妙紅英

(國網冀北電力有限公司承德供電公司　承德　067000)

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雙模電力通信技術及實現*

妙紅英

(國網冀北電力有限公司承德供電公司承德067000)

在供電網絡自動化系統中,集載波和無線于一體的雙模通信是提高抄表成功率的一個有效手段。由于通信模塊空間有限,將載波和無線兩種通信電路集成在一個模塊上,如果不加以認真的設計,載波和無線通信性能將很難達到單模工作時的狀態。這就需要對一些影響通信性能的因素加以考慮并采取相應的措施,才可以在雙模模塊上將載波和無線的性能充分發揮。針對在雙模通信模塊設計中容易出現的幾個問題,做了理論分析并提出解決方案。采用了解決方案的雙模模塊,載波和無線性能達到了單模狀態下的性能水平。

自動抄表; 載波; 無線; 雙模通信; 天線; 匹配; 屏蔽

Class NumberTN914

1　引言

全國范圍電網改造正在進行中,如何解決供電網絡自動化管理問題已迫在眉睫。當前,我國在電力通信中廣泛采用電力線載波技術或基于Sub-1GHz技術的窄帶無線通信技術的單模通信。二者分別在不同的地域均得到了批量的應用,取得了良好的效果。但是,二者各自的缺陷導致了現場通信成功率總是很難達到100%。

電力線載波(PLC)利用低壓電力載波通信技術來傳輸用電數據,無需布線便可實現用電數據的收集和統計,是近十年來國內外公認的一個最佳方案。電力線作為一種通訊媒介網絡,所產生的經濟效益和生產效率是顯而易見的。但是低壓電力網結構的復雜性、線路高頻信號衰減嚴重,電力網絡的分布電容、分布電感、負載性質、負載阻抗值、噪聲等都是動態的而不是恒定的,特別是隨著經濟的發展,人民生活水平的提高,各種用電器具數量急劇增加,這種隨機性和無規律性干擾日益嚴重,雖然各廠家開發出各種抗干擾技術加以應對,但是電力線載波技術存在的固有問題一直在影響著自動抄表技術的發展[1～2]。

近些年發展起來的微功率無線通信方案,通過空中傳輸數據,不受電力線環境噪聲的影響。但是無線通信由于功率受限,通信性能容易受到墻壁阻擋,金屬屏蔽,天氣環境的影響。盡管可以通過多頻點,自動調頻等技術減小這種影響,然而帶寬的限制使無線性能的提高受到制約[3]。

2　雙模方案的出現及設計中存在的問題

由于以上原因,集電力線載波和微功率無線技術的雙模方案應運而生。采用雙模方案,理論上抄表信息可以在兩種媒介(電力線、空氣)中傳輸,電力線環境惡劣時,可以走無線通道；無線環境不好時,可以走電力線通道,從而大大提高通信的成功率。

雙模方案的實現,從表面看是把電力線載波和微功率無線的硬件集成在一個模塊上,如果在實現中沒有對一些影響通信性能的原因加以考慮,則因為兩種工作模式之間的互相影響,雙模模塊的通信性能很難達到單模狀態下的通信性能。實踐中,存在以下需要注意的問題：

1) 天線的阻抗匹配和反射/吸收干擾；

2) 載波及電源紋波對RF性能的影響；

3) 無線傳輸距離的評估；

4) 射頻信號的阻抗匹配；

5) 模塊動態功耗。

以下將對幾個影響通信性能的因素分別加以討論,并提出解決方案。

3　天線的阻抗匹配和反射/吸收干擾

在雙模抄表通信系統中,載波通信通過電力線與集中器通信,無線通信通過天線與集中器通信。雙向無線通信中,天線既要把發送的射頻信號有效輻射出去,又要把集中器端發來的微弱的無線信號接收下來。天線的阻抗匹配,附近大型元器件對射頻信號的吸收/反射等都會影響到無線系統的性能。

