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低壓電力線載波通信中信號傳輸特性分析2006-12-22 15:49 　引言 　　隨著供電管理自動化的發(fā)展，遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)已經(jīng)獲得越來越廣泛的應(yīng)用［1］。在集中抄表系統(tǒng)的推廣使用過程中，利用低壓電力線作為通信信道的技術(shù)已經(jīng)日益體現(xiàn)出其優(yōu)勢。 　　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)。因此，在使用電力線作為信號傳輸媒介之前，需要對它的信道特性進(jìn)行分析。 　　由于從六七十年代以來，利用10kV以上中高壓電力線作為信號傳輸通道的電力線載波電話已經(jīng)獲得廣泛使用，對高壓電力線進(jìn)行高頻信號傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)非常深入和成熟。但是，在220V/380V低壓電力線上進(jìn)行信號傳輸，與高壓電力線載波通信有較大區(qū)別，突出表現(xiàn)在工作環(huán)境惡劣、線路阻抗小、信號衰減強(qiáng)、干擾大且時變性大等特點。因此，對于低壓電力線載波信道，有必要進(jìn)一步具體分析。 1　低壓電力線上輸入阻抗及其變化 　　輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸特性的重要參數(shù)。研究輸入阻抗，對于提高發(fā)送機(jī)的效率，增加網(wǎng)絡(luò)的輸入功率有重大意義。 　　研究表明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)。在理想情況下，當(dāng)沒有負(fù)載時，電力線相當(dāng)于一根均勻分布的傳輸線。由于分布電感和分布電容的影響，輸入阻抗會隨著頻率的增大而減小。當(dāng)在電力線上有負(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，使不同頻率的阻抗變化也不同，所以實際情況非常復(fù)雜，甚至使輸入阻抗的變化不可預(yù)測。 電力線上的輸入阻抗隨著頻率的變化而劇烈變化，可以從0.1Ω變到大于100Ω，變化范圍超過了1000倍！而且，在實驗所測的頻率范圍內(nèi)，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。為了解釋這一問題，可以將電力線看成是一根傳輸線，上面連接有各種復(fù)雜的負(fù)載。這些負(fù)載以及電力線本身組合成許多共振電路，在共振頻率及其附近頻率上形成低阻抗區(qū)。因此，在輸入阻抗-頻率圖上可以看到許多阻抗低谷區(qū)。這些低阻抗區(qū)組合起來，就形成圖1所示的圖形，并會在局部上違反電力線上阻抗隨負(fù)載增大而降低的一般規(guī)律。同時，正是由于負(fù)載會在電力線上隨機(jī)地連上或斷開，所以在不同時間，電力線的輸入阻抗也會發(fā)生較大幅度的改變。 　　出于同樣的原因，電力線上不同位置的輸入阻抗也會不同。在由許多電阻、電容和電感組成的網(wǎng)絡(luò)中，從不同的點上看進(jìn)去，輸入阻抗顯然是不同的。圖1的兩曲線就是在同一個低壓電力線網(wǎng)的不同地點測得的?？梢钥闯?，信號輸入點的不同對輸入阻抗的影響是非常大的。 　　由于低壓電力線輸入阻抗的劇烈變化，使發(fā)送機(jī)功率放大器的輸出阻抗和接收機(jī)的輸入阻抗難以與之保持匹配，因而給電路設(shè)計帶來很大的困難。 2　低壓電力線上高頻信號的衰減及其變化 　　高頻信號在低壓電力線上的衰減是低壓電力線載波通信遇到的又一個實際困難。對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負(fù)載在這根線的任意位置隨機(jī)地連接或斷開。因此，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。顯然，這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關(guān)系。 　　總的來說，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，有可能出現(xiàn)近距離點的衰減比遠(yuǎn)距離點還大的現(xiàn)象。對于民用電網(wǎng)，其三相電源所接的負(fù)載大小和性質(zhì)都不相同，所以同樣強(qiáng)度的信號在三相上的衰減也不同。這種現(xiàn)象有時就表現(xiàn)為接收機(jī)和發(fā)送機(jī)的位置不變，接在不同相上，通信的誤碼率不同。 　　信號頻率與信號衰減有著直接的關(guān)系。 IS曲線的衰減隨頻率變化比較平緩，且小于5dB。由于距離很近，發(fā)送與接收兩點間的負(fù)載對信號衰減影響不大。