電力線通信的調(diào)制方式和支持的系統(tǒng)有哪些？

AFE031是一款應(yīng)用于電力線通信的模擬前端器件，可以作為電力線通信系統(tǒng)的收發(fā)器。本文將從AFE031應(yīng)用背景、基本框架及系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行介紹。

一. 應(yīng)用背景

PLC的收發(fā)器由模擬前端器件構(gòu)成，該環(huán)節(jié)對(duì)MCU發(fā)送的數(shù)字信號(hào)或從電力線接收到的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，從而保證信號(hào)能準(zhǔn)確、有效、可靠地在電力線上進(jìn)行傳輸。而AFE031正是一款優(yōu)質(zhì)的PLC模擬前端器件，可用于構(gòu)建支持SunSpec等協(xié)議的PLC系統(tǒng)，其與MCU的接口也如圖1所示。

二. AFE031基本概述

AFE031內(nèi)部高度集成，圖3是AFE031的功能框圖，其中，紅圈標(biāo)示了PLC的Tx模塊，藍(lán)圈標(biāo)示了PLC的Rx模塊，另外，紫圈標(biāo)示了其他輔助功能模塊，內(nèi)部資源豐富。

Tx模塊負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)送路徑信號(hào)進(jìn)行處理，其包含數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、增益可調(diào)放大器Tx_PGA、帶寬可調(diào)低通濾波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模塊內(nèi)，待發(fā)送信號(hào)被放大和濾波后送入功率放大器PA，PA以6.5V/V的固定增益進(jìn)一步將信號(hào)放大后輸出，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

Rx模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收路徑信號(hào)進(jìn)行處理，接收路徑上的環(huán)節(jié)依次是增益可調(diào)放大器Rx_PGA1、帶寬可調(diào)低通濾波器Rx_Filter 、可調(diào)增益放大器Rx_PGA2。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波處理后送入MCU的ADC以還原數(shù)字信號(hào)。

MCU經(jīng)SPI接口可對(duì)AFE031寄存器進(jìn)行配置從而改變Tx模塊及Rx模塊的放大器及濾波器參數(shù)，針對(duì)SunSpec應(yīng)用，Tx和Rx的濾波器可設(shè)置為CENELEC B/C/D檔，對(duì)應(yīng)截止頻率為145kHz。更多MCU與AFE031接口方式及調(diào)參方法請(qǐng)瀏覽SBOA130A及TIDA-060001。

AFE031的優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)如下：支持包括SunSpec在內(nèi)的多種協(xié)議;供電PA_Vs范圍大，為7-24V;輸出電流可達(dá)1.5A;接收靈敏性好，可檢測(cè)到低至20 μVRMS信號(hào);高度集成，資源豐富;配置靈活。

以上對(duì)AFE031基本框架、主要模塊功能作用以及優(yōu)勢(shì)做了一個(gè)基本的介紹，關(guān)于各模塊參數(shù)值、工作原理、寄存器配置的詳細(xì)介紹請(qǐng)參考AFE031數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖3. AFE031功能框圖

三. 基于AFE031的SunSpec PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

構(gòu)建基于AFE031的SunSpec PLC系統(tǒng)有幾個(gè)部分要重點(diǎn)考慮： Tx路徑、Rx路徑、電力線耦合電路、保護(hù)電路，下面將分別對(duì)這幾個(gè)部分的外圍電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

(1)Tx路徑

AFE031支持兩種Tx模式，分別是DAC模式和PWM模式，兩者的連接方式及外圍電路設(shè)計(jì)都有所差異，如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4. Tx路徑. (a) DAC 模式，(b)PWM模式

兩種模式都需設(shè)置PA輸入端交流耦合電容CIN以及PA限流值設(shè)置電阻RSET。而CIN作為高通濾波器，其取值決定于用戶需要的截止頻率fHP。SunSpec的較低頻率fm=131.25kHz，為預(yù)留一定裕量，應(yīng)設(shè)置fHP應(yīng)小于fm，CIN的計(jì)算公式為：

(1)

而RSET串接于PA_ISET引腳，RSET與限流值ILIM的關(guān)系式為：

(2)

