电力线通信的调制方式和支持的系统有哪些？

AFE031是一款应用于电力线通信的模拟前端器件，可以作为电力线通信系统的收发器。本文将从AFE031应用背景、基本框架及系统设计三个方面进行介绍。

一. 应用背景

PLC的收发器由模拟前端器件构成，该环节对MCU发送的数字信号或从电力线接收到的载波信号进行调理，从而保证信号能准确、有效、可靠地在电力线上进行传输。而AFE031正是一款优质的PLC模拟前端器件，可用于构建支持SunSpec等协议的PLC系统，其与MCU的接口也如图1所示。

二. AFE031基本概述

AFE031内部高度集成，图3是AFE031的功能框图，其中，红圈标示了PLC的Tx模块，蓝圈标示了PLC的Rx模块，另外，紫圈标示了其他辅助功能模块，内部资源丰富。

Tx模块负责对发送路径信号进行处理，其包含数模转换器DAC、增益可调放大器Tx_PGA、带宽可调低通滤波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模块内，待发送信号被放大和滤波后送入功率放大器PA，PA以6.5V/V的固定增益进一步将信号放大后输出，驱动负载。

Rx模块负责对接收路径信号进行处理，接收路径上的环节依次是增益可调放大器Rx_PGA1、带宽可调低通滤波器Rx_Filter 、可调增益放大器Rx_PGA2。接收信号经过放大、滤波处理后送入MCU的ADC以还原数字信号。

MCU经SPI接口可对AFE031寄存器进行配置从而改变Tx模块及Rx模块的放大器及滤波器参数，针对SunSpec应用，Tx和Rx的滤波器可设置为CENELEC B/C/D档，对应截止频率为145kHz。更多MCU与AFE031接口方式及调参方法请浏览SBOA130A及TIDA-060001。

AFE031的优势可以总结如下：支持包括SunSpec在内的多种协议;供电PA_Vs范围大，为7-24V;输出电流可达1.5A;接收灵敏性好，可检测到低至20 μVRMS信号;高度集成，资源丰富;配置灵活。

以上对AFE031基本框架、主要模块功能作用以及优势做了一个基本的介绍，关于各模块参数值、工作原理、寄存器配置的详细介绍请参考AFE031数据手册。

图3. AFE031功能框图

三. 基于AFE031的SunSpec PLC系统设计要点

构建基于AFE031的SunSpec PLC系统有几个部分要重点考虑： Tx路径、Rx路径、电力线耦合电路、保护电路，下面将分别对这几个部分的外围电路设计要点进行介绍。

(1)Tx路径

AFE031支持两种Tx模式，分别是DAC模式和PWM模式，两者的连接方式及外围电路设计都有所差异，如图4(a)和图4(b)所示。

图4. Tx路径. (a) DAC 模式，(b)PWM模式

两种模式都需设置PA输入端交流耦合电容CIN以及PA限流值设置电阻RSET。而CIN作为高通滤波器，其取值决定于用户需要的截止频率fHP。SunSpec的较低频率fm=131.25kHz，为预留一定裕量，应设置fHP应小于fm，CIN的计算公式为：

(1)

而RSET串接于PA_ISET引脚，RSET与限流值ILIM的关系式为：

(2)

两种模式的区别在于，DAC模式下，MCU会通过快速中断给AFE031发送正弦波离散值，虽然该过程会占用较多CPU资源，但传送信号经DAC转换后，谐波含量很小，无需设置太多外围滤波器;而PWM模式下，MCU直接通过外设ePWM给AFE031发送PWM波，这种模式下，MCU的配置很简单，但信号的谐波含量较大，需要设置外围滤波器，如图4(b)所示的RC低通滤波器Fd1和Fd2，可加强滤除PWM波的高次谐波。RC低通滤波器推荐使用电阻Rd为510Ω，截止频率为fL，fL应大于待传送信号频率。而SunSpec协议的最大载波频率为fs=143.75kHz，所以fL应大于fs，对应的Cd1和Cd2的设置可参考以下公式：

(3)

(2)Rx路径

Rx路径如图5所示，Rx路径上，接收信号先后经过外围带通滤波器F1及AFE031内部Rx模块。

由于电力线工作环境复杂， AFE031接收到的信号可能含有各种干扰，因此，有必要为Rx路径设置一个外围的带通滤波器F1，F1是四阶带通滤波器，其设计可遵循以下原则：首先选定滤波器特征阻抗Zc，该值与传输线阻抗匹配，对于PLC应用，可设定为1kΩ;然后确定电阻大小，两电阻R1、R2起到分压作用，当选择R1=R2=Zc，信号有-6dB的衰减，若选择R1=Zc，R2=10Zc，则信号有接近0dB的增益;最后可按照以下公式确定剩下的LC参数：