I曲線由于布線圖未知，所以無法得知準(zhǔn)確的距離，但估計在20m～300m。將IS曲線和I曲線進(jìn)行比較，可見傳輸距離對衰減的影響是非常明顯的，在某些頻率，衰減的變化可以超過50dB。從I曲線可以看出，小于60kHz的信號，衰減大約在25dB附近，然后衰減隨頻率增加而增大，到了200kHz，衰減大約為50dB。A1和A2曲線的測量距離同樣未知，估計在20m～300m。比較I，A1和A2曲線可以發(fā)現(xiàn)，高頻信號在跨相傳播時，衰減一般都要比同相傳播大。通常情況下，這個差距可以達(dá)到10dB以上。但是，有些時候跨相傳播的衰減并不一定大于同相傳播。引起這種現(xiàn)象的原因是三根相線之間存在的一些耦合電容，以及有些三相供電的用電設(shè)備，如三相電機(jī)、大功率加熱器等。這些設(shè)備對稱地使用三相電源，也就等效于為高頻信號在三相電源之間加入了耦合元件。 　　值得一提的是，電容器對低壓電力線載波通信系統(tǒng)有重大的影響。由于電容器高頻信號的阻抗比較小，所以會使高頻信號有比較大的衰減。例如，一個接在一相上的10μF電容器，對100kHz的信號的阻抗只有0.16Ω。這對于低壓電力線載波通信系統(tǒng)可以說是一個巨大的障礙。 　　圖2（b）為晚上在同一地點測得的衰減曲線。因為IS曲線與圖2（a）幾乎完全一樣，所以未畫出。從I曲線可以看出，晚間同相傳輸?shù)乃p基本上比白天要小，在某些頻率，衰減甚至可以小20dB。這主要是因為晚間的負(fù)載較輕。在跨相傳輸中，衰減的波動比較大，在某些頻率上的衰減比白天還要大20dB。這可能是電抗性負(fù)載、反射、多徑傳播或駐波等現(xiàn)象造成的影響。 　　從以上曲線的分析可知，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，大于150kHz的信號會有比較大的衰減。所以，許多現(xiàn)有的低壓電力線載波通信系統(tǒng)大多使用低于150kHz的載波頻率。但是，圖2（b）中，80kHz信號衰減的突然增加表明在50kHz～150kHz的頻率范圍內(nèi)也可能會出現(xiàn)很大的衰減。 　　高頻信號在低壓電力線上傳輸時，還有一個顯著的現(xiàn)象是其衰減隨工頻電源的相位而變化。有時高頻信號在工頻電源的某個相位范圍(比如30～150，210～330)內(nèi)會發(fā)生較大的衰減變化。在這個相位范圍內(nèi)，信號衰減有可能會減小幾個分貝，或是增大幾分貝到十幾分貝。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，于是就將電力線連接到了后面的電路上。這些電路上通常含有大容量的電容器或大功率的負(fù)載，所以會引起高頻信號衰減的急劇變化。而且大多數(shù)的開關(guān)電源都在一次側(cè)接有補償電容，雖然電容量較小，但是由于數(shù)量較多，所以其影響不容忽視。除此之外，開關(guān)電源會向電力線上施放大量高頻干擾，從而影響通信系統(tǒng)的工作。這一點將在后面詳細(xì)闡述。 　　隨著負(fù)載在電力線上的連接或斷開，在不同的時刻，信號衰減都會表現(xiàn)出不同的特點。有時這種變化的程度會很大。這一現(xiàn)象，在對比圖2（a）和圖2（b）中就可以看出。由于負(fù)載的變化是隨機(jī)的，所以信號衰減也會隨機(jī)地發(fā)生變化。但是，從統(tǒng)計上來說，這種變化還是有一定的定性規(guī)律可尋的。多數(shù)情況下，電力線上負(fù)載的大小、性質(zhì)是按照一定規(guī)律在一定范圍內(nèi)變化，例如，在工業(yè)區(qū)，白天的衰減比晚上大，而在居民區(qū)，晚上18：00到22：00的衰減是最大的。合理地利用這些規(guī)律，對于提高通信系統(tǒng)的可靠性有重要的作用。 　　另外，接收機(jī)所處的位置不同，信號的衰減也不同。在某些負(fù)載，如彩色電視機(jī)、計算機(jī)等的旁邊，高頻信號的衰減往往會增大許多。 　　在現(xiàn)場試驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)在電纜線與架空線混合布線的地方，在電纜與架空線連接處的信號衰減十分顯著。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，可能是由于在這一點，線路阻抗發(fā)生突變，高頻信號會在此發(fā)生反射，因而使信號衰減增大。 　　從以上分析可以看出，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。在跨相傳播時，衰減一般比同相傳播要大10dB以上，但有時也會有例外。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)計有很大的影響。 3　低壓電力線傳輸干擾特性分析 　　在低壓電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時的另一個需要認(rèn)真研究的重要問題是電力線上干擾的特殊性質(zhì)。