低壓電力線載波通信信道傳輸特性分析

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)及電力事業(yè)的迅速發(fā)展 城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快，以及一產(chǎn)一表制的推廣和實施，使得用戶電表的需求量(人工抄表的工作量急劇增加。城市內(nèi)高層建筑的增多、商住小區(qū)建設(shè)速度的加快以及保安措施的加強給用電管理部門的抄表管理工作帶來困難。針對電力系統(tǒng)特別是電力營業(yè)部門的需要，結(jié)合單片機(jī)嵌入式控制技術(shù)、數(shù)據(jù)載波通信技木、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子測量及儀表技術(shù)為一體的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)的研究一直成為近幾年的熱點。

1　低壓電力線載波通信信道傳輸特性分析

對于所有的通信信道，阻抗、信號衰減和干擾是決定其性能的基本參數(shù)。下面就針對這素對220V/380V低壓電力線進(jìn)行研究和分析，以得出低壓電力線的載波通信信道特性，并應(yīng)的結(jié)論。

1.1　低壓電力線上輸入阻抗的研究

輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸特牲的重要參數(shù)，低壓電力線上的輸入阻抗與所傳輸?shù)男盘栴l率密切相關(guān)。理論上，在沒有負(fù)載的理想情況下，電力線是一條阻抗均勻分布的傳驗線，在分布電感和分布電容的影響下，輸入阻抗應(yīng)該隨著頻率的增大而減��；而當(dāng)電力線上有負(fù)載時，所有頻率的輸入阻抗都會減小。但是，由于負(fù)載類型的不同，使不同頻率91阻抗變化也不同，所以實際情況非常復(fù)雜，甚至不可預(yù)測。因為電網(wǎng)上負(fù)載隨機(jī)的接入、切出，電動機(jī)的停運、啟動，家用電器的開、關(guān)，功率因數(shù)補償電容的接入、撤除等原因，導(dǎo)致電力線上的輸入阻抗隨著頻率的變化而劇烈變化，變化范圍超過了1000倍，而且輸入阻抗隨頻率的變化并不符合一般想象下的隨頻率的增大而減小的變化規(guī)律，甚至與之相反。由于這些負(fù)載會在電力線上隨機(jī)地連上或斷開，所以輸入阻抗還是時間的函數(shù)，在不同時間，電力線的輸入阻抗會發(fā)生較大幅度的改變。

因此，由于低壓電力線輸入阻抗隨著地點、時間、載波頻率而劇烈 隨機(jī)變化，在設(shè)計載波發(fā)送機(jī)時，無法保證功率放大器的輸出阻抗和接收機(jī)的輸入阻抗相匹配，給電路設(shè)計帶來很大的困難。

1.2　低壓電力線信道高頻信號衰減特性的研究

高頻信號的衰減，首并和線路的等效輸入阻抗有關(guān)�；�于前面分析的結(jié)果，高頻信號在低壓電力線上傳輸?shù)乃�減，必然與通信距離、信號頻率、傳輸時刻等因素有密切的關(guān)系。

1.2.1信號衰減和通信距離的關(guān)系

從理論上說，信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，信號衰減就越厲害。但是，由于電力線是非均勻不平衡的傳輸線，接在上面的負(fù)載的阻抗也不匹配，所以信號會遇到反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象。這些復(fù)雜現(xiàn)象的組合，使信號的衰減隨距離的變化關(guān)系變得非常復(fù)雜，甚至?xí)�出現(xiàn)近距離點的衰減比遠(yuǎn)距離點還大的現(xiàn)象。

1.2.2　信號衰減和載波頻率的關(guān)系

為了研究低壓電力線上載波傳輸信號頻率與信號衰減的關(guān)系，前人進(jìn)行了很多的理論的探討和實驗，文獻(xiàn)[2]在研究了多種典型低壓線路衰減特性的實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用了線性擬合和RC曲線擬合的方法均無法得出二者的理論關(guān)系式，遇到的最主要問題是隨機(jī)變化的負(fù)載曲線。

在低壓電力線載波通信中，確定一個合理的通信帶寬并不容易。從衰減變化的趨勢來看，頻率較高信號會有較大的衰減，實驗證明，幅頻曲線中會出現(xiàn)突然性的衰減跌落。

