低成本、高穩定性的低壓電力線載波通信過零檢測電路設計

時間＼2018-04-25

北京智芯微電子科技有限公司的研究人員吉棟、唐玉建、黃亮、吳有超，在2018年第2期《電氣技術》雜誌上撰文，提出了一種用於電力線載波過零點通信用交流市電過零點檢測電路，

該電路經阻容降壓、穩壓儲能、分壓和達林頓驅動後隔離輸出過零點信號。

採用Multisim對電路進行模擬，模擬結果表明，提出的過零檢測電路可有效檢測交流電的過零點，同時該電路具有生產成本低、佔用PCB面積小、檢測時間差短、抗電網浪湧電壓和浪湧電流等性能。已大量應用在電力線載波過零通信中。

電力線載波通信（PowerLineCarrier,簡稱PLC）於20世紀20年代推出。它的優勢主要來源於電力線分佈廣泛，

利用電力線作為通信線路可以減少投資和對線路的維護成本[1]。換言之為了簡化佈線，可以採用電力線載波通信（PLC）技術傳輸資料[2]。

因此在很長的時間裡，電力線載波在電力系統通信中佔有主導地位[3-4]。但是電力線的設計初衷是為了傳輸電能，作為資料傳輸通道，其通道特性並不理想[5-6]。文獻[7]對低壓電力線載波通信通道特性進行了研究和分析。

近年來，隨著智慧電錶和低壓電力線載波通信技術的不斷發展和成熟，

國家電網公司對於電力線載波通信的一次抄表成功率一步步提高。由於低壓電力線載波通信本身存在的缺點：不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同、電力線載波信號的衰減極具變化性、電力線存在本身應有的脈衝干擾[8]；大量衝擊性負載接入電網中，使得諧波增加[9]，由於頻帶接近，該諧波直接影響到電力線載波通信的成功率。

使得大量台區很難滿足國網公司對於一次抄表成功率的要求。

多年來低壓電力現場的大量測量資料表明，交流電在過零點附近具有阻抗連續、諧波污染值低、週期和相位穩定等特點，非常適合做載波通信。因此過零點通信被各大載波通信方案廠商所採用，經過大量通信現場的驗證也取得了很好的通信效果，一次抄表成功率超過99%，完全滿足國網的相關要求。

過零檢測電路作為過零點電力線載波通信至關重要的一部分，用來精確檢測交流電的過零點，載波通信根據檢測到的過零點，將長幀資料分割，在連續多個過零點附近很短的時間片範圍內進行資料通信。進而降低由於負載和阻抗不連續、諧波污染等原因引起的載波信號衰減，導致通信不成功。

該過零檢測電路必須具備成本低廉、檢測準確性高、高穩定性、抗干擾和浪湧能力強等特點才能大量應用在實際低壓電網環境中。

1過零檢測電路的設計和分析

1.1過零檢測電路設計

由於電力線載波通信過零檢測部分功耗非常小，載波通信模組又對成本比較敏感，所以採用阻容降壓方式為隔離輸出和達林頓驅動部分提供穩定可靠的電源。整個過零檢測電路完全靠被動器件來準確可靠的完成過零檢測功能。該電路具有成本低、佔用PCB面積小，抗干擾性強等優點。

本文所設計的過零檢測電路如圖1所示，分為阻容降壓、穩壓儲能、分壓驅動、達林頓驅動和隔離輸出五部分，其中R1、C1組成阻容降壓電路將220VAC電壓降低，經VD1、C2、C3組成的穩壓儲能電路將電壓穩定到5.1V左右，給隔離光耦D1供電，保證其正常導通的同時防止光耦過壓擊穿。

限流電阻R1、R2可有效防止電力線浪湧電壓和浪湧電流引起的光耦D1的誤動作，避免輸出過零信號誤觸發，分壓驅動部分電阻R3~R8與降壓驅動部分VT1、VT2串聯，在交流電由負變正的零點處導通，VT1、VT2組成的達林頓管，避免單管集電極電流小，不能正常驅動光耦，隔離輸出部分經光耦D1隔離，每個交流週期輸出一次過零點信號，作為過零點載波通信的過零參考點。

圖1 過零檢測電路

1.2阻容降壓原理分析（略）

1.3電路觸發的過零點與實際過零點時間差分析（略）

2模擬結果及分析（略）

3 結論

本文分析了過零檢測在電力線載波通信中的必要性，設計了低成本高可靠性的過零檢測電路，並通過理論計算和模擬對比，驗證了本電路的正確性。

分析和模擬結果表明，該過零檢測電路可以迅速有效的檢測到交流電的過零點，並有效抵抗電網的浪湧電壓和浪湧電流。同時，該電路結構簡單，製造成本低，工作性能良好，可靠性高。

目前該電路已廣泛應用在電力線載波的過零點通信中，使得使用過零點電力線載波通信的台區一次抄表成功率達到99%以上，完全滿足國網對於一次抄表成功率的要求。

抗干擾性強等優點。