電力線上的干擾可分為非人為干擾和人為干擾。非人為干擾指的是一些自然現(xiàn)象，如雷電，在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設(shè)備產(chǎn)生的，并對數(shù)據(jù)通信有更嚴(yán)重的影響。 　　經(jīng)過研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電力線上的干擾不能被簡單地認(rèn)為是可加性高斯白噪聲。為了表示這種干擾的復(fù)雜特性并簡化分析，我們可以近似地將其分成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［4］。 3.1　低壓電力線上干擾的周期性 　　在以前的研究中發(fā)現(xiàn)，諧波噪聲以交流電頻率(fAC)的整數(shù)倍出現(xiàn)，因此我們有理由相信干擾也會存在周期性的傾向。圖3是某一時刻實驗室中電力線上的干擾波形。圖中顯示電力線上的主要干擾是周期性出現(xiàn)的，其出現(xiàn)頻率為2fAC，而且其幅值比時不變連續(xù)干擾大許多。這種干擾的強(qiáng)度有時可能很大，其峰—峰值可達(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出干擾。例如，可控整流電源在AC電源基波正半周和負(fù)半周的45切換，則在一個工頻周期中AC電源上會出現(xiàn)2個缺口，從而會以100Hz為周期，每周期2次釋放出強(qiáng)烈的干擾，而且這種干擾與AC電源有著固定的相位關(guān)系。每次干擾的持續(xù)時間受多種因素的影響，如可控整流電源在AC電源上產(chǎn)生缺口的寬度，電力線對高頻干擾的衰減強(qiáng)度等。在圖3中，每次干擾的持續(xù)時間約為3ms。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。 　　為對這種周期干擾進(jìn)行進(jìn)一步分析，畫出圖3干擾信號的對數(shù)頻譜特性如圖4所示。從圖4中可以看出，干擾信號的頻譜非常不規(guī)則，存在許多突變，有些頻率信號的強(qiáng)度很高，有些則很低。但是，從總體上來看，9kHz以上的干擾信號的強(qiáng)度比8kHz以下的信號的強(qiáng)度平均要大7dB～8dB。因此，這種周期干擾主要是由大量的高頻干擾組合而成的。由于通常使用的電力線載波通信設(shè)備的工作頻率都在10kHz以上，所以這種干擾必然會對它們的正常工作產(chǎn)生很大的影響。如果不采取措施，這種干擾可能引起幾個到十幾個數(shù)據(jù)位的傳輸錯誤。例如，以上述干擾為例，對于以4800bit/s進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信，每次干擾可能破壞15個數(shù)據(jù)位的傳輸。 消除這種干擾的困難有兩點：首先，由于無法對這種干擾的周期、寬度、強(qiáng)度和發(fā)生時間等做出準(zhǔn)確的預(yù)測，而且這些參數(shù)的變化范圍可能很大，所以很難有針對性地采取措施抑制這種干擾；其次，由于這種干擾的頻譜非常寬，所以對接收端濾波器的靈敏度有很高的要求。 　　另外，有許多大功率的用電設(shè)備，如電機(jī)等，會在電網(wǎng)上產(chǎn)生很多的高次諧波。這些高次諧波只存在于工頻的整數(shù)倍的頻率內(nèi)，但是能量較大，且頻率有可能延伸到幾萬赫茲。如果信號頻率正好與它們重疊，則對通信的可靠性會產(chǎn)生很大的影響。 　　在實際情況中，由于有大量的用電設(shè)備同時釋放出干擾，而這些干擾的瞬時功率、周期、相位等又變化很大，各不相同，因此最終會在電力線上產(chǎn)生時不變的連續(xù)干擾。在圖3中，幅值較低的連續(xù)干擾就屬于這種干擾。這種干擾表現(xiàn)為平均功率較小，但是頻譜很寬而且持續(xù)存在。由于信號在電力線上傳輸?shù)乃p非常大且富于變化，而且干擾頻譜有可能部分或完全覆蓋信號頻譜，因此，在通信過程中的信噪比可能會變得很低，通信誤碼率增加。 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)干擾通常是由于高壓開關(guān)的操作、雷電、較大的負(fù)荷變化、電力線路上的短路故障等引起的，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［5］。 　　高壓開關(guān)的斷開和閉合在電力線路上導(dǎo)致的暫態(tài)過程會產(chǎn)生一系列的電磁脈沖（脈沖群），而這一暫態(tài)過程受多種因素影響，分散性極大。 　　雷電會在電力線路上產(chǎn)生能量很大的電流和電壓脈沖，電流峰值可達(dá)幾千安培，電壓峰值可達(dá)幾萬伏。這種波形的上升時間很短，通常不大于5.5μs，下降時間相對較長，但通常也不大于75μs。雷電波沿線路侵入變電站，并通過一、二次系統(tǒng)間的各種耦合或接地網(wǎng)進(jìn)入二次回路。