電力載波中的過(guò)零檢測(cè)電路研究

，前偉

(安順供電局，貴州安順561000)

0 引言

作為電網(wǎng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)—終端用戶端，由于其用戶眾多，分布廣泛，對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集一直以來(lái)是電力部門(mén)的核心任務(wù)。長(zhǎng)期以來(lái)，電力部門(mén)對(duì)終端用戶數(shù)據(jù)的采集一直采用人工方式，這種方式效率低下、差錯(cuò)率高、采集參數(shù)不完整，已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)精確性、可靠性以及實(shí)時(shí)性的要求。鑒于此，各地方電力公司紛紛將大量精力投入到集抄建設(shè)工作中，期望通過(guò)集抄建設(shè)工作解決傳統(tǒng)人工方式在數(shù)據(jù)采集時(shí)的不足，達(dá)到智能電網(wǎng)的建設(shè)需求[1-2]。

在現(xiàn)有集抄建設(shè)方案中，電力載波通信技術(shù)由于其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被很多電力建設(shè)單位優(yōu)選為首選方案，具有很好的大規(guī)模推廣使用優(yōu)勢(shì)[3]。然而，由于電力載波技術(shù)的主要傳輸媒介為電力線纜，而并非專用的通信線纜，其傳輸環(huán)境以及抗干擾性遠(yuǎn)不及專業(yè)通信介質(zhì)，因此，電力載波作為通信介質(zhì)時(shí)，其傳輸特性并不理想[4]。

在現(xiàn)有電力信道中，存在很多不可預(yù)測(cè)的噪聲干擾、阻抗變化以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟淮_定性等問(wèn)題[5-6]，這些問(wèn)題的疊加，直接導(dǎo)致的結(jié)果是數(shù)據(jù)采集成功率低，一次抄收率僅在80%～90%左右。由此可見(jiàn)，僅靠電力載波這種自身特性的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是不穩(wěn)定和不可靠的。

為了解決單一電力載波在傳輸可靠性中的問(wèn)題，本文提出一種帶有過(guò)零檢測(cè)功能的載波無(wú)線雙模模塊，該模塊能夠有效地提高低壓窄帶載波及微功率無(wú)線通信的實(shí)時(shí)通訊效果，完成對(duì)各種復(fù)雜電力環(huán)境中設(shè)備的充分覆蓋與聯(lián)通，具有低功耗，高精度，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述介紹，本文的整體電路設(shè)計(jì)功能如圖1。

在該電路中，MCU單元主要用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分能夠按照設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行工作。無(wú)線模塊與電力載波模塊都可以用以傳輸數(shù)據(jù)，但在同一時(shí)間內(nèi)只能啟用1個(gè)通信模塊，在本設(shè)計(jì)中，由于無(wú)線模塊采用市面的通用微功率無(wú)線傳輸模塊，其與MCU之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)串口進(jìn)行，因此，在本文中不對(duì)無(wú)線模塊進(jìn)行深入探討，重點(diǎn)關(guān)注過(guò)零電力載波模塊的設(shè)計(jì)。

圖1 電路功能圖

1.1 過(guò)零傳輸電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)在電力線中傳輸時(shí)，除了要受到電力線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及電力線自身的影響，還要受到來(lái)自于電力自身的50 Hz的工頻干擾，在一個(gè)交流電周期內(nèi)，將會(huì)出現(xiàn)兩次脈沖峰值，分別對(duì)應(yīng)于交流電的波峰和波谷部分，即電力線上將有固定的100 Hz的脈沖干擾，該干擾源由于是由電能自身產(chǎn)生，因此不能消除，只能采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方案進(jìn)行規(guī)避。過(guò)零點(diǎn)傳輸就是一種規(guī)避固定干擾的傳輸方法，該方法利用那個(gè)電壓波形在每個(gè)交流周期兩次過(guò)零點(diǎn)的短時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到避開(kāi)電力線上每一交流周期中兩次峰值帶來(lái)的固定脈沖干擾，可以有效提升系統(tǒng)的通訊質(zhì)量，提升系統(tǒng)的可靠性。

過(guò)零電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 過(guò)零傳輸電路圖

交流電正半周時(shí)，電流方向通過(guò)D1，R1，R2，C2，D3流動(dòng)，如圖2所示，給C2電容充電；D2為5.1 V穩(wěn)壓管，限制充電電壓不超過(guò)5.1 V；D3 1N4148的作用是保證三極管在正半周時(shí)保持截止?fàn)顟B(tài)，D3導(dǎo)通后，Q1基極電壓Ube保持在負(fù)0.4V，Q保持截止。