1.2.3　信號衰減和時間的關(guān)系

我們在實驗測試中發(fā)現(xiàn)，高頻信號在低壓電力線上傳輸時的衰減還會隨5Hz工頻電源的相位而變化，通常在工頻電源的窄相位范圍內(nèi)產(chǎn)生100Hz為周期的衰減變化，變化范圍為幾分貝到十幾分貝。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是因為一些工作于開關(guān)狀態(tài)的設(shè)備，如開關(guān)電源等，在工頻交流電的一定相位時打開開關(guān)器件，就將電路上含有的大容量電容器或大功率的負(fù)載接入電力線網(wǎng)絡(luò)，引起高頻信號衰減的急劇變化。

經(jīng)分析可以看出，在總體上，電力線上的衰減隨著頻率的增加而增加，但在某些頻率，由于負(fù)載產(chǎn)生的共振現(xiàn)象和傳輸線效應(yīng)的影響，衰減會出現(xiàn)突然的迅速增加。同時，信號傳輸距離對信號衰減程度也起著決定性的影響，隨著距離的增加，衰減會迅速地增加。隨著工頻交流電相位的變化，高頻信號的衰減也會出現(xiàn)周期性的變化。在不同的時間段、不同的地點，衰減幅度也不同，有時變化會很大。這種變化對載波通信設(shè)備的設(shè)計影響很大。

1.3　低壓電力線信道干擾特性分析

低壓電力線上干擾可分為非人為干擾和人為干擾兩類。非人為干擾指的是一些自然現(xiàn)象，如雷電等引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設(shè)備產(chǎn)生的，它對數(shù)據(jù)通信影響更大。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，電力線上的干擾不能簡單地認(rèn)為是可加性高斯白噪聲，為了研究方便可以近似將其分成4類：周期性的連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾，時不變的連續(xù)干擾和隨機(jī)產(chǎn)生的突發(fā)性干擾。通常情況下，前兩類干擾占主導(dǎo)地位。

1.3.1　低壓電力線上干擾的周期性和連續(xù)性

在以前的研究中發(fā)現(xiàn)，諧波噪聲以交流電頻率(fa)的整數(shù)倍出現(xiàn)，因此，我們會存在周期性的傾向：為此我們選擇了一個大學(xué)的實驗室進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)論。

電力線上實測的干擾波形如圖1所示。從圖1中可以看到電力線上的主要干擾是周期性出現(xiàn)的，其出現(xiàn)頻率為2fa，而且周期性干擾幅值比時不變連續(xù)干擾要大許多。這種干擾的強度有時可能很大，其峰值最高可達(dá)10V以上。

產(chǎn)生這種周期性干擾的原因是由于許多用電設(shè)備會在工頻交流電基波的某個固定相位上釋放干擾。每次干擾的持續(xù)時間受多種因素的影響，而許多開關(guān)電源、逆變器等還可能產(chǎn)生頻率高于100Hz的周期性干擾。

利用掃頻儀測試干擾信號，我們發(fā)現(xiàn)干擾信號的頻譜非常不規(guī)則，存在許多突變，因此，這種周期性干擾應(yīng)該是由大量的高頻干擾組合而成的。

這種干擾主要有兩個特點：a．無法對這種干擾的周期、寬度、強度和發(fā)生時間等做出準(zhǔn)確的預(yù)測，這些參數(shù)的變化范圍也是未知的；b．這種干擾的頻譜非常寬，很難有針對性地采取措施抑制這種干擾。

1.3.2　低壓電力線上干擾的隨機(jī)性

除了上述的周期性和連續(xù)性的干擾外，電力線上還存在許多隨機(jī)發(fā)生的干擾。這種隨機(jī)干擾通常是由于電力線路上的各種大功率負(fù)載的突然開關(guān)、大功率電機(jī)的啟停、功率因數(shù)補償電容器的投切以及短路、故障切除和重合閘、雷電等引起，往往是能量很大的脈沖干擾或脈沖干擾群，持續(xù)時間較短，但能量很集中，頻譜也很寬，會引起電壓、電流的突變和諧波分量的增加。而在離接收機(jī)近距離的范圍內(nèi)，某些中小功率的負(fù)載，如日光燈、計算機(jī)等的開關(guān)也會產(chǎn)生較大的突發(fā)脈沖干擾而影響通信。

