低压电力线载波通信的接口电路设计

一、前言

电力线通信，简称PLC（Power Line Communication），是以电力网作为信道进行载波通信的一种有线通信方式。电力线载波通信与其他通信方式相比，能充分利用现有的电力线资源，即利用电力线进行通信，实现信息的传输。因而，电力线通信具有很好的开发前景和应用价值。

最近,英国在电力线媒介开发方面取得了突破性进展,用户可通过电力线进入Internet网,它从简单的数据传输提高到了网络联接。法国已推出了电力线调制解调器集成电路,使住宅智能化产品向市场化方向进一步推进。电力线通信目前在欧洲（德国、英国、瑞典等）发展得较快。德国与英国是目前世界上唯一制定电力线通信规则的国家。中国电力系统已组建国电通信中心，并向信息产业部正式申请了牌照。国家电力公司计划在2015年建成全国统一的联合电力网通信系统，其前景极其可观。

但是，低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道，有许多问题有待进一步研究。低压电力线传送着220V/50Hz的电能，在低压电力线上并接了许多不同阻抗的用电器。低压电力线的这一固有特点，给低压电力线通信带来了很大的困难。因此，低压电力线通信必须首先解决以下两个难题：

（1）电力网50Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰；同时，考虑到整个通信系统的安全，必须进行强电隔离；
（2）低压电力线上并接的所有用电器的“统计载波阻抗”要高，以确保较高的载波信号加载效率。

上述问题，正是低压电力线通信的接口技术问题，下面从这两方面介绍其设计原理和实现方法。

二、接口电路的模型

根据低压电力线通信接口技术的要求：一方面，必须进行强电隔离；另一方面，要确保较高的载波信号加载效率。为此，必须采用“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”，其接口电路模型如图1所示。  


  
该电路的关键物理量是2个回路中的电流i1(t)和i２（t)。由基尔霍夫第二定律可得出该电路的数学模型：



对（1）式，通过不同的处理将得到不同的数学模型。对图1所示的双RLC耦合回路进行去耦处理，得到２个独立的RLC串联回路。对（1）式求导，则可得到二元二阶方程组：



（2）式同时含有2个未知函数i１(t)和i２（t)的二阶导数，不便直接求解。

若将RLC串联回路表示成二元一阶方程，则由２个RLC回路便可得到四元一阶方程组：



该方程组含有４个未知数：i１(t)，i２（t)，

，

。其定解条件，直接由电路的初始储能情况给出，当无初始储能时，为齐次初始条件，即：



设所有电路元件都是非时变性元件，则所对应的常系数线性一阶常微分方程组，可转化成线性代数方程组进行求解。

三、接口电路的实现

根据上述的理论分析与建立的数学模型，可设计出低压电力线通信发送端的接口电路，如图2所示。


  
在发送电路中，三极管Q1和变压器T1组成调谐功率放大电路。这里谐振变压器T1有着双重作用：一方面，耦合载波信号；另一方面，使通信电路与220 V/50 Hz的强电隔离。在Q1和前级运放之间通过一个电路R1耦合载波信号，这个电阻还可避免后级电路产生自激振荡，此电阻的另一功能是增加放大器的负载阻抗。

前级运放输出的信号经R1输入到功率放大管Q1，再经Q1和谐振网络组成的单调谐放大器放大耦合到交流电力线上。其调谐回路的谐振频率应满足：



若将中心频率选在460 kHz，电容取值为22nF，经计算可得电感L的取值在5.3μH左右，即通过调节变压器初级绕组电感量来调节中心频率。
变压器T1将电力线与接口电路的其余部分相隔离，将发送信号送至电力线；从电力线上取接收载波信号；滤除来自电力线上的干扰噪声。
信号经L1、L2、C1、C2耦合至电力线上，C1、C2、L1、L2组成了带通滤波器，而低压电力线阻抗R具有时变特性。由此，可计算出C1、C2、L1、L2和低压电力线阻抗R组成的双口网络的电压转移函数：



四、接口电路的仿真

根据该接口电路的电压转移函数，对此双口网络进行了计算机仿真分析。这里，着重分析了在不同的低压电力线阻抗条件下，此带通滤波器的通频带，即该接口电路的频率特性。其频率特性是评价该接口电路耦合性能的一项重要指标。仿真显示了当电力线电阻为2 Ω、5 Ω、10 Ω、15 Ω、30 Ω、50 Ω、100 Ω时，通频带的情况，其频率响应曲线如图3所示。  


  
从图3的分析结果可见：电力线阻抗越大，接口电路的通频带越宽，对信号的耦合性能就越好，但选择性差；电力线阻抗越小，接口电路的通频带越窄，对信号的耦合性能就越差，但选择性好。经统计分析得知，低压电力线的统计阻抗一般在5～15 Ω之间［６］。因此，所使用的429～503kHz的信号均在通频带（衰减小于3 dB）范围内，也就是说，以460kHz作为低压电力线通信接口电路的中心频率是合理的。一方面，满足了载波发射高阻抗的要求，提高了载波的加载效率；另一方面，在满足信号的耦合性能的同时，也兼顾了对频率选择性的要求，从而提高了系统的抗干扰能力。

在电路的具体安装和调试过程中，通过调节电感磁芯来调节电感量，使通频带达到最佳。电容选用22 nF/450 V，电感量在5～6 μH之间。
关于接收端接口电路的设计，其基本原理和分析方法是相同的，这里不再重述，而直接给出低压电力线接收端接口电路，如图4所示。图4中的二极管D1、D2起限幅作用，用来保护后续电路。  


  
通过实验，发射端接口电路和接收端接口电路都达到了设计要求。应用该接口电路进行低压电力线通信实验，取得了很好的通信效果。