電力載波中的過零檢測電路研究

，前偉

(安順供電局，貴州安順561000)

0 引言

作為電網的最后一個環節—終端用戶端，由于其用戶眾多，分布廣泛，對該部分數據的采集一直以來是電力部門的核心任務。長期以來，電力部門對終端用戶數據的采集一直采用人工方式，這種方式效率低下、差錯率高、采集參數不完整，已經不能滿足智能電網對數據精確性、可靠性以及實時性的要求。鑒于此，各地方電力公司紛紛將大量精力投入到集抄建設工作中，期望通過集抄建設工作解決傳統人工方式在數據采集時的不足，達到智能電網的建設需求[1-2]。

在現有集抄建設方案中，電力載波通信技術由于其自身的技術優勢，被很多電力建設單位優選為首選方案，具有很好的大規模推廣使用優勢[3]。然而，由于電力載波技術的主要傳輸媒介為電力線纜，而并非專用的通信線纜，其傳輸環境以及抗干擾性遠不及專業通信介質，因此，電力載波作為通信介質時，其傳輸特性并不理想[4]。

在現有電力信道中，存在很多不可預測的噪聲干擾、阻抗變化以及網絡拓撲的不確定性等問題[5-6]，這些問題的疊加，直接導致的結果是數據采集成功率低，一次抄收率僅在80%～90%左右。由此可見，僅靠電力載波這種自身特性的通信方式進行數據采集是不穩定和不可靠的。

為了解決單一電力載波在傳輸可靠性中的問題，本文提出一種帶有過零檢測功能的載波無線雙模模塊，該模塊能夠有效地提高低壓窄帶載波及微功率無線通信的實時通訊效果，完成對各種復雜電力環境中設備的充分覆蓋與聯通，具有低功耗，高精度，抗干擾能力強等特點。

1 系統設計

根據上述介紹，本文的整體電路設計功能如圖1。

在該電路中，MCU單元主要用于協調系統各部分能夠按照設計的流程進行工作。無線模塊與電力載波模塊都可以用以傳輸數據，但在同一時間內只能啟用1個通信模塊，在本設計中，由于無線模塊采用市面的通用微功率無線傳輸模塊，其與MCU之間的數據傳輸通過串口進行，因此，在本文中不對無線模塊進行深入探討，重點關注過零電力載波模塊的設計。

圖1 電路功能圖

1.1 過零傳輸電路設計

數據在電力線中傳輸時，除了要受到電力線傳輸網絡以及電力線自身的影響，還要受到來自于電力自身的50 Hz的工頻干擾，在一個交流電周期內，將會出現兩次脈沖峰值，分別對應于交流電的波峰和波谷部分，即電力線上將有固定的100 Hz的脈沖干擾，該干擾源由于是由電能自身產生，因此不能消除，只能采用適當的技術方案進行規避。過零點傳輸就是一種規避固定干擾的傳輸方法，該方法利用那個電壓波形在每個交流周期兩次過零點的短時間間隔進行數據傳輸，達到避開電力線上每一交流周期中兩次峰值帶來的固定脈沖干擾，可以有效提升系統的通訊質量，提升系統的可靠性。

過零電路設計如圖2所示。

圖2 過零傳輸電路圖

交流電正半周時，電流方向通過D1，R1，R2，C2，D3流動，如圖2所示，給C2電容充電；D2為5.1 V穩壓管，限制充電電壓不超過5.1 V；D3 1N4148的作用是保證三極管在正半周時保持截止狀態，D3導通后，Q1基極電壓Ube保持在負0.4V，Q保持截止。

當進入負半周時，由于D1 1N4007的存在，交流電反向截止；進入負半周時C2開始放電，放電途徑分為兩部分，第一部分通過R3，R4到Q1，此時D3失去鉗位的作用，Q1開啟；第二部分，U1，Q1開始放電，U1的電流通過R3和R4限制，Q1基極電流，放電的過程中UC2不斷下降，因此Q1的β要選擇100以上，保證前級電流。

上述電路主要完成傳輸網絡中，過零傳輸時刻的檢測，當交流220 V電信號從正半周向負半周轉換經過零點的時候，220 V過零檢測電路在此刻將向主控芯片(MCU)輸出一個可被識別的信號，以告知主控芯片(MCU)此時電網正處于零點；當主控芯片(MCU)知道電網何時處于零點的時候，就啟動能在零點時刻進行數據的發送和以此信號進行同步接收，這樣能提高載波數據通信的穩定性和可靠性。

1.2 仿真測試

為了驗證設計的電路的可靠性，本文首先對設計的過零傳輸電路進行了實物測試，并將該模塊與傳統電力載波模塊在傳輸速度、傳輸可靠性進行了測試對比。

為了驗證設計電路的有效性，本文利用Pspice軟件對電路的輸出結果進行模擬仿真，結果如圖3。

由圖3可以看出，本文設計的過零檢測發送電路，可以在交流電的過零點時進行觸發，觸發信號可以保持持續一定時間，該觸發信號可以作為電力載波發送或接收裝置的觸發信號，一旦電力載波芯片接收到該信號，立即啟動發送或接收電路，利用在過零點處沒有脈沖干擾的時間段進行數據發送，這一時間段大概有0.02 s的時間。根據這一電路設計，設計了樣機，并進行測試，測試結果如圖4。

圖3 電路仿真結果

圖4 實測電路圖

由圖4可知，樣機的觸發脈沖的發送周期可以與交流電路的變化周期一致，即可以正確捕捉到交流電信號的過零點，并產生觸發信號觸發電力載波的收發裝置進行工作。

圖5 不同噪聲環境下的性能對比

圖5是帶有過零檢測的電力載波通訊方案與不帶過零方案的對比效果，從圖中可以看出，隨著傳輸環境的惡化(傳輸信道中的干擾情況)，帶有過零檢測的電力載波通信裝置的優勢逐漸顯現：在一般干擾的情況下，帶過零檢測的電路比普通電力載波電路的傳輸速率要快2 kbit/s左右，但是當噪聲干擾較強時，二者間差值可以達到4 kbit/s，這種情況的發生主要是由于帶有過零檢測的載波電路可以減少脈沖干擾的影響，提高了信噪比，根據香農定理的計算公式，系統的通信速度自然提高了。

2 結束語

為了提高電力信道的傳輸速率和傳輸可靠性，文中利用過零檢測電路對電力信道中的工頻干擾進行檢測，并利用過零間隙作為發射數據的最佳時間點，成功實現了傳輸速率的提升。在該方案中，雖然能夠傳輸的時間段較短，但在該時間段內可以有效提高傳輸速率和可靠性，對于一些間斷性數據(如智能電表每天的電量)的傳輸具有較好的適用性和可靠性。