WO2024139504A1 - 一种电力线通信系统 - Google Patents

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power line
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conversion device
communication system
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秦海俊
水伟
姚园林
吴建
肖华峰
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华为数字能源技术有限公司
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B15/00—Suppression or limitation of noise or interference
    • H04B15/005—Reducing noise, e.g. humm, from the supply

Definitions

  • the present application relates to the technical field of power line communication, and in particular to a power line communication system.
  • the signal isolation circuit includes but is not limited to an isolation capacitor or an isolation inductor.
  • the signal adjustment circuit may further include a second input terminal, the second input terminal of the signal adjustment circuit may be connected to the output terminal of the operation circuit, and the signal adjustment circuit may be specifically used to adjust the amplitude of the first noise signal according to the target value of the first communication signal.
  • This design can effectively improve the noise filtering effect, thereby making the first communication signal output by the operation circuit more accurate and further improving the communication reliability of the system.
  • the signal adjustment circuit includes but is not limited to a digital filter.
  • the signal adjustment circuit can adaptively adjust the phase and amplitude of the first noise signal according to the circuit structure design of the power conversion device, compensate for the system differences caused by the circuit structure, and make the phase of the adjusted second noise signal closer to the anti-phase of the first noise signal, and make the amplitude of the second noise signal closer to the amplitude of the first noise signal. In this way, after entering the operation circuit, the second noise signal can more effectively offset the first noise signal in the first signal.
  • the power conversion device includes but is not limited to an inverter, an energy storage battery, and the like.
  • FIG4 is a schematic diagram of a partial structure of a power line communication system provided in an embodiment of the present application.
  • the PCO can assist STAs that are far away from the CCO in communicating with the PLC network, and can also manage the device status of the STAs under the PCO, and report the device status of the STAs under the PCO to the CCO.
  • the PCO can also be called a proxy station
  • the STA can also be called a discovery station. If there is no special explanation, the station in the embodiment of the present application refers to a discovery station (STA).
  • PLC can be applied in a variety of scenarios.
  • the direct current generated by the photovoltaic panels is collected by the inverter, which is converted into alternating current by the inverter and then transmitted to the combiner box.
  • the combiner box collects the alternating current output by multiple inverters and transmits it to the transformer, which converts it into high voltage and then transmits it to the power grid.
  • a host is connected between the combiner box and the transformer, which can be used to schedule each inverter and receive the device status of each inverter.
  • the host and inverter are the central coordinator and site in the above-mentioned PLC system, respectively.
  • figure 3 is a partial architecture diagram of the power line communication system provided in an embodiment of the present application.
  • the PLC system may include a power conversion device and a peer device, the power conversion device may communicate with the peer device via a power line, and the peer device may transmit a first communication signal to the power conversion device via the power line.
  • the power conversion device in the embodiment of the present application may be a site, and the peer device may be a central coordinator, in which case the first communication signal may be a control frame.
  • the power conversion device in the embodiment of the present application may be a central coordinator, and the peer device may be a site, in which case the first communication signal may be a service frame.
  • the PLC system may also include a signal isolation circuit, a signal adjustment circuit, a transformer, and an operation circuit.
  • the output end of the power conversion device may be connected to the power line through a signal isolation circuit, and the signal isolation circuit may be used to isolate the input signal of the power line and obtain the first noise signal of the power conversion device. Since there is a power supply inside the power conversion device, there will inevitably be power supply noise in its output end and the power line, and the first noise signal here is the power supply noise.
  • the input end of the transformer may also be connected to the power line, and the transformer may be used to filter out the power signal in the input signal of the power line and output the first signal.
  • the first signal may include the above-mentioned first noise signal and the first communication signal.
  • the first input terminal a1 of the signal adjustment circuit can be connected to the output terminal of the power conversion device.
  • the signal adjustment circuit can be used to invert the first noise signal and output a second noise signal obtained after the inversion.
  • the operation circuit includes a first input terminal b1 and a second input terminal b2.
