低壓電力線信道傳輸特性測量與研究

楊愛冰， 董天強， 陳 波， 周 克， 孫 航

(1. 貴州電網有限責任公司貴陽供電局， 貴陽 550001; 2. 貴州大學 電氣工程學院， 貴陽 550025)

低壓電力線信道傳輸特性測量與研究

楊愛冰1， 董天強1， 陳 波1， 周 克2， 孫 航1

(1. 貴州電網有限責任公司貴陽供電局， 貴陽 550001; 2. 貴州大學 電氣工程學院， 貴陽 550025)

為有效評估低壓配電臺區用電環境對電力線載波信號的影響，介紹低壓電力線信道傳輸特性測量方法。首先對信道傳輸特性的測量參數及設備進行介紹，給出了低壓電力線噪聲、信號傳輸損耗、電力線阻抗特性的測量原理，并用測試設備對低壓電力線信道進行特性測量，給出測量結果。實驗結果表明: 環境噪聲在中、低頻段處較大，線路衰減在220 kHz頻點左右最為嚴重，而測試信號在高頻區域的阻抗特性在工頻過零時刻時呈現穩定特性。由各項指標可知，低壓電力線載波信號傳輸的最佳頻率范圍為350～450 kHz；電壓過零點處低壓電網呈現阻抗高且穩定、噪聲電平低的特性，適用于信號傳輸，并有利系統時間同步。

低壓電力線； 信道測量； 噪聲特性； 阻抗特性； 衰減特性

0 引 言

低壓電力線載波( Power Line Carrier， PLC)[1-4]通信是指以低壓配電線(380 V/220 V)作為信息傳輸媒介進行數據傳輸的一種通信方式。作為目前覆蓋范圍最廣的電力網絡，研究如何利用該網絡傳輸數據信號，對實現智能電網具有重要的意義。相比其他通信方式，如光纖通信、GPRS、RS-485等，電力線載波通信具有投資少、施工周期短、設備簡單、通信安全、實時性好等優點。

然而，與專門用于通信的介質如雙絞線、同軸電纜相比，電力線的基本功能用來傳輸電能，它是一種非均勻分布的傳輸線，因此傳輸特性較差;另外，低壓電力線終端由于用電設備種類多，數量大，因此低壓電力網絡的信道特性十分復雜，通信環境相當惡劣。主要體現在[5-8]：

(1) 電力信道是時變系統，存在多徑效應。信道的傳輸函數隨時間變化而變化，將會引起接收端信號的頻率彌散性和時間選擇性衰落。

(2) 存在各種干擾和噪聲，不能簡單地歸結為加性高斯白噪聲特性。

(3) 電力線路的阻抗小，且阻抗隨著信號的頻率和時間的變化而變化。

(4) 信號的衰減與傳輸距離和信號的頻率有關。傳輸距離越遠、頻率越高，則信號的衰減就越大。

為了提高電力線通信系統的可靠性，對低壓電力線信道進行精確分析和建模至關重要。但由于其頻率、時間和地理位置等的不確定性，很難建立一套精確的數學模型[9]。對電力線信道的研究可以采用兩種方法[10-11]：自上而下以及自下而上的方法。前者通過測量運行電網的不同信道參數，從中獲得統計結果，并結合合理的物理過程，研究信道特性；后者在離線狀態下逐個測量電網基本元件的的傳輸特性，然后結合網絡的拓撲特性，得到整個網絡的傳輸特性。由于低壓電力線網絡拓撲結構復雜，用電負載眾多，采用自下而上的方法進行信道測量方法并不適用[12]，本文采用自上而下的方法對低壓電力線通信信道傳輸特性進行研究。

1 信道傳輸特性測量參數和設備

對低壓電力線信道特性的測量主要包括噪聲、阻抗、衰減特性3個方面。由于低壓電網連接著眾多用電設備，每種用電設備對電網的噪聲污染各不相同，特別是一些開關電源設備、非線性用電設備和大功率變頻設備等對電網產生的噪聲影響尤為嚴重。根據噪聲來源、信號頻譜、持續時間和強度，電網噪聲可分為：背景噪聲、與電網頻率同步的周期型脈沖噪聲、與電網頻率不同步的周期型脈沖噪聲和非同步脈沖噪聲。前兩種能夠保持較長時間，可將其看作“有色背景噪聲”，而后兩種可歸結為“脈沖噪聲”，其噪聲幅值大，持續時間較短，在電力線進行數據傳輸時，對信號干擾最嚴重，易出現信號傳輸錯誤，導致誤碼率升高[13]。

低壓電力線阻抗特性主要對載波信號的饋網功率產生影響。為了使耦合到電力線上的載波信號功率最大，載波機的輸出阻抗應該與電網阻抗相匹配。但由于低壓電力線上負載眾多，且負載是隨機接入和切出，因此，低壓電力線的阻抗呈現動態變化[14]。

