹配终端载波机与电力线端阻抗，降低信号反射；所述带通滤波模块为一带通滤波器，连接阻抗匹配模块与载波机，具有1-30MHz带宽，用于信号选频并滤除带外干扰。所述保护元件是避雷器，跨接在耦合电容低压侧与地线之间，用于感知和抑制电路上的瞬时过压浪涌，为瞬时现象提供一个低阻抗的通路。
进一步的，所述隔离变压器初级线圈与次级线圈匝数比为1:1，隔离变压器初级线圈侧有一容量为10KΩ的卸荷电阻与其并联形成回路，当线路电压消失后，卸荷电阻用于消耗变压器初级线圈内部储存的磁场能量。
进一步的，所述倒L型匹配衰减器连接隔离变压器次级线圈，倒L型匹配衰减器包括第一电阻器R1和第二电阻器R2；所述第一电阻器R1和第二电阻器R2以倒L型的结构放置，第一电阻器R1的一端与隔离变压器次级线圈串联，第一电阻器R1的另一端连接第二电阻器R2的一端，第二电阻器R2的另一端接地。
进一步的，所述倒L型匹配衰减器通过调整第一电阻器R1和第二电阻器R2的阻值实现左右侧的阻抗匹配。由于倒L型匹配衰减器电阻元件的结构特征，使得在其左右两个方向看进去的输入输出阻抗并不相同。因此在两个不相等的阻抗之间，只能进行单方向的匹配。当匹配向两个阻抗中的较小值时，第一电阻器R1和第二电阻器R2存在如下关系：
Figure BDA0004229485950000021
Figure BDA0004229485950000022
Figure BDA0004229485950000023
当匹配向两个阻抗中的较大值时，第一电阻器R1和第二电阻器R2存在如下关系：
Figure BDA0004229485950000024
Figure BDA0004229485950000025
Figure BDA0004229485950000026
式中：ZS、ZL分别为倒L型匹配衰减器的输入与输出阻抗，S是输入与输出阻抗比值的二次根，
Figure BDA0004229485950000027
K值是对应于给定衰减值dB的电压或电流之比。在计算时，K值通常被用于简化复杂的衰减器电路的设计过程，可通过查表获知。
进一步的，所述带通滤波器包括第一电容器C1，第二电容器C2、第一电感器L1和第二电感器L2；所述第一电容器C1的一端与倒L型匹配衰减器中第二电阻器R2的非接地端连接，第一电容器C1的另一端串联第一电感器L1；第一电容器C1通过第一电感器L1与第二电容器C2的一端相接，第二电容器C2的另一端接地，第二电感器L2并联于第二电容器C2两端。
进一步的，带通滤波电路低频截止频率fL＝1MHz，高频截止频率fH＝30MHz，特征阻抗50Ω。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所提出的一种基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，克服了窄带电力线通信耦合技术在信号带宽与阻抗不匹配方面的局限。本发明可以在1-30MHz宽频范围内进行信号耦合，同时使用可变的纯电阻元件调节电路可大大简化匹配过程，提高电路的可靠性，为宽带PLC耦合技术在智能配电网中的实用化提供了一种新的依据。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式中的耦合系统电路原理图。
图2是本发明一个具体实施方式中的耦合电容电路原理图。
图3是本发明一个具体实施方式中的隔离变压器与卸荷电阻电路原理图。
图4是本发明一个具体实施方式中的阻抗匹配模块电路原理图。
图5是本发明一个具体实施方式中的已匹配与未匹配时电路的S11参数对比图。
图6是本发明一个具体实施方式中的阻抗匹配与失配时电路的S21参数衰减图。
图7是本发明一个具体实施方式中的带通滤波模块电路原理图。
图8是本发明一个具体实施方式中的带通滤波电路S21参数衰减图。
图9是本发明一个具体实施方式中的宽带PLC耦合系统输入输出波形图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统包括耦合模块、隔离模块、阻抗匹配模块、带通滤波模块和保护元件。
