1、低壓電力線載波通信中信號傳 輸特性分析 作者:日期:低壓電力線載波通信中信號傳輸特性分析2006-12-22 15:49引言隨著供電管理自動化的發展，遠程集中抄表系統已經獲得越來越廣泛的應用1o在集中抄表系統的推廣使用過程中，利用低壓電力線作為通信信道的技 術已經日益體現出其優勢。對于所有的通信信道，阻抗、信號衰減和干擾是決定其性能的基本參數。因此，在使用電力線作為信號傳輸媒介之前，需要對它的信道特性進行分析。由于從六七十年代以來，利用10 kV以上中高壓電力線作為信號傳輸通道 的電力線載波電話已經獲得廣泛使用，對高壓電力線進行高頻信號傳輸的研究已 經非常深入和成熟。但是，在220 V/380

2、 V低壓電力線上進行信號傳輸，與高 壓電力線載波通信有較大 區別，突出表現在工作環境惡劣、線路阻抗小、信號衰 減強、干擾大且時變性大等特點。因此，對于低壓電力線載波信道，有必要進一 步具體分析。1低壓電力線上輸入阻抗及其變化輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸特性的重要參數。研究輸入阻抗，對于提高發送機的效率，增加網絡的輸入功率有重大意義。研究表明低壓電力線上的輸入阻抗與所傳輸的信號頻率密切相關。在理想情況下，當沒有負載時，電力線相當于一根均勻分布的傳輸線。由于分布電感和分布電容的影響，輸入阻抗會隨著頻率的增大而減小。當在電力線上有負載時，所 有頻率的輸入阻抗都會減小。但是，由于負載類型的不同，使不同

3、頻率的阻抗變 化也不同，所以實際情況非常復雜，甚至使輸入阻抗的變化不可預測。電力線上的輸入阻抗隨著頻率的變化而劇烈變化，可以從0.1 Q變到大于100 Q,變化范圍超過了 1000倍！而且，在實驗所測的頻率范圍內， 輸入阻抗隨頻率的變化并不符合一般想象下的隨頻率的增大而減小的變化規律， 甚至與之相反。為了解釋這一問題，可以將電力線看成是一根傳輸線， 上面連接 有各種復雜的負載。這些負載以及電力線本身組合成許多共振電路，在共振頻率 及其附近頻率上形成低阻抗區。因此，在輸入阻抗-頻率圖上可以看到許多阻抗 低谷區。這些低阻抗區組合起來，就形成圖1所示的圖形，并會在局部上違反電 力線上阻抗隨負載增大而

4、降低的一般規律。 同時，正是由于負載會在電力線上隨 機地連上或斷開，所以在不同時間，電力線的輸入阻抗也會發生較大幅度的改變。出于同樣的原因，電力線上不同位置的輸入阻抗也會不同。在由許多電阻、 電容和電感組成的網絡中，從不同的點上看進去，輸入阻抗顯然是不同的。圖1的兩曲線就是在同一個低壓電力線網的不同地點測得的。可以看出，信號輸入點的不同對輸入阻抗的影響是非常大的。由于低壓電力線輸入阻抗的劇烈變化，使發送機功率放大器的輸出阻抗和接 收機的輸入阻抗難以與之保持匹配，因而給電路設計帶來很大的困難。2低壓電力線上高頻信號的衰減及其變化高頻信號在低壓電力線上的衰減是低壓電力線載波通信遇到的又一個實際 困

5、難。對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線， 各種不同性質 的負載在這根線的任意位置隨機地連接或斷開。因此，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。顯然，這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關系。總的來說，信號傳輸的距離越遠，信號衰減就越厲害。但是，由于電力線是 非均勻不平衡的傳輸線，接在上面的負載的阻抗也不匹配，所以信號會遇到反射、 駐波等復雜現象。這些復雜現象的組合，使信號的衰減隨距離的變化關系變得非 常復雜，有可能出現近距離點的衰減比遠距離點還大的現象。對于民用電網，其三相電源所接的負載大小和性質都不相同， 所以同樣強度的信號在三相上的衰減 也不同。這種現象有時就表現為接

6、收機和發送機的位置不變，接在不同相上，通信的誤碼率不同。信號頻率與信號衰減有著直接的關系。IS曲線的衰減隨頻率變化比較平緩， 且小于5 dB。由于距離很近，發送與接收 兩點間的負載對信號衰減影響不大。I曲線由于布線圖未知，所以無法得知準確 的距離，但估計在20300 m。將IS曲線和I曲線進行比較，可見傳輸距離對衰減的影響是非常明顯的，在某些頻率，衰減的變化可以超過50 dB。從I 曲線可以看出，小于60 kHz的信號，衰減大約在25 dB附近，然后衰減隨頻 率增加而增大，到了 200 kHz，衰減大約為50 dB。A1和A2曲線的測量距離 同樣未知，估計在20 m-300 m。比較I，A1和