低壓電力線上并聯的負載對信號衰減將會產生影響，尤其是電容特性的負載[15]。對高頻載波信號來說，容性負載相當于短路。此外，當負載很小時，發送耦合電路的內阻也不可忽視，它會分去相當一部分的功率。所以信號衰減由兩部分組成：一是耦合衰減；二是線路衰減。理論上，耦合器的內阻可以做得相當小，這樣信號衰減就主要取決于線路的衰減。

為了對低壓電力通信信道上的干擾能有一個定量分析，利用高精度高速數字化儀、噪聲耦合單元以及低壓電力線噪聲分析軟件與波形發生器對低壓電力線噪聲、阻抗、衰減特性進行測試和分析。

2 信道特性測量基本原理

2.1 信道噪聲特性測量原理

信道噪聲的測試由噪聲耦合單元與高精度高速數字化儀構成。噪聲耦合單元的電路原理如圖1所示。噪聲經過耦合單元輸出到高精度高速數字化儀，通過高精度高速數字化儀實現對信號各頻率點低壓電力線噪聲的變化分析。

圖1 噪聲耦合單元原理圖

高精度高速數字化儀對耦合器輸出的信號進行采樣，則20 ms的采樣點數為2×106。在測試中，頻譜范圍設定10～500 kHz，頻率間隔為5 kHz。采樣后的信號通過快速傅里葉變換(FFT)算法，實現了采樣信號的頻譜分析。

2.2 信道阻抗特性測量

信道阻抗的測試由高精度高速數字化儀、波形發生器和饋網分析單元三者構成，測試原理如圖2所示。測試中，利用軟件控制波形發生器發送不同頻率的正弦信號，然后采集所需相應頻率的分析信號U1和U2，從而獲取當前發送頻率的低壓電力線阻抗變化趨勢。

低壓電力線阻抗的模為

(1)

低壓電力線阻抗虛部偏轉角度為

(2)

式中：θ<0表示低壓電力線阻抗為容性；θ>0表示低

圖2 低壓電力線阻抗分析原理圖

壓電力線阻抗為感性；θ=0表示低壓電力線阻抗為阻性。

2.3 信道衰減特性測量原理

信道衰減測試由高精度高速數字化儀、波形發生器和饋網分析單元以及電力線噪聲分析設備構成，測試原理如圖3所示。

圖3 低壓電力線載波衰減分析原理圖

測試中，利用軟件控制任意波形發生器發送不同頻率的正弦信號，并使用軟件同步的方式分別在測試點1和2采集所需信號U1和U2，從而獲取當前發送頻率的低壓電力線衰減的變化趨勢。

軟件同步方式是指低壓電力線衰減分析設備和低壓電力線噪聲分析設備在測試點1和2保持時間同步，即在某一頻率發送時刻同時采集兩點20 ms的分析數據U1和U2，其中U1為測試點1發送端信號，U2為測試點2接收端信號，采樣率1.0×108/s。利用式A=20lg|U1/U2|計算得出各頻率分量的衰減變化。

3 測量數據及其分析

利用低壓電力線噪聲、阻抗和衰減分析設備對低壓電力線信道的噪聲、阻抗和衰減特性進行測量，結果分析如下。

3.1 噪聲特性分析

對取得的低壓電力線信道噪聲測量結果進行三維頻譜分析，得到各頻點噪聲幅度隨時間變化的頻譜圖如圖4所示。由圖可知，不同頻點的噪聲在0～20 ms時間段內都有一定的幅度起伏，即驗證了噪聲的時變特性。另一方面，隨著頻率的增大，噪聲幅度有逐步減小的趨勢，即低頻分量具有更大的幅值。

圖4 三維噪聲頻譜圖

接著對噪聲進行二維頻譜分析，選取80、250、420 kHz 3個頻點的噪聲功率譜在0～20 ms時間段內的幅度曲線進行比較，結果如圖5所示。

圖5 不同頻點噪聲頻譜對比圖

由圖5可知，80 kHz頻點的噪聲幅度變化范圍為75～110 dB，250 kHz頻點的噪聲幅度變化范圍為60～100 dB，420 kHz頻點的噪聲幅度變化范圍為50～80 dB。可見，隨著頻率的升高，噪聲頻譜幅度降低，并且幅度變化區間也會減小。通過對頻譜圖分析發現，所測噪聲也具備50/100 Hz的周期性趨勢，且工頻過零時刻噪聲幅度最弱，非過零時刻噪聲變化豐富，其峰值噪聲一般比過零點噪聲幅值高15 dB。

3.2 阻抗特性分析

利用低壓電力線阻抗分析設備，對80～500 kHz頻段內每5 kHz為間隔的頻點進行阻抗分析，以工頻同步交流市電電壓過零時刻為基準點，在三維阻抗圖中比較低壓電力線各頻點阻抗幅度/相位隨時間變化趨勢。圖6為某現場電力線阻抗的變化情況，其中綠色軸為時間軸，紅色軸為頻率軸，藍色軸為幅度軸，直觀的看出在20 ms微分時段內各頻點阻抗模的變化情況。由圖6可知，低壓電力線信道的阻抗也具有時變特性，但是對于不同頻點，其隨時間變化的程度具有較大的差別，說明阻抗特性受頻率的影響較大。

