用戶負荷對載波通信輸出信號的影響試驗及分析

韓東，孫洋，殷聰，宮游

（1.黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150001；2.哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150028）

0 引 言

隨著智能電網（Smart Grid）的迅猛發展，電力線載波通信（Power Line Carrier，PLC）技術已廣泛應用于電力用電信息采集系統。低壓電力線載波通信技術目前完成了系統信息的采集、計量數據的傳輸以及用戶用電情況的實時監控［1-5］。

由于低壓電力線載波通信的信道是由電網組成，在電力載波通信過程中勢必會受到用電負荷的干擾影響；因此，載波通信過程輸出能力大小更顯尤為重要。本文采用了控制電網載波阻抗匹配的測試方法，通過實測數據證實了用電負荷對載波通信輸出效率有一定的影響［6-10］。

1 阻抗匹配

阻抗匹配是長線理論的一個重要概念。對于由信號源、長線及負載所組成的傳輸系統，為了提高傳輸效率，保持信號源工作的穩定性以及提高長線的功率容量，希望信號源給出最大功率，同時負載吸收全部入射功率。前者要求信號源內阻與長線輸入阻抗實現共軛匹配，后者要求負載與長線實現無反射匹配［11-12］。

本文涉及的阻抗匹配屬于前者的共軛匹配，如圖1所示，若信號源的內阻為：長線輸入阻抗為：

則有如下公式：

通過T1參考面的平均功率

在Eg和Zg不變的條件下求P的極大值。由偏導公式及，得到P取極大值的條件為Rin＝Rg，Xin＝－Xg，即當 Zin＝Z*g，即信號源共軛匹配時，信號源可以輸出最大功率。

圖1 共軛匹配示意圖Fig.1 Schematic diagram of conjugate match

2 試驗方法

阻抗是低壓配電網評價載波通信效率的一個重要參數，其值的大小直接影響所發射的載波信號能否有效的耦合到電網中。低壓電力線作為通信信道的阻抗特性是隨機變化的，主要受到時間、頻率、負荷類型等因素的影響。電力線上的阻抗變化范圍越大，載波通信的發射端越難以輸出最大能量的信號，造成傳輸信號的衰減，甚至導致通信失敗。因此，載波通信的發射端，接收端以及電力線信道的阻抗匹配是影響電力線載波通信的關鍵因素。

為驗證用戶使用不同負載對電力線載波輸出通信的影響，試驗所用設備有：阻抗測試終端、阻抗匹配器、阻抗控制器、V型網絡、頻譜儀、抄控器、電能表、電腦等。電能表承擔計量負載電量和發射載波信號，阻抗匹配裝置作為調節控制電網輸入載波阻抗，阻抗測試終端測試電力線載波阻抗和相位值，電腦指令電能表發射載波信號，V型網絡和頻譜分析儀撲捉傳輸信號電平值，接線方式見圖2。

圖2 試驗接線Fig.2 Test wiring connection diagram

試驗步驟：

第一步，空負載時，通過阻抗測試終端觀測并記錄系統電網載波阻抗值，然后調節載波阻抗匹配器與阻抗控制器，使電網阻抗測試端的載波阻抗穩定在這一范圍內；

第二步，空負載時，用電腦控制電能表發送載波信號，頻譜分析儀檢測并記錄載波電平值，同時阻抗測試終端觀測并記錄載波阻抗值；

第三步，電能表下端接入用戶負載，切換不同工作狀態，分別通入載波信號，記錄載波信號電平值和載波阻抗值；

第四步，用戶接入不同負載，電腦指令電能表分別發送載波信號，同時記錄不同負荷的載波信號電平值和載波阻抗值；

第五步，分析比較用戶使用各類負荷與空負荷時，載波通信信號輸出電平值和載波阻抗值，歸納試驗數據，得出影響程度結果。

3 試驗結果及分析

本次試驗的用戶使用負荷有：空調扇、白熾燈、洗衣機、手提電腦、電視機、空調、微波爐、電冰箱等，這些負荷對載波輸出效率都具有不同程度的影響。文中列出影響較突出的典型范例，試驗載波通信頻率選擇為421 kHz（其它頻率規律一致不做列舉）。采用V型網絡裝置，排除電網本身載波阻抗變化影響的檢測方法，空負載時載波通信輸出最大電平值為115.8 dBμV，如圖3所示。試驗前為了排除電網負荷波動對本試驗的影響，采用載波阻抗控制裝置，調解控制電網系統輸入載波阻抗保持較低穩定水平，起到隔離電網系統負荷波動影響本次試驗的作用。試驗前經控制調節電網系統輸入載波阻抗為4.3Ω，載波信號電平值為 20.7 dBμV，該數據作為本次試驗基礎數據，用于與其它負荷工況試驗數據進行對比分析。

