低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置

1、2004年第4期电力系统通信7李建岐I胡岚-米硕2(1.中国电力科学研究院通信所.北京IOOO85;2.滦南具电力局.河北滦南063500):电力线耦合装置是电力线载波通信系统中关犍环节之一 一个安全、高效、简易的髙频栽波信号耦 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观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直的具体实现。:电力线通信:髙频载波:宽带耦合;低压配电网:TN915.853:B:1005 7641 (2004)04 - 0007 04© 1995

2、-2006 Tsinhua Tongfang Optical Disc Co.9 Ltd. All rights reserx ed.2004年第4期电力系统通信#© 1995-2006 Tsinhua Tongfang Optical Disc Co.9 Ltd. All rights reserx ed.2004年第4期电力系统通信90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.主要是基干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, 低压配

3、电网电力线髙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 频率髙达40 MHz,数据速率也已到200 Mbit/s ,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栽波通信系统。传统输电 线栽波通信中巳成熟的窄带耦合技术也不能适用于髙 速宽带信号的传输困而研究髙频载波信号的宽带耦 合技术很有必要。在低压配电网髙速电力线栽波通信系统中，主要 的载波信号耦台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。配电线路是根据供电的需要和要求而设计的.以 何种模式传输髙频载波信息不仅要考虑信息传

4、输的 可靠性而且要考虑配电网现有的实际结构及网络运 收稿日期：2004- 02 - 10作者简介：李建岐(1969)男陝西岐山人.工程师.从事电力亲统自动化及电力杀统通信的研完开发工作，胡岚(1977 ) 男四川南充人.工程师.从重电 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乘统通信等方面的 运行和管理工作。行方式以便在此基础上分析研究配电网栽波通信的 网络待性及高频信号的传输和阻抗特性要求。1. 1低压配电网通过中压/低压配电变压器受电.380/ 220 V的低压配电线路一般不超过25() m。从配电间 到进户配电箱的典型网络拓扑为

5、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 是境埋绝缘电缆、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、髙压输电线网络差 别很大。中、髙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

6、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 化对栽波通信的影响。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。髙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； 同时.每一个节点都会同时作为信号发送的源点或倍 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:髙频载 波信号传输衰减大噪声电平髙各种干扰多线路耦 台阻抗随时会有不可预測的变化

7、。因此耦合装直应能 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 的耦合装直的安全性要有较髙的要求。1.2栽波通信便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賈 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 ,4匕美为 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1234）倍.数据传输速率不 超过100 kbit

8、/s 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 大干100 kbit/so这样原有的50（） kHz以内的信号频 带由于电力线固有的信道特性巳远远不能够提供 Mbit/s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 和编码技术提供髙达200 Mbit/s的高速数据的传输, 属于宽带信号的传输。相应的耦台技术和耦合装置已 不能采用原有成熟和完善的窄带耦合技术和设备并 将釆用工作在138 MHz范围内的高频宽带信号频 带。1.3电力线耦合装置的工作衰减主要包括耦合装這的 固有衰减和

9、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干阻抗的失配引 起的。耦合装直的负载阻抗等效干其接入点处的电力 线路阻抗在传统的输电线载波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 载阻抗基本等干传输线路的特性阻抗稳定在200 400Q，比较理想。而对配电网电力线路.线路的负载 阻抗与线路的挣性阻抗差别很大，由于配电网结构及 负栽的随时变化.不同频率点的线路特性阻抗和负栽 阻抗都会随时改变。为了改善耦合装置的工作衰减特 性.应尽可能的减少髙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

10、在配电网电力线上建立髙速数据通信系统，载波 信号频率大于1 MHz是必要的.然而电力线信道的传 输特性对在此髙频段上传输髙速数据是不利的。由于 配电网复杂的网络特性和恶劣的通道特性实现髙速 宽带通信必然耍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调制耍求在宽频带 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kbit/s至几十Mbit/s的髙速数据传输。这就 要求电力线耦合装直具有较理想的信号频率特性以 满足高频载波

11、调制信号线性传输的要求。1.5低压配电网络的髙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. 120Q内变动。随着 频率的増加输入阻抗有増大的趋势尤其在25（） kHz 以上频段。在500 kHz以上的中、高频段随着频率的 増加，高频输入阻抗缓慢増加，并基本稳定在 2（）80（2 .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.比较有利于髙 频信号的传输。通过

12、上面的分析我们确信设计低压电力线高速 通信璃合装直的主要原则应是：（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）要满足髙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、经济便干 现场的安装使用。3在电力线载波通信系统中载波信号耦台方式有 电容爛合、电感（变压器）耦台、陶瓷电真空耦台及天线 耦台等几种方式在低压配电网髙速栽波通信系统中 常用电容耦合和电感耦合两种方式。3. 1电容耦合是采用耦

