低壓電力線信道傳輸特性測(cè)量與研究

楊愛冰， 董天強(qiáng)， 陳 波， 周 克， 孫 航

(1. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局， 貴陽 550001; 2. 貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽 550025)

低壓電力線信道傳輸特性測(cè)量與研究

楊愛冰1， 董天強(qiáng)1， 陳 波1， 周 克2， 孫 航1

(1. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局， 貴陽 550001; 2. 貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽 550025)

為有效評(píng)估低壓配電臺(tái)區(qū)用電環(huán)境對(duì)電力線載波信號(hào)的影響，介紹低壓電力線信道傳輸特性測(cè)量方法。首先對(duì)信道傳輸特性的測(cè)量參數(shù)及設(shè)備進(jìn)行介紹，給出了低壓電力線噪聲、信號(hào)傳輸損耗、電力線阻抗特性的測(cè)量原理，并用測(cè)試設(shè)備對(duì)低壓電力線信道進(jìn)行特性測(cè)量，給出測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 環(huán)境噪聲在中、低頻段處較大，線路衰減在220 kHz頻點(diǎn)左右最為嚴(yán)重，而測(cè)試信號(hào)在高頻區(qū)域的阻抗特性在工頻過零時(shí)刻時(shí)呈現(xiàn)穩(wěn)定特性。由各項(xiàng)指標(biāo)可知，低壓電力線載波信號(hào)傳輸?shù)淖罴杨l率范圍為350～450 kHz；電壓過零點(diǎn)處低壓電網(wǎng)呈現(xiàn)阻抗高且穩(wěn)定、噪聲電平低的特性，適用于信號(hào)傳輸，并有利系統(tǒng)時(shí)間同步。

低壓電力線； 信道測(cè)量； 噪聲特性； 阻抗特性； 衰減特性

0 引 言

低壓電力線載波( Power Line Carrier， PLC)[1-4]通信是指以低壓配電線(380 V/220 V)作為信息傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式。作為目前覆蓋范圍最廣的電力網(wǎng)絡(luò)，研究如何利用該網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)具有重要的意義。相比其他通信方式，如光纖通信、GPRS、RS-485等，電力線載波通信具有投資少、施工周期短、設(shè)備簡(jiǎn)單、通信安全、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

然而，與專門用于通信的介質(zhì)如雙絞線、同軸電纜相比，電力線的基本功能用來傳輸電能，它是一種非均勻分布的傳輸線，因此傳輸特性較差;另外，低壓電力線終端由于用電設(shè)備種類多，數(shù)量大，因此低壓電力網(wǎng)絡(luò)的信道特性十分復(fù)雜，通信環(huán)境相當(dāng)惡劣。主要體現(xiàn)在[5-8]：

(1) 電力信道是時(shí)變系統(tǒng)，存在多徑效應(yīng)。信道的傳輸函數(shù)隨時(shí)間變化而變化，將會(huì)引起接收端信號(hào)的頻率彌散性和時(shí)間選擇性衰落。

(2) 存在各種干擾和噪聲，不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)為加性高斯白噪聲特性。

(3) 電力線路的阻抗小，且阻抗隨著信號(hào)的頻率和時(shí)間的變化而變化。

(4) 信號(hào)的衰減與傳輸距離和信號(hào)的頻率有關(guān)。傳輸距離越遠(yuǎn)、頻率越高，則信號(hào)的衰減就越大。

為了提高電力線通信系統(tǒng)的可靠性，對(duì)低壓電力線信道進(jìn)行精確分析和建模至關(guān)重要。但由于其頻率、時(shí)間和地理位置等的不確定性，很難建立一套精確的數(shù)學(xué)模型[9]。對(duì)電力線信道的研究可以采用兩種方法[10-11]：自上而下以及自下而上的方法。前者通過測(cè)量運(yùn)行電網(wǎng)的不同信道參數(shù)，從中獲得統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并結(jié)合合理的物理過程，研究信道特性；后者在離線狀態(tài)下逐個(gè)測(cè)量電網(wǎng)基本元件的的傳輸特性，然后結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦?，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性。由于低壓電力線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，用電負(fù)載眾多，采用自下而上的方法進(jìn)行信道測(cè)量方法并不適用[12]，本文采用自上而下的方法對(duì)低壓電力線通信信道傳輸特性進(jìn)行研究。