7、A2曲線可以發現，高頻信號 在跨相傳播時，衰減一般都要比同相傳播大。通常情況下，這個差距可以達到10 dB以上。但是，有些時候跨相傳播的衰減并不一定大于同相傳播。引起這種 現象的原因是三根相線之間存在的一些耦合電容，以及有些三相供電的用電設 備，如三相電機、大功率加熱器等。這些設備對稱地使用三相電源，也就等效于 為高頻信號在三相電源之間加入了耦合元件。值得一提的是，電容器對低壓電力線載波通信系統有重大的影響。由于電容 器高頻信號的阻抗比較小，所以會使高頻信號有比較大的衰減。 例如，一個接在 一相上的10卩F電容器，對100 kHz的信號的阻抗只有0.16 Q。這對于低 壓電力線載波通信系統可以

8、說是一個巨大的障礙。圖2 (b)為晚上在同一地點測得的衰減曲線。因為IS曲線與圖2 (a)幾乎 完全一樣，所以未畫出。從I曲線可以看出，晚間同相傳輸的衰減基本上比白天 要小，在某些頻率，衰減甚至可以小 20 dB。這主要是因為晚間的負載較輕。 在跨相傳輸中，衰減的波動比較大，在某些頻率上的衰減比白天還要大20 dB。這可能是電抗性負載、反射、多徑傳播或駐波等現象造成的影響。從以上曲線的分析可知，在低壓電力線載波通信中，確定一個合理的通信帶 寬并不容易。從衰減變化的趨勢來看，大于150 kHz的信號會有比較大的衰減。 所以，許多現有的低壓電力線載波通信系統大多使用低于150 kHz的載波頻率。但

9、是，圖2(b)中，80 kHz信號衰減的突然增加表明在 50 kHz150 kHz的 頻率范圍內也可能會出現很大的衰減。高頻信號在低壓電力線上傳輸時，還有一個顯著的現象是其衰減隨工頻電源 的相位而變化。有時高頻信號在工頻電源的某個相位范圍(比如30150, 210330 )內會發生較大的衰減變化。在這個相位范圍內，信號衰減有可能會 減小幾個分貝，或是增大幾分貝到十幾分貝。產生這種現象的原因，可能是因為 一些工作于開關狀態的設備，如開關電源等，在工頻交流電的一定相位時打開開 關器件，于是就將電力線連接到了后面的電路上。 這些電路上通常含有大容量的 電容器或大功率的負載，所以會引起高頻信號衰減的急

10、劇變化。 而且大多數的開 關電源都在一次側接有補償電容，雖然電容量較小，但是由于數量較多，所以其 影響不容忽視。除此之外，開關電源會向電力線上施放大量高頻干擾， 從而影響 通信系統的工作。這一點將在后面詳細闡述。隨著負載在電力線上的連接或斷開，在不同的時刻，信號衰減都會表現出不 同的特點。有時這種變化的程度會很大。這一現象，在對比圖2 (a)和圖2 (b)中就可以看出。由于負載的變化是隨機的，所以信號衰減也會隨機地發生變化。 但是，從統計上來說，這種變化還是有一定的定性規律可尋的。多數情況下，電 力線上負載的大小、性質是按照一定規律在一定范圍內變化，例如，在工業區， 白天的衰減比晚上大，而在居

11、民區，晚上 18: 00到22: 00的衰減是最大的。合 理地利用這些規律，對于提高通信系統的可靠性有重要的作用。另外，接收機所處的位置不同，信號的衰減也不同。在某些負載，如彩色電 視機、計算機等的旁邊，高頻信號的衰減往往會增大許多。在現場試驗過程中，我們還發現在電纜線與架空線混合布線的地方， 在電纜 與架空線連接處的信號衰減十分顯著。 產生這種現象的原因，可能是由于在這一 點，線路阻抗發生突變，高頻信號會在此發生反射，因而使信號衰減增大。從以上分析可以看出，在總體上，電力線上的衰減隨著頻率的增加而增加，但在某些頻率，由于負載產生的共振現象和傳輸線效應的影響，衰減會出現突然的迅速增加。同時，信

12、號傳輸距離對信號衰減程度也起著決定性的影響，隨著距離的增加，衰減會迅速地增加。在跨相傳播時，衰減一般比同相傳播要大10 dB以上，但有時也會有例外。隨著工頻交流電相位的變化，高頻信號的衰減也會 出現周期性的變化。在不同的時間段、不同的地點，衰減幅度也不同，有時變化 會很大。這種變化對載波通信設備的設計有很大的影響。3低壓電力線傳輸干擾特性分析在低壓電力線上進行數據通信時的另一個需要認真研究的重要問題是電力 線上干擾的特殊性質。電力線上的干擾可分為非人為干擾和人為干擾。非人為干 擾指的是一些自然現象，如雷電，在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接 在電力線上的用電設備產生的，并對數據通信有更嚴

