一种基于电力线网络阻抗动态特性的载波通信系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于电力线网络阻抗动态特性的载波通信系统，包括在电力线载波通信电路中对发送电路和接收电路进行同步控制，使得发送和接收信号并行双向传递。在信号发送的同时，通过特定的电路对实际发送到电网的信号强度进行测量和分析，进而实时地确定发送点的网络阻抗；然后依据网络阻抗匹配理论，动态地调整发送电路的输出阻抗，以确保实际发送出去的信号能量最大。本发明还涉及该系统的通信方法，包括在载波通信路径选择上，定期地对网络组网路由拓扑图进行动态优化，实时地调整最佳通信对象及上行和下行通信频率，规避网络驻波点和强干扰区域，从而使得系统通信总是通过最优的网络路径进行。

说明书

技术领域

本发明涉及电力线载波通信领域，具体是一种基于电力线网络阻抗动态特性的载波通信系统及方法。

背景技术

近年来智能电网迅猛发展，对电力公司与各终端用户间的实时、双向通信的要求越来越强。基于低压电力线的载波通信技术由于设计和运行成本低廉已被电力公司选为主要通信方式。然而目前整体电力线载波通信技术水平尚无法达到支持电力公司与终端用户间的实时、可靠、双向通信。这主要是由于电网的主要功能是传输工频电能量，低压电力线网络拓扑结构异常复杂，电力线网络阻抗随通信频率、距离和用户负载的投切等变化非常明显，这使得载波通信信号在传输过程中存在着复杂的反射和透射现象，影响信号的实际发射功率和接收信号强度；另外诸多用电设备在使用中产生了各种电磁干扰，又使得载波信号的有效接收收到进一步影响。

诸多专家和学者在此领域进行了很多研究和改进，主要包括：

通过对窄带载波通信方式进行直序扩频【如CN102832963A】，可有效衰减接收侧非相关性干扰噪声，但却使传输速度大大降低。而且对于阻抗不匹配引起的信号发射和接收问题，扩频技术无法解决。

采用多载波通信技术【如102835181A】，即信号通过多路载波频率独立调制发送，当某个信道的信号无法被接收，其它信道可以使用。但它不但对发射和接收电路要求高，对发射功率的要求也大，频谱空间利用率也很低；另外它对抗白噪声等电磁干扰能力有限。而如在此基础上对每一载波频率叠加扩频技术，则不但对频带的占有非常大，方案成本也更高。采用正交分频技术（OFDM），即在多载波的基础上各载波相位相互正交，频谱可以互相重叠；这样调制后不但减少了各子载波相互干扰，而且也提高了频谱利用率。但在多载波中发现的挑战，在这里也无法得到很好解决。

专利CN102621386A公开了利用对电网的阻抗特性进行各类测量和分析，并利用网络阻抗的评估结果对载波通信网络的组网和路由算法进行优化；但由于电力线网络阻抗随着用电设备的投切而变化，此类静态路由组网图无法模拟现场实际状况，也无法确保现场的实时通信成功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电力线网络阻抗动态特性的载波通信系统及方法，通过对电力线载波收发节点网络阻抗的动态检测和实时匹配，及组网路由拓扑的智能优化，来提高载波通信一次成功率和通信速度，同时对通信频带的实际占有率低，发射和接收电路较简单，发射功率较小。

本发明采用的技术方案是：

一种基于电力线网络阻抗动态特性的载波通信系统，包括集中器和多个载波终端，所述集中器通过低压电力线与多个载波终端连接，所述载波终端包括发送电路单元和接收电路单元，所述发送电路单元包括功率放大及阻抗调整电路、调制数模转换及预放大电路，所述接收电路单元包括预放大及滤波电路、解调及模数转换电路，所述载波终端还包括DSP及CPU电路单元、隔离耦合及保护单元，所述DSP及CPU电路单元对发送电路单元和接收电路单元同步控制。

