低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置.pdf

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1、低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置李建岐1,胡 岚1,米 硕2(11 中国电力科学研究院通信所,北京100085;21 滦南县电力局,河北 滦南063500)摘要:电力线耦合装置是电力线载波通信系统中关键环节之一,一个安全、高效、简易的高频载波信号耦合装置是实现电力线通信的基础。文中首先从低压配电网网络结构和传输信号特性的角度,分析了耦合装置的结构和频带要求,并研究了配电网高频阻抗特性,提出了设计耦合装置的主要原则。最后介绍了常用的两种宽带耦合技术及其装置的具体实现。关键词:电力线通信;高频载波;宽带耦合;低压配电网中图分类号:TN915.853文献标识码:B 文章编号:1005-7641

2、(2004)04-0007-04收稿日期:2004-02-10作者简介:李建岐(1969-),男,陕西岐山人,工程师,从事电力系统自动化及电力系统通信的研究开发工作;胡岚(1977-),男,四川南充人,工程师,从事电力线通信的研究开发工作;米硕(1967-),男,河北唐山人,工学学士,工程师,主要从事电力调度自动化和电力系统通信等方面的运行和管理工作。0 引言电力线耦合装置伴随着电力线载波通信的应用和发展已有几十年的历史,在传统的中、高压输电线载波通信系统中,主要是基于点对点传输的语音和低速数据通信,载波频率在500 kHz以内,载波通道阻抗基本稳定,其设计和应用技术已经成熟和完善。近几年来,

3、低压配电网电力线高速数据通信技术的研究和应用已成为电力线载波通信技术的一个热点,其使用的载波频率高达40 MHz,数据速率也已到200 Mbits,主要应用于互联网最后一公里的接入、数字家庭网络等,这已完全不同于传统的输电线载波通信系统。传统输电线载波通信中已成熟的窄带耦合技术也不能适用于高速宽带信号的传输,困而研究高频载波信号的宽带耦合技术很有必要。在低压配电网高速电力线载波通信系统中,主要的载波信号耦合技术有电容耦合及电感耦合两种。本文将对这两种宽带耦合技术及其耦合装置的设计及实现进行介绍。1 耦合装置的技术要求配电线路是根据供电的需要和要求而设计的,以何种模式传输高频载波信息,不仅要考虑

4、信息传输的可靠性,而且要考虑配电网现有的实际结构及网络运行方式,以便在此基础上分析研究配电网载波通信的网络特性及高频信号的传输和阻抗特性要求。1.1 低压配电网结构及其特性低压配电网通过中压 低压配电变压器受电,380220 V的低压配电线路一般不超过250 m。从配电间到进户配电箱的典型网络拓扑为辐射状树型复合结构,低压电力网可以由地埋绝缘电缆、架空绝缘电缆或架空裸导线及开关装置等组成。每条低压线向若干低压用户供电。在运行方式上也可采用互连方式,这样线路开关会由于一些原因而进行必要的操作,所以低压网的结构是动态变化的。从进户配电箱到用户室内电力线的典型网络拓扑主要也是辐射状树型复合结构。单总

5、线的结构多用于未改造的老式住宅或农村居民住宅。低压电力线可以是墙埋绝缘电缆、架空绝缘电缆。从上述对中、低压配电网的结构和运行方式的介绍可知,配电网相比于传统的中、高压输电线网络,差别很大。中、高压输电线载波通信基于网络结构较为简单的输电网,实现长距离点到点的数据传输;同时为了保证通信的良好性能,在变电站及输电线T型分支处都装有阻波器,有效地隔离了负载及线路阻抗的变化对载波通信的影响。然而,这样的方式在配电网是行不通的。配电网是一个开放式的网络,载波通信是利用其固有的配电线网络拓扑,辐射状树型结构,通信是点对多点的模式。高频载波信号会沿着配电网线路传输到配电网络的每一条分支及线路的每一个节点;同

6、时,每一个节点都会同时作为信号发送的源点或信号接收的目的节点。另一方面,配电网电力线的信道特性是十分恶劣的。配电网电力线是用来传输工频电流的,利用配电线建立数据通道存在不少困难。主要表现在:高频载波信号传输衰减大,噪声电平高,各种干扰多,线路耦72004年第4期 电 力 系 统 通 信 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.合阻抗随时会有不可预测的变化。因此耦合装置应能够适应一定的阻抗波动,抑止电力线路工频及谐波噪声。另外,在电力线上通信,对与强电电力线直接连接的耦合装置的安全性要有较高的要求。