耦合模块具体为耦合电容，如图2所示，耦合电容C两端分别是高压侧和低压侧，高压侧连接电力线；低压侧与隔离模块相连接，用于信号耦合与阻隔50Hz工频电压。耦合电容为耐高压电容，应能承受最高为11.5kV的最高工作电压,42kV持续时间为1分钟的工频电压以及75k V的雷电冲击电压而不发生损坏。
如图3所示，隔离模块为隔离变压器，隔离变压器初级线圈侧连接耦合电容C低压侧，次级线圈侧连接阻抗匹配模块，用于电流隔离。
隔离变压器初级线圈与次级线圈匝数比为1:1，隔离变压器初级线圈侧有一个容量为10KΩ的卸荷电阻R与其并联形成回路，当线路电压消失后，回路可以释放掉储存在初级线圈内的磁场能量。
阻抗匹配模块为一倒L型匹配衰减器，阻抗匹配模块分别与隔离变压器和带通滤波模块相连接，用于匹配终端载波通信机与电力线端阻抗，降低信号反射。
如图4所示，倒L型匹配衰减器包括第一电阻器R1和第二电阻器R2；第一电阻器R1和第二电阻器R2以倒L型的结构放置。第一电阻器R1的一端与隔离变压器次级线圈串联，第一电阻器R1的另一端连接第二电阻器R2的一端，第二电阻器R2的另一端接地。
倒L型匹配衰减器通过调整第一电阻器R1和第二电阻器R2的阻值可以实现左右侧的阻抗匹配。由于倒L型匹配衰减器电阻元件的结构特征，使得在其左右两个方向看进去的输入输出阻抗并不相同。因此在两个不相等的阻抗之间，只能进行单方向的匹配。当匹配向两个阻抗中的较小值时，第一电阻器R1和第二电阻器R2存在如下关系：
Figure BDA0004229485950000041
Figure BDA0004229485950000042
Figure BDA0004229485950000043
当匹配向两个阻抗中的较大值时，第一电阻器R1和第二电阻器R2存在如下关系：
Figure BDA0004229485950000044
Figure BDA0004229485950000045
Figure BDA0004229485950000046
式中：ZS、ZL分别为倒L型匹配衰减器的输入与输出阻抗，S是输入与输出阻抗比值的二次根，
Figure BDA0004229485950000047
K值是对应于给定衰减值dB的电压或电流之比。在计算时，K值通常被用于简化复杂的衰减器电路的设计过程，通过查下面表1可以确定K值，进而来计算衰减器损耗。
表1衰减器损耗表
Figure BDA0004229485950000048
Figure BDA0004229485950000051
图5所示S11参数曲线显示了进行阻抗匹配与未进行匹配时电路的回波损耗。可以看到，通过本发明进行匹配时电路的回波损耗远远小于未进行匹配的电路，匹配电路减弱了阻抗不连续导致的信号反射。
图6是本发明一个具体实施方式中的阻抗匹配与失配时电路的S21参数衰减图。以某段中压线路实测输入阻抗数据和载波通信机端口阻抗为50Ω标准值作为参考，在5MHz载波频率时，线路阻抗为545Ω。以分贝损耗12dB衰减为前提，由表1可知K值为3.9811，计算出第一电阻器R1与第二电阻器R2的匹配阻值分别为503Ω与242Ω。同时设置两组电力线输入阻抗值分别为200Ω与120Ω作为对照，对比阻抗匹配与失配时的电路响应。m1标记点所在的顶部曲线显示了正确的阻抗匹配电路的通带特性，较之于m2、m3标记点所在的阻抗失配电路，正确匹配分别具有约1dB和2.2dB增益。
带通滤波模块为一带通滤波器，其连接阻抗匹配模块与载波通信机，具有1-30MHz带宽，用于信号选频并滤除带外干扰。如图7所示，带通滤波器包括第一电容器C1，第二电容器C2、第一电感器L1、第二电感器L2；第一电容器C1的一端与倒L型匹配衰减器中第二电阻器R2的非接地端连接，第一电容器C1的另一端串联第一电感器L1，第一电容器C1通过第一电感器L1与第二电容器C2的一端相接，第二电容器C2的另一端接地，第二电感器L2并联于第二电容器C2两端。带通滤波电路低频截止频率fL＝1MHz，高频截止频率fH＝30MHz，特征阻抗50Ω。
保护元件是避雷器，跨接在耦合电容低压侧与地线之间，用于感知和抑制电路上的瞬时过压浪涌，为瞬时现象提供一个低阻抗的通路。
图8是本发明一个具体实施方式中的带通滤波电路S21参数衰减图。测试使用3dB衰减来确定带宽，可以看到，在频率1.00MHz时，衰减3.01dB，类似的衰减点出现在频率为30.00MHz，衰减3.01dB。S21参数结果展现了所设计的带通滤波电路良好的通带特性。