3.1天線的阻抗匹配

雙模通信模塊中,由于模塊空間有限及成本因素考慮,一般采用內置彈簧天線或棒狀天線,在有特殊需求的場合,也可以外接鞭狀天線。無論是彈簧天線,棒狀天線或外接鞭狀天線,都屬于半波振子天線。半波振子天線具有方向性,最大輻射方向在位于垂直于天線方向的平面上[4],如圖1所示。

圖1　半波振子天線的方向

天線的S11參數,即反射系數,代表了在天線阻抗與驅動電路不匹配的情況下,會在信號回路形成反射信號。這樣在信號傳輸路徑上,入射信號和反射信號同相的地方,振幅相加成為最大電壓Vmax,形成波腹；在入射信號和反射信號反相的地方,振幅相減成為最小振幅Vmin,形成波節。其它各點的電壓值則介于波腹與波節之間。這種合成波稱為行駐波。反射系數ΓL與源阻抗ZO,負載阻抗ZL的關系如下[5]：

S11=20log(ΓL)

其中,Γr和Γi分別為ΓL的實部和虛部,z為歸一化負載阻抗：

其中,R為負載阻抗的電阻,X為負載阻抗的電抗,r和x分別為歸一化負載阻抗的實部和虛部。

把波腹電壓與波節電壓幅度之比稱為駐波系數,也叫電壓駐波比,記為VSWR。

終端負載阻抗ZL和特性阻抗ZO越接近,反射系數ΓL越小,駐波比VSWR越接近于1,匹配也就越好。

在雙模模塊設計過程中,因為PCB面積緊張,需要設計者根據版面情況認真設計RF部分的走線,并采用專用的設計軟件對RF信號的發送/接收部分進行阻抗匹配設計,才能取得最好的性能。

3.2反射/吸收干擾

在雙模抄表模塊中,載波部分一般具有信號隔離變壓器,安規電容等比較大的元器件。 如果這些比較大的元器件放在天線的最大輻射區內,這些元器件會對天線的輻射信號產生反射或吸收,如圖2所示。

圖2　雙模模塊中大型元器件對天線輻射的吸收和反射

從S11參數的角度來看,對天線發射信號的反射和吸收,會對天線的S11參數隨頻率曲線造成不希望的畸變,根據式,VSWR也隨之受到影響,導致天線與驅動電路的阻抗失配,將對通信性能造成很大的影響。

圖3顯示了在一個中心頻率為480MHz的棒狀天線在其附近有安規電容和信號耦合變壓器時,對天線S11參數的影響。

可以看到,在天線附近有大型元器件時,由于反射和吸收的效應,隨頻率變化的曲線在工作頻帶內容有很大的變化,實際工作中表現為發送功率減小,和接收靈敏度的大幅下降。將兩個相同的天線在網絡分析儀做無線傳輸的參數曲線也說明了反射/吸收對傳輸性能的影響,如圖4。

圖3　天線附近有大型元器件時,對天線參數的影響前后對比

圖4　天線附近有大型元器件時,對無線傳輸網絡參數的影響

為了解決這個問題,有以下幾種解決方案:

1) 壓縮載波部分的PCB占位,使射頻電路,尤其是天線部分原理載波電路的大型元器件；

2) 抬高內置天線,使天線最大輻射平面高于載波大型元器件的高度；

3) 在減少載波電路PCB占位面積有困難的情況下,采用外置天線。當然,這樣會帶來成本的增加。

3.3無線傳輸距離

無線通信距離可以通過一些傳播模型來估算,典型的模型有Hata模型、COST-231模型和Keenan-Motley傳播模型等[6～7]。

Hata模型的表達式為：

PL(dB)=69.55+26.16log(F)-13.82log(H)

+(44.9-6.55log(H))*log(D)+C

其中,PL為路徑損耗,單位為dB；F為頻率,單位MHz,范圍150～1500MHz；D為距離,單位km；H為天線有效高度,單位m；C為環境矯正因子,一般在密集城區取0,城區取-5；郊區取-10；農村取-17。

COST-231模型為：

PL(dB)=46.3+33.9log(F)-18.82log(H)