  • the first input terminal b1 of the operation circuit can be connected to the output terminal of the transformer, and the second input terminal b2 of the operation circuit can be connected to the output terminal of the signal adjustment circuit.
  • the operation circuit can be used to output a first communication signal based on the first signal output by the transformer and the second noise signal output by the adjustment circuit. In this way, the power supply noise of the power conversion device is suppressed, thereby effectively reducing its influence on the first communication signal and improving the reliability of the first communication signal.
  • the PLC system may further include a sampling circuit, the input end of the sampling circuit may be connected to the output end of the power conversion device, and the output end may be connected to the first input end of the signal adjustment circuit.
  • the sampling circuit may be used to collect the first noise signal isolated by the signal isolation circuit and output it to the signal isolation circuit.
  • the power conversion device may further include a control circuit, which may be connected to the output end of the operation circuit, and which may be used to demodulate the first communication signal and perform subsequent processing.
  • FIG. 4 is a partial structural diagram of a power line communication system provided in an embodiment of the present application.
  • the specific type of the power conversion device is not limited.
  • the power conversion device may be an inverter, an energy storage battery, and the like.
  • the signal isolation circuit includes but is not limited to an isolation capacitor or an isolation inductor.
  • the signal isolation circuit may specifically be a differential mode capacitor, a differential mode inductor, a common mode capacitor, or a common mode inductor, and the like.
  • the signal isolation circuit may be integrated into the power conversion device, which may save the board space occupied by the signal isolation circuit in the power conversion device, thereby helping to reduce the volume of the power conversion device.
  • the signal isolation circuit may be disposed outside the power conversion device, and may be specifically designed according to the structural layout of the power conversion device, and the present application does not limit this.