图9是本发明一个具体实施方式中的宽带PLC耦合系统输入输出波形图。由于测试设备端口阻抗为50Ω，因此在耦合系统的信号输入端串联一阻值为495Ω的电阻来模拟实际线路阻抗。在电力线上传输幅值2.5V，5MHz频率的正弦波作为宽带PLC耦合系统自电力线上接收到的信号波形，经过宽带PLC耦合系统接收后信号幅度降到220mV左右。波形对比显示出，本发明所设计的宽带PLC耦合系统能够成功接收到信源发出的载波信号。

Claims (6)

1.一种基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，其特征是，包括依序连接的耦合模块、隔离模块、阻抗匹配模块和带通滤波模块；所述耦合模块为耦合电容，耦合电容高压侧连接电力线，低压侧与隔离模块相连接，用于信号耦合与阻隔50Hz工频电压；所述隔离模块为隔离变压器，隔离变压器初级线圈侧连接耦合电容低压侧，次级线圈侧连接阻抗匹配模块，用于电流隔离；所述阻抗匹配模块为一倒L型匹配衰减器，用于匹配载波通信机与电力线端阻抗，降低信号反射；所述带通滤波模块为一带通滤波器，连接阻抗匹配模块与载波机，具有1-30MHz带宽，用于信号选频并滤除带外干扰；在耦合电容低压侧与地线之间还设置有保护元件，用于感知和抑制电路上的瞬时过压浪涌，为瞬时现象提供一个低阻抗的通路。
2.根据权利要求1所述的基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，其特征是，隔离变压器初级线圈与次级线圈匝数比为1:1，变压器初级线圈侧有一容量为10KΩ的卸荷电阻与其并联形成回路，卸荷电阻用于在线路电压消失后消耗变压器初级线圈内部储存的磁场能量。
3.根据权利要求1所述的基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，其特征是，所述倒L型匹配衰减器包括第一电阻器R1和第二电阻器R2；所述第一电阻器R1和第二电阻器R2以倒L型的结构放置，第一电阻器R1的一端与隔离变压器次级线圈串联，第一电阻器R1的另一端连接第二电阻器R2的一端，第二电阻器R2的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，其特征是，所述倒L型匹配衰减器通过调整第一电阻器R1和第二电阻器R2的阻值实现左右侧的阻抗匹配；在左右两个不相等的输入输出阻抗之间，只能进行单方向的匹配；当匹配向两个阻抗中的较小值时，第一电阻器R1和第二电阻器R2存在如下关系：
Figure FDA0004229485940000011
Figure FDA0004229485940000012
Figure FDA0004229485940000013
当匹配向两个阻抗中的较大值时，第一电阻器R1和第二电阻器R2存在如下关系：
Figure FDA0004229485940000014
Figure FDA0004229485940000021
Figure FDA0004229485940000022
式中：ZS、ZL分别为衰减器的输入与输出阻抗，S是输入与输出阻抗比值的二次根，
Figure FDA0004229485940000023
K值是对应于给定衰减值dB的电压或电流之比。
5.根据权利要求3所述的基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，其特征是，所述带通滤波器包括第一电容器C1，第二电容器C2、第一电感器L1和第二电感器L2；所述第一电容器C1的一端与倒L型匹配衰减器中第二电阻器R2的非接地端连接，第一电容器C1的另一端串联第一电感器L1；第一电容器C1通过第一电感器L1与第二电容器C2的一端相接，第二电容器C2的另一端接地，第二电感器L2并联于第二电容器C2两端。
6.根据权利要求5所述的基于倒L型匹配衰减器的中压宽带PLC信号耦合系统，其特征是，带通滤波电路低频截止频率fL＝1MHz，高频截止频率fH＝30MHz，特征阻抗50Ω。
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