交流电力与信息数据双向同传的低压交流输电系统分析.pdf
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1、节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY交流电力与信息数据双向同传的低压交流输电系统分析Analysis of Low Voltage AC Transmission System with Simultaneous Bi-directionalTransmission of ACPowerand Information Data江剑峰(JiangJianfeng)王泽坤(Wang Zekun)安鹏宇(AnPengyu)宋智航(SongZhihang)叶思文(YeSiwen)2沈一鹤(Shen Yihe)2杨喜军(YangXijun)?母江东(Mu Jiangdong)袁宇
2、鹏(Yuan Yupeng)31国网上海市电力公司营销服务中心上海2 0 0 0 512上海交通大学电气工程系上海2 0 0 2 403中电科芯片技术(集团)有限公司重庆40 13 3 1摘要:随着电力电子技术与通讯技术的不断发展,采用同一电力电缆或信号电缆进行电力与信号同时传输也是构建新型电力系统的一个重要部分。本文提出了一种交流电力与信息数据双向同传的低压交流输电系统,一端负责调制数据信号作用在逆变器,另一端负责调制解调数据信号,这是一种与数据线供电和电力线载波通讯不同的信电同传方式。在分析该系统结构和工作原理的基础上,进行了仿真分析验证,结果表明该系统能够支持交流电力与信息数据的双向同传
3、,适合较低功率低压交流功率传输的应用场合。关键词:低压交流输电;信息数据传输;调制解调;数据线供电;电力线载波Abstract:With the continuous development of power electronics and communication technology,using the same powercable or signal cable for simultaneous transmission of power and signal is also an important part of building a new typeof power syste
4、m.In this paper,a low-voltage AC transmission system with bidirectional simultaneous transmission of ACpower and information data is proposed.One end is responsible for modulating the data signal to act on the inverter,and the other end is responsible for modulating and demodulating the data signal.
5、This is a signal and electric powersimultaneous transmission mode,which is different from power over data line and power line carrier communication.Based on the analysis of the system structure and working principle,simulation analysis and verification are carried out.The results show that the syste
6、m can support bidirectional simultaneous transmission of AC power and information data,and is suitable for low power low-voltage DC power transmission applications.Key words:Low voltage AC transmission;Information data transmission;Modulation and demodulation;Power over dataline;Powerlinecarrier【中图分
7、类号】TN911.7【文献标识码】B【文章编号】156 1-0 3 3 0(2 0 2 4)0 3-0 0 6 2-0 51引言新型电力系统是以新能源为主体、以创新为根本驱动力、以数智化为关键手段的新一代电力系统,通过推动电力生产、传输、消费、储蓄各环节的电力流、信息流、价值流融会贯通和综合调配,建成绿色低碳、安全可控、经济高效、柔性开放、数字赋能的电力系统。新型电力系统总框架分为发展目标、关键要素、系统环节、形态特征和实施要素五大模块。电力流与信息流同传是新型电力系统的一个重要组成,广泛应用在数据传输、工业以太网、电力抄表等场合,具有良好的经济型。例如,电力载波技术可以有效利用已有的电力线路
8、基础设施,避免了额外的布线成本。下面简述一些常用的直流62THEWORLDOFINVERTERS或交流电力与信号数据同传的现行技术。USB,诞生于19 9 4年。USB3.0即USB3.2gen1,能够提供10 0 W电功率。这种电力传输规范无需改变电缆,在供电同时还可以传送文件。USB3.0引入全双工数据传输。5根线路中2 根用来发送数据,2 根用来接收数据,还有1根地线。USB1.0速度为1.5Mbps,USB1.1的速度为12 Mbps,U SB2.0 的速度为48 0 Mbps,USB3.0的速度为5Gbps,U SB3.1的的速度为10 Gbps,USB3.2的速度为2 0 Gbps
