復合耦合技術在低壓電力線通信設計中的應用

引言

電力線通信( Power Line Communication，PLC)是以電力網作為信道，進行載波通信的一種有線通信方式。PLC 在歐洲( 德國、英國、瑞典等)發展得較快，最近，英國在電力線媒介開發方面取得了突破性進展，用戶可通過電力線進入Internet網，從簡單的數據傳輸提高到了網絡聯接。

中國電力系統也已組建國電通信中心，并向信息產業部正式申請了牌照。國家電力公司計劃在2015 年建成全國統一的聯合電力網通信系統。

但是，低壓電力線是一種通信環境非常惡劣的信道，許多問題有待進一步研究。低壓電力線傳送著220 V/50 Hz 的電能，在低壓電力線上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線的這一固有特點，給低壓電力線通信帶來了很大的困難。因此，低壓電力線通信必須首先解決以下2 個難題:

(1) 電力網50 Hz 的工頻信號不能給載波通信系統帶來太大的干擾，同時，考慮到整個通信系統的安全，必須進行強電隔離;(2) 低壓電力線上并接的所有用電器的“統計載波阻抗”要高，以確保較高的載波信號加載效率。

上述問題，正是低壓電力線通信的接口技術問題，以下從這兩方面介紹其設計原理和實現方法。

1 接口電路的模型

根據低壓電力線通信接口技術的要求:① 必須進行強電隔離;② 確保較高的載波信號加載效率。為此，就必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”。接口電路模型如圖1所示。

圖1 接口電路模型。

該電路的關鍵物理量是2 個回路中的電流i1(t)和i2(t)。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數學模型:

式中，設i′ 、i″分別為i 的一、二階導數，則：

對于式(1)，通過不同的處理將得到不同的數學模型。對圖1 所示的雙RLC 耦合回路進行去耦處理，得到2 個獨立的RLC 串聯回路。對式(1)求導，則可得到二元二階方程組：

式(2)同時含有2 個未知函數i1( t) 和i2( t)的二階導數，不便直接求解。

若將RLC 串聯回路表示成二元一階方程，則由2 個RLC 回路便可得到四元一階方程組：

該方程組含有4 個未知數:i1( t)，i2( t)，uc1(t)，uc2( t)，其定解條件直接由電路的初始儲能情況給出。當無初始儲能時，為齊次初始條件，即：

設所有電路元件都是非時變性元件，則所對應的常系數線性一階常微分方程組可轉化成線性代數方程組進行求解。

通過對上述接口電路數學模型的分析、化簡可知，基于“復合耦合技術”的接口電路模型，電路的主要參數是可以通過線性代數方程組進行求解，接口電路的原理清晰，計算復雜度較小，符合低壓電力線載波通信要求，是簡潔、可行的。