1 信道傳輸特性測(cè)量參數(shù)和設(shè)備

對(duì)低壓電力線信道特性的測(cè)量主要包括噪聲、阻抗、衰減特性3個(gè)方面。由于低壓電網(wǎng)連接著眾多用電設(shè)備，每種用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的噪聲污染各不相同，特別是一些開關(guān)電源設(shè)備、非線性用電設(shè)備和大功率變頻設(shè)備等對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的噪聲影響尤為嚴(yán)重。根據(jù)噪聲來源、信號(hào)頻譜、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度，電網(wǎng)噪聲可分為：背景噪聲、與電網(wǎng)頻率同步的周期型脈沖噪聲、與電網(wǎng)頻率不同步的周期型脈沖噪聲和非同步脈沖噪聲。前兩種能夠保持較長(zhǎng)時(shí)間，可將其看作“有色背景噪聲”，而后兩種可歸結(jié)為“脈沖噪聲”，其噪聲幅值大，持續(xù)時(shí)間較短，在電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對(duì)信號(hào)干擾最嚴(yán)重，易出現(xiàn)信號(hào)傳輸錯(cuò)誤，導(dǎo)致誤碼率升高[13]。

低壓電力線阻抗特性主要對(duì)載波信號(hào)的饋網(wǎng)功率產(chǎn)生影響。為了使耦合到電力線上的載波信號(hào)功率最大，載波機(jī)的輸出阻抗應(yīng)該與電網(wǎng)阻抗相匹配。但由于低壓電力線上負(fù)載眾多，且負(fù)載是隨機(jī)接入和切出，因此，低壓電力線的阻抗呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化[14]。

低壓電力線上并聯(lián)的負(fù)載對(duì)信號(hào)衰減將會(huì)產(chǎn)生影響，尤其是電容特性的負(fù)載[15]。對(duì)高頻載波信號(hào)來說，容性負(fù)載相當(dāng)于短路。此外，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，發(fā)送耦合電路的內(nèi)阻也不可忽視，它會(huì)分去相當(dāng)一部分的功率。所以信號(hào)衰減由兩部分組成：一是耦合衰減；二是線路衰減。理論上，耦合器的內(nèi)阻可以做得相當(dāng)小，這樣信號(hào)衰減就主要取決于線路的衰減。

為了對(duì)低壓電力通信信道上的干擾能有一個(gè)定量分析，利用高精度高速數(shù)字化儀、噪聲耦合單元以及低壓電力線噪聲分析軟件與波形發(fā)生器對(duì)低壓電力線噪聲、阻抗、衰減特性進(jìn)行測(cè)試和分析。

2 信道特性測(cè)量基本原理

2.1 信道噪聲特性測(cè)量原理

信道噪聲的測(cè)試由噪聲耦合單元與高精度高速數(shù)字化儀構(gòu)成。噪聲耦合單元的電路原理如圖1所示。噪聲經(jīng)過耦合單元輸出到高精度高速數(shù)字化儀，通過高精度高速數(shù)字化儀實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)各頻率點(diǎn)低壓電力線噪聲的變化分析。

圖1 噪聲耦合單元原理圖

高精度高速數(shù)字化儀對(duì)耦合器輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣，則20 ms的采樣點(diǎn)數(shù)為2×106。在測(cè)試中，頻譜范圍設(shè)定10～500 kHz，頻率間隔為5 kHz。采樣后的信號(hào)通過快速傅里葉變換(FFT)算法，實(shí)現(xiàn)了采樣信號(hào)的頻譜分析。

2.2 信道阻抗特性測(cè)量

信道阻抗的測(cè)試由高精度高速數(shù)字化儀、波形發(fā)生器和饋網(wǎng)分析單元三者構(gòu)成，測(cè)試原理如圖2所示。測(cè)試中，利用軟件控制波形發(fā)生器發(fā)送不同頻率的正弦信號(hào)，然后采集所需相應(yīng)頻率的分析信號(hào)U1和U2，從而獲取當(dāng)前發(fā)送頻率的低壓電力線阻抗變化趨勢(shì)。

低壓電力線阻抗的模為

(1)

低壓電力線阻抗虛部偏轉(zhuǎn)角度為

(2)

式中：θ<0表示低壓電力線阻抗為容性；θ>0表示低

圖2 低壓電力線阻抗分析原理圖

壓電力線阻抗為感性；θ=0表示低壓電力線阻抗為阻性。

2.3 信道衰減特性測(cè)量原理

信道衰減測(cè)試由高精度高速數(shù)字化儀、波形發(fā)生器和饋網(wǎng)分析單元以及電力線噪聲分析設(shè)備構(gòu)成，測(cè)試原理如圖3所示。

圖3 低壓電力線載波衰減分析原理圖

測(cè)試中，利用軟件控制任意波形發(fā)生器發(fā)送不同頻率的正弦信號(hào)，并使用軟件同步的方式分別在測(cè)試點(diǎn)1和2采集所需信號(hào)U1和U2，從而獲取當(dāng)前發(fā)送頻率的低壓電力線衰減的變化趨勢(shì)。

