直流載波通訊系統線路特性研究與系統實現

周 軍，董承霖，喬 建

（1. 東北電力大學電氣工程學院，吉林 132012；2. 國網吉林省電力公司吉林供電公司，吉林 132012）

電力線載波技術是指利用電力線作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式[1-6]。近年來，隨著我國加大對電力系統智能化的推進，電氣設備結構越來越嚴密且復雜，導致數據監測系統的建設規模也逐漸擴大。儀器儀表通常肩負測量及通訊兩個功能，控制主站與儀器儀表之間既需要低壓直流供電線路，又需要數據傳輸線路[7-13]。而直流載波通訊系統采用“供電母線+數據總線”的技術方案，使得供電線路與通訊線路合二為一，從而達到節省線纜和施工成本、線纜減重、提高系統可靠性的目的[14]。目前，該技術在電動汽車、光伏發電監測和重新布線費用昂貴的工業環境中有較高需求。

許多學者對直流載波通訊技術進行了研究。文獻[15]為了解決測井過程中的數據傳輸問題，采用直流載波通訊技術對地面系統和井下系統進行供電通訊，但所設計的電路由于采用變壓器耦合的方式，所占空間較大，無法應用于小型儀器儀表。文獻[16]基于光電耦合器、三極管等元器件的基本原理，結合電路中電壓、電流信號相互轉換的功能，設計了一種基于兩條直流供電線路半雙工模式的載波通訊電路，但其通訊速率僅為2 400 bit/s，無法進行高速通訊且忽略了信號傳輸線路的固有屬性對直流載波通訊系統的影響。文獻[17]搭建了總傳輸距離為8 m 的多節點直流載波通訊實驗平臺，在1 MHz雙節點傳輸工況下實現了28 V／100 W的直流功率與通訊速率為115.2 kbit/s、零誤碼率的信號同步傳輸，雖然通訊速率較快，但傳輸距離不超過21 m，無法滿足長距離傳輸信號的需求。

綜上所述，本文重點分析直流載波通訊系統的通訊原理和儀表用供電線路的固有屬性對直流載波通訊系統的影響。針對系統在帶大功率時變負載發送邏輯0 所導致的電壓波形劇烈波動而造成數據讀取錯誤、產生誤碼的問題，提出一種基于雙電源的直流載波通訊系統。通過施加一個負電源來加速儀表用供電線路等效電容、電感的放電過程，使數據傳輸速率大幅度提升。該系統只需要3個MOS管和少量的外圍器件，通過單片機（MCU）的控制信號就能實現主站向從站的供電和主從站之間的數據傳輸，并且傳輸距離可達1 000 m，通訊速率達9 600 bit/s，解決了目前直流載波通訊系統體積大、通訊速率低、傳輸距離短和通訊誤碼率高的問題。

1 系統結構

直流載波通訊系統的結構如圖1 所示。為保證安全作業，直流電源電壓一般不超過36 V。主站控制電路分為數據傳輸電路和接收處理電路兩部分。其中，數據傳輸電路的作用是將直流電源輸出的電壓信號和主站控制芯片發送的數據信號耦合成混合信號發送給從站芯片；數據接收處理電路的作用是將從站發出的電流信號通過采樣電阻轉化為電壓信號供主站芯片識別。從站控制電路同樣也分為數據傳輸電路和數據接收處理電路兩部分。其中，數據傳輸電路利用三極管是否投入小電阻來改變總線電流，從而達到傳輸數據信號的目的；從站數據接收處理電路則需要將主站發送過來的波形分解成電源供電和信號傳輸兩部分，并將信號傳輸的波形經過硬件處理發送給從站芯片，從而將波形解耦成數據，根據主站發送的命令進行相應的反饋，同時也可以通過從站數據傳輸電路向主站進行相應的數據傳輸。負載穩壓供電電路則是根據直流載波通訊技術的特點，在負載處并聯一個電容以保證在數據傳輸過程中負載不會因信號傳輸而影響供電可靠性。

圖1 直流載波通訊系統結構Fig.1 Dc carrier communication system structure

2 系統通訊原理

直流載波通訊技術主要針對小型儀器儀表與主站進行供電通訊，雖然其供電線路數學模型與電力系統分析的輸電線路數學模型相同，但其在傳輸電壓、電流、功率及距離等方面與電力系統分析的輸電線路有著明顯不同。為了將兩者區分，本文稱為儀表用供電線路。

