电力载波中的过零检测电路研究

，前伟

(安顺供电局，贵州安顺561000)

0 引言

作为电网的最后一个环节—终端用户端，由于其用户众多，分布广泛，对该部分数据的采集一直以来是电力部门的核心任务。长期以来，电力部门对终端用户数据的采集一直采用人工方式，这种方式效率低下、差错率高、采集参数不完整，已经不能满足智能电网对数据精确性、可靠性以及实时性的要求。鉴于此，各地方电力公司纷纷将大量精力投入到集抄建设工作中，期望通过集抄建设工作解决传统人工方式在数据采集时的不足，达到智能电网的建设需求[1-2]。

在现有集抄建设方案中，电力载波通信技术由于其自身的技术优势，被很多电力建设单位优选为首选方案，具有很好的大规模推广使用优势[3]。然而，由于电力载波技术的主要传输媒介为电力线缆，而并非专用的通信线缆，其传输环境以及抗干扰性远不及专业通信介质，因此，电力载波作为通信介质时，其传输特性并不理想[4]。

在现有电力信道中，存在很多不可预测的噪声干扰、阻抗变化以及网络拓扑的不确定性等问题[5-6]，这些问题的叠加，直接导致的结果是数据采集成功率低，一次抄收率仅在80%～90%左右。由此可见，仅靠电力载波这种自身特性的通信方式进行数据采集是不稳定和不可靠的。

为了解决单一电力载波在传输可靠性中的问题，本文提出一种带有过零检测功能的载波无线双模模块，该模块能够有效地提高低压窄带载波及微功率无线通信的实时通讯效果，完成对各种复杂电力环境中设备的充分覆盖与联通，具有低功耗，高精度，抗干扰能力强等特点。

1 系统设计

根据上述介绍，本文的整体电路设计功能如图1。

在该电路中，MCU单元主要用于协调系统各部分能够按照设计的流程进行工作。无线模块与电力载波模块都可以用以传输数据，但在同一时间内只能启用1个通信模块，在本设计中，由于无线模块采用市面的通用微功率无线传输模块，其与MCU之间的数据传输通过串口进行，因此，在本文中不对无线模块进行深入探讨，重点关注过零电力载波模块的设计。

图1 电路功能图

1.1 过零传输电路设计

数据在电力线中传输时，除了要受到电力线传输网络以及电力线自身的影响，还要受到来自于电力自身的50 Hz的工频干扰，在一个交流电周期内，将会出现两次脉冲峰值，分别对应于交流电的波峰和波谷部分，即电力线上将有固定的100 Hz的脉冲干扰，该干扰源由于是由电能自身产生，因此不能消除，只能采用适当的技术方案进行规避。过零点传输就是一种规避固定干扰的传输方法，该方法利用那个电压波形在每个交流周期两次过零点的短时间间隔进行数据传输，达到避开电力线上每一交流周期中两次峰值带来的固定脉冲干扰，可以有效提升系统的通讯质量，提升系统的可靠性。

过零电路设计如图2所示。

图2 过零传输电路图

交流电正半周时，电流方向通过D1，R1，R2，C2，D3流动，如图2所示，给C2电容充电；D2为5.1 V稳压管，限制充电电压不超过5.1 V；D3 1N4148的作用是保证三极管在正半周时保持截止状态，D3导通后，Q1基极电压Ube保持在负0.4V，Q保持截止。

当进入负半周时，由于D1 1N4007的存在，交流电反向截止；进入负半周时C2开始放电，放电途径分为两部分，第一部分通过R3，R4到Q1，此时D3失去钳位的作用，Q1开启；第二部分，U1，Q1开始放电，U1的电流通过R3和R4限制，Q1基极电流，放电的过程中UC2不断下降，因此Q1的β要选择100以上，保证前级电流。

上述电路主要完成传输网络中，过零传输时刻的检测，当交流220 V电信号从正半周向负半周转换经过零点的时候，220 V过零检测电路在此刻将向主控芯片(MCU)输出一个可被识别的信号，以告知主控芯片(MCU)此时电网正处于零点；当主控芯片(MCU)知道电网何时处于零点的时候，就启动能在零点时刻进行数据的发送和以此信号进行同步接收，这样能提高载波数据通信的稳定性和可靠性。

1.2 仿真测试

为了验证设计的电路的可靠性，本文首先对设计的过零传输电路进行了实物测试，并将该模块与传统电力载波模块在传输速度、传输可靠性进行了测试对比。

为了验证设计电路的有效性，本文利用Pspice软件对电路的输出结果进行模拟仿真，结果如图3。

由图3可以看出，本文设计的过零检测发送电路，可以在交流电的过零点时进行触发，触发信号可以保持持续一定时间，该触发信号可以作为电力载波发送或接收装置的触发信号，一旦电力载波芯片接收到该信号，立即启动发送或接收电路，利用在过零点处没有脉冲干扰的时间段进行数据发送，这一时间段大概有0.02 s的时间。根据这一电路设计，设计了样机，并进行测试，测试结果如图4。

图3 电路仿真结果

图4 实测电路图

由图4可知，样机的触发脉冲的发送周期可以与交流电路的变化周期一致，即可以正确捕捉到交流电信号的过零点，并产生触发信号触发电力载波的收发装置进行工作。

图5 不同噪声环境下的性能对比

图5是带有过零检测的电力载波通讯方案与不带过零方案的对比效果，从图中可以看出，随着传输环境的恶化(传输信道中的干扰情况)，带有过零检测的电力载波通信装置的优势逐渐显现：在一般干扰的情况下，带过零检测的电路比普通电力载波电路的传输速率要快2 kbit/s左右，但是当噪声干扰较强时，二者间差值可以达到4 kbit/s，这种情况的发生主要是由于带有过零检测的载波电路可以减少脉冲干扰的影响，提高了信噪比，根据香农定理的计算公式，系统的通信速度自然提高了。

2 结束语

为了提高电力信道的传输速率和传输可靠性，文中利用过零检测电路对电力信道中的工频干扰进行检测，并利用过零间隙作为发射数据的最佳时间点，成功实现了传输速率的提升。在该方案中，虽然能够传输的时间段较短，但在该时间段内可以有效提高传输速率和可靠性，对于一些间断性数据(如智能电表每天的电量)的传输具有较好的适用性和可靠性。