中壓電力線載波通信信道分析及模型研究

文/鄒育霖 趙宏偉 孟艷清

目前，成熟的通信技術(shù)有光纖通信、GPRS通信、載波通信、微波通信等。與其他通信方式相比，載波通信有著先天的優(yōu)勢(shì)——可以充分利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)進(jìn)行通信，而不用額外布線，通信線路的投資小，后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用少。因此在配網(wǎng)智能化中，載波通信有著極大的發(fā)展前景。特別是對(duì)于現(xiàn)存的大量已建配網(wǎng)的智能化升級(jí)，載波通信無需重新布線，接入方便，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行無影響，成為了最具競(jìng)爭(zhēng)力的方式之一。

但是，電力線是設(shè)計(jì)用于傳輸電能的線路，不是專門設(shè)計(jì)的通信線路，它的物理特性與專門的通信線路有著很大的不同。由于線路上傳輸?shù)氖请娔埽虼嗽趥鬏斖ㄐ判盘?hào)時(shí)線路的信道特性極為復(fù)雜。電力線上負(fù)載多，每個(gè)負(fù)載都產(chǎn)生噪聲，噪聲干擾復(fù)雜，信號(hào)衰減大，由于存在多徑衰減，會(huì)使信道產(chǎn)生多徑延時(shí) ，而且電力線信道參數(shù)是隨時(shí)間和頻率變化的，因此必須對(duì)電力線的信道特性進(jìn)行分析和研究，建立合適的電力線信道模型。

1.信道特性分析

電力線阻抗特性與信號(hào)的耦合直接相關(guān)，噪聲特性直接影響到信號(hào)在信道中的傳輸和衰減，衰減特性是信道本身直接影響信號(hào)衰減的部分。因此主要對(duì)這三個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.1 阻抗特性分析

大量的研究表明，載波通信信道的阻抗特性與頻率有很大的相關(guān)性，總體上信道的阻抗特性是隨著頻率的增大而減小，但在實(shí)際中，并不完全按照這個(gè)趨勢(shì)，甚至?xí)c趨勢(shì)相反 。電力網(wǎng)上有各種不同頻率的負(fù)載，這些負(fù)載之間以及負(fù)載與電力線之間產(chǎn)生了各種共振電路，在共振頻率附近，阻抗明顯減小。阻抗特性隨時(shí)間不同變化也很大，在不同時(shí)段有著不同的阻抗特性。電網(wǎng)中的各種負(fù)載都會(huì)隨機(jī)地開通和關(guān)斷，這也直接影響到了不同時(shí)間不同地點(diǎn)的阻抗特性的變化。通常白天的時(shí)候接入負(fù)載較多，因此通常情況下白天的阻抗較低，晚上相對(duì)較高。在載波機(jī)的阻抗與信道阻抗匹配的情況下，耦合的發(fā)射信號(hào)功率最大，然而，隨著頻率和時(shí)間的變化，阻抗特性從幾歐姆到上百歐姆變化，很難實(shí)現(xiàn)輸入匹配。

1.2 噪聲特性分析

電力線載波通信系統(tǒng)中，噪聲干擾是對(duì)信號(hào)影響最大的干擾，噪聲特性是描述信道特性的最重要參數(shù)之一。噪聲干擾的產(chǎn)生有以下幾種情況：

(1)電力線的固有干擾，我國(guó)使用的交流電頻率為50Hz，每個(gè)周期有兩個(gè)峰值，因此電力線固有干擾為100Hz，時(shí)間間隔為10毫秒。

(2)周圍環(huán)境產(chǎn)生的噪聲干擾，在電網(wǎng)周圍，存在著各種不同頻率的中、短波廣播電臺(tái)，這些電臺(tái)和其他各種電磁干擾會(huì)對(duì)載波通道產(chǎn)生一定的噪聲干擾。

(3)電網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的噪聲干擾，電網(wǎng)上有著各種不同功率值的阻性、感性、容性設(shè)備和開關(guān)，這些設(shè)備在開閉時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的沖擊電流，成為電網(wǎng)中的高能噪聲，干擾強(qiáng)度極大。在電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。