7、1.2 频带的要求载波通信使用的信号频率范围随电力线载波通信系统应用的不同而不同,相应的耦合技术和耦合装置也有所差异。传统的输电线载波通信系统基于点对点的中继或转发,传输一路或几路语音电话或低速数据信息。所使用的信号频率范围,我国相关标准规定为40500 kHz,北美为9450 kHz,欧洲CENELEC规定为9148.5 kHz;工作频带为基本频带(4 kHz或5 kHz)的N(为自然数1,2,3,4)倍,数据传输速率不超过100 kbits,属于窄带传输。配电网电力线高速数据通信系统的数据传输速率大于100 kbits。这样原有的500 kHz以内的信号频带,由于电力线固有的信道特性,已远

8、远不能够提供Mbits级的数据传输。现有的配电网电力线高速数据通信系统所使用的信号频率,已突破500 kHz的限制,在138 MHz的频率范围,应用先进的调制解调技术和编码技术提供高达200 Mbits的高速数据的传输,属于宽带信号的传输。相应的耦合技术和耦合装置已不能采用原有成熟和完善的窄带耦合技术和设备,并将采用工作在138 MHz范围内的高频宽带信号频带。1.3 工作衰减的要求电力线耦合装置的工作衰减主要包括耦合装置的固有衰减和附加衰减。固有衰减通常较小(13 dB),主要的衰减是附加衰减,这主要是由于阻抗的失配引起的。耦合装置的负载阻抗等效于其接入点处的电力线路阻抗,在传统的输电线载波

9、通信系统中,传输线路一般只有一条,分支少,且一般终接阻波器,线路的负载阻抗基本等于传输线路的特性阻抗,稳定在200400,比较理想。而对配电网电力线路,线路的负载阻抗与线路的特性阻抗差别很大,由于配电网结构及负载的随时变化,不同频率点的线路特性阻抗和负载阻抗都会随时改变。为了改善耦合装置的工作衰减特性,应尽可能的减少高频阻抗的失配,满足宽频带范围内基本平坦又较低的工作衰减,这就给耦合装置的设计和应用带来了较大的困难。1.4 高频载波信号特性分析在配电网电力线上建立高速数据通信系统,载波信号频率大于1 MHz是必要的,然而电力线信道的传输特性对在此高频段上传输高速数据是不利的。由于配电网复杂的网

10、络特性和恶劣的通道特性,实现高速宽带通信必然要采用复杂的通信调制技术和编码技术。正交频分复用(OFDM)调制技术是近年来快速发展起来的一种新的调制技术,它能够有效地克服电力线恶劣的信道特性,也是在电力线通信系统中应用最多的一种调制方式。然而,OFDM调制要求在宽频带范围内具有传输特性的线性、低时延和相移特性,以适应从几百kbits至几十Mbits的高速数据传输。这就要求电力线耦合装置具有较理想的信号频率特性,以满足高频载波调制信号线性传输的要求。1.5 配电网高频阻抗特性的分析低压配电网络的高频阻抗特性分析计算和实际测试结果表明,在380 V低压配电网中,高频输入阻抗与频率有关,并具有较强的时

11、变性和差异性,即在不同的时段不同的地点阻抗的变化明显。随着电网负载的变化,输入阻抗也会变化。一般来说,在500 kHz以下的中、低频段,阻抗值很低,在0.120内变动。随着频率的增加,输入阻抗有增大的趋势,尤其在250 kHz以上频段。在500 kHz以上的中、高频段,随着频率的增加,高 频 输 入 阻 抗 缓 慢 增 加,并 基 本 稳 定 在2080,阻抗随频率变化的波动也没有低频段剧烈,输入阻抗变化的时变性和差异性不大,比较有利于高频信号的传输。2 耦合装置的设计原则通过上面的分析,我们确信设计低压电力线高速通信耦合装置的主要原则应是:(1)能够适应低压配电网开放式的网络结构及其复杂多样

12、的网络特性,在保证安全性、可靠性的前提下,提供高效的耦合效果,同时克服不利的电网网络特性及电力线信道特性;(2)要满足高频宽带信号的传输要求,提供足够宽的带宽,带内具有良好的频率、相位特性及阻抗特性,以及较小的工作衰减等;(3)应考虑到实际应用,装置应简易、经济,便于现场的安装使用。3 宽带耦合装置的设计及实现在电力线载波通信系统中,载波信号耦合方式有电容耦合、电感(变压器)耦合、陶瓷电真空耦合及天线耦合等几种方式,在低压配电网高速载波通信系统中常用电容耦合和电感耦合两种方式。3.1 电容宽带耦合装置电容耦合是采用耦合电容器为主要元件的耦合方式,用一高频电容来连接高频载波信号的输入、输出端与电