兩種模式的區(qū)別在于，DAC模式下，MCU會(huì)通過(guò)快速中斷給AFE031發(fā)送正弦波離散值，雖然該過(guò)程會(huì)占用較多CPU資源，但傳送信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后，諧波含量很小，無(wú)需設(shè)置太多外圍濾波器;而PWM模式下，MCU直接通過(guò)外設(shè)ePWM給AFE031發(fā)送PWM波，這種模式下，MCU的配置很簡(jiǎn)單，但信號(hào)的諧波含量較大，需要設(shè)置外圍濾波器，如圖4(b)所示的RC低通濾波器Fd1和Fd2，可加強(qiáng)濾除PWM波的高次諧波。RC低通濾波器推薦使用電阻Rd為510Ω，截止頻率為fL，fL應(yīng)大于待傳送信號(hào)頻率。而SunSpec協(xié)議的最大載波頻率為fs=143.75kHz，所以fL應(yīng)大于fs，對(duì)應(yīng)的Cd1和Cd2的設(shè)置可參考以下公式：

(3)

(2)Rx路徑

Rx路徑如圖5所示，Rx路徑上，接收信號(hào)先后經(jīng)過(guò)外圍帶通濾波器F1及AFE031內(nèi)部Rx模塊。

由于電力線工作環(huán)境復(fù)雜， AFE031接收到的信號(hào)可能含有各種干擾，因此，有必要為Rx路徑設(shè)置一個(gè)外圍的帶通濾波器F1，F(xiàn)1是四階帶通濾波器，其設(shè)計(jì)可遵循以下原則：首先選定濾波器特征阻抗Zc，該值與傳輸線阻抗匹配，對(duì)于PLC應(yīng)用，可設(shè)定為1kΩ;然后確定電阻大小，兩電阻R1、R2起到分壓作用，當(dāng)選擇R1=R2=Zc，信號(hào)有-6dB的衰減，若選擇R1=Zc，R2=10Zc，則信號(hào)有接近0dB的增益;最后可按照以下公式確定剩下的LC參數(shù)：

(4)

其中f1是帶通濾波器的低頻截止頻率，f2是帶通濾波器的高頻截止頻率，針對(duì)SunSpec的應(yīng)用，f1應(yīng)小于fm，f2應(yīng)大于fs。比如可選擇C1=1.7nF，C2=1nF，L1=1.2mH，L2=1.5mH。

此外應(yīng)注意的是，Rx_Filter是一個(gè)單位增益四階低通濾波器，需要依靠?jī)蓚€(gè)外部輔助電容來(lái)正確配置濾波器，對(duì)于SunSpec所處的CENELEC B/C/D頻段，兩電容設(shè)置分別是CR1=270pF，CR2=560pF。

(3)電力線耦合電路

電力線耦合電路用于連接AFE031與電力線，使得信號(hào)能在兩者之間交互。交流電力線與直流電力線的耦合電路會(huì)有所區(qū)別，需分別介紹。

a. 交流應(yīng)用

對(duì)于交流應(yīng)用，電力線耦合電路如圖6所示，包含低壓側(cè)電容CLV、變壓器T、高壓側(cè)電容CHV，以及高壓側(cè)電感LHV。其中CLV的作用主要是隔絕低壓側(cè)偏置直流電壓，該電容應(yīng)對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗，常用10μF電容，其耐壓值應(yīng)大于稍后介紹的TVS鉗位電壓值。而CHV與變壓器T繞組電感構(gòu)成分壓器，CHV承受低頻交流大電壓VAC，而高頻信號(hào)經(jīng)變壓器耦合到低壓側(cè)。CHV的大小要根據(jù)無(wú)功功率限值VAlimit來(lái)設(shè)定：

(8)

其中fP為工頻，CHV的耐壓值應(yīng)高于電力線電壓。但根據(jù)VAlimit設(shè)置的CHV可能帶來(lái)較大的阻抗，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力不足，所以需要輔以LHV維持電力線路低阻抗，對(duì)于SunSpec，可以認(rèn)為兩載波頻率fm和fs的中心頻率為fb=137.5kHz，從而可以確定LHV的取值：

(9)

至于變壓器T的匝數(shù)比取值，可以根據(jù)負(fù)載獲得PA最大輸出功率的需求進(jìn)行匹配。假設(shè)VPA_out_peak和IPA_out_peak分別是PA輸出最大電壓和電流，高壓側(cè)等效負(fù)載為Rload，變比可參考下式：

b. 直流應(yīng)用

在低壓直流應(yīng)用中，可以不需要變壓器，僅以電容CDC耦合電力線與模擬前端電路，如圖7所示，直流母線電壓為TPS43060生成的24V，而耦合電容CDC常取為10uF，其額定電壓需大于直流母線電壓。另外，由于直流線路為低阻抗線路，且TPS43060輸出端對(duì)于高頻信號(hào)也呈低阻抗，PA輸出信號(hào)可能會(huì)從直流線路進(jìn)入直流電源然后被拉低，從而極大影響PA輸出擺幅，因此需要在電源側(cè)串聯(lián)電感LDC以提高電源輸出阻抗，如圖中的680uH，對(duì)SunSpec中心頻率的阻抗達(dá)到587Ω。需注意的是，此處為低壓直流場(chǎng)合，基于電容耦合，電力線側(cè)的地可與AFE031的地相接。

