電力載波的通信模塊與終端電路如何設(shè)計(jì)？

在電力供配電系統(tǒng)中，配電變壓器監(jiān)測終端(TTU)用于對配電變壓器的信息采集和控制，它實(shí)時(shí)監(jiān)測配電變壓器的運(yùn)行工況，并能將采集的信息傳送到主站或其他的智能裝置，提供配電系統(tǒng)運(yùn)行控制及管理所需的數(shù)據(jù)。一般要求TTU能實(shí)時(shí)監(jiān)測線路、柱上配電變或箱式變的運(yùn)行工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理事故和緊急情況，并具有就地和遠(yuǎn)方無功補(bǔ)償和有載調(diào)壓的功能。由此可見，TTU除具有數(shù)據(jù)采集與控制功能外，另一個(gè)重要功能就是通信功能。

電力線載波通信技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代初期，它以電力線路為傳輸通道，具有可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。電力線載波又分為高壓電力線載波(電力線載波中通常指35 kV及以上電壓等級)、中壓電力線載波(10 kV電壓等級)和低壓電力線載波(380/220 V電壓等級)。

1 、配變監(jiān)測終端通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

1.1配電自動(dòng)化對TTU通信的要求

根據(jù)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，配變監(jiān)測終端TTU對上應(yīng)能與配電子站或主站進(jìn)行通信，將終端采集的實(shí)時(shí)信息上報(bào)，同時(shí)接收子站/主站下達(dá)的各種控制命令，對下要求可與附近的配變監(jiān)測終端(TTU)或其他智能設(shè)備進(jìn)行通信。因此，對配變監(jiān)測終端通信功能的要求比較嚴(yán)格，無論通信方式、通信協(xié)議、通信接口都要滿足配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，主要包括：

(1)通信的可靠性：配變監(jiān)測終端的通信應(yīng)能抵制惡劣的氣候條件，如雨、雪、冰雹和雷陣雨，還有長期的紫外線照射、強(qiáng)電磁干擾等。

(2)較高的性價(jià)比：考慮通信系統(tǒng)的費(fèi)用，選擇費(fèi)用和功能及技術(shù)先進(jìn)性的組合，追求性價(jià)比。

(3)配電通信的實(shí)時(shí)性：電網(wǎng)故障時(shí)TTU快速及時(shí)地傳送大量故障數(shù)據(jù)，配變監(jiān)測終端的通信系統(tǒng)必須具有雙向通信的能力，具有半雙工或全雙工的能力。

(4)通信方式的標(biāo)準(zhǔn)化及通用性：配變監(jiān)測終端的通信系統(tǒng)包括發(fā)送器、接收器。使用中常常需要與其他配電設(shè)備進(jìn)行通信，因此應(yīng)盡量選擇具有通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的通信方式及設(shè)備，便于使用和維護(hù)。

1.2 TTU通信模塊的構(gòu)成

1.2.1 通信模塊的整體框圖

TTU的通信模塊整體框圖如圖1所示。

基于電力線載波芯片ST7538實(shí)現(xiàn)TTU通信模塊的設(shè)計(jì)接口通過電力線接收來自主站的命令信息，經(jīng)過濾波放大后，命令經(jīng)過解調(diào)送到控制器，然后控制器通過串口將主站命令發(fā)送給數(shù)據(jù)采集與處理模塊。數(shù)據(jù)采集與處理模塊根據(jù)接收到的主站命令對配電變壓器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過分析處理后，將數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送給通信模塊的控制器，再經(jīng)過調(diào)制，經(jīng)由接口發(fā)送到電力線上，等待主站接收。

1.2.2 電力線載波芯片的選擇

在電力線載波通信中，電力線載波芯片起著至關(guān)重要的作用，它直接影響到信息的準(zhǔn)確傳送，因此電力線載波芯片的選擇是十分重要的。

XR2210/XR2206套片或LM1893是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片，并不是專門針對電力線載波通信設(shè)計(jì)的。LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的modem芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式，它只是對一般FSK調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進(jìn)，目前，這兩款modem芯片在國內(nèi)基本沒有采用。SSC P300是Intellon公司采用現(xiàn)代通信技術(shù)設(shè)計(jì)的電力線載波modem芯片。它采用了擴(kuò)頻(Chirp方式)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議，可稱為智能modem芯片，體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢。但它是Intellon公司按北美地區(qū)頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。頻率范圍100 kHz“400 kHz，電網(wǎng)電壓480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz，不適合我國50 Hz電網(wǎng)頻率。ST75xx芯片是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通信而設(shè)計(jì)的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號處理手段，目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

本文選用SGS-THOMSON公司的電力線載波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片。ST7538內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，內(nèi)部具有電壓自動(dòng)控制和電流自動(dòng)控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中，可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠通信。ST7538還提供了看門狗、過零檢測、運(yùn)算放大器、時(shí)鐘輸出、超時(shí)溢出輸出、+5 V電源和+5 V電源狀態(tài)輸出等，大大減少了ST7538應(yīng)用電路的外圍器件數(shù)量，是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片，為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采取了多種抗干擾技術(shù)。

1.2.3 硬件電路的設(shè)計(jì)

通信模塊包括微處理器部分、載波部分、信號濾波部分和電力線信號耦合保護(hù)部分。整個(gè)通信模塊各部分的連接如圖2所示。

微處理器選擇ARM芯片，它與TTU的數(shù)據(jù)采集與處理模塊通過串口進(jìn)行通信，及時(shí)發(fā)送主站的命令以及傳送TTU采集到的配變數(shù)據(jù)。