軟件同步方式是指低壓電力線衰減分析設(shè)備和低壓電力線噪聲分析設(shè)備在測(cè)試點(diǎn)1和2保持時(shí)間同步，即在某一頻率發(fā)送時(shí)刻同時(shí)采集兩點(diǎn)20 ms的分析數(shù)據(jù)U1和U2，其中U1為測(cè)試點(diǎn)1發(fā)送端信號(hào)，U2為測(cè)試點(diǎn)2接收端信號(hào)，采樣率1.0×108/s。利用式A=20lg|U1/U2|計(jì)算得出各頻率分量的衰減變化。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)及其分析

利用低壓電力線噪聲、阻抗和衰減分析設(shè)備對(duì)低壓電力線信道的噪聲、阻抗和衰減特性進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果分析如下。

3.1 噪聲特性分析

對(duì)取得的低壓電力線信道噪聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行三維頻譜分析，得到各頻點(diǎn)噪聲幅度隨時(shí)間變化的頻譜圖如圖4所示。由圖可知，不同頻點(diǎn)的噪聲在0～20 ms時(shí)間段內(nèi)都有一定的幅度起伏，即驗(yàn)證了噪聲的時(shí)變特性。另一方面，隨著頻率的增大，噪聲幅度有逐步減小的趨勢(shì)，即低頻分量具有更大的幅值。

圖4 三維噪聲頻譜圖

接著對(duì)噪聲進(jìn)行二維頻譜分析，選取80、250、420 kHz 3個(gè)頻點(diǎn)的噪聲功率譜在0～20 ms時(shí)間段內(nèi)的幅度曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同頻點(diǎn)噪聲頻譜對(duì)比圖

由圖5可知，80 kHz頻點(diǎn)的噪聲幅度變化范圍為75～110 dB，250 kHz頻點(diǎn)的噪聲幅度變化范圍為60～100 dB，420 kHz頻點(diǎn)的噪聲幅度變化范圍為50～80 dB?？梢姡S著頻率的升高，噪聲頻譜幅度降低，并且幅度變化區(qū)間也會(huì)減小。通過對(duì)頻譜圖分析發(fā)現(xiàn)，所測(cè)噪聲也具備50/100 Hz的周期性趨勢(shì)，且工頻過零時(shí)刻噪聲幅度最弱，非過零時(shí)刻噪聲變化豐富，其峰值噪聲一般比過零點(diǎn)噪聲幅值高15 dB。

3.2 阻抗特性分析

利用低壓電力線阻抗分析設(shè)備，對(duì)80～500 kHz頻段內(nèi)每5 kHz為間隔的頻點(diǎn)進(jìn)行阻抗分析，以工頻同步交流市電電壓過零時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，在三維阻抗圖中比較低壓電力線各頻點(diǎn)阻抗幅度/相位隨時(shí)間變化趨勢(shì)。圖6為某現(xiàn)場(chǎng)電力線阻抗的變化情況，其中綠色軸為時(shí)間軸，紅色軸為頻率軸，藍(lán)色軸為幅度軸，直觀的看出在20 ms微分時(shí)段內(nèi)各頻點(diǎn)阻抗模的變化情況。由圖6可知，低壓電力線信道的阻抗也具有時(shí)變特性，但是對(duì)于不同頻點(diǎn)，其隨時(shí)間變化的程度具有較大的差別，說明阻抗特性受頻率的影響較大。

圖6 三維阻抗模變化情況

通過對(duì)阻抗特性進(jìn)行二維分析，同樣選取80、250、420 kHz 3個(gè)頻點(diǎn)的阻抗進(jìn)行觀察。結(jié)果如圖7所示。80 kHz頻點(diǎn)的阻抗變化范圍為3 Ω左右，250 kHz頻點(diǎn)阻抗變化范圍為1～14 Ω，420 kHz頻點(diǎn)阻抗變化范圍為6～8 Ω。通過對(duì)比多次阻抗分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其阻抗變化也呈現(xiàn)50/100 Hz周期性變化趨勢(shì)，過零點(diǎn)與非過零點(diǎn)時(shí)刻存在差異，在420 kHz頻點(diǎn)過零點(diǎn)處阻抗較大且穩(wěn)定性好。在不同頻點(diǎn)，低壓電力線信道的阻抗變化范圍差別很大，變化范圍在0到幾百Ω之間波動(dòng)，造成阻抗大范圍波動(dòng)的原因是不同的布線方式以及不同的家用電器類型所造成的。

