低成本、高稳定性的低压电力线载波通信过零检测电路设计

北京智芯微电子科技有限公司的研究人员吉栋、唐玉建、黄亮、吴有超，在2018年第2期《电气技术》杂志上撰文，提出了一种用于电力线载波过零点通信用交流市电过零点检测电路，该电路经阻容降压、稳压储能、分压和达林顿驱动后隔离输出过零点信号。

采用Multisim对电路进行仿真，仿真结果表明，提出的过零检测电路可有效检测交流电的过零点，同时该电路具有生产成本低、占用PCB面积小、检测时间差短、抗电网浪涌电压和浪涌电流等性能。已大量应用在电力线载波过零通信中。

电力线载波通信（PowerLineCarrier,简称PLC）于20世纪20年代推出。它的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。由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五部分，其中R1、C1组成阻容降压电路将220VAC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（略）

1.3电路触发的过零点与实际过零点时间差分析（略）

2仿真结果及分析（略）

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。