电力载波的通信模块与终端电路如何设计？

在电力供配电系统中，配电变压器监测终端(TTU)用于对配电变压器的信息采集和控制，它实时监测配电变压器的运行工况，并能将采集的信息传送到主站或其他的智能装置，提供配电系统运行控制及管理所需的数据。一般要求TTU能实时监测线路、柱上配电变或箱式变的运行工况，及时发现、处理事故和紧急情况，并具有就地和远方无功补偿和有载调压的功能。由此可见，TTU除具有数据采集与控制功能外，另一个重要功能就是通信功能。

电力线载波通信技术出现于20世纪20年代初期，它以电力线路为传输通道，具有可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。电力线载波又分为高压电力线载波(电力线载波中通常指35 kV及以上电压等级)、中压电力线载波(10 kV电压等级)和低压电力线载波(380/220 V电压等级)。

1 、配变监测终端通信模块的硬件设计

1.1配电自动化对TTU通信的要求

根据配电自动化系统的要求，配变监测终端TTU对上应能与配电子站或主站进行通信，将终端采集的实时信息上报，同时接收子站/主站下达的各种控制命令，对下要求可与附近的配变监测终端(TTU)或其他智能设备进行通信。因此，对配变监测终端通信功能的要求比较严格，无论通信方式、通信协议、通信接口都要满足配网自动化系统的要求，主要包括：

(1)通信的可靠性：配变监测终端的通信应能抵制恶劣的气候条件，如雨、雪、冰雹和雷阵雨，还有长期的紫外线照射、强电磁干扰等。

(2)较高的性价比：考虑通信系统的费用，选择费用和功能及技术先进性的组合，追求性价比。

(3)配电通信的实时性：电网故障时TTU快速及时地传送大量故障数据，配变监测终端的通信系统必须具有双向通信的能力，具有半双工或全双工的能力。

(4)通信方式的标准化及通用性：配变监测终端的通信系统包括发送器、接收器。使用中常常需要与其他配电设备进行通信，因此应尽量选择具有通用性、标准化程度高的通信方式及设备，便于使用和维护。

1.2 TTU通信模块的构成

1.2.1 通信模块的整体框图

TTU的通信模块整体框图如图1所示。

基于电力线载波芯片ST7538实现TTU通信模块的设计接口通过电力线接收来自主站的命令信息，经过滤波放大后，命令经过解调送到控制器，然后控制器通过串口将主站命令发送给数据采集与处理模块。数据采集与处理模块根据接收到的主站命令对配电变压器的数据进行采集，经过分析处理后，将数据信息通过串口发送给通信模块的控制器，再经过调制，经由接口发送到电力线上，等待主站接收。

1.2.2 电力线载波芯片的选择

在电力线载波通信中，电力线载波芯片起着至关重要的作用，它直接影响到信息的准确传送，因此电力线载波芯片的选择是十分重要的。

XR2210/XR2206套片或LM1893是比较早的电力线载波芯片。XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通信设计的。LM1893是美国国家半导体公司生产的modem芯片，采用FSK调制解调方式，它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem芯片在国内基本没有采用。SSC P300是Intellon公司采用现代通信技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频(Chirp方式)调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。但它是Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围100 kHz“400 kHz，电网电压480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz，不适合我国50 Hz电网频率。ST75xx芯片是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通信而设计的modem芯片。由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段，目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛。

本文选用SGS-THOMSON公司的电力线载波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基础上推出的一款为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的半双工、同步/异步FSK调制解调器芯片。ST7538内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接，内部具有电压自动控制和电流自动控制，只要通过耦合变压器等少量外部器件即可连接到电力网中，可以在噪声频带很宽的信道环境下实现可靠通信。ST7538还提供了看门狗、过零检测、运算放大器、时钟输出、超时溢出输出、+5 V电源和+5 V电源状态输出等，大大减少了ST7538应用电路的外围器件数量，是一款功能强大、集成度很高的电力载波芯片，为家庭和工业环境应用而设计，采取了多种抗干扰技术。

1.2.3 硬件电路的设计

通信模块包括微处理器部分、载波部分、信号滤波部分和电力线信号耦合保护部分。整个通信模块各部分的连接如图2所示。

微处理器选择ARM芯片，它与TTU的数据采集与处理模块通过串口进行通信，及时发送主站的命令以及传送TTU采集到的配变数据。

电力线载波芯片ST7538与微处理器之间通过SPI口进行通信，通过微处理器与ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以实现微控制器与ST7538的数据交换。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的状态决定。微处理器与ST7538之间的通信采用同步方式，CLR/T作为参考时钟。ST7538处于接收数据状态时，RxTx为低，待发数据从TxD脚进入ST7538，时钟上升沿时被采样，并送入FSK调制器调制，调制信号经D/A转换、滤波和自动电平控制电路(ALC)，再通过差分放大器输出到电力线。ST7538处于接收数据状态时，RxTx为高，信号由模拟输入端RAI脚进入ST7538，经过一个带宽±10 kHz的带通滤波器，送入一个带有自动增益AGC的放大器。此信号再经过解调、滤波和锁相变成串行数字信号，输出给微处理器ARM。

