直流载波通讯系统线路特性研究与系统实现

周 军，董承霖，乔 建

（1. 东北电力大学电气工程学院，吉林 132012；2. 国网吉林省电力公司吉林供电公司，吉林 132012）

电力线载波技术是指利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式[1-6]。近年来，随着我国加大对电力系统智能化的推进，电气设备结构越来越严密且复杂，导致数据监测系统的建设规模也逐渐扩大。仪器仪表通常肩负测量及通讯两个功能，控制主站与仪器仪表之间既需要低压直流供电线路，又需要数据传输线路[7-13]。而直流载波通讯系统采用“供电母线+数据总线”的技术方案，使得供电线路与通讯线路合二为一，从而达到节省线缆和施工成本、线缆减重、提高系统可靠性的目的[14]。目前，该技术在电动汽车、光伏发电监测和重新布线费用昂贵的工业环境中有较高需求。

许多学者对直流载波通讯技术进行了研究。文献[15]为了解决测井过程中的数据传输问题，采用直流载波通讯技术对地面系统和井下系统进行供电通讯，但所设计的电路由于采用变压器耦合的方式，所占空间较大，无法应用于小型仪器仪表。文献[16]基于光电耦合器、三极管等元器件的基本原理，结合电路中电压、电流信号相互转换的功能，设计了一种基于两条直流供电线路半双工模式的载波通讯电路，但其通讯速率仅为2 400 bit/s，无法进行高速通讯且忽略了信号传输线路的固有属性对直流载波通讯系统的影响。文献[17]搭建了总传输距离为8 m 的多节点直流载波通讯实验平台，在1 MHz双节点传输工况下实现了28 V／100 W的直流功率与通讯速率为115.2 kbit/s、零误码率的信号同步传输，虽然通讯速率较快，但传输距离不超过21 m，无法满足长距离传输信号的需求。

综上所述，本文重点分析直流载波通讯系统的通讯原理和仪表用供电线路的固有属性对直流载波通讯系统的影响。针对系统在带大功率时变负载发送逻辑0 所导致的电压波形剧烈波动而造成数据读取错误、产生误码的问题，提出一种基于双电源的直流载波通讯系统。通过施加一个负电源来加速仪表用供电线路等效电容、电感的放电过程，使数据传输速率大幅度提升。该系统只需要3个MOS管和少量的外围器件，通过单片机（MCU）的控制信号就能实现主站向从站的供电和主从站之间的数据传输，并且传输距离可达1 000 m，通讯速率达9 600 bit/s，解决了目前直流载波通讯系统体积大、通讯速率低、传输距离短和通讯误码率高的问题。

1 系统结构

直流载波通讯系统的结构如图1 所示。为保证安全作业，直流电源电压一般不超过36 V。主站控制电路分为数据传输电路和接收处理电路两部分。其中，数据传输电路的作用是将直流电源输出的电压信号和主站控制芯片发送的数据信号耦合成混合信号发送给从站芯片；数据接收处理电路的作用是将从站发出的电流信号通过采样电阻转化为电压信号供主站芯片识别。从站控制电路同样也分为数据传输电路和数据接收处理电路两部分。其中，数据传输电路利用三极管是否投入小电阻来改变总线电流，从而达到传输数据信号的目的；从站数据接收处理电路则需要将主站发送过来的波形分解成电源供电和信号传输两部分，并将信号传输的波形经过硬件处理发送给从站芯片，从而将波形解耦成数据，根据主站发送的命令进行相应的反馈，同时也可以通过从站数据传输电路向主站进行相应的数据传输。负载稳压供电电路则是根据直流载波通讯技术的特点，在负载处并联一个电容以保证在数据传输过程中负载不会因信号传输而影响供电可靠性。

图1 直流载波通讯系统结构Fig.1 Dc carrier communication system structure

2 系统通讯原理

直流载波通讯技术主要针对小型仪器仪表与主站进行供电通讯，虽然其供电线路数学模型与电力系统分析的输电线路数学模型相同，但其在传输电压、电流、功率及距离等方面与电力系统分析的输电线路有着明显不同。为了将两者区分，本文称为仪表用供电线路。

