低压电力线载波通信结合滤波器设计

('低压电力线载波通信结合滤波器设计徐鑫;戴明川;徐焜耀;张俊佳【摘要】Becauseofthelow-voltagepowerlineasadatacommunicationchannel,itscommunicationfeaturesarenotsatisfactory,andvariousloads,electricalequipmentsandenvironmentcausealotofnoise,whichaffectthepowerlinecommunicationsystemperformance.Inordertoensuretheeffectivetransmissionofthecarriercommunicationsignalanddata,acouplingfilterforlow-voltagepowerlinecarriercommunicationsisdesignedthroughthecircuitanalysis.Thesimulationandexperimentalresultsshowthatthiscouplingfiltercaneffectivelyfiltervariousinterferencesignalsinthelow-voltagepowerlinecarriercommunicationchannel,andthusrealizesthefunctionofeffectivetransmissionofcarriercommunicationsignalsanddata.%低压电力线作为载波通信信道时,其通信特性并不理想,各种负载、用电设备及外界都将引起大量的噪声,给电力线载波通信带来了严重的干扰问题,从而影响电力线通信系统的性能.为了保证载波通信信号和数据的有效传输,通过电路分析并设计一种低压电力线载波通信结合滤波器,经仿真与实验该滤波器能有效过滤低压电力线载波通信信道中的各种干扰信号,从而达到了保证载波通信信号和数据的有效传输的作用.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)019【总页数】4页(P191-194)【关键词】低压电力线;载波通信;结合器;低通滤波器;带通滤波器【作者】徐鑫;戴明川;徐焜耀;张俊佳【作者单位】重庆市电力公司电力科学研究院,重庆401123;重庆邮电大学自动化学院,重庆400065;重庆市电力公司电力科学研究院,重庆401123;重庆邮电大学自动化学院,重庆400065【正文语种】中文【中图分类】TN713+.5-34;TN913.6-340引言电力线载波通信技术是利用电力系统的广泛线路资源，通过FSK、OFDM等技术实现在同一电力线不同带宽的信道上传输数据，不仅可以节约信道敷设、维护费用，而且接入灵活、应用广泛。但由于电力线传输的无屏蔽性，电网的稳定性比传统的电话、电视等通信网差得多，特别是在我国存在电网结构复杂，线路老化等问题，使得电力线通信线路的电磁环境极其复杂[1]。一方面，需要让有用的载波信号耦合到电力线中去，实现通信信号在电力线上的传输，另一方，需要防止电网中的其他无用杂波信号对有用信号传输与接收的影响，本文主要是针对低压电力线载波通信系统中如何实现载波信号的耦合与滤波进行分析与设计。1结合滤波器实现低压电力线结合滤波器主要由耦合电路与滤波电路组成。耦合电路，即耦合高频载波信号，又起到高压工频隔离的作用，阻止50Hz工频电流,并尽可能地减少衰减低频噪声及干扰信号,而对高频载波信号,提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性。滤波器电路部分所起的作用是，当其作为发送端时，是将载波机发出的信号进行滤波，允许中心频率为N，带宽为M的载波信号通过，同时滤除其他杂波，将载波信号输入到耦合电路；当其作为接收端时，是将耦合器分离的信号进行滤波，允许有用载波信号发送到载波机上。2耦合器的实现2.1耦合器的设计原则耦合器的主要原则是：能够适应低压配电网开放式的网络结构及复杂多样的网络特性，满足高频宽带信号的传输要求，提供足够的带宽，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；同时克服不利的电网网络特性及电力线信道特性；还要考虑到实际应用的方便性与经济性[2]。