低压电力线载波通信的无源耦合电路设计

刘述钢，刘宏立

(湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

低压电力线载波PLC(Power Line Carrier)通信因低压配电网具有的丰富的用户资源和经济效益而成为电力系统通信网的首选通信方式。为此，美国和欧洲国家都制定了电力线载波通信标准，同时，我国国家电网也制定了低压载波信号3 kHz～500 kHz的电力用电用户信息采集系统通信单元技术规范[1]，这些标准促进了低压电力线载波通信技术快速发展。然而低压电力线是一个输入阻抗变化大、衰减特性复杂、多种噪声并存且噪声时变性强的有线信道[2-3]，由于低压电力线的这一固有特点，导致不管是低压宽带PLC还是低压窄带PLC的发展都不尽如人意。目前，国内低压宽带PLC基本上还只停留在研究和实验阶段[4-5]，窄带PLC也只在集中自动抄表系统中取得了一定程度的应用。但是由于PLC终端的信号传输距离和抗干扰能力较差，尽管采用了自动路由技术，仍然存在部分盲区抄不到表的现象。因此改善PLC的信号耦合技术是提高点对点通信能力至关重要的一步。

低压电力线主要是给用电设备传送220 V/50 Hz的电能，耦合电路就是不仅把电网中50 Hz的工频强电隔离开，而且把带外的干扰信号滤掉，将载波信号从工频信号中高效提取出来[6-9]。参考文献[6-8]采用了变压器与电容串联的耦合方法,电力线信道阻抗是动态变化的，必然会引起耦合滤波器带宽的变化。为了能把载波信号提取出来，滤波器的带宽就要远大于载波信号的带宽，带外干扰就会增加。参考文献[10]采用了无变压器的直接耦合方式,通过Butterworth滤波器对信号进行滤波，这种耦合方法虽然降低了耦合变压器的成本，但是对无源分立元件的规格要求相当高，否则，电力线上的设备接入或断开都可能引起尖峰脉冲,极易致使耦合电路的永久损坏。本文根据以上耦合电路的特点，设计了如图1所示的变压器与chebyshev带通滤波器相结合的无源耦合方法，由于载波信号发送部分只需设计阻抗匹配电路，设计比较简单。本文只对载波信号耦合电路的接收部分进行设计和分析，并按照国家电网用户信息采集系统检测标准对设计的耦合电路进行测试。

图1 电力线载波耦合电路结构

1 电容耦合电路

图1采用了以耦合电容器为主要元件的电容耦合方式。TVS是瞬变抑制二极管,起浪涌保护作用，它可以有效避免后面电路被高压击穿。电力线上的设备接入或断开，都有可能引起尖峰脉冲，并导致耦合电路的永久损坏。例如：当设备刚接上电源时，如果电力线刚好处于电压的最大值，此时电容Cc上的电压为0 V，则会有300 V以上的高压直接加在变压器两端，会引起很大电流，在次级产生尖峰脉冲，这个脉冲的电流相当大，可达几十安培到上百安培，因此TVS必须选择一个具有强大吸收电流能力的稳压二极管。

电容Cc(耐压值＞300 V)将变压器与工频交流强电隔离，同时将载波信号耦合到通信电路中。电阻Rc(一般≥1 MΩ)的作用是在离线时给电容 Cc提供放电通道，或防止高压在用电设备插头的两端出现。由耦合电容Cc和耦合变压器Tc的初级线圈组成滤波电路，阻止了50 Hz工频信号，而对高频载波信号提供尽可能小的衰减，其简化电路如图2所示，高低频率-3dB截止点为：

图2 变压器耦合等效结构

其中Lc为变压器的漏感和串联在电力线上的电感之和，R0为耦合电路的输出阻抗。由于要实现3 kHz～500 kHz范围内甚至更窄载波频段信号的耦合,耦合变压器Tc参数会严重影响信号耦合性能的稳定性，譬如磁芯的材质和线圈的材料及匝数等参数。同时低压电力网的阻抗时刻变化，必然会造成耦合出的载波信号频率动态变化，为了使输入基带处理器的载波信号能满足频带要求，耦合进的信号带宽一般要远大于有效载波信号带宽，特别是对BFSK和PSK的载波信号，其有用信号的频带通常比较窄，一般为5 kHz的整数倍，因此必须对变压器耦合出的信号进行进一步的滤波处理。