(4)

其中f1是带通滤波器的低频截止频率，f2是带通滤波器的高频截止频率，针对SunSpec的应用，f1应小于fm，f2应大于fs。比如可选择C1=1.7nF，C2=1nF，L1=1.2mH，L2=1.5mH。

此外应注意的是，Rx_Filter是一个单位增益四阶低通滤波器，需要依靠两个外部辅助电容来正确配置滤波器，对于SunSpec所处的CENELEC B/C/D频段，两电容设置分别是CR1=270pF，CR2=560pF。

(3)电力线耦合电路

电力线耦合电路用于连接AFE031与电力线，使得信号能在两者之间交互。交流电力线与直流电力线的耦合电路会有所区别，需分别介绍。

a. 交流应用

对于交流应用，电力线耦合电路如图6所示，包含低压侧电容CLV、变压器T、高压侧电容CHV，以及高压侧电感LHV。其中CLV的作用主要是隔绝低压侧偏置直流电压，该电容应对高频信号呈现低阻抗，常用10μF电容，其耐压值应大于稍后介绍的TVS钳位电压值。而CHV与变压器T绕组电感构成分压器，CHV承受低频交流大电压VAC，而高频信号经变压器耦合到低压侧。CHV的大小要根据无功功率限值VAlimit来设定：

(8)

其中fP为工频，CHV的耐压值应高于电力线电压。但根据VAlimit设置的CHV可能带来较大的阻抗，从而导致驱动负载的能力不足，所以需要辅以LHV维持电力线路低阻抗，对于SunSpec，可以认为两载波频率fm和fs的中心频率为fb=137.5kHz，从而可以确定LHV的取值：

(9)

至于变压器T的匝数比取值，可以根据负载获得PA最大输出功率的需求进行匹配。假设VPA_out_peak和IPA_out_peak分别是PA输出最大电压和电流，高压侧等效负载为Rload，变比可参考下式：

b. 直流应用

在低压直流应用中，可以不需要变压器，仅以电容CDC耦合电力线与模拟前端电路，如图7所示，直流母线电压为TPS43060生成的24V，而耦合电容CDC常取为10uF，其额定电压需大于直流母线电压。另外，由于直流线路为低阻抗线路，且TPS43060输出端对于高频信号也呈低阻抗，PA输出信号可能会从直流线路进入直流电源然后被拉低，从而极大影响PA输出摆幅，因此需要在电源侧串联电感LDC以提高电源输出阻抗，如图中的680uH，对SunSpec中心频率的阻抗达到587Ω。需注意的是，此处为低压直流场合，基于电容耦合，电力线侧的地可与AFE031的地相接。

若应用于高压直流场合，应避免两地直接相连，须重新采用变压器进行隔离耦合，可参考图8所示的EVM板Boost-AFE031框图。

(4)保护电路

下面以直流应用的保护电路为例进行说明。直流应用的保护电路如图9所示。其中TVS管是瞬态二极管，防止瞬间大电压损坏AFE031，TVS的钳位电压应稍大于PA_Vs/2，要在确保不误触发的前提下提高保护的可靠性。肖特基二极管D1-D2的作用是抑制持续过电压对AFE01的影响。而由于D1-D2具有结电容，结电容的不平衡将导致直流偏压不能维持在PA_Vs/2，分压器Rb1-Rb2的作用正是要改善这种情况，使PA输出有正确的直流偏置。稳压管Z的作用是稳定AFE031的PA供电电压PA_Vs。Lo-Co-Ro组合作为一个额外的噪声或振铃吸收器，选取的经验值为Ro=4.7Ω，Co=1nF，Lo=1mH。

基于AFE031构建SunSpec PLC系统进行测试验证，图10和图11分别是指令传输波形以及发送不同载波时对应的波形频谱。可见该系统能顺利执行SunSpec PLC通信功能，而且谐波含量少，确保了PLC通信的可靠性。

AFE031作为一款PLC模拟前端器件，支持包括SunSpec在内的多种PLC协议，能方便地实现可靠的PLC通信功能。其优势还在于有较大的供电电压范围、较大输出电流、可检测低至20μVrms信号的接收灵敏性。在系统设计时，可根据选定的通信方式，通过SPI接口配置AFE031寄存器，并相应地取定外围滤波器参数，最后加上电力线耦合电路以及必要的保护电路即可完成系统构建。