直流載波通訊技術是一種復用儀表用供電線路進行數據傳輸的通訊方式，本質上是通過主站調制電路對電源所發出的電壓波形進行調制，讓其在特殊的時間段內可以在平穩的供電電壓波形上載有1 個數據波，即主站發出的波形為“供電電壓波形+數據傳輸波形”的模式。為保證負載的供電穩定性，供電電壓波形必須為穩定的直流電壓波形。而傳統的二進制信息傳輸方法有二進制振幅鍵控（2ASK）、二進制相移鍵控（2PSK）和二進制頻率調制（2FSK）。具體的信號調制形式如圖2所示，其中S（t）為未經編碼的原信號。

圖2 2ASK、2PSK、2FSK 信號調制形式Fig.2 Modulation forms of 2ASK, 2PSK and 2FSK signals

傳統的二進制信息傳輸方法的波形多為正弦波，但其較難耦合到直流信號上且波形衰減嚴重。為此，本文對2ASK進行改進，通過傳輸改變幅值的方波進行信號傳輸，具有解碼、耦合簡單、傳輸距離長的特點。

直流載波通訊的主從站波形傳輸示意如圖3所示，其中Umark為高電平，Uspace為空閑電平。采用電壓幅值的大小來表示邏輯電平的高低。主站到從站的數據傳輸是通過主站芯片控制總線電壓變化，實現數據發送；而從站到主站的數據傳輸是通過從站改變總線電流，主站采集采樣電阻兩端的電壓信號并發送到微控制單元（MCU）中，實現從站向主站回傳數據。

圖3 主從站邏輯傳輸示意Fig.3 Schematic of master-slave logic transmission

當前數據傳輸主要采用十六進制完成系統主從機間通訊，系統在通訊時需要表達的信息可以分為邏輯1、邏輯0和無信號3種信號模式。系統通訊的信號模式可以采用高電平、空閑電平和低電平3 種不同的電平模式。為保證安全，設置系統的電源電壓（主機發出的高電平）為36 V。每個電源供電周期中都應該有1個較短的空閑電平，以區分從機上傳和主機下傳的狀態，防止數據上傳混亂和組件損壞。當選擇空閑電平時，所選取的數值不能過大，在高電平供電條件下，系統主機電源向所有從機側負載進行供電，此時系統總線上電流較大；當主機處于空閑狀態時，不需要給從機側負載進行供電，其系統總線上電流較小。這就導致主機在處于高電平時，下行數據中的高電平幅值會隨著系統總線距離的延長而減少，而主機處于空閑狀態時，所發出信號的電平幅值幾乎不會隨著系統總線的延長而改變。因此，直流載波通訊系統的末端從機在進行數據接收時，容易產生下行數據高電平電壓和電源端空閑電平電壓相等或接近的情況，導致系統從機無法正確解析主機傳輸的數據及命令。

綜上所述，在對直流載波通訊系統空閑電平選取時，需要考慮多方面因素影響，例如各個儀器儀表的壓降和線路壓降等。在實際工程中，綜合考慮系統的可擴展因素，以及儀器儀表所處現場復雜環境形成的線路壓降、線路分布電容等因素的影響，總線最末端從機電壓應大于12 V。但是，由于電源內阻及供電線路等原因，導致系統出現脈沖電流信號干擾現象，系統總線的電壓將產生最大約3 V的波動，所以直流載波通訊系統高低邏輯電平之間的差值冗余度必須超過3 V。為了保證系統通訊的可靠性，如果無特殊情況，一般選擇8 V 電壓作為空閑電平可以滿足要求。但系統傳輸數據時，如果發送數據全為邏輯0，上述編碼方式會嚴重影響供電系統的可靠性，所以本文采用脈寬編碼方式。脈寬編碼方式是根據波特率來進行選擇，當發送邏輯0時電源發送電壓為0 V，即負載處完全斷電。斷電時間越長，系統的供電可靠性越差，因此數據傳輸速率越快越好，但必須保證數據傳輸的可識別性與準確性。為此，本文波特率采用9 600 bit/s，即邏輯0表示為xμs低電平且（104-x）μs高電平，邏輯1表示為104 μs高電平。

