低成本高穩定性低壓電力線載波通信過零檢測電路設計

吉 棟 唐玉建 黃 亮 吳有超

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200）

電力線載波通信（power line carrier, PLC）于20世紀 20年代被推出。其優勢主要來源于電力線分布廣泛，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，為了簡化布線，可以采用電力線載波通信（PLC）技術傳輸數據[2]。因此在很長的時間里，電力線載波在電力系統通信中占有主導地位[3-4]。但是電力線的設計初衷是為了傳輸電能，作為數據傳輸通道，其信道特性并不理想[5-6]。文獻[7]對低壓電力線載波通信信道特性進行了研究和分析。

近年來，隨著智能電表和低壓電力線載波通信技術的不斷發展和成熟，國家電網公司對于電力線載波通信的一次抄表成功率一步步提高。鑒于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沖干擾[8]；大量沖擊性負載接入電網中，使得諧波增加[9]，由于頻帶接近，該諧波直接影響到電力線載波通信的成功率。使得大量臺區很難滿足國網公司對于一次抄表成功率的要求。

多年來低壓電力現場的大量測量數據表明，交流電在過零點附近具有阻抗連續、諧波污染值低、周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采用，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，將長幀數據分割，在連續多個過零點附近很短的時間片范圍內進行數據通信。進而降低由于負載和阻抗不連續、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、抗干擾和浪涌能力強等特點，才能大量被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

由于電力線載波通信過零檢測部分功耗非常小，載波通信模塊又對成本比較敏感，所以采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、占用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共5個部分，其中R1、C1組成阻容降壓電路將220V AC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涌電壓和浪涌電流引起的光耦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，每個交流周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

阻容降壓的核心是電容器。電容器C1的作用就是通過容抗進行限流，將大部分交流電壓加在電容兩端，達到降壓目的。因此，電容器C1會根據負載的不同動態調整電容器和負載兩端電壓[10]。為防止負載端電壓過高，采用穩壓管VD1穩壓保證電源電壓。

電容C1的取值取決于通過電流的大小，當電容C1接到交流電路中時，電容C1的容抗為

式中，XC1為電容的容抗；f為交流電的頻率；C1為電容器的電容值。

因此流過阻容降壓的電流近似為

式中，IAC為流過阻容降壓的電流；XC1為電容的容抗；f為交流電的頻率；C1為電容器的電容值；UAC是市電交流電壓值。

因此市電有效值220V情況下，1μF電容得到的電流大小為

出于漏電流和安全考慮，C1采用有安規要求的Y電容，鑒于Y電容的電容量普遍偏小，該電路中采用22nF/2kV的Y電容，因此電流大小為

1.3 電路觸發的過零點與實際過零點時間差分析

穩壓儲能部分電路首先保證光耦兩端電壓穩定在5.1V附近，保證光耦D1能夠正常導通和截止的同時又防止光耦擊穿；電容C2、C3充電后，在光耦D1導通時段內放電保證光耦發光管正常發光。

電路觸發的過零點與實際過零點時間差ΔT由達林頓驅動電路晶體管VT1、VT2和光耦D1的導通延時Δt1和電容C2、C3的充電時間Δt2決定。

式中，Δt1由器件本身決定，所以過零檢測電路中在確定了C1電容和阻容降壓的電流值后，穩壓儲能部分的電容C2、C3的電容量大小直接影響到過零點電路觸發的過零點與實際零點之間的響應時差。該時差可用電容充電原理來估算。

電容的數學表達式為

式中，Q為電容儲存的電量；C為電容的容值；U為電容兩端電壓值。

電量公式為

式中，ΔQ為Δt時間內積累的電量值；I為電流值；Δt 為電流流過的時間。

將式（6）帶入式（5）可得

式中，ΔQ為Δt2時間內電容充電的電量值；I(t)為電容充電的電流函數；Δt2為電容充電時間。

式中，Δt2為電容充電時間；I(t)為電容充電的電流函數；ΔU為充電Δt2時間內電容兩端電壓的變化值；C為電容值。

根據電路中參數，可近似估算電容充電時間Δt2，即

2 仿真結果及分析

2.1 搭建仿真電路

利用Multisim11.0軟件，搭建如圖2所示的仿真電路，用虛擬示波器觀測 220VAC，經光耦 D1隔離后輸出的過零信號、光耦D1波形。

圖2 過零檢測仿真電路

2.2 仿真結果分析

此過零檢測電路的輸出過零點與實際輸入的交流信號波形如圖3所示。

阻容降壓部分電流測試如圖4所示，阻容降壓部分電流為

與實際估算值接近。

過零檢測電路輸出過零點信號與實際交流電的過零點之間時間差ΔT，如圖5所示，當C2、C3電容值都為22nF時，根據圖中所示，有

圖3 過零檢測電路的輸入與輸出波形

圖4 阻容降壓部分電流測試

圖5 C2、C3電容值都為22nF，時間差ΔT測試

由上述仿真可知，該過零檢測電路可以在很短的時間差內準確檢測到交流信號的過零點。

2.3 浪涌電壓仿真及結果分析

搭建如圖 6所示的仿真電路，將浪涌電壓與220V AC疊加后輸入過零檢測電路，觀測接入R2和不接入R2兩種電路下輸出過零點波形。

圖6 R2電阻對于浪涌電壓抑制仿真圖

該仿真過程中，采用表1中所列出的數據來模擬實際電網中的浪涌波形，該浪涌相對正弦波過零點的延遲時間為 0.005001s，持續時間為 1.2μs，峰值電壓為200V。

表1 浪涌電壓相對于220VAC的介入時間和對應電壓表

當電阻R2接入電路中時，過零點輸出對于浪涌電壓的響應如圖7所示。

圖7 R2接入電路中時，過零點輸出對于浪涌電壓的響應

由圖8可知，R2接入電路中時，輸入浪涌電壓并未引起過零點輸出的誤觸發。

當電阻R2不接入電路中時，過零點輸出對于浪涌電壓的響應如圖8所示，圖中黑框部分為過零點誤觸發。

圖8 R2不接入電路中時，過零點輸出對于浪涌電壓的響應

將過零點輸出誤觸發點放大后波形如圖9所示。

圖9 R2不接入電路中時，放大后的過零點誤觸發信號圖

由圖 9中示數可知，誤觸發信號從下降到2.330V到波形恢復到 4.0013V時所經歷的時間為144.7μs，且最低電壓在 1V以內，而常用低速光耦的上升和下降時間均在 20μs數量級，所以 144.7μs足以導致MCU將該誤觸發點識別為過零點。

由上述仿真可知，R2電阻可以有效避免輸入浪涌電壓引起的過零點誤觸發，同時R1為功率電阻，可以有效吸收上電瞬間的浪涌電流，避免上電瞬間浪涌電流引起的R1電阻炸裂導致的電路損壞（此處不再另做仿真）。

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，并通過理論計算和仿真對比，驗證了本電路的正確性。分析和仿真結果表明，該過零檢測電路可以迅速有效的檢測到交流電的過零點，并有效抵抗電網的浪涌電壓和浪涌電流。同時，該電路結構簡單，制造成本低，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臺區一次抄表成功率達到99%以上，完全滿足國網對于一次抄表成功率的要求。

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