  • the sampling circuit may include an automatic gain controller (AGC) and an analog to digital converter (ADC), wherein the input end of the automatic gain controller is connected to the output end of the power conversion device, the output end is connected to the input end of the analog to digital converter, and the output end of the analog to digital converter is connected to the input end of the signal adjustment circuit.
  • the automatic gain controller can automatically control the amplitude of the first noise signal by changing the input-output compression ratio, thereby providing conditions for the analog to digital converter to sample in the optimal linear region, and realizing a high-fidelity design for noise signal acquisition.
  • the operation circuit when the operation circuit is specifically set up, the operation circuit can be implemented by a multiplier. At this time, the operation circuit can superimpose the input first signal and the second noise signal, offset or partially offset the first noise signal in the first signal, and output the first communication signal.
  • the PLC system provided in the embodiment of the present application can effectively suppress the power supply noise by separating the power supply noise of the power conversion device from the communication signal, thereby solving the problem of communication performance deterioration caused by the power evolution of the power conversion device and effectively improving the communication reliability of the PLC system.

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Abstract

本申请涉及电力线通信领域，公开了一种电力线通信系统。电力线通信系统可包括功率变换设备、信号隔离电路、信号调整电路、变压器以及运算电路。其中，功率变换设备的输出端通过信号隔离电路与电力线连接，该信号隔离电路可用于将电力线的输入信号隔离后获得功率变换设备的第一噪声信号。信号调整电路的第一输入端与功率变换设备的输出端连接，信号调整电路可用于对第一噪声信号的相位进行反相，并输出第二噪声信号。变压器的输入端与电力线连接，变压器可用于将电力线的输入信号中的功率信号滤除后输出第一信号。运算电路可用于根据第一信号与第二噪声信号输出第一通信信号。

Description

一种电力线通信系统
相关申请的交叉引用
本申请要求在2022年12月26日提交中国专利局、申请号为202211680128.8、申请名称为“一种电力线通信系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及电力线通信技术领域，尤其涉及到一种电力线通信系统。
背景技术
电力线通信(power line communication，PLC)是指利用电力线作为通信媒介，通过载波方式传输信号的一种通信技术。PLC可应用于多种领域，如在光伏发电系统中，逆变器与主机之间即通过电力线进行通信，主机可通过电力线向逆变器发送控制信号，以调度各个逆变器，逆变器则通过电力线向主机发送业务信号，以上报自身的设备状态。
