低壓電力線載波通信傳輸特性

崔靜靜

（日海恒聯(lián)通信技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設(shè)，低壓電力線載波通信作為一種經(jīng)濟、高效的通信方式受到廣泛關(guān)注。低壓電力線載波通信利用電力線路作為傳輸介質(zhì)，在高頻范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸，具有傳輸距離長、建設(shè)成本低以及覆蓋范圍廣等優(yōu)勢。因此，了解低壓電力線載波通信的傳輸特性對于優(yōu)化通信系統(tǒng)的設(shè)計和運行具有重要意義。文章旨在研究低壓電力線載波通信的傳輸特性，深入探究其工作原理和性能特點，并提出優(yōu)化設(shè)計建議。一方面，介紹電力線載波通信的基本原理和系統(tǒng)組成，包括控制中心、傳輸電網(wǎng)以及接收端。另一方面，對低壓電力線的常用參數(shù)、輸入阻抗、信號衰減特性以及干擾特性進行詳細分析，揭示其對通信系統(tǒng)性能的影響機制。本研究對于推動智能電網(wǎng)的建設(shè)和電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

1 電力線載波通信的基本原理及系統(tǒng)組成

1.1 電力線載波通信的基本原理

電力線載波通信技術(shù)是一種利用電力線作為傳輸介質(zhì)進行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)。其基本原理是通過向電力線注入高頻載波信號，在電力線上傳輸數(shù)據(jù)信息。首先需要產(chǎn)生載波信號[1]。信號發(fā)生器生成高頻載波信號，并通過調(diào)制解調(diào)器將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號調(diào)制到載波信號上。其次利用接收端的裝置接收和解調(diào)電力線上的載波信號。最后解調(diào)器將接收的載波信號解調(diào)還原為原始的數(shù)據(jù)信號，并交給通信終端進行處理和顯示。利用電力線作為傳輸介質(zhì)，電力線載波通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)電力線自身的雙重功能，既能提供電力供應，又能進行數(shù)據(jù)通信。這種通信方式具有成本低、覆蓋范圍廣以及設(shè)備部署方便等特點，因此廣泛應用于住宅小區(qū)、商業(yè)區(qū)域及工業(yè)用電等場景。

1.2 電力線載波通信的系統(tǒng)組成

電力線載波通信系統(tǒng)主要包括信號阻波器、載波機、耦合電容器以及結(jié)合濾波器等組成部分，如圖1所示[2]。

圖1 電力線載波通信的系統(tǒng)組成

2 低壓電力線載波通信信道傳輸特性分析

2.1 傳輸線上常用的一次參數(shù)

傳輸線上常用的一次參數(shù)包括電阻、電感、電容以及電導等。

2.1.1 電 阻

電阻是一種用來控制電路中電流流動的元件。它可以限制電流的大小，避免電流過大損壞電路[3]。此外，電阻還可以用于分壓、電流限制、保護電子元件以及產(chǎn)生熱量等。

傳輸線中的直流電阻為

式中：ρ、l、s分別為導線的電阻系數(shù)、長度及截面積。

明線雙線回路每千米的直流電阻為

式中：d為導線的直徑，mm。

當傳輸導線中傳輸?shù)氖墙涣餍盘枙r，其雙線回路每千米的交流電阻計算公式為

式中：R為雙線回路每千米交流電阻；K1為由于集膚效應而使電阻增大的系數(shù)。

2.1.2 電 容

電容是一種用來儲存電荷的元件，在電路中起到儲存和釋放電能的作用。其雙線回路每千米的電容量計算公式為

式中：εr為導線間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；a為兩導線的中心間距；r為導線半徑；L為雙線回路每公里的電感量；n為通過交流信號時介質(zhì)中的損耗系數(shù)。

2.1.3 電 感

電感是一種儲存電磁能量的元件，也稱為電感器或電感線圈。導線的電感由內(nèi)外兩部分組成，其中外電感是導線外部磁鏈與線內(nèi)流通電流之比。雙線回路每千米的電感量為

式中：μr為導線材料的相對導磁系數(shù)；Kr為由于集膚效應而使電感減小的系數(shù)。

2.1.4 電 導

電導主要是描述物質(zhì)對電流傳導能力的物理量，體現(xiàn)物質(zhì)導電性。雙線回路每千米的絕緣電導為

式中：G0為通直流時的絕緣電導；f為傳輸頻率；n為通過交流信號時介質(zhì)中的損耗系數(shù)。

2.2 低壓電力線信道高頻信號衰減特性的研究

研究低壓電力線信道的高頻信號衰減特性，對于了解信號傳輸過程中的衰減情況和通信系統(tǒng)的性能評估至關(guān)重要。低壓電力線作為一種傳輸介質(zhì)，會對高頻信號的傳輸造成衰減和失真[4]。研究低壓電力線信道的高頻信號衰減特性需要考慮多個因素，如電力線的物理特性、傳輸線路的長度和拓撲結(jié)構(gòu)、信號頻率以及環(huán)境噪聲等。這些因素會影響信號的傳輸損耗和衰減程度。