本文選取長度為1 000 m的儀表用供電線路的電阻與電容，得出在雙電源技術情況下一次充放電時間約為10 μs。為保證良好的信號識別，采用44 μs 低電平且60 μs 高電平表示邏輯0，104 μs 高電平表示邏輯1，數據傳輸波形如圖4所示。

圖4 數據傳輸波形Fig.4 Data transmission waveform

直流載波通訊以幀的形式進行，數據幀包括起始字節、數據字節、校驗字節和結束字節，主機和從機發出的數據幀長度固定。主機和從機解碼時通過計算兩個下降沿之間的時間來判斷邏輯0 和邏輯1。采用脈寬編碼方式，不僅提高了供電可靠性，而且抗干擾能力強，適用于直流載波通訊系統。

3 系統建模分析

3.1 儀表用供電線路特性分析

儀表用供電線路長度較短，并且線路上傳送的信號頻率高、波長短，故作為分布參數電路處理。任取儀表用供電線路1個微元dz來分析其特性參數，其等效模型如圖5所示。這樣儀表用供電線路可以等效為由多個等效電路（dz）串聯而成的組合電路。

圖5 微元儀表用供電線路等效模型Fig.5 Equivalent model of power supply circuit for micrometer

設微元dz的電壓差為ΔU(z,t) ，電流差為ΔI(z,t) ，RZ為總電阻，LZ為總電感，CZ為總電容，GZ為總電導，z為線路傳輸距離，t為時間，dz為微元長度，Rdz為微元電阻，Ldz為微元電感，Cdz為微元電容，Gdz為微元電導，Rn為第n個負載，則有

由式（1）和式（2）可知，電導反映的是泄漏電流和空氣游離（電暈）產生的有功損耗，在儀表用供電線路低壓的情況下可忽略不計。但是，當電壓信號由主站發往從站時，儀表用供電線路上的電阻會對其產生電壓降落，隨著線路長度的增加，線路總電阻也會隨之增大，導致電壓降落增大。對于低壓直流載波通訊系統，線路電阻將嚴重制約直流載波通訊系統的傳輸距離。同時，線路的等效電容和電感可以看作是儲能元件，在電壓、電流不發生變化時，對電壓降落幾乎沒有影響，但在電壓變化時電容將嚴重阻礙其變化，導致系統無法高速傳遞數據。而系統帶有大功率時變負載時，因電感具有續流作用，負載由小負載狀態轉換為大負載狀態時，電壓波形波動較為劇烈，極易造成誤碼問題，其數據傳輸波形如圖6所示。

3.2 負載位置特性分析

直流載波通訊系統包含儀表用供電線路和負載。在實際工程中，負載具有隨機性和不確定性，即物理模型也會因負載（即儀器）大小及位置的不同而不同。為此，本文針對負載均勻分布和負載集中分布兩種負載位置分布進行比較。其中，負載均勻分布模型為負載大小相同且位置平均分配；負載集中分布參數模型為負載全部集中在線路末端。針對兩種負載分布模型，分析負載的位置及大小對直流載波通訊系統數據可傳輸距離和可傳輸功率的影響。兩種負載分布模型分別如圖7和圖8所示。

圖7 負載均勻分布模型Fig.7 Load uniform distribution model

圖8 負載集中分布參數模型Fig.8 Load centralized distribution parameter model

設Zs為直流載波通訊系統的傳輸距離，ure為信號接收端的電壓，由式（1）和式（2）可得

由式（3）可知，數據可傳輸距離Zs除與R、L等線路固有參數有關外，還與電壓和電流有關，而電流大小與負載所在位置有關。分別對負載均勻分布模型和負載集中分布參數模型進行分析，討論負載位置及大小對數據可傳輸距離的影響。

在負載均勻分布模型中，將一段線路平均分成n段，每段帶有一個相同的負載。假設每個負載需提供的電流為ΔI，此時線路上產生的壓降ΔU1為

而在負載集中分布參數模型中，所有負載都處于線路末端。假設每個負載需提供的電流為ΔI，若帶有n個相同的負載，則電源處應提供的電流為nΔI，此時線路上產生的壓降ΔU2為