對(duì)于這些噪聲，我們可以分為以下幾類：

(1)有色背景噪聲 功率譜密度較低，由低功率電器產(chǎn)生，隨頻率變化。

(2)窄帶噪聲 由中、短波廣播引起，隨時(shí)間變化。

(3)與工頻異步的周期性脈沖噪聲 頻率分部于50～200KHz，主要是顯示器掃描頻率與諧波產(chǎn)生。

(4) 與工頻同步的周期性脈沖噪聲 脈沖頻率為工頻整數(shù)倍，如50或100Hz，持續(xù)時(shí)間短、功率大，主要由可控硅器件等產(chǎn)生。

(5)突發(fā)噪聲 系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備、開關(guān)的通斷產(chǎn)生。發(fā)生時(shí)間是隨機(jī)的，影響頻帶寬、功率譜密度大。

前三種噪聲通常歸為背景噪聲，頻譜寬、隨時(shí)間變化緩慢，存在于電網(wǎng)的任意時(shí)刻，不同時(shí)段的功率譜密度也保持穩(wěn)定，又可稱為穩(wěn)態(tài)背景噪聲。后面兩種噪聲功率譜密度較高，隨時(shí)間變化快，可以達(dá)到毫秒級(jí)甚至是微秒級(jí)，可以稱為脈沖噪聲，數(shù)據(jù)通信時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤通常由其引起。

2.信道衰減分析及建模

信號(hào)在電力線上傳輸，會(huì)產(chǎn)生很大的衰減，主要是線路衰減和多徑衰減。線路衰減主要是因?yàn)榫€路本身的電氣特性產(chǎn)生的，屬于固有衰減，主要受電力線的固有參數(shù)影響。中壓電網(wǎng)中電力線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，線路節(jié)點(diǎn)多，信道中很多節(jié)點(diǎn)處阻抗都不匹配，在信號(hào)傳輸過程中，經(jīng)過這些阻抗不匹配的節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射，反射的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間上的延遲，同時(shí)又會(huì)影響發(fā)射信號(hào)。這些反射就構(gòu)成了信號(hào)的多徑衰減。

2.1 線路損耗衰減

由于電纜本身有熱損失和輻射等，信號(hào)在傳輸過程中會(huì)發(fā)生衰減，這種衰減隨著頻率的增大和距離的增大而增加。為了分析的方便，現(xiàn)在首先考慮載波通道線路損耗衰減，這等效于只考慮載波信號(hào)從信源到信宿的波形傳播。模型如圖1所示：由電源、電力線AB、負(fù)載三部分組成，其中電源的阻抗為sZ，電力線AB距離為l，負(fù)載阻抗為L(zhǎng)Z。

圖1 電力線傳輸模型

對(duì)于電力線節(jié)點(diǎn)阻抗匹配的情況，長(zhǎng)度為l的電力線傳輸函數(shù)可以表示如下：

其中l(wèi)為傳輸距離，r為傳輸常數(shù)。r通常可表示為以下形式：

α是傳輸常數(shù)的實(shí)部，為衰減常數(shù)，β為相位常數(shù)，是傳輸函數(shù)的虛部。在傳輸線結(jié)構(gòu)一定的情況下，頻率的改變會(huì)直接影響到幅度和相位常數(shù)的變化。

在載波通信中，載波信號(hào)的頻率遠(yuǎn)大于工頻電源的頻率，故載波信道的傳輸常數(shù)可以按如下形式給出：

其中 ω =2π f ，f為載波信號(hào)的頻率。R、L、G、C分別是電力線的電阻、電感、電導(dǎo)、電容。假設(shè)兩導(dǎo)體間的距離遠(yuǎn)大于兩導(dǎo)體間的半徑，導(dǎo)體間距離和導(dǎo)體的半徑分別用D和a表示。則單位長(zhǎng)度的電容、電感、電阻、電導(dǎo)可以表示為：

其中：ε為真空介電常數(shù)，ε=8.854*10^-12

μ為磁導(dǎo)率，μ=4*π*10^-7

σ為電導(dǎo)率，σ=5.8*10^7

ZL為單位長(zhǎng)度傳輸線的特征阻抗

2.2 多徑反射衰減

由于電力線的連結(jié)點(diǎn)處的組抗特性發(fā)生改變，當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)竭@類阻抗變化點(diǎn)處的時(shí)候，會(huì)有一定量的信號(hào)發(fā)生反射，致使信號(hào)不能完全傳輸過去，信號(hào)的功率發(fā)生損失，而反射的信號(hào)又會(huì)沿著另一條路徑繼續(xù)傳輸?shù)浇K點(diǎn)。為了分析的簡(jiǎn)便，我們選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的電路模型來分析線路的多徑反射。

