基于電力線載波通信的調(diào)光控制系統(tǒng)研究

李小娣，柴 斌，王 婷，馬文英

(1.銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川 750100； 2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

低壓電力線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，近些年來(lái)的一個(gè)重要問(wèn)題是如何確保可靠和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸作為一種物理通信手段。但是，低壓線路并不是特定的通信線路，因?yàn)樗鼈冇性S多妨礙數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，例如，作為大量的干擾源和高電阻率時(shí)間變化特性。這些缺點(diǎn)在一定程度上影響了導(dǎo)體的應(yīng)用。然而，隨著先進(jìn)的干涉算法和矯形技術(shù)的應(yīng)用，與導(dǎo)體的通信已經(jīng)出現(xiàn)在一些特殊的應(yīng)用中。典型的應(yīng)用包括遙感系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)和智能照明系統(tǒng)。特別是現(xiàn)有的低電壓輸電線，將減少大量的輸電線和空間，減少施工時(shí)間。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的普通需求[1-4]。

傳統(tǒng)的照明方式將能量和信息流連接起來(lái)，盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而直觀，但控制是唯一可以打開(kāi)或關(guān)閉的方法。整個(gè)照明系統(tǒng)是手工操作的，在打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)需要特別注意，現(xiàn)場(chǎng)工作需要很長(zhǎng)時(shí)間。一旦連接完成，就很難改變系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，控制線就變得足夠笨重，無(wú)法實(shí)時(shí)控制每盞燈的使用情況。隨著商業(yè)辦公樓和半獨(dú)立式住宅樓的引入，越來(lái)越多地使用人工能源照明，對(duì)節(jié)能元件，如照明系統(tǒng)的自動(dòng)照明、自動(dòng)燈等。自20世紀(jì)90年代美國(guó)提出“綠燈”倡議以來(lái)，它一直備受關(guān)注并廣為傳播。此外，中國(guó)出版的“綠色城市”和“智慧城市”達(dá)到了前所未有的高度。不是碳，不是生態(tài)學(xué)、節(jié)能等概念出發(fā)，未來(lái)城市建筑的智能照明需要解決和發(fā)展基礎(chǔ)工程、光纖通信、自動(dòng)化管理技術(shù)以及一個(gè)有效的控制平臺(tái)，以解決目前房屋照明的不足，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)節(jié)能是光控領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)[5-10]。

本文提出的基于電力線載波通信技術(shù)的智能調(diào)光系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了一種可通過(guò)手機(jī)或PAD等移動(dòng)電話實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)LED燈，用于靈活調(diào)光，并對(duì)屋內(nèi)所有燈進(jìn)行分組控制以及實(shí)時(shí)監(jiān)控屋內(nèi)外燈的行走情況，這有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)“誤開(kāi)”和故障，請(qǐng)將標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)開(kāi)關(guān)切換到智能開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)可在指定時(shí)間自動(dòng)開(kāi)關(guān)和控制燈具，節(jié)約用電，增加燈具壽命，提供現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，滿(mǎn)足用戶(hù)審美多樣性.要求大大提高了照明理論系統(tǒng)的靈活性、效率和智能性，豐富了家居照明，有效利用和節(jié)約能源[11-15]。

1 電力線載波通信技術(shù)

1.1 電力載波通信概念

電力線載波通信(Power Line Carrier)，與PLC一樣，它是電力系統(tǒng)的一種獨(dú)特的通信方式。它在高頻信標(biāo)中產(chǎn)生有用的信息，然后將其充電到電線上，并提供信息等遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，語(yǔ)音和圖像，以布線為通信手段[16-21]。以往應(yīng)用的PLC技術(shù)主要用于低速高壓遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，低壓技術(shù)公司開(kāi)始應(yīng)用高速信息服務(wù)。乘以最常見(jiàn)的電源線，同時(shí)降低投資成本范圍廣，連接方便，工作速度快，傳輸速度快。目前，寬帶接入、家庭網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的信息通信技術(shù)應(yīng)用再次受到國(guó)內(nèi)外的高度重視，電表遠(yuǎn)程控制、智能住宅、照明控制等。關(guān)于輸電線路車(chē)輛的高壓通信，“十一五”規(guī)劃需要特別關(guān)注這類(lèi)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，作為高壓線路傳輸系統(tǒng)，信號(hào)傳輸頻率、連接頻率和噪聲特性.這是驚人的?！?0后”規(guī)劃之初，110 kV以上線路全長(zhǎng)26萬(wàn)km，目前全長(zhǎng)65萬(wàn)km。電力機(jī)車(chē)的確是高壓電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的通信手段。2007年，北京電力中心成立。北京電信有限公司中央技術(shù)研究的聯(lián)合結(jié)束。PLC平臺(tái)進(jìn)行了環(huán)境測(cè)試和測(cè)試，以及許多系統(tǒng)性能測(cè)試。國(guó)家智能電網(wǎng)的電力分配系統(tǒng)的自動(dòng)化和自動(dòng)化取決于發(fā)展輸電線的壓力。