直流载波通讯技术是一种复用仪表用供电线路进行数据传输的通讯方式，本质上是通过主站调制电路对电源所发出的电压波形进行调制，让其在特殊的时间段内可以在平稳的供电电压波形上载有1 个数据波，即主站发出的波形为“供电电压波形+数据传输波形”的模式。为保证负载的供电稳定性，供电电压波形必须为稳定的直流电压波形。而传统的二进制信息传输方法有二进制振幅键控（2ASK）、二进制相移键控（2PSK）和二进制频率调制（2FSK）。具体的信号调制形式如图2所示，其中S（t）为未经编码的原信号。

图2 2ASK、2PSK、2FSK 信号调制形式Fig.2 Modulation forms of 2ASK, 2PSK and 2FSK signals

传统的二进制信息传输方法的波形多为正弦波，但其较难耦合到直流信号上且波形衰减严重。为此，本文对2ASK进行改进，通过传输改变幅值的方波进行信号传输，具有解码、耦合简单、传输距离长的特点。

直流载波通讯的主从站波形传输示意如图3所示，其中Umark为高电平，Uspace为空闲电平。采用电压幅值的大小来表示逻辑电平的高低。主站到从站的数据传输是通过主站芯片控制总线电压变化，实现数据发送；而从站到主站的数据传输是通过从站改变总线电流，主站采集采样电阻两端的电压信号并发送到微控制单元（MCU）中，实现从站向主站回传数据。

图3 主从站逻辑传输示意Fig.3 Schematic of master-slave logic transmission

当前数据传输主要采用十六进制完成系统主从机间通讯，系统在通讯时需要表达的信息可以分为逻辑1、逻辑0和无信号3种信号模式。系统通讯的信号模式可以采用高电平、空闲电平和低电平3 种不同的电平模式。为保证安全，设置系统的电源电压（主机发出的高电平）为36 V。每个电源供电周期中都应该有1个较短的空闲电平，以区分从机上传和主机下传的状态，防止数据上传混乱和组件损坏。当选择空闲电平时，所选取的数值不能过大，在高电平供电条件下，系统主机电源向所有从机侧负载进行供电，此时系统总线上电流较大；当主机处于空闲状态时，不需要给从机侧负载进行供电，其系统总线上电流较小。这就导致主机在处于高电平时，下行数据中的高电平幅值会随着系统总线距离的延长而减少，而主机处于空闲状态时，所发出信号的电平幅值几乎不会随着系统总线的延长而改变。因此，直流载波通讯系统的末端从机在进行数据接收时，容易产生下行数据高电平电压和电源端空闲电平电压相等或接近的情况，导致系统从机无法正确解析主机传输的数据及命令。

综上所述，在对直流载波通讯系统空闲电平选取时，需要考虑多方面因素影响，例如各个仪器仪表的压降和线路压降等。在实际工程中，综合考虑系统的可扩展因素，以及仪器仪表所处现场复杂环境形成的线路压降、线路分布电容等因素的影响，总线最末端从机电压应大于12 V。但是，由于电源内阻及供电线路等原因，导致系统出现脉冲电流信号干扰现象，系统总线的电压将产生最大约3 V的波动，所以直流载波通讯系统高低逻辑电平之间的差值冗余度必须超过3 V。为了保证系统通讯的可靠性，如果无特殊情况，一般选择8 V 电压作为空闲电平可以满足要求。但系统传输数据时，如果发送数据全为逻辑0，上述编码方式会严重影响供电系统的可靠性，所以本文采用脉宽编码方式。脉宽编码方式是根据波特率来进行选择，当发送逻辑0时电源发送电压为0 V，即负载处完全断电。断电时间越长，系统的供电可靠性越差，因此数据传输速率越快越好，但必须保证数据传输的可识别性与准确性。为此，本文波特率采用9 600 bit/s，即逻辑0表示为xμs低电平且（104-x）μs高电平，逻辑1表示为104 μs高电平。