這樣的雷擊過電壓在低壓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳播時，遇阻抗不同的節(jié)點時將發(fā)生反射，產(chǎn)生振蕩波，其頻率和傳播速度與電路內(nèi)的各種參數(shù)有關(guān)，最具典型的是上升時間為0.5μs、振蕩頻率為100kHz的衰減振蕩波。顯然，這種脈沖會對載波通信產(chǎn)生很大的影響。 　　另外，低壓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)的啟停過程、功率因數(shù)補償電容器的投切以及短路、故障切除和重合閘等都會引起電壓、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。 　　上述這些干擾的持續(xù)時間較短，從幾十微秒到幾秒不等，強(qiáng)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。如果它們正好發(fā)生在數(shù)據(jù)通信過程中，由于其高能量、寬頻譜的特性，通常會使所傳數(shù)據(jù)的若干個位甚至整個數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生錯誤。在一個完善的低壓電力線載波通信系統(tǒng)中，可以通過前向糾錯碼、自動重發(fā)機(jī)制、數(shù)據(jù)預(yù)取機(jī)制等措施加以克服。 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2個方面。首先是因時而變，即在不同時刻，干擾的頻率、強(qiáng)度都各不相同。其次是因地而變，即在不同的低壓電網(wǎng)之間，干擾情況各不相同；而在同一個低壓電網(wǎng)之內(nèi)，不同地點的干擾情況也不相同。前者是因為在不同的電網(wǎng)之間，連接的負(fù)載、線路情況、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等都不同，導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)的各種參數(shù)都不同，則必然會影響干擾的分布。后者是因為干擾在電力線上的傳播也要遵循高頻信號在電力線上的傳播特性，會受到電力線上衰減特性的影響，因而對距離、負(fù)載分布等也很敏感。因此，電力線上干擾的因地而變的特性對低壓電力線載波通信系統(tǒng)也會有很大的影響。 　　通過以上討論，我們可以看到，低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機(jī)性、時變性大，難以找到一個較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述，這也是為什么一直以來對低壓電力線高頻信號傳輸特性的分析多以定性分析和實驗數(shù)據(jù)測試分析為主的原因。即使有些學(xué)者提出了一些模型，但是這些模型也往往是附加了許多假設(shè)和限制，因而也是不精確的或適用面很窄。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)計提出了很高的要求，即要求其有很好的自適應(yīng)能力。但同時，出于實用的角度，為了獲得合理的性價比，又要求其成本要限制在一定的范圍內(nèi)。這些對系統(tǒng)的設(shè)計而言是一個很大的挑戰(zhàn)。 　　但是，盡管低壓電力線載波通信存在上述所說的這些困難，我們?nèi)匀徽J(rèn)為用低壓電力線作為通信信道是可行的，只是需要采用一些特殊的技術(shù)手段。目前，低壓電力線載波通信已經(jīng)朝著使用擴(kuò)頻通信技術(shù)的方向發(fā)展。采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，能在很大程度上克服電力線的強(qiáng)衰減、強(qiáng)干擾的缺陷，大大提高通信系統(tǒng)的生存能力。在我們設(shè)計的載波通信系統(tǒng)中，就采用了擴(kuò)頻通信技術(shù)，發(fā)射功率為4.5W。在幾個居民小區(qū)進(jìn)行試運行時，發(fā)現(xiàn)通常情況下至少可以保證100m的可靠通信距離。這樣，再結(jié)合適當(dāng)?shù)牟铄e控制技術(shù)和動態(tài)中繼技術(shù)，完全可以使低壓電力線載波通信系統(tǒng)滿足遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)的需要。有關(guān)這一點，我們將另外撰文介紹。 高鋒，男，副教授，現(xiàn)從事工業(yè)自動化的教學(xué)與研究工作。 董亞波，男，博士研究生，現(xiàn)從事工業(yè)自動化、計算機(jī)通信的研究。 參考文獻(xiàn) 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