3.3 衰減特性分析

在80～500 kHz頻段內(nèi)每隔5 kHz對(duì)電力線上的衰減特性進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)各頻點(diǎn)20 ms時(shí)間段內(nèi)的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析，得到某現(xiàn)場(chǎng)8 m左右傳輸距離的電力線信號(hào)衰減變化情況如圖8所示。綠色軸為時(shí)間軸，紅色軸為頻率軸，藍(lán)色軸為幅度軸，由圖可直觀地看出在20 ms時(shí)段內(nèi)各頻點(diǎn)測(cè)試信號(hào)的衰減變化情況，信號(hào)衰減雖隨時(shí)間變化不明顯，但是對(duì)于整個(gè)測(cè)試頻段，在中間部分的信號(hào)衰減明顯，而兩端頻段部分的信號(hào)衰減較小。

對(duì)衰減特性進(jìn)行二維分析，選取80、250、420 kHz 3個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)衰減特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖9所示。在80 kHz頻點(diǎn)處，信號(hào)衰減約7 dB；在250 kHz頻點(diǎn)處，信號(hào)衰減約25 dB；在420 kHz頻點(diǎn)處，信號(hào)衰減約6 dB。通過對(duì)多次測(cè)量值比較發(fā)現(xiàn)，衰減的變化

圖8 三維衰減變化情況

也呈現(xiàn)50/100 Hz周期性變化趨勢(shì)，且過零點(diǎn)與非過零點(diǎn)時(shí)刻差異因地而異，普遍區(qū)別較小。信號(hào)衰減不一定隨載波頻率有絕對(duì)性的上升或下降趨勢(shì)，卻與當(dāng)?shù)貍鬏斁€路的分支走線密切相關(guān)。對(duì)于同一傳輸距離的傳輸線路來說，接入不同的用電設(shè)備后，載波信號(hào)的衰減特性也會(huì)明顯不同。

圖9 不同頻點(diǎn)衰減變化對(duì)比圖

4 結(jié) 語

針對(duì)低壓電力線信道噪聲、阻抗、衰減特性進(jìn)行了測(cè)量分析。分析表明：低壓電力線環(huán)境噪聲在測(cè)試頻段的中低頻幅值較大，信號(hào)線路衰減在220 kHz左右最為嚴(yán)重，而高頻區(qū)域的阻抗特性在工頻過零時(shí)刻呈現(xiàn)穩(wěn)定特性且衰減較小，綜合各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)可得低壓電力線載波信號(hào)的傳輸最佳頻率范圍為350～450 kHz。在一個(gè)交流電供電周期內(nèi)，交流電壓有兩次電壓過零點(diǎn)。在電壓過零點(diǎn)處，低壓電網(wǎng)呈現(xiàn)阻抗高且穩(wěn)定、噪聲低的特性，因而適用于傳播信號(hào)。此外，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)可以低壓電網(wǎng)工頻過零點(diǎn)作為載波通信系統(tǒng)的同步基準(zhǔn)源，有利于系統(tǒng)的時(shí)間同步與廣播校時(shí)。

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·名人名言·

每個(gè)人都有一定的理想,這種理想決定著他的努力和判斷的方向。就在這個(gè)意義上,我從來不把安逸和快樂看作是生活目的本身—這種倫理基礎(chǔ)我叫它豬欄的理想。

——愛因斯坦

Measurement and Analysis of Channel Transmission Characteristics for Low-voltage Power Networks

YANGAi-bing1，DONGTian-qiang1，CHENBo1,ZHOUKe2,SUNHang

(1. Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 55001, China; 2. College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

This paper presents a channel measurement method for low-voltage power networks. Firstly, the measurement parameters and equipments for the channel transmission characteristic are introduced. Then the basic principles for measuring noise, attenuation and impedance characteristics are analyzed. At the end, we give the measurement and the analysis results. It shows that the noise is larger when the frequency is low and medium, and the line attenuates seriously when the frequency is 220kHz, as well as that the impedance characteristics is stable when the power frequency nearby zero in the high-frequency regions. Thus, we can conclude that the optimal transmission frequency is between 350～450Khz. Besides, the noise is low and the impedance is stable when power frequency nearby zero. It means that when power frequency is nearby zero the carrier communication may have the best result, also, this scheme is beneficial to the system synchronization.

low-voltage power lines; channel measurement; noise characteristics; attenuation characteristics; impedance characteristics

2016-04-07

貴州省科技廳基金項(xiàng)目(黔科合LH[2014]7614);貴州電網(wǎng)科技項(xiàng)目GZ2014-2-0006資助

楊愛冰(1969-)，男，貴州貴陽人，碩士，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期主要從事計(jì)量科技研究工作。E-mail：zk8008h@163.com

TN 911.22

A

1006-7167(2017)01-0136-04