3 低壓電力線載波通信傳輸特性的實驗與結(jié)果分析

3.1 低壓電力線載波通信傳輸特性的實驗

3.1.1 辦公實驗樓內(nèi)的傳輸(衰減)特性

在辦公實驗樓內(nèi)進行實驗，研究低壓電力線載波通信傳輸特性的衰減情況。通過測量信號在不同距離和環(huán)境條件下的衰減情況，得出實驗數(shù)據(jù)，如圖2所示。曲線1為用戶較多時測得，曲線2為用戶較少時測得。

圖2 樓內(nèi)電力線傳輸特性曲線

3.1.2 低壓電力線上存在的噪聲

低壓電力線上存在很多噪聲（見圖3），這些噪聲對電力線載波通信系統(tǒng)的性能和可靠性具有重要影響。了解和分析低壓電力線上存在的噪聲是優(yōu)化通信系統(tǒng)和提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵一步。

圖3 低壓電力線上的噪聲

3.1.3 阻抗特性

研究低壓電力線載波通信傳輸特性中的阻抗特性時，可以通過一系列實驗來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

（1）測量電流-電壓響應。通過在低壓電力線上注入不同頻率和振幅的信號，測量接收端的電流-電壓響應。通過連接信號源和接收器進行實驗，根據(jù)輸入信號和輸出響應，計算得到阻抗大小和相位角。

（2）引入負載變化。改變低壓電力線上的負載條件，如連接或者斷開電器設(shè)備，測量電壓和電流的變化。根據(jù)這些變化，計算電力線的動態(tài)阻抗特性，并了解阻抗響應在不同負載條件下的變化情況。

（3）頻率掃描。使用信號發(fā)生器輸入一系列不同頻率的信號，并測量低壓電力線上的電壓和電流。根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制頻率響應曲線，并從中獲取阻抗特性，包括阻抗大小和相位角。

（4）變換阻抗測量。使用適當?shù)臏y量設(shè)備，對低壓電力線進行變換阻抗測量，得到不同頻率下電力線的復雜阻抗。

通過這些實驗，獲得低壓電力線的阻抗特性數(shù)據(jù)，進而分析和評估電力線載波通信系統(tǒng)的傳輸性能，為系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化提供實驗依據(jù)。

3.2 實驗結(jié)果分析

3.2.1 傳輸特性

在研究低壓電力線載波通信傳輸特性時開展一系列實驗，獲得以下實驗結(jié)果。

（1）頻率響應。通過測量電流-電壓響應，得到低壓電力線的頻率響應曲線。實驗結(jié)果顯示，低頻信號的傳輸衰減較小，而高頻信號呈現(xiàn)更明顯的衰減。同時，相位角隨頻率的變化而變化[5]。

（2）信號失真。通過比較輸入信號和接收信號的波形數(shù)據(jù)，觀察到一定程度的信號失真現(xiàn)象。失真可能包括幅度衰減、頻率失真以及相位失真等。失真程度的大小取決于具體的傳輸環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)。

（3）噪聲干擾。實驗結(jié)果顯示低壓電力線存在不同程度的噪聲干擾。這些干擾可能來自電力線本身的噪聲、周圍環(huán)境的電磁干擾以及其他電器設(shè)備的影響。

3.2.2 噪聲的功率譜

在低壓電力線載波通信傳輸特性的實驗中，進行噪聲功率譜的測量和分析，并對干擾進行進一步分析。樓內(nèi)噪聲功率譜如圖4所示。

圖4 樓內(nèi)噪聲功率譜

由于通常使用的電力線載波通信設(shè)備的工作頻率都在10 kHz以上，噪聲干擾必然會對通信設(shè)備的正常工作產(chǎn)生較大影響。通過實驗測得低壓電力線上的噪聲功率譜曲線，可描述噪聲在不同頻率范圍內(nèi)的能量分布情況。

3.2.3 阻抗特性

根據(jù)實驗結(jié)果分析低壓電力線的阻抗特性，研究其變化規(guī)律和對通信系統(tǒng)的影響。通過實驗測量得到低壓電力線的阻抗頻率響應曲線。通過深入分析實驗結(jié)果，可以了解傳輸系統(tǒng)與電力線之間的阻抗特性，進一步優(yōu)化信號傳輸，提高系統(tǒng)性能和傳輸質(zhì)量。

4 結(jié) 論

通過對低壓電力線載波通信傳輸特性的研究，可以更好地理解和掌握電力線通信系統(tǒng)的工作原理與性能特點。研究結(jié)果對于優(yōu)化通信系統(tǒng)設(shè)計、提高傳輸質(zhì)量和抗干擾能力具有重要意義。相關(guān)技術(shù)人員可以進一步探索不同工作條件下的傳輸特性和改進措施，以滿足不斷增長的通信需求。