低壓電力線載波通信傳輸特性

崔靜靜

（日海恒聯(lián)通信技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設(shè)，低壓電力線載波通信作為一種經(jīng)濟(jì)、高效的通信方式受到廣泛關(guān)注。低壓電力線載波通信利用電力線路作為傳輸介質(zhì)，在高頻范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有傳輸距離長、建設(shè)成本低以及覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)。因此，了解低壓電力線載波通信的傳輸特性對(duì)于優(yōu)化通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。文章旨在研究低壓電力線載波通信的傳輸特性，深入探究其工作原理和性能特點(diǎn)，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。一方面，介紹電力線載波通信的基本原理和系統(tǒng)組成，包括控制中心、傳輸電網(wǎng)以及接收端。另一方面，對(duì)低壓電力線的常用參數(shù)、輸入阻抗、信號(hào)衰減特性以及干擾特性進(jìn)行詳細(xì)分析，揭示其對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響機(jī)制。本研究對(duì)于推動(dòng)智能電網(wǎng)的建設(shè)和電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

1 電力線載波通信的基本原理及系統(tǒng)組成

1.1 電力線載波通信的基本原理

電力線載波通信技術(shù)是一種利用電力線作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)。其基本原理是通過向電力線注入高頻載波信號(hào)，在電力線上傳輸數(shù)據(jù)信息。首先需要產(chǎn)生載波信號(hào)[1]。信號(hào)發(fā)生器生成高頻載波信號(hào)，并通過調(diào)制解調(diào)器將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到載波信號(hào)上。其次利用接收端的裝置接收和解調(diào)電力線上的載波信號(hào)。最后解調(diào)器將接收的載波信號(hào)解調(diào)還原為原始的數(shù)據(jù)信號(hào)，并交給通信終端進(jìn)行處理和顯示。利用電力線作為傳輸介質(zhì)，電力線載波通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電力線自身的雙重功能，既能提供電力供應(yīng)，又能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這種通信方式具有成本低、覆蓋范圍廣以及設(shè)備部署方便等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于住宅小區(qū)、商業(yè)區(qū)域及工業(yè)用電等場景。

1.2 電力線載波通信的系統(tǒng)組成

電力線載波通信系統(tǒng)主要包括信號(hào)阻波器、載波機(jī)、耦合電容器以及結(jié)合濾波器等組成部分，如圖1所示[2]。

圖1 電力線載波通信的系統(tǒng)組成

2 低壓電力線載波通信信道傳輸特性分析

2.1 傳輸線上常用的一次參數(shù)

傳輸線上常用的一次參數(shù)包括電阻、電感、電容以及電導(dǎo)等。

2.1.1 電 阻

電阻是一種用來控制電路中電流流動(dòng)的元件。它可以限制電流的大小，避免電流過大損壞電路[3]。此外，電阻還可以用于分壓、電流限制、保護(hù)電子元件以及產(chǎn)生熱量等。

傳輸線中的直流電阻為

式中：ρ、l、s分別為導(dǎo)線的電阻系數(shù)、長度及截面積。

明線雙線回路每千米的直流電阻為

式中：d為導(dǎo)線的直徑，mm。

當(dāng)傳輸導(dǎo)線中傳輸?shù)氖墙涣餍盘?hào)時(shí)，其雙線回路每千米的交流電阻計(jì)算公式為

式中：R為雙線回路每千米交流電阻；K1為由于集膚效應(yīng)而使電阻增大的系數(shù)。

2.1.2 電 容

電容是一種用來儲(chǔ)存電荷的元件，在電路中起到儲(chǔ)存和釋放電能的作用。其雙線回路每千米的電容量計(jì)算公式為

式中：εr為導(dǎo)線間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；a為兩導(dǎo)線的中心間距；r為導(dǎo)線半徑；L為雙線回路每公里的電感量；n為通過交流信號(hào)時(shí)介質(zhì)中的損耗系數(shù)。

2.1.3 電 感

電感是一種儲(chǔ)存電磁能量的元件，也稱為電感器或電感線圈。導(dǎo)線的電感由內(nèi)外兩部分組成，其中外電感是導(dǎo)線外部磁鏈與線內(nèi)流通電流之比。雙線回路每千米的電感量為

式中：μr為導(dǎo)線材料的相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)；Kr為由于集膚效應(yīng)而使電感減小的系數(shù)。

2.1.4 電 導(dǎo)

電導(dǎo)主要是描述物質(zhì)對(duì)電流傳導(dǎo)能力的物理量，體現(xiàn)物質(zhì)導(dǎo)電性。雙線回路每千米的絕緣電導(dǎo)為

式中：G0為通直流時(shí)的絕緣電導(dǎo)；f為傳輸頻率；n為通過交流信號(hào)時(shí)介質(zhì)中的損耗系數(shù)。

2.2 低壓電力線信道高頻信號(hào)衰減特性的研究

研究低壓電力線信道的高頻信號(hào)衰減特性，對(duì)于了解信號(hào)傳輸過程中的衰減情況和通信系統(tǒng)的性能評(píng)估至關(guān)重要。低壓電力線作為一種傳輸介質(zhì)，會(huì)對(duì)高頻信號(hào)的傳輸造成衰減和失真[4]。研究低壓電力線信道的高頻信號(hào)衰減特性需要考慮多個(gè)因素，如電力線的物理特性、傳輸線路的長度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號(hào)頻率以及環(huán)境噪聲等。這些因素會(huì)影響信號(hào)的傳輸損耗和衰減程度。