+(44.9-6.55log(H))*log(D)+C

其中,PL為路徑損耗,單位為dB；F為頻率,單位MHz,范圍1500～2000MHz；D為距離,單位km；H為天線有效高度,單位m；C為環境矯正因子,一般在密集城區,取-2,城區取-5；郊區取-8；農村取-1；開闊地取-26dB。

Keenan-Motley傳播模型為室內傳播模型：

+K×F(k)+P×W(p)

其中：d0為參考距離；n為室內路徑損耗衰減因子,取值如表1所示。

表1　不同場景下的損耗衰減因子

d:發送接收天線之間的距離,單位為km；

K：樓層損耗參考值；

F：樓層數目；

P：墻壁損耗參考值；

W：墻壁數目。

微功率無線抄表,根據國網相關要求[8],頻率在470～510MHz,在這個頻段,Hata模型較為實用,與實際的開闊地通信距離測試結果基本吻合,但是誤差仍然大于6dB,文獻[7]對這些模型進行了一些修正,修正后的模型更加符合實際情況。實際使用中,傳輸距離受遮擋,反射,部分屏蔽,甚至氣溫等因素影響很大,因此性能預算要足夠,在環境特別復雜和不穩定的地方,需要增加中繼器。

4　傳導騷擾及輻射騷擾

在雙模電路中,同時存在載波電路,電源電路,MCU及RF電路。各部分間不可避免會相互干擾。這些干擾中,主要體現為DCDC電源,MCU電路對射頻和載波接收部分的影響。這些干擾通過兩個途徑：傳導和輻射。

通過導體傳播的干擾,叫傳導騷擾；

通過空間傳播的電磁干擾,叫輻射騷擾。

圖5　電磁騷擾途徑

雙模模塊設計中,考慮到電表的供電狀況和轉換效率,一般要采用DCDC電路,將電表供給的12V電壓轉變成載波,MCU和RF電路用到的3.3V電壓。一般的DCDC工作頻率在600～2000kHz,如果不對DCDC電路加以認真的設計,DCDC會成為一個強大的干擾源,通過傳導和輻射的方式對載波和RF部分的電路造成嚴重的影響。

4.1傳導騷擾抑制

減少傳導騷擾,最有效的方法是采用電源及地隔離。在實踐中,考慮到成本要求,一般要分別給MCU,載波和RF電路的電源線串聯一個電感,實現電源測的相互隔離。如圖6所示。

圖6　雙模模塊中的電源和地隔離

此外,除了電源之間的相互串擾,處理不當的地也是干擾的來源,一般也需要分別電路的數字和模擬部分采用磁珠隔離。

根據文獻[9]介紹,磁珠(Ferrite bead)的等效電路如圖所示,其中DCR是一個恒定值,但后面三個元件都是頻率的函數,也就是說它們的感抗,容抗和阻抗會隨著頻率的變化而變化,當然它們阻值,感值和容值都非常小。

從等效電路中可以看到,假設LC的諧振頻率為,率低于時,磁珠呈現電感特性；當頻率等于時,磁珠是一個純電阻,此時磁珠的阻抗(impedance)最大；當頻率高于諧振頻率點時,磁珠則呈現電容特性。

磁珠選擇的原則：磁珠的阻抗在騷擾頻率處最大。如,騷擾噪聲的最大值在500MHz,則選擇的時候就要看磁珠的特性曲線,并根據其工作電流情況,使其阻抗的最大值在500MHz左右,如圖7所示,此時可以達到最佳的騷擾抑制效果。

圖7　磁珠的等效電路和阻抗曲線

4.2輻射騷擾的抑制

對于輻射干擾,一般采用以下方法加以減輕或避免：

1)改進電路設計,對于弱信號接收電路,由于輻射干擾引起的干擾一般是共模形式的,所以采用差分結構,并對其進行良好的對稱設計,可以有效避免輻射引起的共模干擾。

2)對干擾敏感電路施加屏蔽措施,即在干擾源和干擾對象之間插入一個接地的金屬屏蔽層,從而有效阻擋輻射干擾。

電磁場通過金屬材料隔離時,電磁場的強度將明顯減弱,這就是金屬材料的屏蔽作用。通常用屏蔽效能(Shielding Effectiveness,簡稱 SE)來定義同一位置無屏蔽體時電磁場的強度與加屏蔽體之后電磁場的強度之比來表征金屬材料的屏蔽作用,若屏蔽前后的電場分別為和,則電場屏蔽效能為：