若應(yīng)用于高壓直流場(chǎng)合，應(yīng)避免兩地直接相連，須重新采用變壓器進(jìn)行隔離耦合，可參考圖8所示的EVM板Boost-AFE031框圖。

(4)保護(hù)電路

下面以直流應(yīng)用的保護(hù)電路為例進(jìn)行說(shuō)明。直流應(yīng)用的保護(hù)電路如圖9所示。其中TVS管是瞬態(tài)二極管，防止瞬間大電壓損壞AFE031，TVS的鉗位電壓應(yīng)稍大于PA_Vs/2，要在確保不誤觸發(fā)的前提下提高保護(hù)的可靠性。肖特基二極管D1-D2的作用是抑制持續(xù)過(guò)電壓對(duì)AFE01的影響。而由于D1-D2具有結(jié)電容，結(jié)電容的不平衡將導(dǎo)致直流偏壓不能維持在PA_Vs/2，分壓器Rb1-Rb2的作用正是要改善這種情況，使PA輸出有正確的直流偏置。穩(wěn)壓管Z的作用是穩(wěn)定AFE031的PA供電電壓PA_Vs。Lo-Co-Ro組合作為一個(gè)額外的噪聲或振鈴吸收器，選取的經(jīng)驗(yàn)值為Ro=4.7Ω，Co=1nF，Lo=1mH。

基于AFE031構(gòu)建SunSpec PLC系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，圖10和圖11分別是指令傳輸波形以及發(fā)送不同載波時(shí)對(duì)應(yīng)的波形頻譜?？梢?jiàn)該系統(tǒng)能順利執(zhí)行SunSpec PLC通信功能，而且諧波含量少，確保了PLC通信的可靠性。

AFE031作為一款PLC模擬前端器件，支持包括SunSpec在內(nèi)的多種PLC協(xié)議，能方便地實(shí)現(xiàn)可靠的PLC通信功能。其優(yōu)勢(shì)還在于有較大的供電電壓范圍、較大輸出電流、可檢測(cè)低至20μVrms信號(hào)的接收靈敏性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)選定的通信方式，通過(guò)SPI接口配置AFE031寄存器，并相應(yīng)地取定外圍濾波器參數(shù)，最后加上電力線耦合電路以及必要的保護(hù)電路即可完成系統(tǒng)構(gòu)建。

十三五”末，配電自動(dòng)化覆蓋率要求達(dá)到90%以上，各地區(qū)配電自動(dòng)化正全面推進(jìn)。由于配電自動(dòng)化覆蓋面廣、設(shè)備多、種類繁多。因此要實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化首先要解決可靠性通信問(wèn)題，才能保證配電自動(dòng)化系統(tǒng)可靠運(yùn)行。同時(shí)，在滿足可靠性供電的基礎(chǔ)上，如何降低造價(jià)，選擇合理的通信方式配合配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)變得尤為重要。

在配電自動(dòng)化建設(shè)過(guò)程中，從傳輸性能分析，采用集中式或智能分布式配電自動(dòng)化模式，配電終端需實(shí)現(xiàn)三遙，采用光纖通信方式由于具有中繼距離長(zhǎng)、傳輸容量大、傳輸質(zhì)量好，特別是具有不受高電壓、大電流影響的優(yōu)勢(shì)成為了首先的通信方式。

但是由于配電網(wǎng)覆蓋范圍大、通信節(jié)點(diǎn)分散且數(shù)據(jù)量小，鋪設(shè)光纜費(fèi)用高從而影響了性價(jià)比，因此在就地型重合器式及故障指示器模式中，配電終端實(shí)現(xiàn)二遙，一般采用無(wú)線專網(wǎng)或無(wú)線公網(wǎng)通信模式。電力線載波通信方式考慮到可能出現(xiàn)配電線路斷路或發(fā)生短路故障，通信可靠性得不到保障，而且使用這種方式由于對(duì)單一的工頻電能加入了其他頻率的通信信號(hào)，會(huì)不可避免的對(duì)電能質(zhì)量造成一定影響，因此在目前配電自動(dòng)化建設(shè)中基本停用，只在光纜很難到達(dá)的站點(diǎn)，作為配電自動(dòng)化通信的一種補(bǔ)充。