圖2 線路的多徑反射

如圖2所示：信號(hào)為從A點(diǎn)向B點(diǎn)傳輸，結(jié)點(diǎn)為O，支路長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、L2、L3，支路傳輸常數(shù)分別為1γ、2γ、3γ，結(jié)點(diǎn)為A、B、C，反射系數(shù)分別為ρA、ρB、ρC，從各支路向結(jié)點(diǎn)O傳輸?shù)男盘?hào)反射系數(shù)分別為ρAO、ρBO、ρCO。

連結(jié)O點(diǎn)的有3條支路，任意支路上的點(diǎn)A、B、C向O點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)，在到達(dá)O點(diǎn)后，均分成3路信號(hào)，分別向各條支路傳輸。而這些信號(hào)到達(dá)支路端點(diǎn)后，則分成了兩路信號(hào)——入射信號(hào)和反射信號(hào)。入射信號(hào)被負(fù)載吸收，不再在線路上傳輸，反射信號(hào)繼續(xù)向O點(diǎn)傳輸。由此我們可以推算出信號(hào)每過一次O點(diǎn)，就會(huì)有一條路徑的信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)B。故信號(hào)第K次過O點(diǎn)時(shí)，到達(dá)接收點(diǎn)的路徑數(shù)為 3n?1，到達(dá)B點(diǎn)的信號(hào)總數(shù)為：

1+ 3 + 32+ L + 3n?1= 3n?1

第一次過C點(diǎn)：A-O-B L1+L2

第二次過C點(diǎn)：A-O-B-O-B L1+3*L2

A-O-A-O-B 3*L1+L2

A-O-C-O-B L1+L2+2*L3

第三次過C點(diǎn)：A-O-B-O-A-O-B 3*L1+3*L2

A-O-B-O-B-O-B L1+5*L2

A-O-B-O-C-O-B L1+3*L2+2*L3

A-O-A-O-A-O-B 5*L1+L2

A-O-A-O-B-O-B 3*L1+3*L2

A-O-A-O-C-O-B 3*L1+L2+2*L3

A-O-C-O-A-O-B 3*L1+L2+2*L3

A-O-C-O-B-O-B L1+3*L2+2*L3

A-O-C-O-C-O-B L1+L2+4*L3

……

用 UNi表示第N次反射時(shí)第i條路徑在負(fù)載處接受的信號(hào)，i = 1 ,2,3L 3N?1。

第N次反射時(shí)所有路徑在負(fù)載處接受的信號(hào)：

所有路徑在負(fù)載處接受的信號(hào)：

由于信號(hào)是多徑傳播的，不同的路徑傳播的信號(hào)經(jīng)過的距離不同，因此到達(dá)的時(shí)間也會(huì)有差別。到達(dá)的時(shí)間與路徑的距離總和有關(guān)，具體表達(dá)是為

其中τ是路徑到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間，l是信號(hào)傳播路徑的距離總和，c是信號(hào)傳播速度，光速。

2.3 信道模型

通過分析，我們知道中壓電網(wǎng)的阻抗不匹配特性決定了信號(hào)的多徑傳播特性。我們可以將每一條特定的通信路徑的衰減用下式表示：

經(jīng)過不同傳輸路徑到達(dá)終點(diǎn)的信號(hào)總和為：

考慮到信號(hào)在輸入端和接收端的耦合，信號(hào)在電力線上的自然衰減和多徑反射衰減以及線路噪聲的影響，我們可以得到一個(gè)電力線信道模型，如圖3所示：

圖3 電力線信道模型

3.結(jié)論

電力線上有復(fù)雜的噪聲干擾，對(duì)信號(hào)的傳輸有著極大的干擾，信號(hào)在電力線傳輸有著固有的衰減，由于線路阻抗特性復(fù)雜多變，很難達(dá)到阻抗匹配，使得電力線上有著復(fù)雜的多徑反射，對(duì)信號(hào)的傳輸有著很大的干擾。本文通過對(duì)中壓電力線阻抗、噪聲、衰減特性的分析，建立了簡(jiǎn)單實(shí)用的中壓載波通信信道模型。

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