PLC技術在艦船通信中的應用初探＊

張皓嵐 羅寧昭

（海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）

1 引言

電力線載波通信（Power Line Communication，簡稱PLC）技術是指采用調制／解調技術，利用傳輸工頻電能的電力線傳輸數據和媒體信號的一種通信方式，是電力系統特有的一種通信方式。電力線載波技術以電力線路為傳輸通道，不占用無線頻道資源，亦無需鋪設專用通信線路，具有通道可靠性高、投資少、見效快、維護簡單、與電網建設同步等得天獨厚的優點，開發電力線資源具有巨大的實用價值和經濟價值［1］。

如果能將艦船配電網絡復用為通信網絡，即采用PLC技術實現艦船電氣設備的通信，相對于傳統的通信網絡，將會有以下優勢：

1）工程量小，投入成本低。電力線載波通信技術充分利用已有的電力線路為傳輸信道，不用進行額外布線，能夠解決艦船上布線困難的問題，同時可降低設備成本，減少網絡建設的投資；減少穿艙電纜，增強了水密性能，降低了工程施工難度，節約施工成本，不會出現干擾艦船正常運行的情況［2］。

2）增裝簡便。在艦船現代化改裝過程中，難免增裝新的電氣設備，因而必然增加通信接口，采用配電網絡作為通信載體，可避免在改裝過程中新增穿艙通信電纜，大大降低了施工難度，增加了通信節點而不增加線路。只要有電線插座，艦員可以即插即用接入電力線通信網，提高了通信的及時性和便利性。

3）減少了故障源。艦船上任何設備都可看作潛在的故障源，通信電纜也不例外。電力線載波通信技術的應用使得配電網絡取代了通信網絡，降低了由通信網絡故障引起監控系統故障的概率，提高了系統可靠性［3］。

研究載波通信的第一步就是要對具體電力線上的噪聲、輸入阻抗等進行分析研究，以此得到電力線上信號的干擾、衰減、阻抗的頻域關系，從而綜合確定最佳的調制策略。由于艦船存在“分區供電”的情況，所以PLC技術應該應用于在區域配電網之下的局域通信，設計艦船PLC網絡如圖1所示。

圖1 艦船電力載波通信網

2 艦船配電網情況

船舶配電網絡分為：1）正常照明配電網絡。該電網則由照明變壓器副邊算起，通過主配電網的照明負載饋電各照明分配電板，再由各分配電板供電給全船所有照明燈具。2）動力配電網絡。指供電給三相異步電動機負載的電網，也包括供電給380V三相電熱負載的電纜。該網絡輸送的電能約占全船全部電能的70%左右。3）應急電網。當主電源失電時，應急電源自動啟動并通過應急電網供電給應急用戶。4）小應急電網。由24V蓄電池提供的直流電提供給各應急設備。5）弱電電網。全船無線電通訊設備、各種助航設備、信號報警系統等用戶供電的低壓支流電網或中頻電網［4］。

以上的幾種配電網絡中，220V的正常照明配電網絡無疑最適合作為載波通信的網絡。照明配電網絡分布廣，而且網絡上所連接設備功率小，設備的開關也不頻繁，所以產生的噪聲信號也相應要小一些。

3 艦船照明配電網的輸入阻抗研究

輸入阻抗的研究是為了實現艦船用電力線調制解調器與艦船電力線的阻抗匹配。

3.1 艦船照明電路的電纜參數

船舶網路有兩種線路。即“短線路”和“長線路”。如按發熱條件計算的截面大于按電壓損失要求計算的截面，這樣的線路稱為“短線路”。反之，按電壓損失要求計算的截面大于按發熱條件計算的截面時，這樣的線路稱為“長線路”。對“短線路”來說，按發熱條件來選擇電纜截面，必然滿足電壓損失的要求；對“長線路”來說，按電壓損失來選擇電纜截面，必須滿足發熱的要求。經實踐統計表明，中、小型船舶的動力網路一般都屬于“短線路”，照明網路，特別是低壓照明網路，大多是“長線路”。按照規范的要求，照明網路電纜的截面要根據網路電壓損失來確定，電壓損失應按總接入負載電流計算。照明系統和配電系統電路的總負載電流應按如下要求確定：