當(dāng)進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，由于D1 1N4007的存在，交流電反向截止；進(jìn)入負(fù)半周時(shí)C2開(kāi)始放電，放電途徑分為兩部分，第一部分通過(guò)R3，R4到Q1，此時(shí)D3失去鉗位的作用，Q1開(kāi)啟；第二部分，U1，Q1開(kāi)始放電，U1的電流通過(guò)R3和R4限制，Q1基極電流，放電的過(guò)程中UC2不斷下降，因此Q1的β要選擇100以上，保證前級(jí)電流。

上述電路主要完成傳輸網(wǎng)絡(luò)中，過(guò)零傳輸時(shí)刻的檢測(cè)，當(dāng)交流220 V電信號(hào)從正半周向負(fù)半周轉(zhuǎn)換經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候，220 V過(guò)零檢測(cè)電路在此刻將向主控芯片(MCU)輸出一個(gè)可被識(shí)別的信號(hào)，以告知主控芯片(MCU)此時(shí)電網(wǎng)正處于零點(diǎn)；當(dāng)主控芯片(MCU)知道電網(wǎng)何時(shí)處于零點(diǎn)的時(shí)候，就啟動(dòng)能在零點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和以此信號(hào)進(jìn)行同步接收，這樣能提高載波數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電路的可靠性，本文首先對(duì)設(shè)計(jì)的過(guò)零傳輸電路進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試，并將該模塊與傳統(tǒng)電力載波模塊在傳輸速度、傳輸可靠性進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的有效性，本文利用Pspice軟件對(duì)電路的輸出結(jié)果進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖3。

由圖3可以看出，本文設(shè)計(jì)的過(guò)零檢測(cè)發(fā)送電路，可以在交流電的過(guò)零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)可以保持持續(xù)一定時(shí)間，該觸發(fā)信號(hào)可以作為電力載波發(fā)送或接收裝置的觸發(fā)信號(hào)，一旦電力載波芯片接收到該信號(hào)，立即啟動(dòng)發(fā)送或接收電路，利用在過(guò)零點(diǎn)處沒(méi)有脈沖干擾的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，這一時(shí)間段大概有0.02 s的時(shí)間。根據(jù)這一電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了樣機(jī)，并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4。

圖3 電路仿真結(jié)果

圖4 實(shí)測(cè)電路圖

由圖4可知，樣機(jī)的觸發(fā)脈沖的發(fā)送周期可以與交流電路的變化周期一致，即可以正確捕捉到交流電信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)電力載波的收發(fā)裝置進(jìn)行工作。

圖5 不同噪聲環(huán)境下的性能對(duì)比

圖5是帶有過(guò)零檢測(cè)的電力載波通訊方案與不帶過(guò)零方案的對(duì)比效果，從圖中可以看出，隨著傳輸環(huán)境的惡化(傳輸信道中的干擾情況)，帶有過(guò)零檢測(cè)的電力載波通信裝置的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)：在一般干擾的情況下，帶過(guò)零檢測(cè)的電路比普通電力載波電路的傳輸速率要快2 kbit/s左右，但是當(dāng)噪聲干擾較強(qiáng)時(shí)，二者間差值可以達(dá)到4 kbit/s，這種情況的發(fā)生主要是由于帶有過(guò)零檢測(cè)的載波電路可以減少脈沖干擾的影響，提高了信噪比，根據(jù)香農(nóng)定理的計(jì)算公式，系統(tǒng)的通信速度自然提高了。

2 結(jié)束語(yǔ)

為了提高電力信道的傳輸速率和傳輸可靠性，文中利用過(guò)零檢測(cè)電路對(duì)電力信道中的工頻干擾進(jìn)行檢測(cè)，并利用過(guò)零間隙作為發(fā)射數(shù)據(jù)的最佳時(shí)間點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了傳輸速率的提升。在該方案中，雖然能夠傳輸?shù)臅r(shí)間段較短，但在該時(shí)間段內(nèi)可以有效提高傳輸速率和可靠性，對(duì)于一些間斷性數(shù)據(jù)(如智能電表每天的電量)的傳輸具有較好的適用性和可靠性。