本文选取长度为1 000 m的仪表用供电线路的电阻与电容，得出在双电源技术情况下一次充放电时间约为10 μs。为保证良好的信号识别，采用44 μs 低电平且60 μs 高电平表示逻辑0，104 μs 高电平表示逻辑1，数据传输波形如图4所示。

图4 数据传输波形Fig.4 Data transmission waveform

直流载波通讯以帧的形式进行，数据帧包括起始字节、数据字节、校验字节和结束字节，主机和从机发出的数据帧长度固定。主机和从机解码时通过计算两个下降沿之间的时间来判断逻辑0 和逻辑1。采用脉宽编码方式，不仅提高了供电可靠性，而且抗干扰能力强，适用于直流载波通讯系统。

3 系统建模分析

3.1 仪表用供电线路特性分析

仪表用供电线路长度较短，并且线路上传送的信号频率高、波长短，故作为分布参数电路处理。任取仪表用供电线路1个微元dz来分析其特性参数，其等效模型如图5所示。这样仪表用供电线路可以等效为由多个等效电路（dz）串联而成的组合电路。

图5 微元仪表用供电线路等效模型Fig.5 Equivalent model of power supply circuit for micrometer

设微元dz的电压差为ΔU(z,t) ，电流差为ΔI(z,t) ，RZ为总电阻，LZ为总电感，CZ为总电容，GZ为总电导，z为线路传输距离，t为时间，dz为微元长度，Rdz为微元电阻，Ldz为微元电感，Cdz为微元电容，Gdz为微元电导，Rn为第n个负载，则有

由式（1）和式（2）可知，电导反映的是泄漏电流和空气游离（电晕）产生的有功损耗，在仪表用供电线路低压的情况下可忽略不计。但是，当电压信号由主站发往从站时，仪表用供电线路上的电阻会对其产生电压降落，随着线路长度的增加，线路总电阻也会随之增大，导致电压降落增大。对于低压直流载波通讯系统，线路电阻将严重制约直流载波通讯系统的传输距离。同时，线路的等效电容和电感可以看作是储能元件，在电压、电流不发生变化时，对电压降落几乎没有影响，但在电压变化时电容将严重阻碍其变化，导致系统无法高速传递数据。而系统带有大功率时变负载时，因电感具有续流作用，负载由小负载状态转换为大负载状态时，电压波形波动较为剧烈，极易造成误码问题，其数据传输波形如图6所示。

3.2 负载位置特性分析

直流载波通讯系统包含仪表用供电线路和负载。在实际工程中，负载具有随机性和不确定性，即物理模型也会因负载（即仪器）大小及位置的不同而不同。为此，本文针对负载均匀分布和负载集中分布两种负载位置分布进行比较。其中，负载均匀分布模型为负载大小相同且位置平均分配；负载集中分布参数模型为负载全部集中在线路末端。针对两种负载分布模型，分析负载的位置及大小对直流载波通讯系统数据可传输距离和可传输功率的影响。两种负载分布模型分别如图7和图8所示。

图7 负载均匀分布模型Fig.7 Load uniform distribution model

图8 负载集中分布参数模型Fig.8 Load centralized distribution parameter model

设Zs为直流载波通讯系统的传输距离，ure为信号接收端的电压，由式（1）和式（2）可得

由式（3）可知，数据可传输距离Zs除与R、L等线路固有参数有关外，还与电压和电流有关，而电流大小与负载所在位置有关。分别对负载均匀分布模型和负载集中分布参数模型进行分析，讨论负载位置及大小对数据可传输距离的影响。

在负载均匀分布模型中，将一段线路平均分成n段，每段带有一个相同的负载。假设每个负载需提供的电流为ΔI，此时线路上产生的压降ΔU1为

而在负载集中分布参数模型中，所有负载都处于线路末端。假设每个负载需提供的电流为ΔI，若带有n个相同的负载，则电源处应提供的电流为nΔI，此时线路上产生的压降ΔU2为