3 低壓電力線載波通信傳輸特性的實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 低壓電力線載波通信傳輸特性的實(shí)驗(yàn)

3.1.1 辦公實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)的傳輸(衰減)特性

在辦公實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究低壓電力線載波通信傳輸特性的衰減情況。通過測量信號(hào)在不同距離和環(huán)境條件下的衰減情況，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖2所示。曲線1為用戶較多時(shí)測得，曲線2為用戶較少時(shí)測得。

圖2 樓內(nèi)電力線傳輸特性曲線

3.1.2 低壓電力線上存在的噪聲

低壓電力線上存在很多噪聲（見圖3），這些噪聲對(duì)電力線載波通信系統(tǒng)的性能和可靠性具有重要影響。了解和分析低壓電力線上存在的噪聲是優(yōu)化通信系統(tǒng)和提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵一步。

圖3 低壓電力線上的噪聲

3.1.3 阻抗特性

研究低壓電力線載波通信傳輸特性中的阻抗特性時(shí)，可以通過一系列實(shí)驗(yàn)來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

（1）測量電流-電壓響應(yīng)。通過在低壓電力線上注入不同頻率和振幅的信號(hào)，測量接收端的電流-電壓響應(yīng)。通過連接信號(hào)源和接收器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)輸入信號(hào)和輸出響應(yīng)，計(jì)算得到阻抗大小和相位角。

（2）引入負(fù)載變化。改變低壓電力線上的負(fù)載條件，如連接或者斷開電器設(shè)備，測量電壓和電流的變化。根據(jù)這些變化，計(jì)算電力線的動(dòng)態(tài)阻抗特性，并了解阻抗響應(yīng)在不同負(fù)載條件下的變化情況。

（3）頻率掃描。使用信號(hào)發(fā)生器輸入一系列不同頻率的信號(hào)，并測量低壓電力線上的電壓和電流。根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制頻率響應(yīng)曲線，并從中獲取阻抗特性，包括阻抗大小和相位角。

（4）變換阻抗測量。使用適當(dāng)?shù)臏y量設(shè)備，對(duì)低壓電力線進(jìn)行變換阻抗測量，得到不同頻率下電力線的復(fù)雜阻抗。

通過這些實(shí)驗(yàn)，獲得低壓電力線的阻抗特性數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析和評(píng)估電力線載波通信系統(tǒng)的傳輸性能，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 傳輸特性

在研究低壓電力線載波通信傳輸特性時(shí)開展一系列實(shí)驗(yàn)，獲得以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（1）頻率響應(yīng)。通過測量電流-電壓響應(yīng)，得到低壓電力線的頻率響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，低頻信號(hào)的傳輸衰減較小，而高頻信號(hào)呈現(xiàn)更明顯的衰減。同時(shí)，相位角隨頻率的變化而變化[5]。

（2）信號(hào)失真。通過比較輸入信號(hào)和接收信號(hào)的波形數(shù)據(jù)，觀察到一定程度的信號(hào)失真現(xiàn)象。失真可能包括幅度衰減、頻率失真以及相位失真等。失真程度的大小取決于具體的傳輸環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)。

（3）噪聲干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示低壓電力線存在不同程度的噪聲干擾。這些干擾可能來自電力線本身的噪聲、周圍環(huán)境的電磁干擾以及其他電器設(shè)備的影響。

3.2.2 噪聲的功率譜

在低壓電力線載波通信傳輸特性的實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行噪聲功率譜的測量和分析，并對(duì)干擾進(jìn)行進(jìn)一步分析。樓內(nèi)噪聲功率譜如圖4所示。

圖4 樓內(nèi)噪聲功率譜

由于通常使用的電力線載波通信設(shè)備的工作頻率都在10 kHz以上，噪聲干擾必然會(huì)對(duì)通信設(shè)備的正常工作產(chǎn)生較大影響。通過實(shí)驗(yàn)測得低壓電力線上的噪聲功率譜曲線，可描述噪聲在不同頻率范圍內(nèi)的能量分布情況。

3.2.3 阻抗特性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析低壓電力線的阻抗特性，研究其變化規(guī)律和對(duì)通信系統(tǒng)的影響。通過實(shí)驗(yàn)測量得到低壓電力線的阻抗頻率響應(yīng)曲線。通過深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以了解傳輸系統(tǒng)與電力線之間的阻抗特性，進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)傳輸，提高系統(tǒng)性能和傳輸質(zhì)量。

4 結(jié) 論

通過對(duì)低壓電力線載波通信傳輸特性的研究，可以更好地理解和掌握電力線通信系統(tǒng)的工作原理與性能特點(diǎn)。研究結(jié)果對(duì)于優(yōu)化通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高傳輸質(zhì)量和抗干擾能力具有重要意義。相關(guān)技術(shù)人員可以進(jìn)一步探索不同工作條件下的傳輸特性和改進(jìn)措施，以滿足不斷增長的通信需求。