随着光伏发电系统的功率演进，逆变器的功率不断增大，由于通信信号集成在电力线上，逆变器功率增加必然会带来PLC通信频段上的噪声恶化，PLC通信性能也随之恶化。为了解决噪声问题，当前逆变器通常在逆变器输出级采用模拟电路对电源噪声进行抑制。然而，由于光伏子阵越来越大，PLC系统的通信距离也不断增加，在长距离通信的场景，PLC系统的通信频段相对较低，低频时模拟电路本身体积较大，因此通常会占用较大的布板面积，不利于实现设备的小型化设计。
发明内容
本申请提供了一种电力线通信系统，该电力线通信系统的功率变换设备可以在实现小尺寸设计的前提下，有效降低电源噪声对通信信号的影响，提升通信信号的可靠性。
第一方面，本申请提供了一种电力线通信系统，该电力线通信系统可包括功率变换设备、信号隔离电路、信号调整电路、变压器以及运算电路。其中，功率变换设备的输出端通过信号隔离电路与电力线连接，该信号隔离电路可用于将电力线的输入信号隔离后获得功率变换设备的第一噪声信号。信号调整电路的第一输入端与功率变换设备的输出端连接，信号调整电路可用于对第一噪声信号的相位进行反相，并输出第二噪声信号。变压器的输入端与电力线连接，变压器可用于将电力线的输入信号中的功率信号滤除后输出第一信号。运算电路可用于根据第一信号与第二噪声信号输出第一通信信号。
上述方案中，通过将第一通信信号与第一噪声信号分离并采集出第一噪声信号，然后利用信号调整电路对第一噪声信号的相位反相后向运算电路输出第二噪声信号，这样，运算电路即可根据第二噪声信号与变压器输出的第一信号输出第一通信信号，如此即实现可对功率变换设备电源噪声的抑制作用，从而可有效降低其对第一通信信号的影响，提升通信信号的可靠性。并且，相较于现有技术，本申请中的信号隔离电路的占用空间相对较小，因此有助于使系统实现小型化设计。
在一些可能的实施方案中，第一信号具体可包括第一噪声信号和第一通信信号，这样，运算电路在将第一信号与第二噪声信号叠加后，第二噪声信号可与第一信号中的第一噪声信号相互抵消，从而输出第一通信信号。
在一些可能的实施方案中，信号隔离电路包括但不限于为隔离电容或者隔离电感。
示例性地，信号隔离电路具体可以为差模电容或者差模电感。
在一些可能的实施方案中，信号隔离电路可以集成于功率变换设备内部，这样可以节省其在功率变换设备内的占板空间，从而有助于减小功率变换设备的体积。
在一些可能的实施方案中，信号调整电路还可用于对第一噪声信号的幅度进行调整，从而使其输出的第二噪声信号的幅度能够更加接近第一噪声信号的幅度，进一步可以使得第二噪声信号能够更加有效地抵消掉第一信号中的第一噪声信号。
在一些可能的实施方案中，信号调整电路还可以包括第二输入端，信号调整电路的第二输入端可与运算电路的输出端连接，信号调整电路具体可用于根据第一通信信号的目标值，对第一噪声信号的幅度 进行自适应调整。这种设计可以有效提升对噪声的滤除效果，从而使运算电路输出的第一通信信号的精确度更高，进一步提升系统的通信可靠性。
在一些可能的实施方案中，电力线通信系统还可以包括采样电路，该采样电路的输入端可与功率变换设备的输出端连接，输出端可与信号调整电路的第一输入端连接。采样电路具体可用于采集由信号隔离电路隔离后的第一噪声信号，并向信号隔离电路输出。
在具体的实现中，采样电路可包括自动增益控制器以及与该自动增益控制器连接的模数转换器，自动增益控制器可与功率变换设备的输出端连接，模数转换器可与信号调整电路的输出端连接。自动增益控制器可以通过改变输入输出压缩比自动控制第一噪声信号的幅度，从而为模数转换器在最佳线性区采样提供了条件，实现噪声信号采集的高保真设计。
在一些可能的实施方案中，信号调整电路包括但不限于为数字滤波器。信号调整电路可以根据功率变换设备的电路结构设计对第一噪声信号的相位和幅度自适应调整，补偿由于电路结构造成的系统差异，使调整后的第二噪声信号的相位能够更加接近于第一噪声信号的反相位，以及使第二噪声信号的幅度更加接近第一噪声信号的幅度。这样，后续在进入运算电路后，第二噪声信号可以更加有效地抵消掉第一信号中的第一噪声信号。
在一些可能的实施方案中，运算电路包括但不限于为乘法器。
在一些可能的实施方案中，功率变换设备包括但不限于为逆变器、储能电池等等。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种电力线通信系统的示意图；
图2为一种光伏发电系统的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的电力线通信系统的局部架构图；
图4为本申请实施例提供的电力线通信系统的局部结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本申请实施例中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本申请保护范围内。本申请实施例的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。
需要说明的是，在以下描述中阐述了具体细节以便于理解本申请。但是本申请实施例能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请实施例内涵的情况下做类似推广。因此本申请不受下面公开的具体实施方式的限制。