13、合电容器为主要元件的耦合方 式用一髙频电容来连接髙频载波信号的输入、输出端 与电力线接入点（电源插座、配电开关母线等），电容性 耦台装直（CU）属于一种直接耦合装直.将高频载波信 号直接注入到电网同时从电力线上接收髙频栽波信号。一种简单的电容耦合电路如图1所示。图1电容辎台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。该电容为髙压电容（耐压值购75 V） 既耦合高频 载波信号又起到髙压工频隔离的作用耦台电容C1选 取O.OlpE较为合适。耦合变压器TI不仅貝有隔离作 用.同时也实现了信号线平衡F平衡的变换及阻抗的 变换作用。由耦台电容C1和耦台变压器T1的初级线 圈组成髙通滤波电路阻

14、止了 50 Hz工频电流.并尽可 能的减少衰减低频噪肖及干扰信号而对髙频载波信 号提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性。由于 要实现38 MHz范围内甚至更高频段宽带信号的耦 台.耦合变压器T1的设计和制作十分关健。普通的电 于变压器只能实现从几十Hz到IO5 Hz量级的信号耦 合.限制变压器工作带宽的主要因素在干线圈绕组间的 漏感和分布电容。为了便耦合变压器T1工作于髙频 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i胃传输线变压器可以工 作到更高的频段.满足髙频宽带载波信号的耦合耍求。 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

15、、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 芯如傑锌铁氧体（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 増加匝数。一种常用的耦合变压器如图2所示。其设计输入 阻抗为5（）Q .初级线圈电感值约lOMHo图2耦台变压器T1实物图实际便用中，由于耦台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MOV 100及瞬态抑制二极管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

16、本满足 了设计及使用要求。该电路既可以内直干设备中.也 可以作为单独的装直外賈使用。S3电容耦台装置滤浪特性测试曲线3.2电感耦台又称变压器耦合基干变压器电磁感应 耦台的原理.将电力线导线作为副边线圈.而将高频载 波倍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 也会感应到原边髙频信号线上为调制解调设备CPE 所接收。这里两个线圈回路信号耦台的程度与所选磁 芯关系很大。电力线T1一高頻信兮钱CP刖边图4电感耦合

17、装置变压器尊效原理电感耦合装直较之电容耦合装宣耍简单基于变 压器耦台的原理，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髙频栽波信号的 糊台能力及效率，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耍有:（I）耦合磁芯的材质及主要磁性參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髙频粧锌铁轼体或镰锌 © 1995-2006 Tsinhua Tongfang Optical Disc Co.9 Ltd. All rights

18、 reserx ed. #电力系统通倍2004年第4期铁氧体作磁芯。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P决定并且铁氧体芯的 损耗要小还耍具有好的磁稳定性即随时间和温度变 化不大。根据磁导率U与最佳频率范围的关系，选择 磁导率JJ在2 5008 000 H/m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 髙频信号线的连择考虑到髙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。測试表明.电力线高频输 入阻抗在50Q左右而选定的铁氧体耦

19、合磁芯髙频阻 抗为50I50Q .所以根据阻抗匹配的关系.原、副边 线圈匝数比应为1 ：1或1 2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U较髙能够满足上述对耦台 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耍 考虑到磁饱和问题。铁氧体耦台元件的横截面积越 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. 即环形铁氧体磁芯并非一个完整的环而是由两个半 圆环组成

20、的一个环形铁氧体磁芯两个半圆环磁芯之 间是带冇空气隙的"总之.铁氧体耦台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台磁环。3.3电容耦台属于直接耦合电路较简单传输特性理 想.工作衰减小。装置适宜在家庭内便用.直接插入电图5电感耦台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 特性较电容耦合相对差一点工作衰减与电容耦合相 比要

21、大24 UB左右。该装直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。综上所述，与传统的中、髙压输电线载波通信相 比低压配电网载波通信的环埴及条件要恶劣得多。 一个先进髙效的耦合技术、合理的耦合方式及安全简 易的飆合装直对实现高频载波信号的宽带耦合是十 分重要的。本文介绍的两种耦台技术及其装直完全满 足低压配电网载波通信的网络特性及髙频信号的传输 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：1 LIU Hua-ling .ZHANG Bao-hui. The Cbqplc Technolo

22、gy of Distribution High-Speed Girrier Communication | J | ft)wer System G)m municat ion ,2002(2) :I312 1315.21 M D Ainore .M S Slao. Digital Transmission Performance of Carrier Channel on Distribution Power Line Net works J . IEEE Transactions on R)wcr Dcliveiy J997.12(2) :616 - 623.3张肃文.高频电子线路M.北京：

23、高等教育出版社. 1990.41白同云，吕晓德电磁兼容设计"北京:北京邮电大学 出版社.2002.© 1995-2006 Tsinhua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reseried. #电力系统通倍2004年第4期© 1995-2006 Tsinhua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reseried. #电力系统通倍2004年第4期The wideband coupling technology and device of lowvoltage powr line carrier communicationLlJiatrqi1Lan1 .Ml Shi亦(1. China Electric Ibwcr Research Institute Beijing IOOO85 .China :2. Luannan Electric Ibwcr Bureau Xuannan 063500 .Chinu) .Abstract: The coupling device is one of the most inpor