9、,U SB4.0 的速度为40 Gbps。PLC,即电力线载波通信,诞生于上个世纪二十年代,是利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。该技术把载有信息的高频信号加载于电线,通过电第 2 7 卷第 0 3 期变频器世界2 0 2 4年0 3 月线传输接收信息的适配器,再把高频信号从电线中分离出来,传送到计算机或电话以实现信息传递。输电线包括高压电力线(3 5kV及以上电压等级)、中压电力线(10 kV电压等级)或低压配电线(3 8 0/2 2 0 V用户线)。对于传输距离,架空电力线小于10 km,地埋电力电缆小于2 km,中压宽带电力线载波通信点对点单跳传输距离小于2 km。中压窄带载波通
10、信传输速率为10 kbps-100kbps,中压宽带载波通信传输速率可达1Mbps。中压窄带载波通信单跳传输时延小于10 0 ms,中压宽带载波通信单跳传输时延时延10 ms。PoE,即以太网供电,是在现有以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动情况下,在为一些基于IP终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号同时,还能为此类设备提供直流供电,最大限度地降低成本。PoE一对绞线用于直流供电,包括供电端和受电端。PoE另一对绞线用于信号传输,包括发射端和接收端。IEEE802.3af,在两对线上供电,规定PSE供电端输出为输15.4W,PD 受电端最小为12.95W,其
11、供电电流为0.3 5A,支持最差网线为Cat3。IEEE802.3at,即PoE+标准,在两对线上供电,规定PSE供电端输出为3 0 W,PD 受电端最小为2 5.5W,其供电电流为0.6 A,支持最差网线是Cat5e。I EEE802.3bt,即PoE+标准,在四对线上供电,规定PSE供电端输出为6 0 W/90W,PD 受电端最小为51W/71W,其供电电流为0.6 A,支持的最差网线是cat5e。I EEE802.3bv实现了塑料光纤供电,8 0 2.3 bz能够在铜缆上实现2.5Gbps和5Gbps的数据速率。PoDL,即数据线供电标准IEEE802.3bu。单对双绞线以太网最初用于解
12、决汽车行业中车载以太网连接问题。8 0 2.3 bu标准的目标在于规定一种在无数据传输的情况下经单对双绞线缆供。PoDL可以单对线送电6 0 W,Po E+的4对线只能为9 0 W,折合单对线为22.5W。送电电压可以不同:PoE送出标准电压为48 V,PoDL则可以有多重选择。PoDL两根芯线的电流是相同的,但方向相反,之间的电压差为48 V(或其它电压规格)。IEEE802.3cg基带10 MHz,传输距离可达1200m以上。由于单对电缆可同时支持数据和电源,因此采用此标准可节省大量成本,并更易于在楼宇自动化应用中进行安装。Powerbus,即总线供电,属于低压直流载波供电总线芯片,相对于
13、RS-485四线系统(两根供电线路、两根通讯线路),而将供电线与信号线合二为一,实现了信号和供电共用一个总线。由于其无极性接线任意拓扑,可避免在施工中出现的接线错误。Powerbus总线具有无极性接线、任意拓扑、无需隔离、通讯距离远等优势,Powerbus通讯协议符合Modbus通讯协议,简化施工设计。总线可以供电,通讯和供电无需电气隔离。支持通讯速率9 6 0 0 bps和2 40 0 bps半双工通讯,可支持总线电流2 0 A(在2 40 0 bps时),具备总线短路保护,短路移除自动恢复总线,故障信号上报功能,可同时挂接2 56个设备,通讯距离可达3 0 0 0 m,从站支持无极性布线,
14、支持任意拓扑布线:树形、星形与总线型,最大总线电压可达48 V,采用半双工通讯。Powerbus两线制供电总线技术,采用TDMA通讯技术,实现供电的同时进行通讯。基于网络传输的总线协议解决方案比较成熟的有EtherCAT和PowerLink,Po w e r b u s 与上述两种有所区别,不仅具有以上两种协议的功能,在某些指标方面优于上述两种方案。本文提出一种交流电力与信息数据双向同传的较大功率低压交流输电系统方案,通过一个全桥逆变器,将直流电压逆变成双极性电压脉冲序列,高电平代表“1”,低电压代表“0”,然后在输出侧利用检测电路解调出发送来的数据,再利用全桥逆变器还原直流电压。通过对双极性
15、电压进行调制,就可以在传递功率同时传递数据信息。这种“信电双向同传”交流输电系统具有结构简单、成本低廉的优点。2低压交流输电系统信电双向同传原理分析交流电力与信息数据双向同传的低压交流输电系统如图1所示,包括收发电路1、双芯电力传输线2 和收发电路3 以及相应的调制解调电路4、5、6 和7,收发电路1与收发电路3 为对称电路。交流电力与信息数据双向同传的低压交流输电系统的工作原理如下:第一种情况,收发电路1到3 的信电传输。收发电路1:当晶闸管THI、功率MOSFETSI与S4导通且功率MOSFETS2与S3关断时,A1与B1之间得到电压Ui,电感L1不起作用。当功率MOSFETS2与S3导通
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