13、力线接入点(电源插座、配电开关母线等),电容性耦合装置(CU)属于一种直接耦合装置,将高频载波信号直接注入到电网,同时从电力线上接收高频载波信8 电 力 系 统 通 信 2004年第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.号。一种简单的电容耦合电路如图1所示。图1 电容耦合装置原理高频电容一端连接电力线,另一端与耦合变压器相连。该电容为高压电容(耐压值 275 V),既耦合高频载波信号,又起到高压工频隔离的作用,耦合电容C1选取0.01F较为合适。耦合变压器T1不仅具有隔离作用,同时也实现了

14、信号线平衡 不平衡的变换及阻抗的变换作用。由耦合电容C1和耦合变压器T1的初级线圈组成高通滤波电路,阻止了50 Hz工频电流,并尽可能的减少衰减低频噪声及干扰信号,而对高频载波信号,提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性。由于要实现138 MHz范围内甚至更高频段宽带信号的耦合,耦合变压器T1的设计和制作十分关键。普通的电子变压器只能实现从几十Hz到105Hz量级的信号耦合,限制变压器工作带宽的主要因素在于线圈绕组间的漏感和分布电容。为了使耦合变压器T1工作于高频段,并展宽工作频段和改善其响应特性,采用传输线原理与变压器原理二者结合的所谓传输线变压器,可以工作到更高的频段,满足高频宽带载波信号

15、的耦合要求。在制作T1时应采用以下措施:(1)尽量减少线圈的漏感和分布电容,为此,可将初、次级线圈绕在环形铁氧体磁芯上,匝数要少,匝间距离要大(即绕得稀些);(2)减少磁芯的功率损耗,采用高频铁氧体作磁芯,如镍锌铁氧体(NXO系列);(3)为了展宽低频响应,要求初级线圈的电感大,为此应采用高导磁率磁芯,加大环形磁芯截面积,适当增加匝数。一种常用的耦合变压器如图2所示。其设计输入阻抗为50,初级线圈电感值约10H。图2 耦合变压器T1实物图 实际使用中,由于耦合电路直接与电力线连接,必须考虑安全及绝缘,还应防止电网上的强干扰及过压(如雷击、开关操作时的冲击等),因而保护元件压敏电阻MOV100及

16、瞬态抑制二极管D1是必须的。该电容耦合电路的滤波特性测试结果如图3所示,基本满足了设计及使用要求。该电路既可以内置于设备中,也可以作为单独的装置外置使用。图3 电容耦合装置滤波特性测试曲线3.2 电感宽带耦合装置电感耦合又称变压器耦合,基于变压器电磁感应耦合的原理,将电力线导线作为副边线圈,而将高频载波信号线作为原边线圈,通过一个高导磁率的磁芯或磁环构成了一个信号传输变压器,等效原理如图4所示。这里将调制解调设备CPE的信号源等效为电流源,原边电流源信号,由电磁感应(电磁耦合)到副边电力线路上去;反之,副边电力线路上的高频信号的变化也会感应到原边高频信号线上,为调制解调设备CPE所接收。这里两

17、个线圈回路信号耦合的程度与所选磁芯关系很大。图4 电感耦合装置变压器等效原理电感耦合装置较之电容耦合装置要简单,基于变压器耦合的原理,属于一种非接触式耦合,绝缘性好,且安全。因此,设计中主要考虑其对高频载波信号的耦合能力及效率,无需其他信号电路和元器件。从变压器传输机理分析,影响信号耦合效率的因素主要有:(1)耦合磁芯的材质及主要磁性参数不同的应用对铁氧体的材料特性和体芯形状有不同 的 要 求。由 于 耦 合 信 号 带 宽 相 对 较 宽(238 MHz),要想在这样宽的频段范围内实现宽频带功率信号的传输,必须采用高频锰锌铁氧体或镍锌92004年第4期 电 力 系 统 通 信 1995-20

