CN1297289A - 低压配电网三相电力线扩频通信收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压配电网三相电力线扩频通信收发装置,该装置包括电力线耦合器、接收带通滤波器、线性提升接收信号放大器、扩频收发器、频域补偿发送滤波器、增益可调发送功率放大器、中央处理器CPU和外围接口电路。本发明的装置能够自动补偿配电网信道对线性调频扩频信号的衰减,对不同传输性能的不同配电网网络具有自话应功能。从而保证接收信号灵敏度和远距离配电网可靠通信。

Description

低压配电网三相电力线扩频通信收发装置

本发明涉及一种低压配电网三相电力线扩频通信收发装置，属电气工程技术领域。

以电力线作为信号传输媒介实现通信是各国电力、通信、网络等研究与产业部门一直致力研究开发的技术。电力线通信通常以电力网络的电压等级划分，可以分为高压电力线通信(100KV以上)、中压电力线通信(1KV～100KV)和低压电力线通信(1kV以下，380V/220V)。就电力线通信信道特性而言，高压电力线通信环境最好，其次是中压电力线环境，最差的是低压电力线通信环境。低压电力线通信又称作低压配电网通信。从所应用的通信技术角度划分，电力线通信技术分为窄带调制技术与宽带(扩频)调制技术。

在低压配电网通信技术的研究开发方面，英国、德国、美国、日本、比利时、以色列等国的研究机构先后从不同角度对该项技术进行过研究。

国际上现有的低压配电网电力线通信技术主要有两类：欧洲标准类与非欧洲标准类。

欧洲标准类：泛指采用欧洲CENELEC标准EN50065-1(工作频带范围在3～148.5kHz，最大功率25W)的配电网通信技术。由于该频带范围较窄(最大145.5kHz)，所以适于采用窄带调制技术(如ASK,FSK,PSK)进行数据传输。传输速率除了与带宽有关外，还与该频率范围配电网的噪声有关。根据国际上公开发表的研究成果和清华大学电机系在中国实际配电网的工业试验结果，在该频带内配电网的噪声水平在-40～-80dBmW/Hz，呈较高水平。所以只能实现较低的传输速率(一般为2.4kbit/s或更低)。如果在该频段采用扩频技术，因为带宽较小，扩频所能够获得的处理增益值为18左右，扩频优越性的效果并不明显。

非欧洲标准类：泛指采用非欧洲CENELEC标准EN50065-1的配电网通信技术。典型的非欧洲标准有美国的FCC标准(100～450 kHz，最大功率25W)。清华大学电机系在中国实际配电网的工业试验结果表明在该频率范围内的配电网的噪声为白噪声，噪声水平在-90dBmW/Hz，远低于欧洲标准频段的噪声水平，同时由于FCC频段的带宽为CENELEC带宽的两倍多，所以可以在FCC频段达到较高的传输速率(一般为9.6kbit/s以上)和更大的扩频处理增益(接近44)。

基于欧洲标准或FCC标准，一些公司生产有满足标准的调制解调器芯片(或称MODEM)。如满足欧洲标准的MODEM芯片ST7536，ST7537；如满足FCC标准的MODEM芯片LM1893,AN192,SSCP200等；

这些商业化调制解调器芯片具有对标准的输出数字信号调制为连续时间信号功能，或将接收到的已调制信号解调为数字信号功能。

应用商业化调制解调器芯片构成系统时需要根据具体的应用对象和环境作应用系统的设计。调制解调器芯片本身只要求输入输出信号为满足一定要求的标准信号。当应用对象的通信环境发生变化时，芯片本身无自动调整功能(动态范围，信噪比等)。这是已有商业化调制解调器芯片的缺陷所在。同时也是设计高性能配电网通信系统的关键所在。

在低压配电网上实现通信所面临的主要问题是(1)信道的变化衰减-不同接入点、不同时间变化范围大，并且与网络上的负载投切关联性较大，经常有传输零点；(2)随机干扰与噪声-来自各种用户的谐波污染、背景噪声等使线路上的干扰与噪声的峰-峰值可达20V上下。

最近几年的研究表明采用宽带电力线扩频通信技术可以在一定程度上克服低压电力线通信的恶劣通信环境，与窄带通信方式或窄带扩频方式相比具有明显的优越性。

本发明的目的是提出一种低压配电网三相电力线扩频通信收发装置，针对配电网信道的变化衰减、变化的干扰与噪声的特性，该装置对配电网的通信环境具有自适应能力，自动寻求最优通信信道实现可靠通信。在电力系统通信、配电自动化、表计(电表、水表、气表)的自动抄收、楼宇自动化、计算机通信网等领域具有广阔的应用前景，对电力工业和通信、网络产业的发展具有重要的实际意义。