2 Chebyshev滤波器电路分析

与Butterworth滤波器相比较，chebyshev滤波器能够提供较快衰减的截止频率，对于干扰复杂的低压电力线载波通信而言，Chebyshev滤波器抑制带外抑制能力更强。在图1所示的电力线载波通信系统中，变压器耦合进来的是宽广信号，Chebyshev滤波器把影响系统有用信号接收品质的信号滤掉，其低通原型梯形电路有如图3所示的两种结构。

图3 Chebyshev滤波器梯形电路结构

电路中各元件值都是归一化值，g0和gn+1是归一化电阻或电导(分别表示归一化电阻或电导和负载电阻或电导)，g1,g2,…,gn是归一化电感或电容。根据 Chebyshev滤波器特性可知各元件的归一化结果如下：

经变压器耦合以后，除了载波信号外，还有耦合出的工频谐波信号和宽频段的噪声。为了有效抑制谐波和带外噪声，耦合电路中的滤波器必为一个chebyshev带通滤波器，带通滤波器的电路实现可借助于低通原型，利用频率变换和阻抗变换得到带通滤波器的结构和元件值。其串联支路和并联支路中各元件变换原则如下。

(1)低通原型中的串联支路变换到带通滤波器中为电感L和电容C相串联的谐振电路，其归一化电感和电容值为：

(2)低通原型中的并联支路变换到带通滤波器中为电感L和电容C相并联的谐振电路，且归一化电感和电容为：

假设 Zi为源阻抗，Lk′和Lk分别表示低通和带通滤波器电路中的电感，Ck′和 Ck分别表示低通和带通滤波器电路中的电容，RL和GL分别表示负载电阻和负载电导， 根据 Ω0Lk=Ω0Lk′/Zi，Ω0Ck=Ω0Lk′Zi，gn+1=RL/Zi(电阻），gn+1=GL/Zi(电导),由低通原型的归一化元件值通过反归一化方法可得出串联支路和并联支路的电感和电容真实值为：

负载阻抗和导纳为：

对于图3(b)的电容输入式结构来说，当变换成带通滤波器后，元件g1将转换成电感L1和电容C1并联形式，此时L1与变压器的副线圈并联，就低频而言，将导致一个非常低的感抗，会从电力线上吸收大量的电流，这很难应用于电力线载波通信的工程实际中。因此本文采用电感输入式的低通模型进行变化，根据式(4)和式(5)可得如图4所示的带通滤波器归一化电路(n=3)。

图4 三阶Chebyshev带通滤波器电路

3 带通滤波器设计

电力线上的阻抗主要依赖于用电负荷的大小和线路结构，经研究和测量表明其分布范围在 0.1 Ω～100 Ω之间，根据匝数比为1:1的变压器电阻转换特性，可取Zi=50，假设基带信号处理的输入阻抗为50 Ω，即 RL=50 Ω。图3所示三阶Chebyshev带通滤波器中g0为输入电导,gn+1为负载电导，结合式(4)和式(5)的元件变换原则得到三阶Chebyshev带通滤波器归一化元件值,如表1所示。

实际上，在进行电路设计时，选择的元件额定值与理论计算的结果完全相同是不可能的，只有在保证每个分支满足谐振要求的前提下,选择的L、C元件值才会尽可能地接近理论值。无源滤波器位于变压器和基带处理器的中间，会引起插入损耗，此损耗主要来源于串联支路电抗(XL-XC)的分压损耗和并联支路电抗(XL‖XC)的分流损耗，其中感抗 XL=ΩL，容抗 XC=1/ΩC。 因此在选择串联支路的元件时，电抗(XL-XC)略大于或等于理论值，而在选择并联支路的元件时，电抗(XL-XC)略小于或等于理论值。根据实验室可选择的实际元件，设计带宽为30 kHz且中心频率为270 kHz的三阶chebyshev带通滤波器电路的实际值与理论值对比如表2所示。