對比兩種負載位置情況可以發現，兩種負載模型的壓降差值ΔU為

根據式（6）可以得出，在負載相同的情況下，負載均勻分布模型比負載集中分布參數模型多傳輸的距離Δz為

由于電源輸出功率等于線損與負載功率之和，可分別計算得出兩種負載模型所產生的線損。對于負載均勻分布模型，其線損ΔP1為

而對于負載集中分布參數模型，其線損ΔP2為

根據式（8）和式（9）可以得出，在電源輸出功率及傳輸距離相同的情況下，負載均勻分布模型比負載集中分布參數模型多帶的負載功率ΔP為

綜上所述，對于線路上多節點的傳輸工況，除了電源側或負載側的阻抗外，傳輸節點間的距離及各節點阻抗等都會影響直流載波通訊系統的傳輸特性。

4 基于雙電源技術對直流載波通訊系統的改良

線路等效電阻、等效電感和等效電容的數值越大，電壓、電流變換速度越慢，傳輸信號的波特率越低，進而導致負載側供電電容供電時間延長，負載側的供電可靠性降低。所以本文采用雙電源技術，在無法改變線路固有屬性的前提下，可以增加負電源加速放電模塊，加速儀表用供電線路等效電容放電過程。當直流載波通訊系統帶有大功率時變負載時，為保證電壓波形不躍變，需要利用雙電源技術將電壓穩定在0 V 后再進行負載狀態變換，從而達到穩定波形的目的。

圖9 為主站信號發射接收邏輯示意圖。圖10為從站信號發射接收邏輯示意圖。圖11 為主站信號發射電路。從圖11 可以看出，通過主站中的MCU-1 控制開關元件，正常給負載供電時PMOS-1導通，開關NMOS-1關斷，負載正常工作。當主站需要向從站發送信息時，先發送1 個起始位，然后若發送高電平則為正常工作狀態，從站接收端接收高電平；若需發送1 個低電平，則先將PMOS-1 關斷，NMOS-1 開通，快速將直流輸電線路等效電容所儲存的能量釋放掉，然后再將NMOS-1關斷，此時從站接收到約為0 V 的低電平，從而達成了主站向從站的數據傳輸。

圖9 主站信號發射接收邏輯示意Fig.9 Logic block diagram of signal transmission and reception at master station

圖10 從站信號發射接收邏輯示意Fig.10 Logic block diagram of signal transmission and reception at slave station

圖11 主站信號發射電路Fig.11 Signal transmission circuit of master station

圖12 為從站信號接收電路。如果從站信號接收電路不含供電穩壓電容C1，當直流載波通訊系統在傳輸邏輯0和等待主站發出空閑信號時，主站電源并不會向負載提供功率，負載側處于斷電狀態。為避免這種情況發生，需在負載處并聯1個供電穩壓電容C1，其作用如下：①在電源提供功率時，電容存儲電能，而在電源斷電狀態時，由供電穩壓電容給負載供電，保證負載側的供電可靠性；②穩定負載側因信號傳輸所改變的電壓，保證負載側電壓的平穩。可見，供電穩壓電容C1是直流載波通訊系統的重要組成部分。供電穩壓電容C1可表示為

圖12 從站信號接收電路Fig.12 Signal reception circuit of slave station

式中：P為可給負載提供的功率；U為負載側的電壓；U1為主站電源電壓；I為負載側的電流；ΔU為主站與負載之間產生的電壓降落；t為C1給負載供電的時間。

放電時電容電壓ΔUC可表示為

式中，U0為C1的初始電壓。

由式（12）可知，數據傳輸時，供電穩壓電容C1只能補充部分壓降，這是因為時間較短導致電壓降落不明顯。

圖13 為從站信號發射和主站信號接收電路，其中R13為采樣電阻，輸出2 在供電時段連接固定負載，但在信號傳輸時段連接無窮大負載。通過從站中MCU-2控制三極管是否投入小電阻R19，當R19投入時會短路無窮大負載，這時R13與線路電阻R19共同分壓，比較器正極輸入約為5 V，負極輸入約為2.6 V；當三極管截止時，R13與線路電阻、無窮大負載共同分壓，比較器正極輸入約為3 V，負極輸入約為8.0 V。可見，通過比較器電路可將邏輯1與邏輯0的信號波形轉換為高電平為3.3 V和低電平為0 V的方波供主站中MCU-1識別，從而實現從站向主站的數據傳輸。圖14 為數據為“00000000”時主站實際發出的波形。