1）支線接入負載額定值的矢量和；

2）在確定照明電路的電流定額時，每一燈頭必須按能與它連接的最大負載計算，但最小為60W。每個照明插座應按二個燈頭計算。

對于未具體指明負載的插座，應考慮增加功率的裕量，應采用如表1所示負載系數來確定配電板的電纜規格［5］。

表1 具體指明負載的照明電路負載系數

3.2 高頻信號下艦船照明電纜的交流電阻

PLC需要采用高頻信號通過船用電纜，所以會產生顯著的趨膚效應，即高頻信號通過時，認為電流只在表面上很薄的一層中流過，相當于導線截面減少，電阻增大，中心部分幾乎沒有電流。研究表明，導線中電流密度從導線表面到中心按指數規律下降，導線的有效截面積減少而電阻加大。工程上定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的0.368（1／e）時的厚度為趨膚深度Δ［6］：

其中f為頻率，μ為磁導率，ρ為電導率。對于銅介質，μ＝1.257μH／m，ρ＝1.369＊108S／m，均為20℃時的數值。那么交流電阻R與直流電阻的關系可表示為

3.3 電力線信道輸入阻抗計算

選用在船舶上安裝使用的電源電壓不超過250V的以熒光燈為負載，主要用于篷頂燈、艙頂燈、角燈、壁燈和床頭燈。熒光燈具內部安裝有等于和大于0.5μF的電容器，自感為1.56H，由于高頻信號在負載之前已經被濾出電路，所以只考慮熒光燈直流電阻為300Ω，其等效電路為

圖2 艦船照明配電網等效電路圖

可見電纜中的載波信號行波與負載的反射波混合，形成行駐波的傳輸狀態。由于趨膚效應的影響，頻率越高交流電阻越大，電纜中的信號衰減越大，反射系數減少，使輸入阻抗在周期性波動中減小并逐漸趨向特性阻抗。此曲線的意義在于根據通信方案的通信頻率可以對應找到輸入線路的阻抗，從而匹配電力線調制解調器的輸出阻抗。

圖3 艦船照明配電網電纜中的輸入阻抗與頻率關系

4 艦船電力線信道的傳輸特性研究

運用仿真的方法，將噪聲干擾和多徑衰減效應加入到電力線通信信道之中，辨識此電力線信道得艦船電力線信道的傳輸特性，作為PLC艦船應用的理論支持。

對于陸地的電力線來說，一般來說有1）有色背景噪聲；2）由廣播臺介入電力線的窄帶噪聲，這種噪聲主要是調幅正弦信號；3）由電力設備開關引起的與工頻不同步的周期沖擊噪聲，頻率在50Hz～200Hz之間，頻域中表現為重復出現的一系列離散譜線；4）由與電機同步工作的電力設備產生的與工頻周期相關聯的周期噪聲，持續時間短且功率譜密度隨頻率升高而下降；5）大量的隨機噪聲。然而對于艦船電力載波通信來說，因為船艙對于電磁波具有電磁屏蔽作用，所以由無線通信引起的窄帶噪聲是不存在的，故不需要分析（2）噪聲。

現將1）、3）、4）、5）類噪聲仿真實現［8］，與多徑衰減模塊一齊加入電力線信道仿真SIMULINK模型中，利用辨識信號對此電力線通信信道進行辨識［9］，可以得出艦船電力線通信信道的傳輸特性曲線：