信号滤波部分包括输入窄带滤波器和输出窄带滤波器两部分。输入滤波电路采用并联电流谐振电路，滤除指定频率以外的无用信号和噪声。输出滤波电路采用串联电压谐振电路，避免无用信号耦合到电力线上。

电力线信号耦合保护电路由功率放大器、输出保护匹配电路和输入增益平衡匹配电路3个基本部分组成，其耦合方式采用电容耦合。

电力线载波通信是利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。它使用现有的电力线，无需重新布线，只需要在发送端将信息信号注入到电力线上，然后在接收端通过解调技术将信号从电力线上提取出来。

其工作原理是将需要传输的信息通过调制技术转换成适合在电力线上传输的信号，然后通过电力线进行传输，接收端再通过解调技术将信号还原成原始信息。具体来说，电力线载波通信的调制方式通常是采用调幅调制(AM)或调频调制(FM)，将需要传输的数据信号转换为高频载波信号，然后通过电力线进行传输。在接收端，通过解调器将高频载波信号还原为原始数据信号。

电力线载波通信的优点包括无需重新布线、覆盖范围广、高速传输、安全性高、便于维护等。同时，它也存在一些缺点，如电力线上的噪声干扰较大、传输速率受到一定限制等。目前，电力线载波通信技术已经被广泛应用于智能家居、远程抄表系统、医疗监控等领域。

电力线载波通信在以下行业有广泛应用：

智能家居：智能家居控制网可用电力线载波技术来实现，其原理是将电力载波技术集成后嵌入到各电器中去，并利用家庭现有的电力线作为载波通信媒介，实现智能设备之间的通信与控制。

远程抄表系统(AMR)：远程自动抄表(AMR)系统是智能控制网的重要应用之一。它可以使电力供应商在提高服务质量的同时降低管理成本;并让用户有机会充分利用各种用电计划(如分时电价)来节省开支和享受多种便利。

医疗监控：利用已有电力线网络，可以在医院或家庭建立起医疗监控网，实现重症监护功能，病人的血压、心率、症状等信息可以在家里通过电力线监控网传送至小区控制中心，再通过公共电话网或Internet传送到较大的医疗单位，进行分析、处理和监护。

在模块设计方面，电力线载波通信模块主要包括以下几部分：

载波通信芯片：载波通信芯片是电力线载波通信模块的核心部件，负责数据的调制和解调。

滤波电路：滤波电路用于滤除电力线上的噪声和干扰信号，保证数据传输的可靠性。

驱动电路：驱动电路用于将调制后的信号放大并耦合到电力线上进行传输。

信号检测电路：信号检测电路用于检测电力线上的信号并进行解调，提取出有用的数据信息。

微控制器：微控制器用于控制整个模块的工作流程，处理数据并进行通信协议的实现。

接口电路：接口电路用于与外部设备连接，实现数据的输入和输出。

电力线载波通信具有以下优点：

经济可靠：利用电力线路进行信息传输，无需新敷设通信线路，降低了成本;同时，电力线路覆盖范围广，能够覆盖到电力线路覆盖的区域，适用于城市和农村等各种环境。在两端增加载波机和高频阻波器及结合设备后，通信距离在30～50km以上时，比一般有线通信便宜。

高速传输：电力线载波通信采用数字通信技术，具有传输速度快、误码率低的特点，能够满足各种数据传输的需求。

便于维护：由于电力线载波通信的设备和线路与电力系统共用，因此便于维护和管理。在电力系统正常运行的情况下，电力线载波通信的设备也可以正常工作，无需特殊的维护和管理。

安全性高：电力线载波通信采用加密技术，能够确保数据传输的安全性，防止数据泄露和被攻击。

支持远程管理：电力线载波通信设备可以通过远程管理的方式进行控制和监测，方便管理人员随时掌握设备的运行状态和数据传输情况。

多功能性强：电力线载波通信设备具有多功能性，可以实现数据的采集、传输、控制等多种功能，满足各种应用场景的需求。

总的来说，电力线载波通信具有经济可靠、高速传输、便于维护、安全性高、支持远程管理、多功能性强等优点，具有广泛的应用前景。