PLC是指利用电力线作为通信媒介，通过载波方式传输信号的一种通信技术。PLC相比其它通信技术的一个主要优势为PLC可以利用现有的电力线作为传输媒介，不需要架设新线路，从而极大地降低前期部署成本，并且也不需要单独维护线路，进一步降低后期的维护成本。
在国网低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范的基础上，电气和电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)1901.1标准正式发布实施。该标准将PLC协议栈分成了如下几个层次：应用层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层。其中，数据链路层包括网络管理子层和媒介接入控制(medium access control，MAC)子层。网络管理子层负责应用层报文的聚合分片、网络管理以及路由的更新维护，MAC子层负责抢占物理信道提供可靠通信。物理层负责对来自MAC子层数据进行编码调制后发送至电力线，以及对从电力线接收到的信号进行解调解码后回传给MAC子层。
参考图1所示，图1为本申请实施例提供的一种PLC系统的示意图。PLC系统中进行通信的电子设备角色可以包括中央协调器(central coordinator，CCO)、代理协调器(proxy coordinator，PCO)和站点(station，STA)。其中，CCO可通过向一个或多个STA发送控制帧，调度或控制一个或多个STA，例如，控制帧可用于指示为一个或多个站点配置的最大功率。一个或多个STA可通过向CCO发送业务帧，上报自身的设备状态。PCO可以辅助与CCO通信距离较远的STA接入PLC网络，还可以管理PCO下挂的STA的设备状态，并将PCO下挂的STA的设备状态上报给CCO。需要说明的是，本申请实施 例中PCO又可以称为代理站点，STA又可以称为发现站点。若无特殊说明，本申请实施例中站点指发现站点(STA)。
PLC可应用于多种场景中，如在图2所示的一种光伏发电系统中，光伏电池板产生的直流电汇集到逆变器，由逆变器转换为交流电后输送至汇流箱。汇流箱在将多个逆变器输出的交流电汇集后输送至变压器，由变压器转换为高压电后输送至电网。在汇流箱与变压器之间连接有主机，主机可用于调度各个逆变器，并接收各个逆变器的设备状态。这里，主机和逆变器即分别为上述PLC系统中的中央协调器和站点。
随着光伏发电系统的功率演进，逆变器的功率不断增大，由于通信信号集成在电力线上，逆变器功率增加必然会带来PLC通信频段上的噪声恶化，PLC通信性能也随之恶化。为了解决噪声问题，当前逆变器通常在输出级采用模拟电路实现对电源噪声的抑制作用。然而，随着光伏子阵越来越大，这对PLC系统的通信距离和通信时延提出了更高的要求，在长距离通信的场景，PLC系统的通信频段相对较低，低频时模拟电路本身体积较大，因此通常会占用较大的布板面积，并且成本也较高。
鉴于此，本申请实施例提供了一种PLC系统，该PLC系统可以在实现小尺寸设计的前提下，有效降低电源噪声对通信信号的影响，提升通信信号的可靠性。下面将结合附图和具体实施例对本申请实施例作进一步地详细描述。
参考图3所示，图3为本申请实施例提供的电力线通信系统的局部架构图。在本申请实施例中，PLC系统可以包括功率变换设备及对端设备，功率变换设备可通过电力线与对端设备通信，对端设备能够通过电力线向功率变换设备传输第一通信信号。示例性地，本申请实施例中的功率变换设备可以为站点，对端设备可以为中央协调器，这时，第一通信信号可以为控制帧。或者，本申请实施例中的功率变换设备可以为中央协调器，对端设备可以为站点，这时，第一通信信号可以为业务帧。
PLC系统还可以包括信号隔离电路、信号调整电路、变压器以及运算电路。功率变换设备的输出端可通过信号隔离电路与电力线连接，该信号隔离电路可用于将电力线的输入信号隔离后获得功率变换设备的第一噪声信号。由于功率变换设备内部有电源，因此其输出端以及电力线中必然会存在电源噪声，这里的第一噪声信号即电源噪声。变压器的输入端也可与电力线连接，变压器可用于将电力线的输入信号中的功率信号滤除后输出第一信号。在本实施例中，该第一信号可包括上述第一噪声信号和第一通信信号。
信号调整电路的第一输入端a1可与功率变换设备的输出端连接，信号调整电路可用于对第一噪声信号进行反相，并将反相后获得的第二噪声信号输出。
运算电路包括第一输入端b1和第二输入端b2，运算电路的第一输入端b1可与变压器的输出端连接，运算电路的第二输入端b2可与信号调整电路的输出端连接，运算电路可用于根据变压器输出的第一信号与调整电路输出的第二噪声信号输出第一通信信号，如此即实现了对功率变换设备电源噪声的抑制作用，从而可有效降低其对第一通信信号的影响，提升第一通信信号的可靠性。
在本申请一些可能的实施例中，PLC系统还可以包括采样电路，该采样电路的输入端可与功率变换设备的输出端连接，输出端可与信号调整电路的第一输入端连接。采样电路可用于采集由信号隔离电路隔离后的第一噪声信号，并向信号隔离电路输出。另外，功率变换设备还可以包括控制电路，该控制电路可与运算电路的输出端连接，其可用于对第一通信信号解调并进行后续处理。
参考图4所示，图4为本申请实施例提供的电力线通信系统的局部结构示意图。在本申请实施例中，功率变换设备的具体类型不限，例如，功率变换设备可以为逆变器、储能电池等等。信号隔离电路包括但不限于为隔离电容或者隔离电感，示例性地，信号隔离电路具体可以为差模电容、差模电感、共模电容或者共模电感等。信号隔离电路可以集成于功率变换设备内，这样可以节省其在功率变换设备内的占板空间，从而有助于减小功率变换设备的体积。当然，在其它一些实施方式中，信号隔离电路可以设置于功率变换设备的外部，具体可以根据功率变换设备的结构布局进行设计，本申请对此不做限制。