圖13 從站信號發射和主站信號接收電路Fig.13 Circuit for signal transmission at slave station and signal reception at master station

圖14 數據為“00000000”時主站實際發出的波形Fig.14 Waveform actually sent by master station when data is “00000000”

對于不同的數據傳輸距離，負電壓接入時間也不盡相同，但主機無法判斷從機所需要的負電壓接入時間，因此需引入負電壓自適應程序，其流程如圖15 所示。在直流載波通訊系統工作前，先由主站向從站發出1個周期為200 μs的方波，從機判斷低電平時間的長短，若不符合低電平時間要求則向主站發送錯誤信號，主站接收到錯誤信號后對低電平時間進行修正后再次發出方波，直到從站發出可正常工作的信號。

圖15 負電壓自適應程序Fig.15 Negative voltage adaptive program

5 實驗驗證

為了驗證直流載波通訊技術的準確性和雙電源技術對其改善情況，本文搭建了3個載波通訊節點，分別位于100 m、500 m 和1 000 m 處，以此來判斷負電源投入時間對直流載波通訊波形的影響。直流電源連接在主站控制電路，主站與從站之間通過儀表用供電線路連接。

圖16 為主站發出數據后從站接收到的信號波形。可以看出，從站接收到主站發出的波形中，低電平邏輯0 并未到達0 V 且低電平不穩定，極易造成線路通訊誤碼率高的問題。

圖16 未經處理信號傳輸波形Fig.16 Transmission waveform of unprocessed signal

圖17 為在系統中施加負電源且施加時間不足時從站接收到的信號波形。可以明顯看出，在施加負電源時，電壓降落時間（電壓降到0 V 所需時間）明顯縮短，電壓可達到0 V，但在負電源移除后，電容仍存有部分電能，造成低電平可達到近似0 V 但不穩定，也容易造成線路通訊誤碼率高的問題。

圖17 負電源欠補償信號傳輸波形Fig.17 Signal transmission waveform with undercompensation of negative power supply

圖18 為負電源施加時間過長時從站接收到的信號波形。可以看出，在施加負電源時，電壓急速下降，但過零點后繼續下降到-36 V 并給電容重新充滿電；在負電源移除后，電容緩慢放電直至0 V，若接入負載側整流橋電路，則導致低電平時間近乎為0，極容易造成線路通訊誤碼率高的問題。圖19為負電源完全補償時信號傳輸波形，可以看出，在負電源作用下，波形質量得到了很好的改善。圖20為主站接收從站傳輸波形，即從站發出的電流信號經主站小電阻轉化為電壓信號所接收到的波形。

圖18 負電源過補償信號傳輸波形Fig.18 Signal transmission waveform with overcompensation of negative power supply

圖19 負電源完全補償信號傳輸波形Fig.19 Signal transmission waveform with fullcompensation of negative power supply

圖20 主站接收從站傳輸波形Fig.20 Transmission waveform received by master station

通過實驗驗證，直流載波通訊系統實現了供電線和數據傳輸線的復用，主從站數據都可以準確傳輸接收，負載側在元件正常工作時不存在“斷電”風險，即主從站通過儀表用供電線路實現了供電、通訊合二為一的功能。

6 結 語

直流載波通訊系統在實際工程背景下由于負載具有隨機性和時變性，導致系統等效模型復雜多變。本文考慮儀表用供電線路固有屬性及負載位置、大小對直流載波通訊系統的影響，重點分析了負載在均勻分布排列和集中分布排列兩種情況下可傳輸距離及可帶負載的差異；提出了利用雙電源技術對直流載波通訊系統傳輸數據波形進行改善，解決了在帶有大功率時變負載發送邏輯0時，電壓波形劇烈波動造成數據讀取錯誤、產生誤碼的問題，提高了數據傳輸效率及供電可靠性。最后通過實驗驗證，在傳輸電壓為36 V 的工況下，實現了傳輸距離為1 000 m、傳輸速率為9 600 bit/s、多節點下的數據傳輸與供電。所提方法解決了儀器儀表供電通訊問題，可在有關同類應用場景中推廣應用。