低成本高稳定性低压电力线载波通信过零检测电路设计

吉 栋 唐玉建 黄 亮 吴有超

（北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200）

电力线载波通信（power line carrier, PLC）于20世纪 20年代被推出。其优势主要来源于电力线分布广泛，利用电力线作为通信线路可以减少投资和对线路的维护成本[1]。换言之，为了简化布线，可以采用电力线载波通信（PLC）技术传输数据[2]。因此在很长的时间里，电力线载波在电力系统通信中占有主导地位[3-4]。但是电力线的设计初衷是为了传输电能，作为数据传输通道，其信道特性并不理想[5-6]。文献[7]对低压电力线载波通信信道特性进行了研究和分析。

近年来，随着智能电表和低压电力线载波通信技术的不断发展和成熟，国家电网公司对于电力线载波通信的一次抄表成功率一步步提高。鉴于低压电力线载波通信本身存在的缺点：不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同、电力线载波信号的衰减极具变化性、电力线存在本身应有的脉冲干扰[8]；大量冲击性负载接入电网中，使得谐波增加[9]，由于频带接近，该谐波直接影响到电力线载波通信的成功率。使得大量台区很难满足国网公司对于一次抄表成功率的要求。

多年来低压电力现场的大量测量数据表明，交流电在过零点附近具有阻抗连续、谐波污染值低、周期和相位稳定等特点，非常适合做载波通信。因此过零点通信被各大载波通信方案厂商所采用，经过大量通信现场的验证也取得了很好的通信效果，一次抄表成功率超过 99%，完全满足国网的相关要求。

过零检测电路作为过零点电力线载波通信至关重要的一部分，用来精确检测交流电的过零点，载波通信根据检测到的过零点，将长帧数据分割，在连续多个过零点附近很短的时间片范围内进行数据通信。进而降低由于负载和阻抗不连续、谐波污染等原因引起的载波信号衰减，导致通信不成功。

该过零检测电路必须具备成本低廉、检测准确性高、高稳定性、抗干扰和浪涌能力强等特点，才能大量被应用在实际低压电网环境中。

1 过零检测电路的设计和分析

1.1 过零检测电路设计

由于电力线载波通信过零检测部分功耗非常小，载波通信模块又对成本比较敏感，所以采用阻容降压方式为隔离输出和达林顿驱动部分提供稳定可靠的电源。整个过零检测电路完全靠被动器件来准确可靠的完成过零检测功能。该电路具有成本低、占用PCB面积小，抗干扰性强等优点。

本文所设计的过零检测电路如图1所示，分为阻容降压、稳压储能、分压驱动、达林顿驱动和隔离输出共5个部分，其中R1、C1组成阻容降压电路将220V AC电压降低，经VD1、C2、C3组成的稳压储能电路将电压稳定到 5.1V左右，给隔离光耦 D1供电，保证其正常导通的同时防止光耦过压击穿，限流电阻R1、R2可有效防止电力线浪涌电压和浪涌电流引起的光耦D1的误动作，避免输出过零信号误触发，分压驱动部分电阻 R3—R8与降压驱动部分VT1、VT2串联，在交流电由负变正的零点处导通，VT1、VT2组成的达林顿管，避免单管集电极电流小，不能正常驱动光耦，隔离输出部分经光耦D1隔离，每个交流周期输出一次过零点信号，作为过零点载波通信的过零参考点。

图1 过零检测电路

1.2 阻容降压原理分析

阻容降压的核心是电容器。电容器C1的作用就是通过容抗进行限流，将大部分交流电压加在电容两端，达到降压目的。因此，电容器C1会根据负载的不同动态调整电容器和负载两端电压[10]。为防止负载端电压过高，采用稳压管VD1稳压保证电源电压。

电容C1的取值取决于通过电流的大小，当电容C1接到交流电路中时，电容C1的容抗为

式中，XC1为电容的容抗；f为交流电的频率；C1为电容器的电容值。

因此流过阻容降压的电流近似为

式中，IAC为流过阻容降压的电流；XC1为电容的容抗；f为交流电的频率；C1为电容器的电容值；UAC是市电交流电压值。

因此市电有效值220V情况下，1μF电容得到的电流大小为

出于漏电流和安全考虑，C1采用有安规要求的Y电容，鉴于Y电容的电容量普遍偏小，该电路中采用22nF/2kV的Y电容，因此电流大小为

1.3 电路触发的过零点与实际过零点时间差分析

稳压储能部分电路首先保证光耦两端电压稳定在5.1V附近，保证光耦D1能够正常导通和截止的同时又防止光耦击穿；电容C2、C3充电后，在光耦D1导通时段内放电保证光耦发光管正常发光。