在具体设置采样电路时，该采样电路可以包括自动增益控制器(automatic gain control，AGC)和模数转换器(analog to digital converter，ADC)，其中，自动增益控制器的输入端与功率变换设备的输出端连接，输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与信号调整电路的输入端连接。自动增益控制器可以通过改变输入输出压缩比自动控制第一噪声信号的幅度，从而为模数转换器在最佳线性区采样提供了条件，实现噪声信号采集的高保真设计。
在本申请实施例中，信号调整电路包括但不限于为数字滤波器，其可以根据功率变换设备的电路结 构设计对第一噪声信号的相位自适应调整，补偿由于电路结构造成的系统差异，使调整后的第二噪声信号的相位能够更加接近于第一噪声信号的反相位。
继续参考图4，在具体设置运算电路时，该运算电路可以通过乘法器实现，这时，运算电路可以将输入的第一信号和第二噪声信号叠加后，抵消或部分抵消调第一信号中的第一噪声信号，并输出第一通信信号。
在一些可能的实施例中，信号调整电路还可用于对第一噪声信号的幅度进行调整，从而使其输出的第二噪声信号的幅度能够更加接近第一噪声信号的幅度，进一步可以使得第二噪声信号能够更加有效地抵消掉第一信号中的第一噪声信号。
可以理解的，若第二噪声信号与第一信号中的第一噪声信号没有完全抵消，则运算电路所输出的第一通信信号中不可避免地仍会存在一些噪声信号，为了减小这些噪声信号对第一通信信号的影响，在一些可能的实施例中，信号调整电路还可以包括第二输入端a2，信号调整电路的第二输入端a2可与运算电路的输出端连接，信号调整电路具体可用于根据第一通信信号的目标值，以噪声抵消量为目标对第一噪声信号的相位和幅度进行自适应调整，并输出第二噪声信号。其中，上述第一通信信号的目标值包括但不限于为第一通信信号的信噪比。采用这种设计可以有效提升对噪声信号的滤除效果，从而提高运算电路输出的第一通信信号的精确度，进一步提高PLC系统的通信可靠性。
另外，在本申请实施例中，采样电路、信号调整电路、运算电路等器件可以集成在功率变换设备中，或者也可以设置在功率变换设备的外部，如设置在功率变换设备的控制器中，本申请对此不做限制，具体可以根据功率变换设备的结构布局进行设计。
综上所述，本申请实施例提供的PLC系统通过将功率变换设备的电源噪声与通信信号分离，可以实现对电源噪声的有效抑制，从而解决了由于功率变换设备功率演进所造成的通信性能恶化的问题，有效提升PLC系统的通信可靠性。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

  1. 一种电力线通信系统，其特征在于，所述电力线通信系统包括：功率变换设备、信号隔离电路、信号调整电路、变压器以及运算电路，其中，
    所述功率变换设备的输出端通过信号隔离电路与电力线连接，所述信号隔离电路用于将所述电力线的输入信号隔离后获得所述功率变换设备的第一噪声信号；
    所述信号调整电路的第一输入端与所述功率变换设备的输出端连接，所述信号调整电路用于对所述第一噪声信号的相位进行反相，并输出第二噪声信号；
    所述变压器的输入端与所述电力线连接，所述变压器用于将所述电力线的输入信号中的功率信号滤除后输出第一信号；
    所述运算电路根据所述第一信号与所述第二噪声信号输出第一通信信号。
  2. 如权利要求1所述的电力线通信系统，其特征在于，所述第一信号包括所述第一噪声信号和所述第一通信信号。
  3. 如权利要求1或2所述的电力线通信系统，其特征在于，所述信号隔离电路包括隔离电容或者隔离电感。
  4. 如权利要求1至3任一项所述的电力线通信系统，其特征在于，所述信号隔离电路集成于所述功率变换设备内部。
  5. 如权利要求1至4任一项所述的电力线通信系统，其特征在于，所述信号调整电路还用于对所述第一噪声信号的幅度进行调整。
  6. 如权利要求5所述的电力线通信系统，其特征在于，所述信号调整电路的第二输入端与所述运算电路的输出端连接，所述信号调整电路具体用于根据所述第一通信信号的目标值对所述第一噪声信号的幅度进行调整。
  7. 如权利要求1至6任一项所述的电力线通信系统，其特征在于，所述电力线通信系统还包括采样电路，所述采样电路的输入端与所述功率变换设备的输出端连接，所述采样电路的输出端与所述信号调整电路的第一输入端连接，所述采样电路用于采集由所述信号隔离电路隔离后的所述第一噪声信号并输出。
  8. 如权利要求7所述的电力线通信系统，其特征在于，所述采样电路包括自动增益控制器以及与所述自动增益控制器连接的模数转换器，所述自动增益控制器与所述功率变换设备的输出端连接，所述模数转换器与所述信号调整电路的输入端连接。
  9. 如权利要求1至8任一项所述的电力线通信系统，其特征在于，所述信号调整电路包括数字滤波器。
  10. 如权利要求1至9任一项所述的电力线通信系统，其特征在于，所述功率变换设备包括逆变器。
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