圖4 艦船電力線信道的傳輸特性曲線

由此曲線可以看出，艦船電力線信道具有選擇性衰落的特點，衰減可以很大，達到60dB，也可以幾乎為零，所以對于技術應用來說，需要對具體信道進行大量有效的噪聲采集［10］，分析噪聲的頻域分布，找到衰減在整個周期內都最小的頻點作為通信信號的調制頻點。

5 PLC信號對艦船電能質量與電氣設備的影響

PLC信號由發射機部分發出，發射功率與負載在大小有關，目前使用和將要使用的發射機，發射功率主要集中在零點幾毫瓦到幾百毫瓦之間，載波信號接收機靈敏度都不大于400μV，信號電平在零點幾伏到幾伏之間，而且具有隨負載變化自動調節發送功能。以美國INTELLON公司的電力線調制解調器為例計算PLC信號對電能品質的影響，信號電平0.4V，以最嚴重的情況發送功率300mw、信道輸入阻抗100Ω計，信號有效值U有效＝Pout＊RIN，有效值5.5V。對電能質量影響的指標分析如下［11］：

1）電壓偏差＝5V／220V＝2%，滿足電壓偏差≤±3.5%。

2）載波信號屬于高頻信號，一般在100kHz以上，且功率極小，不會對工頻信號頻率產生影響。

3）總諧波畸變率＝2.3%。

4）載波信號是均值為零的周期信號，疊加工頻時不會產生直流分量。

5）定義電壓驟降持續時間最小為10ms，載波信號的周期在μs級。

6）載波信號很小，引起的三相不對稱可忽略不計，更不會造成保護設備誤動作。

7）高頻載波信號在包裹的電纜中，不會對周圍電氣設備產生電磁干擾。

所以電力載波信號不會影響用電品質。由于艦船電纜具有多層包裹，高頻信號輻射出的能量也很微小，不會對周圍電氣設備造成影響［13］。

6 結語

本文針對PLC技術在艦船通信中應用的幾個關鍵問題作了理論分析，確定了應用的網絡為艦船照明配電網，計算出了照明配電網在高頻信號下的輸入阻抗特性并仿真得出了電力線通信信道的傳輸特性，同時在兼容性方面，證實PLC信號不會對艦船的電能質量和周圍的電氣設備產生影響。

［1］張典謨.電力系統通信基礎［M］.北京：水利電力出版社，1999：6－10.

［2］歐清海.國外高速電力線通信技術發展分析［J］.通信世界，2005（21）：34－35.

［3］齊淑清.電力線通信技術在中國的應用現狀［J］.中國電信建設，2005（3／4）：28－34.

［4］李麟，沈冰，莊勁武.艦船電力系統［M］.武漢：海軍工程大學出版社，2001：199－210.

［5］吳強，甄洪斌，張超，等.水面艦艇電氣設備［M］.武漢：海軍工程大學出版社，2011：86－92.

［6］余明揚，童磊.集膚效應對銅排導電性能的影響分析［J］.電氣技術，2007（4）.

［7］張喻，郝文輝，高金輝.微波技術與應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006：105.

［8］Zimmermann M，Dostert K.A Multipath Model for the power line channel［J］.IEEE Trans.Commun，2002，50（4）：553－559.

［9］MengH.Guan YL.Chen S.Modeling and Analysis of Noise Effects on Broadband Power－line Communication［J］.Power Delivery，IEEE Transactions on，2005，20（2）：630－637.

［10］呂鋒，呂國遠.低壓電力線通信信道模型［J］.電力系統通信，2004（12）：30－32.

［11］程曉榮，侯思祖，趙惠蘭，等.PLC對電能質量和電器設備的影響［J］.電力系統通信，2004（12）：53.

［12］張立民，孫永威，周帆.基于AMSAA模型的彈上電子設備可靠性增長試驗研究［J］.計算機與數字工程，2010，38（2）.

［13］吳晗平.艦船電子設備可靠性與環境防護技術［J］.裝備環境工程，2004（2）：64－68.