电路触发的过零点与实际过零点时间差ΔT由达林顿驱动电路晶体管VT1、VT2和光耦D1的导通延时Δt1和电容C2、C3的充电时间Δt2决定。

式中，Δt1由器件本身决定，所以过零检测电路中在确定了C1电容和阻容降压的电流值后，稳压储能部分的电容C2、C3的电容量大小直接影响到过零点电路触发的过零点与实际零点之间的响应时差。该时差可用电容充电原理来估算。

电容的数学表达式为

式中，Q为电容储存的电量；C为电容的容值；U为电容两端电压值。

电量公式为

式中，ΔQ为Δt时间内积累的电量值；I为电流值；Δt 为电流流过的时间。

将式（6）带入式（5）可得

式中，ΔQ为Δt2时间内电容充电的电量值；I(t)为电容充电的电流函数；Δt2为电容充电时间。

式中，Δt2为电容充电时间；I(t)为电容充电的电流函数；ΔU为充电Δt2时间内电容两端电压的变化值；C为电容值。

根据电路中参数，可近似估算电容充电时间Δt2，即

2 仿真结果及分析

2.1 搭建仿真电路

利用Multisim11.0软件，搭建如图2所示的仿真电路，用虚拟示波器观测 220VAC，经光耦 D1隔离后输出的过零信号、光耦D1波形。

图2 过零检测仿真电路

2.2 仿真结果分析

此过零检测电路的输出过零点与实际输入的交流信号波形如图3所示。

阻容降压部分电流测试如图4所示，阻容降压部分电流为

与实际估算值接近。

过零检测电路输出过零点信号与实际交流电的过零点之间时间差ΔT，如图5所示，当C2、C3电容值都为22nF时，根据图中所示，有

图3 过零检测电路的输入与输出波形

图4 阻容降压部分电流测试

图5 C2、C3电容值都为22nF，时间差ΔT测试

由上述仿真可知，该过零检测电路可以在很短的时间差内准确检测到交流信号的过零点。

2.3 浪涌电压仿真及结果分析

搭建如图 6所示的仿真电路，将浪涌电压与220V AC叠加后输入过零检测电路，观测接入R2和不接入R2两种电路下输出过零点波形。

图6 R2电阻对于浪涌电压抑制仿真图

该仿真过程中，采用表1中所列出的数据来模拟实际电网中的浪涌波形，该浪涌相对正弦波过零点的延迟时间为 0.005001s，持续时间为 1.2μs，峰值电压为200V。

表1 浪涌电压相对于220VAC的介入时间和对应电压表

当电阻R2接入电路中时，过零点输出对于浪涌电压的响应如图7所示。

图7 R2接入电路中时，过零点输出对于浪涌电压的响应

由图8可知，R2接入电路中时，输入浪涌电压并未引起过零点输出的误触发。

当电阻R2不接入电路中时，过零点输出对于浪涌电压的响应如图8所示，图中黑框部分为过零点误触发。

图8 R2不接入电路中时，过零点输出对于浪涌电压的响应

将过零点输出误触发点放大后波形如图9所示。

图9 R2不接入电路中时，放大后的过零点误触发信号图

由图 9中示数可知，误触发信号从下降到2.330V到波形恢复到 4.0013V时所经历的时间为144.7μs，且最低电压在 1V以内，而常用低速光耦的上升和下降时间均在 20μs数量级，所以 144.7μs足以导致MCU将该误触发点识别为过零点。

由上述仿真可知，R2电阻可以有效避免输入浪涌电压引起的过零点误触发，同时R1为功率电阻，可以有效吸收上电瞬间的浪涌电流，避免上电瞬间浪涌电流引起的R1电阻炸裂导致的电路损坏（此处不再另做仿真）。

3 结论

本文分析了过零检测在电力线载波通信中的必要性，设计了低成本高可靠性的过零检测电路，并通过理论计算和仿真对比，验证了本电路的正确性。分析和仿真结果表明，该过零检测电路可以迅速有效的检测到交流电的过零点，并有效抵抗电网的浪涌电压和浪涌电流。同时，该电路结构简单，制造成本低，工作性能良好，可靠性高。目前该电路已广泛应用在电力线载波的过零点通信中，使得使用过零点电力线载波通信的台区一次抄表成功率达到99%以上，完全满足国网对于一次抄表成功率的要求。

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