1.2 電力線載波通信PLC原理

配置形成的主要方法是調(diào)制、調(diào)制和相位調(diào)制。主信號(hào)由2種類(lèi)型組成，一種是連續(xù)的，另一種是特殊的。主區(qū)連續(xù)模擬信號(hào)的載頻控制稱(chēng)為并聯(lián)節(jié)點(diǎn)，而主區(qū)特殊信號(hào)的載頻形成稱(chēng)為數(shù)字節(jié)點(diǎn)。目前，電源線改性器和芯片主要用于數(shù)字調(diào)頻或數(shù)字調(diào)制[22-29]。

外圍電路由4個(gè)組成和載波傳輸電路(側(cè)向?yàn)V波器、信號(hào)增強(qiáng)芯片)，基于LME 2200C的調(diào)制器框架顯示如圖1所示。

圖1 基于LME2200C的電力線調(diào)制解調(diào)模塊框圖Fig.1 Block diagram of power line modulation and demodulation module based on LME2200C

由于高線臨時(shí)電阻大、干擾大等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的成形工藝無(wú)法可靠地工作。鑒于電氣和無(wú)線通信信道的特性有些相似，國(guó)內(nèi)外一些公司開(kāi)始應(yīng)用一些先進(jìn)技術(shù)在無(wú)線通信到電力線路中的矯形、干涉和數(shù)字信號(hào)處理。廣泛應(yīng)用的廣譜和倍頻技術(shù)以及廣譜技術(shù)可分為直接序列譜(DSS)，廣泛的跳頻、廣泛的(IH)和線性頻率校正(CHID)等。有的甚至采用帶寬較高的雙頻寬帶技術(shù)，提高通信可靠性。PLC通信模塊的功能是完成輸電線路數(shù)據(jù)的形成和處理。該系統(tǒng)使用LME 2200C芯片，專(zhuān)門(mén)為低壓通信環(huán)境設(shè)計(jì)，性能優(yōu)異。LME 220C使用了一種多重分裂技術(shù)，有效地中和了鏈條上的大裂縫，并在高頻和噪聲條件下保持傳輸能力。芯片有一個(gè)內(nèi)置的音頻放大器和一個(gè)數(shù)字過(guò)濾器，但需要外部通道來(lái)實(shí)現(xiàn)通信效果。通過(guò)在前板上添加簡(jiǎn)單的模擬電路，可以使調(diào)制解調(diào)器成為高質(zhì)量的電線。

圖2 LME2200C核心電路Fig.2 LME2200C core circuit

(2)電力線耦合電路。高壓絕緣功能N9Y TVS(臨時(shí)壓力電阻管)可防止劇烈沖擊，保護(hù)端部電路，電力線耦合電路，如圖3所示。

圖3 電力線耦合電路Fig.3 Power line coupling circuit

(3)過(guò)零檢測(cè)電路。過(guò)零檢測(cè)電路220 V交流信號(hào)完全調(diào)波后，沿著電信號(hào)為零的位置上升，至少是在線路上。過(guò)零檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 過(guò)零檢測(cè)電路Fig.4 Zero crossing detection circuitx

1.3 常見(jiàn)的電力線載波芯片

對(duì)于電力線載波通信，在國(guó)外進(jìn)行了相關(guān)的研究和應(yīng)用，在20世紀(jì)90年代達(dá)到了成熟期。例如，在美國(guó)司法部，芯片達(dá)到了14 MB的使用水平。1997年，國(guó)家電力工業(yè)研究院開(kāi)始研究PIC技術(shù)，2000年開(kāi)始研制傳輸精度為2M的電信系統(tǒng)。2001年底，福建省電工學(xué)院還研制出了10 m電源調(diào)制解調(diào)器。