其中TE為電場傳輸系數,指屏蔽時某點的電場強度與非屏蔽時該點的電場強度之比。

若屏蔽前后的磁場分別為H1和H2,則磁場屏蔽效能為：

其中TH為磁場傳輸系數,指屏蔽時某點的磁場強度與非屏蔽時該點的磁場強度之比。

用磁路分析法可以得到矩形截面的屏蔽盒的磁場屏蔽效能為[10]：

其中,a為屏蔽盒在垂直磁場方向的尺寸,壁厚為d,μr是屏蔽材料的相對導磁率。可以看到,屏蔽盒的屏蔽效能與屏蔽材料的厚度成正比,與截面積成反比,與屏蔽材料的導磁率成正比。所以在實際設計中,要盡量減小屏蔽電路的面積,同時盡量用比較厚的材料,同時屏蔽材料用導磁率比較高的材料,一般用表面鍍錫的銅材料為佳。

3)距離隔離：拉開干擾源與被干擾對象之間的距離,這是由于干擾只在近場區,干擾強度與距離平方或立方成比例,當距離增大時,干擾衰減很快。

4)吸收涂層法：被干擾對象有時可涂復一層吸收電磁波的材料,以減小干擾。

在雙模電路設計中,采用1)可以有效降低共模干擾,方案2)則可以降低所有輻射干擾強度,但是會增加模塊成本。在模塊空間充足的情況下,可以采用方案3)。方案4)同樣可以取得良好的抗干擾效果,但是存在工藝復雜,成本高的問題。

5　功耗控制

我們知道,用于電力線抄表的通信模塊對功耗有嚴格的要求,在國網電科院的要求文檔中[11],對于單相模塊,靜態功耗不得大于250mW,動態功耗不得大于1.5W。一般的載波模式下,尤其在OFDM方式下,目前已有芯片的靜態功耗普遍比較大。如果再增加RF電路,靜態功耗要求很難滿足。在動態功耗方面,由于要盡可能大的將載波信號發送到電力線,對于電能表能提供的電源容量,基本已經充分利用,如果再增加射頻部分,電源供電也將捉襟見肘。

實踐中,一般采用如下手段降低雙模模塊的功耗：

1) 載波電路的低功耗工作模式,接收模式下,載波電路定時喚醒,這樣可以有效降低模塊的靜態功耗。

2) 載波與RF電路的分時工作模式,通過硬件及算法的配合,使載波和RF在不同的時隙工作,從而降低模塊的動態功耗。

3) 改進組網方式,在子網內部自動偵測當前通信環境,采用適合的單模方式,而在子網間采用靈活的雙模方式,降低動態功耗的同時提高組網效率。

6　結語

雙模通信模塊屬于近年來發展起來的新技術,它利用了電力線載波和無線通信的優點,同時又避免的二者的缺點,是解決電力通信成功率的有效措施。然而雙模通信在實踐中會遇到很多問題,如體積小造成的阻抗匹配困難,傳導騷擾和輻射騷擾,功耗超標等。通過一定的技術手段,這些問題都可以在一定程度上減輕甚至完全解決。

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Introduction and Implementation of Dual Mode Communication of AMR

MIAO Hongying

(State Grid JiBei Electric Power Co., Ltd. Chengde Power Supply Company, Chengde067000)

Dual mode communication, which combines the PLC(power line communication) with RF(radio frequency) technology, is an effective way to solve the problems of success rate of AMR(Automated Metering Reading). For the space reason, in dual mode module, the performance of PLC and RF can hardly be as same as mono mode if without the sophisticated design. Only several negative factors which effective the performance should be considered and some corresponding solution must be adopted, the performance of PLC and RF can be largely increased.

AMR, PLC, wireless, dual mode, antenna, match, shield

2016年4月7日,

2016年5月23日

妙紅英,女,高級工程師,研究方向：營銷管理,用電信息采集。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.022