本发明提出的低压配电网三相电力线扩频通信收发装置，该装置包括电力线耦合器、接收带通滤波器、线性提升接收信号放大器、扩频收发器、频域补偿发送滤波器、增益可调发送功率放大器、中央处理器CPU和外围接口电路，其中的电力线耦合器实现通信信号的上、下电力线，阻止电网电能信号进入系统并对高于额定值的电能信号实施旁路与钳位保护，同时实现阻抗的匹配等；其中的接收带通滤波器对由电力线耦合器耦合过来的的高频通信信号与噪声进行滤波；其中的线性提升接收信号放大器对已滤波的接收信号进行放大处理，放大倍数随频率的升高线性增大，同时对超限的信号进行限幅，经该放大器处理的接收信号送扩频收发器作解扩处理；其中的扩频收发器对接收放大器来的信号进行解扩处理使其变成标准数字信号送中央处理器处理，或将中央处理器处理送来的标准数字信号进行扩频处理，使其成为扩频信号后送发送滤波器；其中的频域补偿发送滤波器对由扩频收发器发出的扩频信号在频域内进行补偿(高频提升)；其中的增益可调发送功率放大器对发送滤波器输出的扩频信号进行功率放大后经电力线耦合器送低压配电网，放大倍数由中央处理器控制；其中的中央处理器CPU控制整个系统的工作；其中的外围接口电路包括通信进程显示以及其它应用接口。

本发明提出的低压配电网三相电力线扩频通信收发装置，经实验室实验和配电网现场工业试验表明所发明的低压配电网三相电力线扩频通信收发装置已达到如下技术性能：

(1)工作频率范围：100kHz～400kHz

(2)调制方式：线性调频扩频

(3)功率输出：0.1W～5W自动可调

(4)接收信号灵敏度：1毫伏

(5)无中继传输距离：1公里(220V配电网)

(6)传输速率：10kbit/s

(7)对不同传输性能的不同配电网网络具有自适应功能

(8)自动寻求最优性能信道进行通信

与已有的采用欧洲电力线通信标准的技术相比，有以下优越性：

(1)发明了配电网信道补偿技术。本发明的发送与接收通道的特殊设计使本收发装置能够自动补偿配电网信道对线性调频扩频信号的衰减(参见图1)，对不同传输性能的不同配电网网络具有自适应功能。从而保证接收信号灵敏度和远距离配电网可靠通信。

(2)发明了配电网通信信道自动寻优技术。因为配电网的复杂性，同相与同相之间，异相与异相之间构成通信信道性能差异很大。这里采用三相收发技术，通过自动测试找到最优性能的通信信道，从而进一步保证本发明的性能指标以及实用性。

(3)100kHz～400kHz频率范围内的线性调频扩频信号具有较好的抗干扰能力(处理增益44)，同时由于该频率范围内的电力网络噪声水平低于欧洲标准频段，所以从原理上保证了系统性能好于采用欧洲标准的系统。

附图说明：

图1是本发明所设计的低压配电网三相电力线扩频通信收发装置的原理框图。该原理框图仅给出三相发送与接收通电路中的一相。

图2是本发明所提出的低压配电网三相电力线扩频通信收发装置的发送与接收通道的一种典型频率特性。由图可见，该闭环系统的增益随频率线性增长，自动补偿配电网对线性调频扩频信号的衰减。

图3是本发明设计的装置中A相部分的电路原理图。

图4是本发明设计的装置中B相部分的电路原理图。

图5是本发明设计的装置中C相部分的电路原理图。

图6是主控及接口部分的电路原理图。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。

结合图3所示的A相部分的电路原理图和图6所示的主控及接口部分的电路原理图，描述本装置的工作原理如下：

电力线耦合器：实现通信信号的上、下电力线，阻止电网电能信号进入系统并对高于额定值的电能信号实施旁路与钳位保护，同时实现阻抗的匹配等；在图3中对应用于耦合高频信号的高频耦合变压器T1、用于旁路与钳位高于额定值电能信号的压敏电阻MOV1、用于阻止工频电能信号且通过高频信号的耦合电容CPC、用于对输入信号的幅度进行限幅保护的齐纳二极管CR1、CR2。