2.2耦合器分析选择在低压电力线载波通信系统中常用电容耦合和电感耦合两种方式。2.2.1电容耦合电容耦合属于一种直接耦合装置，采用耦合电容器为主要元件的耦合方式，用一高频电容来连接高频载波信号的输入、输出端与电力线接入点，将高频载波信号直接注入到电网，同时从电力线上接收高频载波信号。高频电容一端连接电力线，另一端与耦合变压器相连[2]。聚酯(涤纶)电容(CL)小体积、大容量、耐热耐湿、稳定性差。陶瓷电容器又分为高频瓷介电容器和低频瓷介电容器两种。高频瓷介电容器具有较高稳定性温度系数，用于高稳定振荡电路中，作为回路电容器。低频瓷介电容器用在对稳定性和损耗要求不高的场合或工作频率较低的回路中，起旁路或隔直流作用，它易被脉冲电压击穿，故不能使用在脉冲电路中。安规电容包括了X电容和Y电容。X电容是跨接在电力线两线(L-N)之间的电容，一般选用金属薄膜电容；Y电容是分别跨接在电力线两线和地之间(L-E，N-E)的电容，一般是成对出现。X电容抑制差模干扰，Y电容抑制共模干扰。由于耦合电路直接与电力线连接，要求耐压值较高，通过分析各类电容的优缺点和适用场合，选择安规电容比较合适，其耐压值为250V。2.2.2电感耦合电感耦合基于变压器耦合的原理，属于一种非接触式耦合，将电力线导线作为副边线圈，而将高频载波信号线作为原边线圈，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。这里两个线圈回路信号耦合的程度与所选磁芯关系很大。因此，设计中主要考虑其对高频载波信号的耦合能力及效率，无需其他信号电路和元器件。3滤波器设计3.1滤波器的选择常用的滤波电路有有源滤波和无源滤波两大类。若滤波电路由无源元件组成，则称为无源滤波电路。若滤波电路不仅由无源元件还由有源元件组成，则称为有源滤波电路[3]。根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BEF)四种。低压电力线载波通信中的载波信号是以某一频率N为中心频率，M为带宽的通信有用信号。根据低压电力线载波通信运用的场合和载波信号对信道的要求，不难看出需要设计的结合滤波器是一种无源的带通滤波器。在载波通信中常用的滤波器有LC滤波器、陶瓷滤波器、机械滤波器、RC有源滤波器、开关滤波器等。根据各种滤波器的特性，可以选择具有中心频率、带宽、衰耗特性和群时延特性的设计自由度，容易实现低通、高通、带通、带阻特性的LC滤波器。3.2带通滤波器设计3.2.1带通滤波器的设计思路当要设计一款BPF时，BPF的技术指标是给定的，一般不直接根据技术指标设计BPF，而是先找到与之对应的原型低通滤波器(LPF)，即将BPF的技术指标变换为原型LPF的技术指标，然后根据LPF的设计方法设计一个LPF，即找到原型LPF的传递函数，再通过频率变换，将原型LPF的传递函数转换为BPF的函数，这样，BPF就设计完成[4-5]。设计步骤如下：(1)将带通滤波器设计指标变换为归一化低通滤波器性能指标；(2)根据归一化频率响应曲线选择一个满意的低通滤波器；(3)将归一化低通滤波器参数变换为所求的带通滤波器。3.2.2LC带通滤波器的技术指标与设计LC中心频率定义为:(1)式中:fL是带通的下限频率;fH是带通的上限频率，它们通常是3dB处的衰减频率。图1带通滤波器频响曲线阻带带宽是指满足阻带衰减要求所对应的高低2个频率f1,f2之差。滤波器的选择系数Q为：(2)BW是带通滤波器通带带宽或fH-fL。Q≥10时，中心频率的定义可以改写为通带边界频率的算术平均值:(3)带通滤波器的陡度系数为：(4)上下限频率的计算方法为：(5)当已知中心频率及带宽为f0=N,BW=M时，可由式(2)，式(5)得到滤波器的选择系数Q和上下限频率。由于通带宽度与阻带宽度的差大约为10%～20%和衰减为30～40dB，在此取带差为10%和衰减为35dB则:f2″=fH+10%fH=110%fH(6)由得到:(7)由f2″得到:(8)两对频率对比：f2″-f1″=f″(9)对比f′与f″的大小，选择其中较小的差频率的陡度系数：(10)根据计算得到的陡度系数，由频率响应曲线选择出归一化低通滤波器，使得通带过渡到阻带的频率比小于陡度系数。将LC低通滤波器变化为具有等效带宽的带通滤波器，为了进行低通到带通的变换，每个电容并联一个电感使之谐振，每个电感串联一个电容使之谐振。