所述发送电路单元的功率放大及阻抗调整电路包括三个相同的控制单元，其中第一个控制单元包括：电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C11、电容C12、二极管D11、二极管D12、三极管Q11、三极管Q12、三极管Q13和三极管Q14，Vin-r连接三极管Q11的基极，Vin-r和电阻R11均通过电阻R12接地，Vdr-r通过电阻R11连接三极管Q11的基极，Vdr-r通过电阻R13分别连接三极管Q11的集电极和三极管Q12的基极，三极管Q11的发射极通过电阻R14连接电容C11，电容C11接地，三极管Q11的发射极通过电阻R15连接三极管Q14的发射极，三极管Q14的发射极与集电极间连接有二极管D12，三极管Q14的集电极接地，Vcc-p连接三极管Q13的集电极，三极管Q13的发射极与集电极间连接有二极管D11，三极管Q13的发射极连接有电阻R15与三极管Q14的发射极，Vdr-r连接三极管Q12的发射极，三极管Q12的基极和集电极间连接有电容C12，三极管Q12的集电极连接三极管Q13的基极，三极管Q12的集电极依次通过二极管D13、电阻R16接地。

所述发送电路单元的功率放大及阻抗调整电路工作原理是：在第一个控制单元中，载波发送信号Vin-r经过整形和中级放大后通过推挽功放三极管Q13和Q14对管及一串联功率电阻R0被发送至耦合点V-pl。Vcc-p给功放三极管Q13和Q14提供直流电；Vdr-r为前级电路供直流电，只有使用时Vdr-r才供电，以确保功率三极管在不驱动时处于高阻状态。第二个控制单元利用同样的电路将另一载波发送信号Vin-l通过一串联电感L0发送到同一耦合点V-pl；第三个控制单元利用同样的电路将第三路载波发送信号Vin-c通过一串联电容C0发送到同一耦合点V-pl。通过控制发送信号Vin-r、Vin-l及Vin-c的信号幅值和相位，可动态调节耦合点V-pl的信号强度及等效输出阻抗。

一种基于电力线网络阻抗动态特性的载波通信方法，在一个载波通信局域网内，选择数个载波通信频率通道，由集中器定期发出路由拓扑优化指令；每一通信节点载波终端按预先选定的每一载波频率依次采用直序扩频技术发送测试信号，同时检测在同一发射网络节点处反射回来的信号强度，DSP及CPU单元利用发送和接收到的信号强度及相位差对此发射节点的每一频率下的网络等效阻抗进行计算；而处于同一局域网络中的其它载波终端侦听并记录发射终端的每一发射频率的信号强度，并同时记录时间；

在每一轮路由测试后，每一载波终端按其发射点线路阻抗从大到小次序排列发射频率；同时依据所侦听到的回复信号的频率和强度，选择三个通信对象及三个最佳通信频率；然后每一载波终端依次用所选择的通信频率，通过Vin-r、Vin-l和Vin-c调整等效发射阻抗，对其通信对象进行验证性双向通信，双向通信成功后锁定最多三个最佳通信对象，及对应的发射频率、发射阻抗和接收频率，并将结果发回集中器；

通过数轮的组网路由学习，一个最佳路由拓扑数据库便建成，它涵盖着时标，每一通信节点的三个最佳通信对象，及所选定的三个最佳发射频率和发射输出阻抗，以及三个最佳接收频率；每一节点在通信闲余时间侦听其它节点终端所发信号，依据信号强度，判定网络阻抗变化，实时更新通信对象，从而使得最佳通信网络拓扑图得到动态优化；

集中器及每一节点通信终端依据最佳路由拓扑图，实时地进行多向通信；各载波终端在所指定的接收频率间切换侦听，接收到信号并受理后，向所指定的路由终端，按最佳的发射频率调整发射输出阻抗，并进行信号传输。如通信对象无反应，则选用次优频率进行重复操作；如此对象始终无反应，则选择次优路由对象重复上述过程。

本发明在电力线载波通信电路中对发送电路和接收电路进行同步控制，使得发送和接收信号并行双向传递；在信号发送的同时，通过特定的电路对实际发送到电网的信号强度进行测量和分析，进而实时地确定发送点的网络阻抗；然后依据网络阻抗匹配理论，动态地调整发送电路的输出阻抗，以确保实际发送出去的信号能量最大。

