載波通信在艦船電網中的應用研究

張皓嵐，賀慧英，羅寧昭

（海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033）

0 引言

電力線載波通信（PLC, Power Line Carrier）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[1-2]。

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）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。

1 艦船PLC通信網絡總體設計

1.1 PLC的適用網絡

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 380 V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24 V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[3]。

以上的幾種配電網絡中，220 V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。

1.2 艦船PLC通信網絡的規劃

艦船電力系統是電源、配電網和本艦用電負載所組成的完整體系，是最為典型的移動式獨立電力系統。船舶電力系統中電能產生、分配、傳輸以及使用皆在船舶內進行和完成。為了滿足不同電氣設備的工作電壓，艦船配電網中有不同等級的變壓裝置，由于載波通信的高頻信號無法通過變壓裝置，這些變壓裝置將艦船電力載波通信網絡分割為不同的子網絡，子網絡之間的載波通信就需要研究如何“繞過變壓器”；為提高供電生命力，船舶電網上采取開關隔離的方式，在功能工況或某些特殊情況下，由各發電機進行分區供電，從而可以把故障限制在一個區域的小范圍內。這樣以來，艦船PLC網絡或由一個環形、總線型的大局域網退化為若干個樹形的小局域網，阻礙了全艦的及時通信，這與“繞過變壓器”實質是一樣的:即艦船設備對 PLC通信的阻斷問題。解決阻斷問題有兩種方案:①模擬電路方案，利用阻波器、濾波器，讓信號通過這些設備通過阻斷處；②數字電路方案，利用數字交換機、數字中繼器等設備組成計算機網絡將阻斷處連接起來，同時能起一個控制中心的作用。克服了阻斷問題，就構成了電力線和通信線混合的艦船通信網絡，電力線載波只解決區域通信問題。

設計艦船PLC網絡如圖1所示。

圖1 艦船電力載波通信網

2 艦船電力線載波通信的通信介質

2.1 艦船照明電路的電纜

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[4]:

1）支線。接入負載額定值的矢量和。

2）干線分支。所有支線電路接入負載矢量和得到的最大線電流。

3）干線。所有接入干線分支的接入負載電流矢量和。

4）饋線。饋線需用因數與所有接入干線的三相總負載電流的矢量和之乘積。

5）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60 W。每個照明插座應按二個燈頭計算。

對于未具體指明負載的每個交流或直流插座，應考慮增加功率的裕量。對專門給照明插座供電的插座電路，應采用如下表所示負載系數來確定配電板的電纜規格:一個電路內插座數3個以下，負載系數為1；一個電路內插座數4～6個，負載系數.75；一個電路內插座數為7～9個，負載系數為0.65；一個電路內插座數為10～11個，負載系數為0.60；一個電路內插座數為12～15個，負載系數為0.55。

由 LC主要用于解決區域配電網絡內的通信問題，所以我們采取支線中最大負載的情況來確定照明電纜的規格，即一個電路內15個插座數，負載系數0.55。則此條電路上負載為3272 W，最大電流為8.610 A，根據表1和表2[4]，可確定照明網絡電力線截面積應為2.5 mm2，對應直流電阻 R0為7.360m?/m，感抗L為0.372μH/m。照明用聚乙烯電纜電流定額如表1所示，截面積單位為平方毫米，額定電流單位為安培。船用三芯電纜電阻和感抗值如表2所示。

表1 氯乙烯絕緣電纜的電流定額

表2 三芯電纜線芯的電阻和感抗值（f=50 Hz）

電纜單位長度的電容為:

其中ε為真空介電常數，rε為相對介電常數，D為絕緣層外徑，d為銅芯直徑，n為芯數，G為三芯電纜幾何修正系數，。

2.2 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[5]:

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=5.714× 109S/m ，均為20℃時的數值[6]。那么交流電阻 R與直流電阻的關系可表示為[7-8]:

則交流電阻 R=K·R0，R0為直流電阻。

3 電力線信道輸入阻抗分析

選用在船舶上安裝使用的電源電壓不超過250 V的以熒光燈為負載。熒光燈具內部安裝有等于和大于0.5μF的電容器，自感為1.56 H，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，其等效電路如圖2所示。

圖2 艦船電力線等效電路（帶負載）

根據單口網絡的傳輸特性[9]，線路特性阻抗:

其中 f0為工頻50 Hz，z為端口位置，設為單位長度，φL為初始相位，設為零，α為衰減常數，β為相移常數，分別為傳播常數的實部和虛部，輸入阻抗為Zin=, 將數值帶入，可得接入負載后輸入阻抗與頻率的關系如圖3所示。

圖3 電力線信道輸入阻抗與載波頻率關系

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。而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[10]。在PLC接入時，要根據調制頻率確定信道輸入阻抗，使艦船電力線調制解調器與信道輸入阻抗實現匹配才能取得最大的發射功率和最小的線路損耗。

4 結語

本文首先對PLC的艦船移植應用作了初步的網絡規劃，在以照明網絡為通信載體的前提下對介質進行了阻抗分析，計算出了PLC信號載波頻率與電力線信道輸入阻抗的關系，為實現調制解調器與信道的阻抗匹配提供了定量準則。

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