3.3设计实例以中心频率为270kHz，带宽为30kHz为例：由式(5)可知上下限频率:由式(6)～式(10)可知陡度系数：因此由归一化曲线中选择合适的归一化低通滤波器，因为通带边界点为3dB处，故在2.9rad/s，即截止频率1rad/s的2.9倍处，归一化必须有大于35dB的衰减。根据0.25dB的切比雪夫低通滤波器频率响应曲线，选择阶数为n=3的滤波器，它在2.9rad/s处可提供大于等于35dB的衰减，得到对应的低通滤波器参数及电路模型，如图2所示。图2归一化的低通滤波器电路为了得到带通滤波器，需进行低通滤波器到带通滤波器的变换，每个电容并联一个电感使之谐振，每个电感串联一个电容使之谐振，如图3所示。图3归一化后的带通滤波器电路LC带通滤波器的时延是相同归一化低通滤波器的2倍。(11)在基于EWB512界面下进行仿真,以输入电压5V，频率270kHz为输入端信号，仿真电路界面如图4(a)所示，结果如图4(b)所示。经过仿真可以得出结论：此设计方案是满足中心频率为270kHz、带宽为30kHz的带通滤波器，可以起到滤除50Hz工频及其他杂波的作用。经过对耦合与滤波的分析与研究，通过合理的设计和参数选择，最终能够得到一个满足设计要求的耦合滤波器。电感式耦合滤波器电路如图5所示，耦合电路是载波信号的输入和输出的通路，并起隔离220V/50Hz工频的作用，信号耦合电路采用高通滤波器形式。滤波器采用带通滤波器，中心频率为270kHz，带宽为30kHz。这部分电路所起的作用是，当其作为发送端时，是将载波机发出的信号进行滤波，允许270kHz的载波信号通过，同时滤除其他杂波，将载波信号输入到耦合电路；当其作为接收端时，是将耦合器分离的信号进行滤波，允许有用载波信号发送到载波机上。图4电路仿真界面与结果图5电感式耦合滤波器电路电容式耦合滤波器电路如图6所示，高频电容一端连接电力线,另一端与耦合变压器相连。该电容为高压电容(耐压值大于等于275V)，既耦合高频载波信号，又起到高压工频隔离的作用，由于要求耐压值较高因此选择安规电容比较合适，其耐压值为250V。图6电容式耦合滤波器电路由耦合电容C1和耦合变压器T1的初级线圈组成高通滤波电路,阻止了50Hz工频电流,并尽可能地减少衰减低频噪声及干扰信号,而对高频载波信号,提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性。滤波电路部分的作用与电感式耦合滤波器中滤波电路所起作用相同。4结语耦合滤波器在解决低压电力线载波通信抗干扰问题中，有不可替代的作用，它不仅能够将需要的载波信号耦合到低压电力线中传输通信信息，而且能够有效地隔离电网中干扰杂波对载波机等设备提取载波信号的干扰。LC型耦合带通滤波器设计自由，具有较好的稳定性、体积小等特点，所以非常适应于低压电力线载波通信使用。参考文献[1]赵志鹏，罗映红.电力线载波通信EMI滤波电路研究[J].电子技术,2008(11):170-171.[2]李建岐，胡岚，米硕.低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置[J].电力系统通信,2004(4)：7-10.[3]李建岐,常蕾.LC带通滤波器在低压电力线载波通信中的应用[J].电测与仪表,2003(12)：33-36.[4]WILLIAMSArtherB,TAYLORFreadJ.Theelectronicfilterdesignhandbook[M].4thed.NewYork:McGraw-Hill,2006.[5]郭旻.新型电力线阻波器、滤波器测试装置的研究与设计[D].武汉:华中科技大学，2006.[6]黄进文.RLC串/并联谐振回路的谐振特性与典型参数分析[J].保定师专学报,2004(5)：78-82.[7]金亦明.利用铁氧体磁环设计交流静噪滤波器[J].江苏电器,1989(1)：28-30.[8]白同云,吕晓德.电磁兼容性设计[M].北京:北京邮电大学出版社，2002.[9]国家技术监督局.GB/T14430-1993单边带电力线载波系统设计导则[S].北京：中国标准出版社，1993.[10]国家技术监督局.DL/T629-1997(2005)电力线载波结合设备分频滤波器[S].北京：出国电力出版社，1998.',)