在载波组网和路由方面，定期地使用所选定的数个载波频率分别对网络组网路由拓扑图进行动态优化。由各节点终端通信模块相互间发送和接收测试信号，依据所接收的信号频率和强度，规避网络驻波点和强干扰区域，确认最佳通信对象及上行和下行通信频率。集中器根据所收到的各节点载波终端包括时标在内的上传信息，优化路由组网拓扑数据库，动态调整路由路径和每一对节点的上行和下行通信频率，从而使得系统内的通信总是通过最优的网络路径进行。

本发明的有益效果在于通过上述设计优化，电力线载波通信系统中的每一节点通信终端可动态确定其最佳通信对象及对应的发送和接收通信频率，以及发射电路的输出匹配阻抗，确保了发送信号实际传输能量最大、通信路径最佳，也使得实际通信时的直序扩频的级数可以用到最小，从而既大大地提高了载波一次通信成功率，又提高了通信速度。

本发明的另一优点在于对频带的实际占有率低，发射和接收电路较简单，发射功率较小。

附图说明

图1. 载波通信终端功能及电路模块框图。

图2. 功率放大及阻抗调整电路图。

图3. 载波通信终端发射阻抗检测功能流程图。

图4. 一个低压局域网载波最佳路由拓扑图。

图5. 依据电力线网络阻抗特性的动态路由组网流程图。

图6. 载波通信及自主动态优化路由拓扑结构流程图。

其中：1、集中器，2、载波终端，3、发送电路单元，4、接收电路单元，5、功率放大及阻抗调整电路，6、调制数模转换及预放大电路，7、预放大及滤波电路，8、解调及模数转换电路，9、DSP及CPU电路单元，10、隔离耦合及保护单元，11、控制单元，13、主路由路线，14、副路由路线。

具体实施方式

如图1、2和4所示，本发明的基于电力线网络阻抗动态特性的载波通信系统，包括集中器1和多个载波终端2，集中器1通过低压电力线与载波终端2连接，低压电力线包括主路由路线13和/或副路由路线14，载波终端2包括发送电路单元3和接收电路单元4，发送电路单元3包括功率放大及阻抗调整电路5、调制数模转换及预放大电路6，接收电路单元4包括预放大及滤波电路7、解调及模数转换电路8，载波终端2还包括DSP及CPU电路单元9、隔离耦合及保护单元10， DSP及CPU电路单元9对发送电路单元3和接收电路单元4同步控制，可并行处理发送和接收信号。

本发明发送电路单元3的功率放大及阻抗调整电路5包括三个相同的控制单元11，其中第一个控制单元包括：电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C11、电容C12、二极管D11、二极管D12、三极管Q11、三极管Q12、三极管Q13和三极管Q14，Vin-r连接三极管Q11的基极，Vin-r和电阻R11均通过电阻R12接地，Vdr-r通过电阻R11连接三极管Q11的基极，Vdr-r通过电阻R13分别连接三极管Q11的集电极和三极管Q12的基极，三极管Q11的发射极通过电阻R14连接电容C11，电容C11接地，三极管Q11的发射极通过电阻R15连接三极管Q14的发射极，三极管Q14的发射极与集电极间连接有二极管D12，三极管Q14的集电极接地，Vcc-p连接三极管Q13的集电极，三极管Q13的发射极与集电极间连接有二极管D11，三极管Q13的发射极连接有电阻R15与三极管Q14的发射极，Vdr-r连接三极管Q12的发射极，三极管Q12的基极和集电极间连接有电容C12，三极管Q12的集电极连接三极管Q13的基极，三极管Q12的集电极依次通过二极管D13、电阻R16接地。