這些隨機(jī)干擾持續(xù)的時間較短，從幾十微秒到幾秒不等，強度大小也不等，出現(xiàn)時間也是隨機(jī)的，具有很大的不可預(yù)測性。

1.3.3 低壓電力線上干擾的多變性

出于與信號衰減多變性同樣的原因，低壓電力線上的干擾也存在多變性。這種多變性表現(xiàn)在兩個方面：一是因時而變；二是因地而變。

通過針對低壓電力線阻抗特性、衰減特性、干擾特性的全面分析，我們可以看到，低壓電力線上的信道特性非常復(fù)雜，隨機(jī)性、時變性大、通道性質(zhì)惡劣，難以通過建立數(shù)學(xué)模型加以描述，這是對低壓電力線高頻信號傳輸特性分析一直多以定性分析和實驗數(shù)據(jù)測試分析為主的原因。提出的模型往往是附加了許多假設(shè)和限制，也是不精確或適用面很窄的。這種精確數(shù)學(xué)模型的缺乏，對低壓電力線載波通信設(shè)備的設(shè)計提出了很大的挑戰(zhàn)

通信數(shù)據(jù)以一個8位開關(guān)鍵控ASK同步頭信號作為開始，同步頭中解決了頻道的訪問和爭用問題。當(dāng)頻道確定后，采用相移鍵控PSK技術(shù)把數(shù)據(jù)包中所含地址、控制或數(shù)據(jù)等信息的正文發(fā)送出去。信息正文后面是一個包結(jié)束標(biāo)志及一個用于錯誤控制的CRC碼。在一個CEBus數(shù)據(jù)包內(nèi)，通過對數(shù)據(jù)脈寬編碼以表示符號的域結(jié)束和包結(jié)束。在數(shù)據(jù)信息正文中，一個最小符號即為1個UST,周期的持續(xù)時間為100μs。

但是，從PLT-22模塊在國內(nèi)電量遙抄領(lǐng)域取得的成功可以得到兩個啟示，一是在低壓電力線載波通信領(lǐng)域，傳統(tǒng)的窄帶通信并未被先進(jìn)的擴(kuò)頻通信淘汰，其主要原因是信道的擴(kuò)頻增益有限，無法充分發(fā)揮擴(kuò)頻的優(yōu)點；二是通信協(xié)議制定的優(yōu)劣是通信系統(tǒng)能否成功的一個關(guān)鍵。

2　結(jié)論

眾所周知，電力線的設(shè)計之初并非用于通信。因此，與其它的通信媒介相比，電力線的傳輸特性極為惡劣，具有高頻通道電平衰落變化范圍大、頻率選擇性衰落嚴(yán)重、噪聲大、脈沖干擾頻繁、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨機(jī)地發(fā)生時變等缺陷�？傊�，電力線是極為惡劣的時變信道。

采用擴(kuò)頻通信，就是針對電力線的噪聲、高衰減、信號失真等缺陷，因為擴(kuò)頻通信具有很強的抗干擾、抗多徑衰落等優(yōu)良性能，能克服窄帶通信的不足，比較適合電力線高頻通道環(huán)境。但由于電力線上的信號傳輸帶寬規(guī)定在40～500kHz，這使得擴(kuò)頻增益不會很高。因而，其克服通道干擾的能力有限，在系統(tǒng)設(shè)計時，必須考慮這方面的因素。針對不同的衰落情況，需采用相應(yīng)的措施，如自適應(yīng)均衡技術(shù)、前向功率控制、自動增益控制以及可靠的糾錯編碼技術(shù)等；此外，還必須優(yōu)化設(shè)計全網(wǎng)協(xié)議，以保證多點傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。當(dāng)配電網(wǎng)中某點發(fā)生故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，應(yīng)保證調(diào)度控制命令不受影響，實現(xiàn)安全通信。

國外開發(fā)的電力線載波通信芯片只適用于該國的信道特點，因此，綜合國外在電力線擴(kuò)頻通信領(lǐng)域取得的研究成果及發(fā)展趨勢，結(jié)合我國的具體情況，研究適合我國國情的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電力線通信產(chǎn)品，才是從根本上解決問題的唯一方法。

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來源：北極星