低壓電力線信道的阻抗特性研究

張秀秀

(長治學(xué)院 電子信息與物理系，山西 長治 046011)

1 概述

家庭用戶電器使用的電力線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在，把它作為通信環(huán)境困難很大。存在惡劣的通信環(huán)境，如:變化的阻抗，噪聲干擾變化大以及信號在電力線上傳輸衰減大。因此，研發(fā)低壓通信系統(tǒng)載波通信方案的前提是構(gòu)建電力信道模型，測量分析電力信道，而這些也是分析提高載波信號傳輸質(zhì)量的基礎(chǔ)。

電力線網(wǎng)絡(luò)的配置沒有一定的特點，總體可以分為三種，它們分別是高壓電力線網(wǎng)絡(luò)、中壓電力線網(wǎng)絡(luò)和低壓電力線網(wǎng)絡(luò)。高壓電力網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是從發(fā)電廠發(fā)電，輸送到各個城市的周邊，想到信息的安全及重要性，技術(shù)人員一般不考慮將它作為通信線路。中壓電力線網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是將用電配送到周圍地區(qū)的中壓變電站，中壓變電站然后將電壓變換為220 V/380 V 供家戶的電器工作［1］。低壓電力線網(wǎng)絡(luò)則遍及到各個家戶，這為組網(wǎng)通信帶來方便。

一般的低壓供電系統(tǒng)如下圖1 所示，系統(tǒng)通過變壓器聯(lián)絡(luò)到各個家庭用戶，每條支路的長度也不相等，支路的網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)沒有一定的特點，連接的家庭戶數(shù)也很沒定數(shù)。總之，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)沒有特點。

圖1 低壓電力線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 輸入阻抗數(shù)據(jù)的測量方法

根據(jù)理論知識將低壓電力信道的輸入阻抗規(guī)定為在信號發(fā)送端驅(qū)動點和信號接收端的驅(qū)動點之間的等效阻抗［2］，電力線攜帶信號傳送的能力直接與阻抗有關(guān)。

在圖2 中，信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，該信號一般選用正弦信號，它首先經(jīng)過耦合變壓器T 和給定電阻R，然后進(jìn)入低壓電力網(wǎng)，通過儀器測量出給定電阻兩端的電壓V1和用戶家里插座上的電壓V2，再依據(jù)電路原理的公式就能計算出要知道的輸入阻抗Z。

圖2 輸入阻抗測量原理圖

具體阻抗值由下式求得:

在室內(nèi)換不同點的插座同時改變測試信號的頻率，V1、V2的電壓由測量得出，這樣通過上面的公式就能測定出輸入阻抗。

3 耦合方案

耦合電路主要起兩個作用:一是能將通信儀器與220 V的市電隔離，這就保證了通信儀器的安全;二是通信頻段外的各種噪聲能被耦合系統(tǒng)中的濾波電路濾除，這樣就大大減少了對系統(tǒng)的干擾［3］。圖3 就是一個典型的低壓電系統(tǒng)的耦合電路，該電路中有一個耦合電容、一個耦合變壓器和一個二極管。

電力線通信中常用到耦合電容，它能將被傳輸信號耦合到低壓電力線上，濾波器中的一個重要器件也是耦合電容。耦合電容是攜帶高頻通信信號用的，所以該電容必須是一個高頻的電容，電容的自諧振頻率還要比通信信號的最高頻率高。此外，高頻電容還得有能濾波220 V 的強(qiáng)電和浪涌電壓，所以要求耦合電容必須是一個高能力耐壓的電容。

圖3 耦合電路原理圖

耦合變壓器的作用有兩個，一是將電流隔離，并實現(xiàn)阻抗變換，二是高頻電信號必須能夠通過耦合變壓器。通過耦合變壓器的信號，我們對它的的頻率范圍也有一定的限定。同時，由于市電信號的頻率只有50 Hz，幅度又較大，因此與高頻通信信號相比，市電最少有105數(shù)量級的過飽和影響［4］。載波信號通過市電被電力線傳輸?shù)礁咄V波器，載波信號然后進(jìn)入耦合電路。實際上，高通濾波器也是一個帶通濾波器，它對強(qiáng)電進(jìn)行濾波，并降低其電壓幅度，目的是減小對后面測量系統(tǒng)的影響。

在圖3 中，高通濾波器中有電容C1、C2 和耦合變壓器T1，濾波器是用來過濾市電，并降低其幅度，這樣就可以減小其對通信系統(tǒng)的影響。變壓器次級連著5 個開關(guān)二極管組成了一個限位電路，作用是穩(wěn)定敏感的通信系統(tǒng)。如果正限位電平低于輸出端電壓，二極管D1、D3、D4 將會導(dǎo)通，對輸出電壓進(jìn)行高電平鉗位;相反，如果負(fù)限位電平低于輸出端電壓，二極管D2、D3、D5 就會導(dǎo)通。

4 輸入阻抗測試數(shù)據(jù)分析

如下表1 所示，在不同插座上測得的輸入阻抗數(shù)據(jù)分別為Z1、Z2、Z3。

表1 輸入阻抗測量值

對所測數(shù)據(jù)使用matlab 中的最小二乘法進(jìn)行擬合，圖4給出了擬合后的曲線，它由Z 給出。所得到的輸入阻抗與頻率的關(guān)系為:|Z|=1.22 ×10－2×f－0.06，式中，頻率的單位為kHz;阻抗的單位為Ω。

分析圖4，可以得出在一定的通信頻率段內(nèi)，低壓電力線通信信道的輸入阻抗有變化，變化范圍為2.2 Ω～41 Ω，并且輸入阻抗隨頻率的不斷升高而增大［5］?？傊畯膶嶒灁?shù)據(jù)來看，輸入阻抗值在大概150 kHz～450 kHz 頻率范圍比較低。所以，攜帶載波信號的發(fā)送裝置要在此頻段工作，它必須具有很低的輸出阻抗，否則信號的傳送是失敗的。

圖4 輸入阻抗擬合曲線

5 總結(jié)

本文分析了低壓電力線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，結(jié)合實際指出低壓電力線作為通信環(huán)境有很多技術(shù)難點，通過理論知識給出了如何測量低壓電力線網(wǎng)絡(luò)的方案和耦合信號方案，所測數(shù)據(jù)得到的結(jié)論是:低壓電力信道的輸入阻抗和所傳輸?shù)妮d波信號頻率有關(guān)，而且關(guān)系很大。此分析對低壓電力線通信方案的設(shè)計有著一定的參考價值，同時也為我們的低壓電力信道建模打下了基礎(chǔ)。

［1］Govender P，Bipraj S.Data Transmission over the Medium Voltage Power Line Communication Channel［G］.Industrial Electronics，IEEE International Symposium on，2006:1905－1910.

［2］Wu D，Hou Y T.Streaming Video over the Internet:Approaches and Directions［G］.IEEE Trans on Circuit and Systems for Video Technology，2001:282－300.

［3］吳寧.電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［4］Petrus A J V.Rensburg and H C Ferreira.Practical Aspects of Component Selection and Circuit Layout for Modem and Coupling Circuitry［G］.Proc.of 7th ISPLC-2003，Kyoto，2003:197－203.

［5］Radford D.Spread-Spectrum Data Leap Through AC Power Wiring［J］.IEEE Spectrum，1996，33(11):48－53.