表1 Chebyshev低通原型滤波器归一化元件值(0.01 dB波纹)

表2 电抗和中心频率的变化(理论值VS.实际值)

同时，对于电力线载波集中抄表系统，载波通信的应用环境十分恶劣，元件的电压和电流等规格都严重影响通信性能，为避免非线性失真的产生，构成滤波器的元件都必须不能过负荷或过饱和，而且要求Q值高，温度系数小，避免使用过程中发生耦合特性变化。

图5是三阶Chebyshev滤波器电路的频率响应，当电力线输入阻抗从 75 Ω逐渐降到 25 Ω时，通带带宽保持在30 kHz,且带外抑制能力逐渐增强，这表明该滤波器适合于阻抗不断波动的电力线信道。

图5 电力线信道阻抗VS.电路的频率响应

4 电路测试

接收端耦合电路的设计目标是提高频带内的信号接收功率,最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰。点对点的通信成功率直接反映耦合性能的好坏，在实验室中搭建了一个载波通信能力的测试平台，对本文设计的耦合方法(简称方法1)与参考文献[8]耦合方法(简称方法2)进行对比。通信模块的载波中心频率为270 kHz且带宽为30 kHz，基带处理器均采用DSSS技术和BFSK调制方式，参照国家电网DL/T 698.31、DL/T 698.35等信息采集规范，在高温、低温、高压、低压、群脉冲、强静电等恶劣环境下长时间运行来检验其稳定性。

信号发送端通过一个60 dB衰减器与信号接收端(单相表或三相表)相接，通信时发送多功能电能表DLT645-2007协议报文[12]。当进行高低温测试时，把接收端放置在恒温箱中。三种温度下的通信成功率的结果如图6所示。方法2虽然在常温下达到国家电网的通信要求，但是在高温和低温时的成功率分别87%和83%，远低于国家电网95%的标准。这是由于高低温降低了耦合电路中元件的性能，使得输出带宽变大，带外干扰增加。方法1中Chebyshev带通滤波器稳定的带外抑制能力有效地保证了高低温下通信成功率都高于国家电网标准。

图6 不同温度下的通信成功率

两种方法在进行10 kV空气放电和17 kV接触放电的抗静电试验后均能恢复正常通信。在进行幅度为4 kV、频率为5 kHz的瞬时群脉冲试验时，虽然试验结束后都能正常通信，但是在试验的过程中方法1的成功率可达62%，而方法2的成功率只有22%，这表明方法 1的抗强脉冲干扰能力强。

低压配电网中众多用电设备的随机接入和断开，会产生各种类型的干扰，使得现场环境与实验室环境相差悬殊。为了完整评价耦合电路的抗击复杂现场的能力，选择一个商住两用社区进行通信能力测试，信号发送端安装在配电房中，两种不同耦合方式通信模块的接收端安装在相同表箱的同一相序上,进行24小时连续抄表，图7的成功率显示方法1耦合方式在传输距离110 m以内的成功率高达98%以上,距离150 m时也超过80%，然而方法2在70 m时的通信成功率才达到90%，随着距离的增加，成功率迅速降低。很明显方法1的耦合效率和抗干扰能力强。

图7 现场环境下的通信成功率

目前，我国的低压居民集中抄表系统的规约、系统架构以及系统功能基本稳定，每个省局的要求也相差不大，即使有区别，也无非是工作量的问题。现在困扰其进一步发展的还是通信成功率的问题，PLC通信质量较差，抄表成功率较低，能连贯传输数据的系统很少，只能做到24 h抄到率98%左右，与实时通信成功率100%的地步还相差甚远。本文设计的Chebyshev式无源耦合电路能够最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，实现有用信号的最佳接收，能有效改善目前低压居民集中抄表系统中的点对点通信传输能力，如果结合自动中继和路由技术使信息通过不同设备间的转发传递，可以提高通信的实时性和可靠性。

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