1.4 Intellon的 SSCP485和 INT51X

Intellon公司的SSCP485具有標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口9600 H/YO，平均外圍電路元件數(shù)，15 V電源，低功耗，20 PINX包。使輸電線路能夠擴(kuò)展到VIP視頻傳輸?shù)榷嗝襟w系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)游戲等，最終將建立一個(gè)完整的無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)。

1.5 Echelon的PLT系列

Echelon的產(chǎn)品主要有PI3120、PI31SQ、PI系列，采用雙速自動(dòng)開(kāi)關(guān)、窄帶技術(shù)和多種糾錯(cuò)方法，能夠適應(yīng)較硬的電線，如電視、電源等。此外，它是一種基于LON-WORKS并支持單相通信的神經(jīng)芯片，能滿(mǎn)足全世界對(duì)電動(dòng)汽車(chē)頻率的要求，包括美國(guó)通信委員會(huì)ANSI09、標(biāo)準(zhǔn)2和FCC，但這一系列芯片成本較高。

1.6 北京福星曉程的PI3105

PL2102是福星小城公司專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)半異步成形晶體，專(zhuān)為應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)。它有第5個(gè)電源，在干擾和遙控領(lǐng)域具有優(yōu)異的性能。我國(guó)已經(jīng)有許多成功應(yīng)用的例子。

1.7 上海彌亞微電子的MI200E

彌亞微電子公司的MI200E是一種網(wǎng)絡(luò)接口控制模塊，設(shè)計(jì)用于性能高、集成度高的低壓電氣元件元件的優(yōu)化。采用單5 V電源，應(yīng)用先進(jìn)的傳播技術(shù)，在檢測(cè)干擾時(shí)采用干擾控制器，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)擔(dān)保，符合EN 50065-1、IEC61000-3-8標(biāo)準(zhǔn)。

2 照明調(diào)光技術(shù)

所謂智能照明調(diào)光系統(tǒng)，自動(dòng)控制光線，并根據(jù)特定區(qū)域的活動(dòng)和一天中不同時(shí)間外部光線的亮度改變燈的位置。該系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為每盞燈設(shè)置背光和亮度模式，這些設(shè)置也被稱(chēng)為場(chǎng)景。

2.1 白熾燈的調(diào)光控制

當(dāng)光線充足時(shí)，光線會(huì)變白；當(dāng)光線變暗時(shí)，會(huì)變成黃色或橙色。有3種主要方法可以使燈變暗。①將可調(diào)電阻連接到電路中，以控制燈具的電量變暗，但不節(jié)省能源，而是浪費(fèi)熱量，變成了反抗。②將變壓器的電壓調(diào)節(jié)到所需的水平，但變壓器體積大，金屬消耗不能連續(xù)減少。通過(guò)在電路中連接桿，通過(guò)改變電壓調(diào)節(jié)光通過(guò)桿的通角。然而，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致電磁場(chǎng)的兼容性，同時(shí)降低電能質(zhì)量，電力線車(chē)輛之間的通信中斷。

2.2 熒光燈的照明控制

在通過(guò)熒光燈輸入源回收交流220 V后，從2個(gè)S轉(zhuǎn)換器進(jìn)入半路，實(shí)現(xiàn)暗目標(biāo)；另一種選擇是調(diào)節(jié)工作循環(huán)，在這種循環(huán)中，開(kāi)關(guān)軟管使用頻率不高，可通過(guò)改變注射器和CF電容器的電阻來(lái)達(dá)到變暗的目的，半橋諧振電路如圖5所示。

圖5 半橋諧振電路Fig.5 Half bridge resonant circuit

2.3 LED的照明控制

LED是一種可靠的光源，體積小，質(zhì)量小，節(jié)能，使用壽命長(zhǎng)，適用于各種不利條件，LED模式有3種固定電源、充電泵和電源。第一種從恒定LED源驅(qū)動(dòng)IU的方法，控制恒定流是困難的，但由于LED的顏色范圍與工作電流有關(guān)，而這種控制系統(tǒng)往往導(dǎo)致暗化，光源產(chǎn)生對(duì)光源要求的變化。在這2種情況下均采用RVI驅(qū)動(dòng)充電泵控制信號(hào)I電壓輸出Eix克服了因電流變化而引起的色變?nèi)毕荨?/p>

3 基于電力線載波通信的調(diào)光控制系統(tǒng)

調(diào)光控制系統(tǒng)方案框架如圖6所示，主控制臺(tái)是一臺(tái)遙控計(jì)算機(jī)。無(wú)線遙控器上有用戶(hù)控制和周邊訪問(wèn)的按鈕、燈和電子控制設(shè)備。