接收带通滤波器，该滤波器对由电力线耦合器耦合过来的的高频通信信号与噪声进行滤波；滤波器的工作频带与线性调频信号的频率范围相同，即100kHz～400kHz。电路的实现包括电阻R20、电感L4、电容C36、电感L5、电阻R600、电阻R700、电阻R800、电容C34、电容C340、电感L6、电容C35、电容C350等；其中R600、R700、R800的作用是使滤波器带内的特性为平坦特性。

线性提升接收信号放大器，对已滤波的接收信号进行放大处理，放大倍数随频率的升高线性增大，同时对超限的信号进行限幅，经该放大器处理的接收信号送扩频收发器作解扩处理。该放大器包括用于限制输入信号幅度的双向二极管D8，用于放大高频信号的三极管Q4、用于温度补偿用的二极管D5及其用于设置放大器静态工作点和放大倍数的电阻R26、R27、R24、R29、电容Ch等，该放大器的放大倍数随频率的升高线性增大。

扩频收发器，该收发器对接收放大器来的信号进行解扩处理使其变成标准数字信号送中央处理器处理，或将中央处理器处理送来的标准数字信号进行扩频处理，使其成为扩频信号后送发送滤波器；由集成电路SSC-P300实现。

频域补偿发送滤波器，对由扩频收发器发出的扩频信号在频域内进行补偿(高频提升)。包括由电容C8、C9、电阻R3、R2、R131、R19、三极管Q3构成的射极跟随器以及由电容C22、C25、电感L2、电阻R1构成的高端频段具上扬特性的低通滤波器(-3dB频率为400kHz)。

增益可调发送功率放大器，该功率放大器对发送滤波器输出的扩频信号进行功率放大，然后经电力线耦合器送低压配电网。放大倍数由中央处理器控制，实现扩频发送信号的自适应功率放大。包括用于程控的电位器VAR1(集成电路DS1809)与用于功率放大的放大器U4700(集成电路LM4700)；用于直流工作点的隔离与高频交流信号的耦合的电容C23、Cin；用于程控电位器VAR1内部控制的齐纳二极管Dv1、电容Cv1；用于放大器外部的电阻Rin、RB、Ci、Ri、Rf；用于保护放大器的电感L1、用于耦合信号的电容C18；用于保护放大器用的二极管D6、D13和齐纳二极管D15、D16。

中央处理器CPU：控制整个系统的工作。包括中央处理器MC68HC705C9A，用于实现三相接收控制逻辑的“与”门电路U7A(集成电路74HC31)。

外围接口电路，实现通信进程显示以及其它应用接口功能等。包括用于RS232标准接口用于与其它微机的串行通信接口电路U6(集成电路MAX232)；用于A相接收显示的三极管QA1、发光二极管LA1、电阻RA4；用于A相发送显示的三极管QA2、发光二极管LA2、电阻RA5；用于B相接收显示的三极管QB1、发光二极管LB1、电阻RB4；用于B相发送显示的三极管QB2、发光二极管LB2、电阻RB5；用于C相接收显示的三极管QC1、发光二极管LC1、电阻RC4；用于C相发送显示的三极管QC2、发光二极管LC2、电阻RC5；用于RS232通信进程显示的三极管Q1、Q2，发光二极管L1、L2，电阻R4、R5。

Claims (1)

1、一种低压配电网三相电力线扩频通信收发装置，其特征在于，该装置包括电力线耦合器、接收带通滤波器、线性提升接收信号放大器、扩频收发器、频域补偿发送滤波器、增益可调发送功率放大器、中央处理器CPU和外围接口电路，其中的电力线耦合器实现通信信号的上、下电力线，阻止电网电能信号进入系统并对高于额定值的电能信号实施旁路与钳位保护，同时实现阻抗的匹配等；其中的接收带通滤波器对由电力线耦合器耦合过来的的高频通信信号与噪声进行滤波；其中的线性提升接收信号放大器对已滤波的接收信号进行放大处理，放大倍数随频率的升高线性增大，同时对超限的信号进行限幅，经该放大器处理的接收信号送扩频收发器作解扩处理；其中的扩频收发器对接收放大器来的信号进行解扩处理使其变成标准数字信号送中央处理器处理，或将中央处理器处理送来的标准数字信号进行扩频处理，使其成为扩频信号后送发送滤波器；其中的频域补偿发送滤波器对由扩频收发器发出的扩频信号在频域内进行补偿即高频提升；其中的增益可调发送功率放大器对发送滤波器输出的扩频信号进行功率放大后经电力线耦合器送低压配电网，放大倍数由中央处理器控制：其中的中央处理器CPU控制整个系统的工作；其中的外围接口电路包括通信进程显示以及其它应用接口。

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