对比两种负载位置情况可以发现，两种负载模型的压降差值ΔU为

根据式（6）可以得出，在负载相同的情况下，负载均匀分布模型比负载集中分布参数模型多传输的距离Δz为

由于电源输出功率等于线损与负载功率之和，可分别计算得出两种负载模型所产生的线损。对于负载均匀分布模型，其线损ΔP1为

而对于负载集中分布参数模型，其线损ΔP2为

根据式（8）和式（9）可以得出，在电源输出功率及传输距离相同的情况下，负载均匀分布模型比负载集中分布参数模型多带的负载功率ΔP为

综上所述，对于线路上多节点的传输工况，除了电源侧或负载侧的阻抗外，传输节点间的距离及各节点阻抗等都会影响直流载波通讯系统的传输特性。

4 基于双电源技术对直流载波通讯系统的改良

线路等效电阻、等效电感和等效电容的数值越大，电压、电流变换速度越慢，传输信号的波特率越低，进而导致负载侧供电电容供电时间延长，负载侧的供电可靠性降低。所以本文采用双电源技术，在无法改变线路固有属性的前提下，可以增加负电源加速放电模块，加速仪表用供电线路等效电容放电过程。当直流载波通讯系统带有大功率时变负载时，为保证电压波形不跃变，需要利用双电源技术将电压稳定在0 V 后再进行负载状态变换，从而达到稳定波形的目的。

图9 为主站信号发射接收逻辑示意图。图10为从站信号发射接收逻辑示意图。图11 为主站信号发射电路。从图11 可以看出，通过主站中的MCU-1 控制开关元件，正常给负载供电时PMOS-1导通，开关NMOS-1关断，负载正常工作。当主站需要向从站发送信息时，先发送1 个起始位，然后若发送高电平则为正常工作状态，从站接收端接收高电平；若需发送1 个低电平，则先将PMOS-1 关断，NMOS-1 开通，快速将直流输电线路等效电容所储存的能量释放掉，然后再将NMOS-1关断，此时从站接收到约为0 V 的低电平，从而达成了主站向从站的数据传输。

图9 主站信号发射接收逻辑示意Fig.9 Logic block diagram of signal transmission and reception at master station

图10 从站信号发射接收逻辑示意Fig.10 Logic block diagram of signal transmission and reception at slave station

图11 主站信号发射电路Fig.11 Signal transmission circuit of master station

图12 为从站信号接收电路。如果从站信号接收电路不含供电稳压电容C1，当直流载波通讯系统在传输逻辑0和等待主站发出空闲信号时，主站电源并不会向负载提供功率，负载侧处于断电状态。为避免这种情况发生，需在负载处并联1个供电稳压电容C1，其作用如下：①在电源提供功率时，电容存储电能，而在电源断电状态时，由供电稳压电容给负载供电，保证负载侧的供电可靠性；②稳定负载侧因信号传输所改变的电压，保证负载侧电压的平稳。可见，供电稳压电容C1是直流载波通讯系统的重要组成部分。供电稳压电容C1可表示为

图12 从站信号接收电路Fig.12 Signal reception circuit of slave station

式中：P为可给负载提供的功率；U为负载侧的电压；U1为主站电源电压；I为负载侧的电流；ΔU为主站与负载之间产生的电压降落；t为C1给负载供电的时间。

放电时电容电压ΔUC可表示为

式中，U0为C1的初始电压。

由式（12）可知，数据传输时，供电稳压电容C1只能补充部分压降，这是因为时间较短导致电压降落不明显。

图13 为从站信号发射和主站信号接收电路，其中R13为采样电阻，输出2 在供电时段连接固定负载，但在信号传输时段连接无穷大负载。通过从站中MCU-2控制三极管是否投入小电阻R19，当R19投入时会短路无穷大负载，这时R13与线路电阻R19共同分压，比较器正极输入约为5 V，负极输入约为2.6 V；当三极管截止时，R13与线路电阻、无穷大负载共同分压，比较器正极输入约为3 V，负极输入约为8.0 V。可见，通过比较器电路可将逻辑1与逻辑0的信号波形转换为高电平为3.3 V和低电平为0 V的方波供主站中MCU-1识别，从而实现从站向主站的数据传输。图14 为数据为“00000000”时主站实际发出的波形。