圖3 V型網絡載波通信電平Fig.3 PLC level on V net

空調扇通電未啟動時，載波通信輸出信號電平值如圖4（a）；啟動冷風工況時載波通信輸出信號電平值如圖4（b）；風扇加熱工況時載波通信輸出信號電平值如圖4（c）。

圖4 以空調扇為負載的載波通信輸出信號Fig.4 Output signal of PLC with cooler fan load

洗衣機通電未啟動時，載波通信輸出信號電平值如圖5（a）；洗衣機啟動強洗時載波通信輸出信號電平值如圖5（b）；洗衣機甩干時載波通信輸出信號電平值如圖5（c）。

圖5 以洗衣機為負載的載波通信輸出信號Fig.5 Output signal of PLC with washing machine load

空調通電未啟動時載波通信輸出信號電平值如圖6（a）；空調啟動時載波通信輸出信號電平值如圖6（b）。

圖6 以空調為負載的載波通信輸出信號Fig.6 Output signal of PLC with air condition load

圖7所示為電視通電啟動時載波通信輸出信號電平值。

圖7 以電視為負載的載波通信輸出信號Fig.7 Output signal of PLC with TV load

表1 載波通信電平和載波阻抗試驗數據統計表Tab.1 Statistic table of PLC level and impedance test data

歸納整理試驗數據，得到表1的試驗結果。通過試驗結果可以看出，用戶使用各類負荷對電能表載波發射效率都產生不同程度影響，表1中統計；電平最低達到 8.38 dBμV，最高為 24.28 dBμV，與基礎值比較范圍在 －12.32 dBμV至 ＋03.58 dBμV；載波線路阻抗 3.2Ω至 3.6Ω，與基礎值比較最低下降1.1Ω。

縱觀試驗數據不難看出，用戶使用負荷對載波輸出能力至關重要，也將較大影響載波傳輸是否成功的關鍵；從載波輸出特性角度分析，線路輸入阻抗為（V型網絡設為無窮大）純電阻時，載波輸出電平值115.8 dBμV，當線路輸入阻抗下降4.3Ω時，載波輸出電平 20.70 dBμV，載波輸出有效率下降至17.9%（隨之電網干擾也按同比例下降）。表1試驗結果分析：用戶使用各類負荷不同，影響載波輸出效果各異，與試驗控制設定基礎值對比，載波線路阻抗下降0.7Ω至1.1Ω，載波輸出電平值8.38 dBμV至24.28 dBμV，載波輸出有效率 40.48%至 117.29%。綜上所述用戶負荷影響載波輸出特性歸納如下：

（1）用戶使用負荷與電網負載是并聯結線，用戶使用負荷種類不同將改變電網端對載波機的線路輸入阻抗，特別是與載波機較近的用戶負荷，影響程度更為突出，因為無功不能遠距離傳輸；

（2）負荷影響載波程度各有差異，主要與負荷性質有關，即容性和感性。當負荷諧波阻抗與線路載波內阻共軛匹配時，載波輸出能力提高，這在空調通電未啟動試驗中體現，但總體載波輸出影響是下降的；

（3）電網線路載波阻抗大小制約載波輸出能力，電網線路載波阻抗越大，載波輸出效率越高，傳輸能力越強。但是，電網是由多個用戶組成，使用負荷是不可控制的。隨著社會發展負荷種類增多，都將影響制約載波傳輸質量，應從多渠道采取技術改進措施，確保載波通信技術的發展和延續；

（4）載波信號輸出電平如果被噪聲（線路噪聲和諧波噪聲疊加）淹沒，則會導致載波通信接收端的誤碼率上升或無法解調，影響通信的誤碼率；如果沒有被噪聲淹沒，載波通信接收端可以正常解調，則不影響誤碼率。載波通信速率不會受到載波信號輸出電平的影響。

4 結束語

文中給出運用阻抗隔離電網系統干擾的方法，開展了用戶負荷對載波通信特性影響的試驗檢測研究。通過試驗驗證，載波通信受用戶負荷的影響制約，如遇不利負荷載波輸出效率急劇下降。

隨著社會發展，用戶負荷種類繁多，勢必阻礙載波通信技術發展和延續，需多渠道采取技術改進措施。在滿足現有技術條件下提出以下建議：

（1）電力網主干線和電能表盡可能遠離用戶負荷，由電力線消耗負荷無功能量影響；

（2）在滿足技術條件前提下，用戶或臺區配電變壓器零線同時加裝低通高頻阻抗器，提高電網系統和用戶載波阻抗，載波通信能力將大幅提高。