18、06 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.铁氧体作磁芯。在低电平信号应用中,所要求的铁氧体材料的特性主要由磁导率决定,并且铁氧体芯的损耗要小,还要具有好的磁稳定性,即随时间和温度变化不大。根据磁导率与最佳频率范围的关系,选择磁导率在2 5008 000 Hm范围为宜。(2)原、副边线圈的材料、线径及匝数等采用电感耦合的副边线圈为电力线的导体。原边高频信号线的选择,考虑到高频电流信号的特点,应选用多股导线,减少电流趋肤效应带来的电阻,导线材料选用铜或铁为好,线径不要过细。根据阻抗匹配的关系确定原、副边线圈匝数比。测

19、试表明,电力线高频输入阻抗在50左右,而选定的铁氧体耦合磁芯高频阻抗为50150,所以根据阻抗匹配的关系,原、副边线圈匝数比应为11或12为好。(3)耦合装置的结构及工艺耦合磁芯的形状和尺寸影响到信号耦合的效果。环形铁氧体磁芯磁导率较高,能够满足上述对耦合磁芯的选择要求。一般来说,铁氧体的体积越大,耦合效果越好。在体积一定时,形状长而细比短而粗的阻抗要大,耦合效果要好。另外,铁氧体的内径越小,耦合效果越好。但是在有直流或交流偏流的情况下,要考虑到磁饱和问题。铁氧体耦合元件的横截面积越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。一种能够有效地减小磁饱和的措施,是采用带气隙的环形铁氧体磁芯,即环形铁氧体磁芯

20、并非一个完整的环,而是由两个半圆环组成的一个环形铁氧体磁芯,两个半圆环磁芯之间是带有空气隙的。总之,铁氧体耦合磁芯选择的原则是,在使用空间允许的条件下,选择尽量长、尽量厚和内孔尽量小的铁氧体抑制元件。一种实际应用的电感耦合铁氧体磁环的实物如图5所示。这是一种方形的铁氧体耦合磁芯(又称之为分体式铁氧体磁环),两个半圆筒型的铁氧体磁环,通过塑料外壳紧固,使用时将电缆线夹住即可构成一个完整的铁氧体耦合磁环。3.3 两种耦合的比较电容耦合属于直接耦合,电路较简单,传输特性理想,工作衰减小。装置适宜在家庭内使用,直接插入电图5 电感耦合铁氧体磁环源插座即可。电感耦合是一种间接耦合,简单安全。但其传输特性

21、较电容耦合相对差一点,工作衰减与电容耦合相比要大24 dB左右。该装置一般应用在配电间及电表间。它不用与电力线直接连接,尤其在低阻抗点处应用,对信号的注入是有好处的。4 结论综上所述,与传统的中、高压输电线载波通信相比,低压配电网载波通信的环境及条件要恶劣得多。一个先进高效的耦合技术、合理的耦合方式及安全简易的耦合装置,对实现高频载波信号的宽带耦合是十分重要的。本文介绍的两种耦合技术及其装置完全满足低压配电网载波通信的网络特性及高频信号的传输和阻抗特性要求,已在低压配电网高速电力线载波通信系统中得到了广泛的应用,实际使用效果良好。参考文献:1LIU Hua2ling,ZHANG Bao2hui

22、.The Couple Technology ofDistribution High2Speed Carrier CommunicationJ.PowerSystem Communication,2002(2):1312-1315.2M D Amore,M S Stao.Digital Transmission Performance ofCarrier Channel on Distribution Power Line NetworksJ.IEEE Transactions on Power Delivery,1997,12(2):616-623.3张肃文.高频电子线路 M.北京:高等教育

23、出版社,1990.4 白同云,吕晓德.电磁兼容设计M.北京:北京邮电大学出版社,2002.The wide2band coupling technology and device of low2voltage power line carrier communicationL I Jian2qi1,HU Lan1,MI Shuo2(11China Electric Power Research Institute,Beijing 100085,China;21Luannan Electric Power Bureau,Luannan 063500,China)Abstract:The coup

24、ling device is one of the most important devices for the power line communication systems.A convenient,safe and highefficiency couple device is the basis to realizepower line communication of high frequency carrier signal.In thispaper,we firstly analyze therequirement of the couplers structure and f

25、requency band from the view of the networks structure and signal transmission characteristics.And we research the distribution impedance character in high frequency,further more the design principle of coupling device is advised.Fi2nally,the design and realization of two kinds of technology and devices are introduced.Key words:power line communication;high frequency carrier;broadband couple device;low-voltage distribution network01 电 力 系 统 通 信 2004年第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.