图13 从站信号发射和主站信号接收电路Fig.13 Circuit for signal transmission at slave station and signal reception at master station

图14 数据为“00000000”时主站实际发出的波形Fig.14 Waveform actually sent by master station when data is “00000000”

对于不同的数据传输距离，负电压接入时间也不尽相同，但主机无法判断从机所需要的负电压接入时间，因此需引入负电压自适应程序，其流程如图15 所示。在直流载波通讯系统工作前，先由主站向从站发出1个周期为200 μs的方波，从机判断低电平时间的长短，若不符合低电平时间要求则向主站发送错误信号，主站接收到错误信号后对低电平时间进行修正后再次发出方波，直到从站发出可正常工作的信号。

图15 负电压自适应程序Fig.15 Negative voltage adaptive program

5 实验验证

为了验证直流载波通讯技术的准确性和双电源技术对其改善情况，本文搭建了3个载波通讯节点，分别位于100 m、500 m 和1 000 m 处，以此来判断负电源投入时间对直流载波通讯波形的影响。直流电源连接在主站控制电路，主站与从站之间通过仪表用供电线路连接。

图16 为主站发出数据后从站接收到的信号波形。可以看出，从站接收到主站发出的波形中，低电平逻辑0 并未到达0 V 且低电平不稳定，极易造成线路通讯误码率高的问题。

图16 未经处理信号传输波形Fig.16 Transmission waveform of unprocessed signal

图17 为在系统中施加负电源且施加时间不足时从站接收到的信号波形。可以明显看出，在施加负电源时，电压降落时间（电压降到0 V 所需时间）明显缩短，电压可达到0 V，但在负电源移除后，电容仍存有部分电能，造成低电平可达到近似0 V 但不稳定，也容易造成线路通讯误码率高的问题。

图17 负电源欠补偿信号传输波形Fig.17 Signal transmission waveform with undercompensation of negative power supply

图18 为负电源施加时间过长时从站接收到的信号波形。可以看出，在施加负电源时，电压急速下降，但过零点后继续下降到-36 V 并给电容重新充满电；在负电源移除后，电容缓慢放电直至0 V，若接入负载侧整流桥电路，则导致低电平时间近乎为0，极容易造成线路通讯误码率高的问题。图19为负电源完全补偿时信号传输波形，可以看出，在负电源作用下，波形质量得到了很好的改善。图20为主站接收从站传输波形，即从站发出的电流信号经主站小电阻转化为电压信号所接收到的波形。

图18 负电源过补偿信号传输波形Fig.18 Signal transmission waveform with overcompensation of negative power supply

图19 负电源完全补偿信号传输波形Fig.19 Signal transmission waveform with fullcompensation of negative power supply

图20 主站接收从站传输波形Fig.20 Transmission waveform received by master station

通过实验验证，直流载波通讯系统实现了供电线和数据传输线的复用，主从站数据都可以准确传输接收，负载侧在元件正常工作时不存在“断电”风险，即主从站通过仪表用供电线路实现了供电、通讯合二为一的功能。

6 结 语

直流载波通讯系统在实际工程背景下由于负载具有随机性和时变性，导致系统等效模型复杂多变。本文考虑仪表用供电线路固有属性及负载位置、大小对直流载波通讯系统的影响，重点分析了负载在均匀分布排列和集中分布排列两种情况下可传输距离及可带负载的差异；提出了利用双电源技术对直流载波通讯系统传输数据波形进行改善，解决了在带有大功率时变负载发送逻辑0时，电压波形剧烈波动造成数据读取错误、产生误码的问题，提高了数据传输效率及供电可靠性。最后通过实验验证，在传输电压为36 V 的工况下，实现了传输距离为1 000 m、传输速率为9 600 bit/s、多节点下的数据传输与供电。所提方法解决了仪器仪表供电通讯问题，可在有关同类应用场景中推广应用。