電力線載波芯片ST7538與微處理器之間通過SPI口進(jìn)行通信，通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以實(shí)現(xiàn)微控制器與ST7538的數(shù)據(jù)交換。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的狀態(tài)決定。微處理器與ST7538之間的通信采用同步方式，CLR/T作為參考時(shí)鐘。ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，RxTx為低，待發(fā)數(shù)據(jù)從TxD腳進(jìn)入ST7538，時(shí)鐘上升沿時(shí)被采樣，并送入FSK調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、濾波和自動(dòng)電平控制電路(ALC)，再通過差分放大器輸出到電力線。ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，RxTx為高，信號由模擬輸入端RAI腳進(jìn)入ST7538，經(jīng)過一個(gè)帶寬±10 kHz的帶通濾波器，送入一個(gè)帶有自動(dòng)增益AGC的放大器。此信號再經(jīng)過解調(diào)、濾波和鎖相變成串行數(shù)字信號，輸出給微處理器ARM。

信號濾波部分包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。輸入濾波電路采用并聯(lián)電流諧振電路，濾除指定頻率以外的無用信號和噪聲。輸出濾波電路采用串聯(lián)電壓諧振電路，避免無用信號耦合到電力線上。

電力線信號耦合保護(hù)電路由功率放大器、輸出保護(hù)匹配電路和輸入增益平衡匹配電路3個(gè)基本部分組成，其耦合方式采用電容耦合。

電力線載波通信是利用電力線作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。它使用現(xiàn)有的電力線，無需重新布線，只需要在發(fā)送端將信息信號注入到電力線上，然后在接收端通過解調(diào)技術(shù)將信號從電力線上提取出來。

其工作原理是將需要傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換成適合在電力線上傳輸?shù)男盘?，然后通過電力線進(jìn)行傳輸，接收端再通過解調(diào)技術(shù)將信號還原成原始信息。具體來說，電力線載波通信的調(diào)制方式通常是采用調(diào)幅調(diào)制(AM)或調(diào)頻調(diào)制(FM)，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為高頻載波信號，然后通過電力線進(jìn)行傳輸。在接收端，通過解調(diào)器將高頻載波信號還原為原始數(shù)據(jù)信號。

電力線載波通信的優(yōu)點(diǎn)包括無需重新布線、覆蓋范圍廣、高速傳輸、安全性高、便于維護(hù)等。同時(shí)，它也存在一些缺點(diǎn)，如電力線上的噪聲干擾較大、傳輸速率受到一定限制等。目前，電力線載波通信技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能家居、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、醫(yī)療監(jiān)控等領(lǐng)域。

電力線載波通信在以下行業(yè)有廣泛應(yīng)用：

智能家居：智能家居控制網(wǎng)可用電力線載波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其原理是將電力載波技術(shù)集成后嵌入到各電器中去，并利用家庭現(xiàn)有的電力線作為載波通信媒介，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備之間的通信與控制。

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)(AMR)：遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表(AMR)系統(tǒng)是智能控制網(wǎng)的重要應(yīng)用之一。它可以使電力供應(yīng)商在提高服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)降低管理成本;并讓用戶有機(jī)會充分利用各種用電計(jì)劃(如分時(shí)電價(jià))來節(jié)省開支和享受多種便利。

醫(yī)療監(jiān)控：利用已有電力線網(wǎng)絡(luò)，可以在醫(yī)院或家庭建立起醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)重癥監(jiān)護(hù)功能，病人的血壓、心率、癥狀等信息可以在家里通過電力線監(jiān)控網(wǎng)傳送至小區(qū)控制中心，再通過公共電話網(wǎng)或Internet傳送到較大的醫(yī)療單位，進(jìn)行分析、處理和監(jiān)護(hù)。

在模塊設(shè)計(jì)方面，電力線載波通信模塊主要包括以下幾部分：

載波通信芯片：載波通信芯片是電力線載波通信模塊的核心部件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)。

濾波電路：濾波電路用于濾除電力線上的噪聲和干擾信號，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?

驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路用于將調(diào)制后的信號放大并耦合到電力線上進(jìn)行傳輸。

信號檢測電路：信號檢測電路用于檢測電力線上的信號并進(jìn)行解調(diào)，提取出有用的數(shù)據(jù)信息。

微控制器：微控制器用于控制整個(gè)模塊的工作流程，處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

接口電路：接口電路用于與外部設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

電力線載波通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：

經(jīng)濟(jì)可靠：利用電力線路進(jìn)行信息傳輸，無需新敷設(shè)通信線路，降低了成本;同時(shí)，電力線路覆蓋范圍廣，能夠覆蓋到電力線路覆蓋的區(qū)域，適用于城市和農(nóng)村等各種環(huán)境。在兩端增加載波機(jī)和高頻阻波器及結(jié)合設(shè)備后，通信距離在30～50km以上時(shí)，比一般有線通信便宜。

高速傳輸：電力線載波通信采用數(shù)字通信技術(shù)，具有傳輸速度快、誤碼率低的特點(diǎn)，能夠滿足各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?

便于維護(hù)：由于電力線載波通信的設(shè)備和線路與電力系統(tǒng)共用，因此便于維護(hù)和管理。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，電力線載波通信的設(shè)備也可以正常工作，無需特殊的維護(hù)和管理。

安全性高：電力線載波通信采用加密技術(shù)，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，防止?shù)據(jù)泄露和被攻擊。

支持遠(yuǎn)程管理：電力線載波通信設(shè)備可以通過遠(yuǎn)程管理的方式進(jìn)行控制和監(jiān)測，方便管理人員隨時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸情況。

多功能性強(qiáng)：電力線載波通信設(shè)備具有多功能性，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、控制等多種功能，滿足各種應(yīng)用場景的需求。

總的來說，電力線載波通信具有經(jīng)濟(jì)可靠、高速傳輸、便于維護(hù)、安全性高、支持遠(yuǎn)程管理、多功能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。