(1)明線通信：采用架空明線來(lái)傳遞電信號(hào)，這種方式易受自然災(zāi)害而影響通信質(zhì)量。

(2)電纜通信：采用埋設(shè)在地下的電纜來(lái)傳遞電信號(hào)。與架空明線比，電纜的優(yōu)點(diǎn)是容納線

對(duì)的數(shù)量較多，受氣候影響和外界的損害較少，埋在地下時(shí)，保密性較好。缺點(diǎn)是衰耗比明線大

得多，投資也比明線高。

(3)電力載波通信：利用高壓輸電線傳遞高頻信號(hào)，省去昂貴的線路投資，故目前大量采

用。電力載波通信要求在線路上增裝阻波器和耦合電容器，必須采用頻率分割和載頻阻塞法減小

各載波通道之間的電磁耦合串音影響。

(4)光纖通信：將要傳輸?shù)恼Z(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)信號(hào)先變成光信號(hào)，由光纖進(jìn)行傳輸。光纖通

信具有通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、中繼距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是造價(jià)較高。

(5)微波通信：將要傳播的信號(hào)調(diào)制在微波上進(jìn)行傳遞，微波通信與光纖通信類似具有容量

大，抗干擾能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由于微波在空間基本上是沿直線傳播，所以微波在地面的傳播距離

受到限制，為了進(jìn)行遠(yuǎn)距離微波通信，常在兩個(gè)通信點(diǎn)之間設(shè)立多個(gè)接力站，將信號(hào)一站一站地

傳遞下去，這種方式稱為微波中繼通信。

(6)衛(wèi)星通信：適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)通信。通話時(shí)，有時(shí)間延遲和回聲。由于運(yùn)行費(fèi)用高，話路

數(shù)量受到一定的限制。

電力線通信技術(shù)是將攜帶有數(shù)據(jù)的電信號(hào)調(diào)制到電力線上，使用供電電力線作為信道進(jìn)行通信的方式，具有成本低、方便快捷和易于組網(wǎng)的特點(diǎn)。將電力線通信技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的電力線通信系統(tǒng)，具有嵌入式系統(tǒng)的專用性、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)，在電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，是電力線通信技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。

本文主要研究可在電力系統(tǒng)通信主站和從站終端中運(yùn)行的遠(yuǎn)動(dòng)通信應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在對(duì)電力遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議和相關(guān)報(bào)文格式分析的基礎(chǔ)上，論文通過(guò)UML建模，分析軟件的主程序類關(guān)系以及總召喚、單命令遙控等應(yīng)用功能的執(zhí)行過(guò)程，并在Msual Studi0 2010平臺(tái)上完成了軟件的界面設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)。軟件的主界面分為四個(gè)部分：系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、電力線設(shè)置和應(yīng)用，其中實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)動(dòng)通信的應(yīng)用功能的主要是應(yīng)用界面及系統(tǒng)界面中的網(wǎng)絡(luò)管理部分。應(yīng)用界面中的應(yīng)用功能部分是軟件的核心，主要實(shí)現(xiàn)總召喚、單命令遙控召喚等遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約中定義的應(yīng)用功能的選擇和參數(shù)設(shè)置，以及對(duì)應(yīng)用功能執(zhí)行過(guò)程的控制。除此之外，應(yīng)用界面中的應(yīng)用方式、統(tǒng)計(jì)方式、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示等部分分別實(shí)現(xiàn)了主從方式和從站地址的設(shè)置、應(yīng)用功能報(bào)文的統(tǒng)計(jì)、收發(fā)報(bào)文的解析和動(dòng)態(tài)顯示功能。系統(tǒng)界面中的網(wǎng)絡(luò)管理部分實(shí)現(xiàn)了在主站對(duì)各個(gè)從站當(dāng)日收發(fā)報(bào)文的數(shù)量、時(shí)延和在線時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。

測(cè)試結(jié)果表明，本軟件能夠運(yùn)行于與電力線通信嵌入式系統(tǒng)相連接的主站和從站終端設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)總召喚、單命令遙控召喚等多個(gè)應(yīng)用功能的正常執(zhí)行，完成完整的遠(yuǎn)動(dòng)通信過(guò)程。同時(shí)軟件可以對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示和監(jiān)督，并在主站進(jìn)行各個(gè)從站通信狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)。