圖6 系統(tǒng)方案框Fig.6 Block diagram of system scheme

控制單元的調(diào)光對(duì)象為白熾燈，為了控制光的亮度，通過(guò)主軸透射角控制，射頻孔主要用于解碼從控制臺(tái)發(fā)出的射頻信號(hào)，識(shí)別從控制臺(tái)發(fā)出的指令，并用于輸電線路的傳輸R232單元用于接收來(lái)自主控的指令，并通過(guò)電源單元傳輸。

3.1 PLC通信模塊的設(shè)計(jì)

(1) PLC通信模塊硬件設(shè)計(jì)。PLC通信模塊的功能是完成數(shù)據(jù)在電力線上的調(diào)制與解調(diào)。該系統(tǒng)使用LME 2200C芯片，專(zhuān)門(mén)為低壓通信環(huán)境設(shè)計(jì)，性能優(yōu)異。LME 2200C使用多層設(shè)備、高頻彈性應(yīng)變技術(shù)(YS)、有效中和電路中的強(qiáng)烈干擾，并且在噪聲和頻率上仍然有很強(qiáng)的帶寬。芯片有一個(gè)內(nèi)置的音頻放大器和一個(gè)數(shù)字過(guò)濾器。LME 220C集成了過(guò)濾器等電路，但需要一些外圍電路來(lái)確保通信效率，這些電路可以在高性能電導(dǎo)線調(diào)制解調(diào)器中有效，并在前端添加一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬電路。

(2)LME2200C 核心電路。當(dāng)SMOD工作在高電時(shí)，異步模式被記錄。目前，串行端口在UART模式下工作，波級(jí)9 b/s，起始級(jí)，8個(gè)數(shù)據(jù)，停止位，無(wú)偶數(shù)控制。RXD和TXD分別用于異步傳輸和數(shù)據(jù)獲取。本文中，SMOD通過(guò)UART串行端口采用異步模式建立了高水平的微控制器通信。

(3)電力線耦合電路。交流電輸入端有一個(gè)0.1 F/275 V的安規(guī)電容，連接線圈1 MH：L MH，發(fā)送有用的載波信號(hào)，高壓絕緣的(瞬變電壓抑制二極管)快速?zèng)_擊保護(hù)端電路。

(4)載波發(fā)送電路。載波發(fā)送電路US6M2TR采用組合MO-S通道P+N作為電源驅(qū)動(dòng)(圖10)。芯片通過(guò)VPLC中的LME 2200C TROUT燈腳增加傳輸信號(hào)的電壓，連接到5～20V DC，電壓越高，通信能力越高，而距離相對(duì)較長(zhǎng)，能耗更高，然后方波通過(guò)由L1和C2組成的濾波器。用于MOP管的RS傳輸電阻。TS1對(duì)于MOP管保護(hù)的POS電路，應(yīng)選擇低壓肖特基二極管。載波發(fā)送電路如圖7所示。

圖7 載波發(fā)送電路Fig.7 Carrier transmission circuit

3.2 RS-232和RF網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，US6M2TR使用MO-S P+N通道組合作為電源驅(qū)動(dòng)。芯片提高了傳輸信號(hào)的電壓(連接到5～20 V DC，電壓越高，通信功率越高，距離相對(duì)較大，功耗越高)，然后將矩形波通過(guò)由L1和C2組成的濾波器.金屬氧化物歧管的RS傳輸電阻。對(duì)于MOP管保護(hù)的POS電路，TS1必須選擇低壓肖特基二極管。

圖8 網(wǎng)關(guān)硬件框圖Fig.8 Gateway hardware block diagram

3.3 控制器

控制器硬件組成框圖如圖9所示。MCU通過(guò)供電通信單元接收網(wǎng)關(guān)指令，然后操作調(diào)光單元或交換單元執(zhí)行用戶(hù)指令。同樣，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇不同的暗單元或交換單元。

圖9 控制單元硬件框圖Fig.9 Hardware block diagram of control unit

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電力線車(chē)輛通信技術(shù)的日益發(fā)展，在此過(guò)程中經(jīng)歷了很多干擾。此外，大多數(shù)低壓電源接口通常通信速度較低，串行連接通常低于標(biāo)準(zhǔn)9 600 b/s，因此，它們只能用于中小型控制系統(tǒng)。