本发明的功率放大及阻抗调整电路5由三个相同的控制单元11组成。在第一个控制单元中，载波发送信号Vin-r经过整形和中级放大后通过推挽功放三极管Q13和Q14对管及一串联功率电阻R0被发送至耦合点V-pl。Vcc-p给功放三极管Q13和Q14提供直流电；Vdr-r为前级电路供直流电，只有使用时Vdr-r才供电，以确保功率三极管在不驱动时处于高阻状态。第二个控制单元利用同样的电路将另一载波发送信号Vin-l通过一串联电感L0发送到同一耦合点V-pl；第三个控制单元利用同样的电路将第三路载波发送信号Vin-c通过一串联电容C0发送到同一耦合点V-pl。通过控制发送信号Vin-r、Vin-l及Vin-c的信号幅值和相位，可动态调节耦合点V-pl的信号强度及等效输出阻抗。

如图1至6所示，本发明的基于电力线网络阻抗动态特性的载波通信方法是：

在一个载波通信局域网内，选择数个载波通信频率通道，由集中器定期发出路由拓扑优化指令；每一通信节点载波终端按预先选定的每一载波频率依次采用直序扩频技术发送测试信号，同时检测在同一发射网络节点处反射回来的信号强度，DSP及CPU单元利用发送和接收到的信号强度及相位差对此发射节点的每一频率下的网络等效阻抗进行计算；而处于同一局域网络中的其它载波终端侦听并记录发射终端的每一发射频率的信号强度，并同时记录时间；

在每一轮路由测试后，每一载波终端按其发射点线路阻抗从大到小次序排列发射频率；同时依据所侦听到的回复信号的频率和强度，选择三个通信对象及三个最佳通信频率；然后每一载波终端依次用所选择的通信频率，通过Vin-r、Vin-l和Vin-c调整等效发射阻抗，对其通信对象进行验证性双向通信，双向通信成功后锁定最多三个最佳通信对象，及对应的发射频率、发射阻抗和接收频率，并将结果发回集中器；

通过数轮的组网路由学习，一个最佳路由拓扑数据库便建成，它涵盖着时标，每一通信节点的三个最佳通信对象，及所选定的三个最佳发射频率和发射输出阻抗，以及三个最佳接收频率；每一节点在通信闲余时间侦听其它节点终端所发信号，依据信号强度，判定网络阻抗变化，实时更新通信对象，从而使得最佳通信网络拓扑图得到动态优化；

集中器及每一节点通信终端依据最佳路由拓扑图，实时地进行多向通信；各载波终端在所指定的接收频率间切换侦听，接收到信号并受理后，向所指定的路由终端，按最佳的发射频率调整发射输出阻抗，并进行信号传输。如通信对象无反应，则选用次优频率进行重复操作；如此对象始终无反应，则选择次优路由对象重复上述过程。在上述通信中，始终只有一个频率在传输，并根据网络节点白噪声的干扰程度对信号进行最低度的扩频，从而有效地利用了信号发射功率和频谱，也大大地提高了通信速度和成功率。

本发明在电力线载波通信电路中对发送电路和接收电路进行同步控制，使得发送和接收信号并行双向传递；在信号发送的同时，通过特定的电路对实际发送到电网的信号强度进行测量和分析，进而实时地确定发送点的网络阻抗；然后依据网络阻抗匹配理论，动态地调整发送电路的输出阻抗，以确保实际发送出去的信号能量最大。

在载波组网和路由方面，定期地使用所选定的数个载波频率分别对网络组网路由拓扑图进行动态优化。由各节点终端通信模块相互间发送和接收测试信号，依据所接收的信号频率和强度，规避网络驻波点和强干扰区域，确认最佳通信对象及上行和下行通信频率。集中器根据所收到的各节点载波终端包括时标在内的上传信息，优化路由组网拓扑数据库，动态调整路由路径和每一对节点的上行和下行通信频率，从而使得系统内的通信总是通过最优的网络路径进行。

本发明的有益效果在于通过上述设计优化，电力线载波通信系统中的每一节点通信终端可动态确定其最佳通信对象及对应的发送和接收通信频率，以及发射电路的输出匹配阻抗，确保了发送信号实际传输能量最大、通信路径最佳，也使得实际通信时的直序扩频的级数可以用到最小，从而既大大地提高了载波一次通信成功率，又提高了通信速度。

本发明的另一优点在于对频带的实际占有率低，发射和接收电路较简单，发射功率较小。