十三五”末，配电自动化覆盖率要求达到90%以上，各地区配电自动化正全面推进。由于配电自动化覆盖面广、设备多、种类繁多。因此要实现配电自动化首先要解决可靠性通信问题，才能保证配电自动化系统可靠运行。同时，在满足可靠性供电的基础上，如何降低造价，选择合理的通信方式配合配电自动化系统建设变得尤为重要。

在配电自动化建设过程中，从传输性能分析，采用集中式或智能分布式配电自动化模式，配电终端需实现三遥，采用光纤通信方式由于具有中继距离长、传输容量大、传输质量好，特别是具有不受高电压、大电流影响的优势成为了首先的通信方式。

但是由于配电网覆盖范围大、通信节点分散且数据量小，铺设光缆费用高从而影响了性价比，因此在就地型重合器式及故障指示器模式中，配电终端实现二遥，一般采用无线专网或无线公网通信模式。电力线载波通信方式考虑到可能出现配电线路断路或发生短路故障，通信可靠性得不到保障，而且使用这种方式由于对单一的工频电能加入了其他频率的通信信号，会不可避免的对电能质量造成一定影响，因此在目前配电自动化建设中基本停用，只在光缆很难到达的站点，作为配电自动化通信的一种补充。

(1)明线通信：采用架空明线来传递电信号，这种方式易受自然灾害而影响通信质量。

(2)电缆通信：采用埋设在地下的电缆来传递电信号。与架空明线比，电缆的优点是容纳线

对的数量较多，受气候影响和外界的损害较少，埋在地下时，保密性较好。缺点是衰耗比明线大

得多，投资也比明线高。

(3)电力载波通信：利用高压输电线传递高频信号，省去昂贵的线路投资，故目前大量采

用。电力载波通信要求在线路上增装阻波器和耦合电容器，必须采用频率分割和载频阻塞法减小

各载波通道之间的电磁耦合串音影响。

(4)光纤通信：将要传输的语音、图像和数据信号先变成光信号，由光纤进行传输。光纤通

信具有通信容量大、抗干扰能力强、中继距离长等优点，缺点是造价较高。

(5)微波通信：将要传播的信号调制在微波上进行传递，微波通信与光纤通信类似具有容量

大，抗干扰能力较强的优点。由于微波在空间基本上是沿直线传播，所以微波在地面的传播距离

受到限制，为了进行远距离微波通信，常在两个通信点之间设立多个接力站，将信号一站一站地

传递下去，这种方式称为微波中继通信。

(6)卫星通信：适用于边远地区通信。通话时，有时间延迟和回声。由于运行费用高，话路

数量受到一定的限制。

电力线通信技术是将携带有数据的电信号调制到电力线上，使用供电电力线作为信道进行通信的方式，具有成本低、方便快捷和易于组网的特点。将电力线通信技术与嵌入式技术相结合构成的电力线通信系统，具有嵌入式系统的专用性、可靠性、应用领域广泛等特点，在电力远动系统中得到了广泛应用，是电力线通信技术研究的一个重要方向。

本文主要研究可在电力系统通信主站和从站终端中运行的远动通信应用软件的设计与实现。在对电力远动通信协议和相关报文格式分析的基础上，论文通过UML建模，分析软件的主程序类关系以及总召唤、单命令遥控等应用功能的执行过程，并在Msual Studi0 2010平台上完成了软件的界面设计和功能实现。软件的主界面分为四个部分：系统、网络设置、电力线设置和应用，其中实现了远动通信的应用功能的主要是应用界面及系统界面中的网络管理部分。应用界面中的应用功能部分是软件的核心，主要实现总召唤、单命令遥控召唤等远动通信规约中定义的应用功能的选择和参数设置，以及对应用功能执行过程的控制。除此之外，应用界面中的应用方式、统计方式、动态数据显示等部分分别实现了主从方式和从站地址的设置、应用功能报文的统计、收发报文的解析和动态显示功能。系统界面中的网络管理部分实现了在主站对各个从站当日收发报文的数量、时延和在线时间的统计。

测试结果表明，本软件能够运行于与电力线通信嵌入式系统相连接的主站和从站终端设备中，实现总召唤、单命令遥控召唤等多个应用功能的正常执行，完成完整的远动通信过程。同时软件可以对通信过程进行动态显示和监督，并在主站进行各个从站通信状态的统计。