圖6 三維阻抗模變化情況

通過對阻抗特性進行二維分析，同樣選取80、250、420 kHz 3個頻點的阻抗進行觀察。結果如圖7所示。80 kHz頻點的阻抗變化范圍為3 Ω左右，250 kHz頻點阻抗變化范圍為1～14 Ω，420 kHz頻點阻抗變化范圍為6～8 Ω。通過對比多次阻抗分析結果，發現其阻抗變化也呈現50/100 Hz周期性變化趨勢，過零點與非過零點時刻存在差異，在420 kHz頻點過零點處阻抗較大且穩定性好。在不同頻點，低壓電力線信道的阻抗變化范圍差別很大，變化范圍在0到幾百Ω之間波動，造成阻抗大范圍波動的原因是不同的布線方式以及不同的家用電器類型所造成的。

3.3 衰減特性分析

在80～500 kHz頻段內每隔5 kHz對電力線上的衰減特性進行測試，通過對各頻點20 ms時間段內的測試信號進行分析，得到某現場8 m左右傳輸距離的電力線信號衰減變化情況如圖8所示。綠色軸為時間軸，紅色軸為頻率軸，藍色軸為幅度軸，由圖可直觀地看出在20 ms時段內各頻點測試信號的衰減變化情況，信號衰減雖隨時間變化不明顯，但是對于整個測試頻段，在中間部分的信號衰減明顯，而兩端頻段部分的信號衰減較小。

對衰減特性進行二維分析，選取80、250、420 kHz 3個頻點的信號衰減特性進行分析，分析結果如圖9所示。在80 kHz頻點處，信號衰減約7 dB；在250 kHz頻點處，信號衰減約25 dB；在420 kHz頻點處，信號衰減約6 dB。通過對多次測量值比較發現，衰減的變化

圖8 三維衰減變化情況

也呈現50/100 Hz周期性變化趨勢，且過零點與非過零點時刻差異因地而異，普遍區別較小。信號衰減不一定隨載波頻率有絕對性的上升或下降趨勢，卻與當地傳輸線路的分支走線密切相關。對于同一傳輸距離的傳輸線路來說，接入不同的用電設備后，載波信號的衰減特性也會明顯不同。

圖9 不同頻點衰減變化對比圖

4 結 語

針對低壓電力線信道噪聲、阻抗、衰減特性進行了測量分析。分析表明：低壓電力線環境噪聲在測試頻段的中低頻幅值較大，信號線路衰減在220 kHz左右最為嚴重，而高頻區域的阻抗特性在工頻過零時刻呈現穩定特性且衰減較小，綜合各項測試指標可得低壓電力線載波信號的傳輸最佳頻率范圍為350～450 kHz。在一個交流電供電周期內，交流電壓有兩次電壓過零點。在電壓過零點處，低壓電網呈現阻抗高且穩定、噪聲低的特性，因而適用于傳播信號。此外，在實際系統設計中，各個通信節點可以低壓電網工頻過零點作為載波通信系統的同步基準源，有利于系統的時間同步與廣播校時。

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·名人名言·

每個人都有一定的理想,這種理想決定著他的努力和判斷的方向。就在這個意義上,我從來不把安逸和快樂看作是生活目的本身—這種倫理基礎我叫它豬欄的理想。

——愛因斯坦

Measurement and Analysis of Channel Transmission Characteristics for Low-voltage Power Networks

YANGAi-bing1，DONGTian-qiang1，CHENBo1,ZHOUKe2,SUNHang

(1. Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 55001, China; 2. College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

This paper presents a channel measurement method for low-voltage power networks. Firstly, the measurement parameters and equipments for the channel transmission characteristic are introduced. Then the basic principles for measuring noise, attenuation and impedance characteristics are analyzed. At the end, we give the measurement and the analysis results. It shows that the noise is larger when the frequency is low and medium, and the line attenuates seriously when the frequency is 220kHz, as well as that the impedance characteristics is stable when the power frequency nearby zero in the high-frequency regions. Thus, we can conclude that the optimal transmission frequency is between 350～450Khz. Besides, the noise is low and the impedance is stable when power frequency nearby zero. It means that when power frequency is nearby zero the carrier communication may have the best result, also, this scheme is beneficial to the system synchronization.

low-voltage power lines; channel measurement; noise characteristics; attenuation characteristics; impedance characteristics

2016-04-07

貴州省科技廳基金項目(黔科合LH[2014]7614);貴州電網科技項目GZ2014-2-0006資助

楊愛冰(1969-)，男，貴州貴陽人，碩士，高級工程師，長期主要從事計量科技研究工作。E-mail：zk8008h@163.com

TN 911.22

A

1006-7167(2017)01-0136-04