13、重的影響。經過研究已經發現，電力線上的干擾不能被簡單地認為是可加性高斯白噪 聲。為了表示這種干擾的復雜特性并簡化分析，我們可以近似地將其分成4類：周期性的連續干擾、周期性的脈沖干擾、時不變的連續干擾和隨機產生的突發性 干擾。通常情況下，前兩類干擾占主導地位4。低壓電力線上干擾的周期性在以前的研究中發現，諧波噪聲以交流電頻率 （fAC）的整數倍出現，因此我 們有理由相信干擾也會存在周期性的傾向。圖3是某一時刻實驗室中電力線上的 干擾波形。圖中顯示電力線上的主要干擾是周期性出現的，其出現頻率為2fAC，而且其幅值比時不變連續干擾大許多。這種干擾的強度有時可能很大，其峰一峰 值可達10V以上。產生這

14、種周期性干擾的原因是由于許多用電設備會在工頻交流電基波的 某個固定相位上釋放出干擾。例如，可控整流電源在AC電源基波正半周和負半周的45切換，則在一個工頻周期中 AC電源上會出現2個缺口，從而會以 100 Hz為周期，每周期2次釋放出強烈的干擾，而且這種干擾與 AC電源有著 固定的相位關系。每次干擾的持續時間受多種因素的影響，如可控整流電源在 AC電源上產生缺口的寬度，電力線對高頻干擾的衰減強度等。在圖3中，每次干擾的持續時間約為3 ms。而許多開關電源、逆變器等還可能產生頻率高于 100 Hz的周期性干擾。為對這種周期干擾進行進一步分析，畫出圖3干擾信號的對數頻譜特性如圖 4所示。從圖4中可

15、以看出，干擾信號的頻譜非常不規則，存在許多突變，有些 頻率信號的強度很高，有些則很低。但是，從總體上來看，9 kHz以上的干擾信號的強度比8 kHz以下的信號的強度平均要大7 dB8 dB。因此，這種周 期干擾主要是由大量的高頻干擾組合而成的。由于通常使用的電力線載波通信設備的工作頻率都在10 kHz以上，所以這種干擾必然會對它們的正常工作產生很 大的影響。如果不采取措施，這種干擾可能引起幾個到十幾個數據位的傳輸錯誤。 例如，以上述干擾為例，對于以4800 bit/s進行的數據通信，每次干擾可能破 壞15個數據位的傳輸。消除這種干擾的困難有兩點：首先，由于無法對這種干擾的周期、寬度、強度和 發

16、生時間等做出準確的預測，而且這些參數的變化范圍可能很大， 所以很難有針 對性地采取措施抑制這種干擾；其次，由于這種干擾的頻譜非常寬，所以對接收 端濾波器的靈敏度有很高的要求。另外，有許多大功率的用電設備，如電機等，會在電網上產生很多的高次諧 波。這些高次諧波只存在于工頻的整數倍的頻率內，但是能量較大，且頻率有可 能延伸到幾萬赫茲。如果信號頻率正好與它們重疊，則對通信的可靠性會產生很 大的影響。在實際情況中，由于有大量的用電設備同時釋放出干擾， 而這些干擾的瞬時 功率、周期、相位等又變化很大，各不相同，因此最終會在電力線上產生時不變 的連續干擾。在圖3中，幅值較低的連續干擾就屬于這種干擾。這種干

17、擾表現為平均功率較小，但是頻譜很寬而且持續存在。由于信號在電力線上傳輸的衰減非 常大且富于變化，而且干擾頻譜有可能部分或完全覆蓋信號頻譜，因此，在通信過程中的信噪比可能會變得很低，通信誤碼率增加。低壓電力線上干擾的隨機性除了上述的周期性和連續性的干擾外，電力線上還存在許多隨機發生的干 擾。這種隨機干擾通常是由于高壓開關的操作、雷電、較大的負荷變化、電力線 路上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脈沖干擾或脈沖干擾群，持續時間 較短，但能量很集中，頻譜也很寬5。高壓開關的斷開和閉合在電力線路上導致的暫態過程會產生一系列的電磁 脈沖（脈沖群），而這一暫態過程受多種因素影響，分散性極大。雷電會在電力

18、線路上產生能量很大的電流和電壓脈沖，電流峰值可達幾千安培，電壓峰值可達幾萬伏。這種波形的上升時間很短，通常不大于5.5卩s，下降時間相對較長，但通常也不大于 75卩s。雷電波沿線路侵入變電站，并通 過一、二次系統間的各種耦合或接地網進入二次回路。 這樣的雷擊過電壓在低壓 網絡內傳播時，遇阻抗不同的節點時將發生反射， 產生振蕩波，其頻率和傳播速 度與電路內的各種參數有關，最具典型的是上升時間為0.5卩s、振蕩頻率為1 00 kHz的衰減振蕩波。顯然，這種脈沖會對載波通信產生很大的影響。 另外，低壓電力線路上的各種大功率負載的突然開關、 大功率電機的啟停過 程、功率因數補償電容器的投切以及短路、故

19、障切除和重合閘等都會引起電壓、 電流的突變和諧波分量的增加。而在離接收機近距離的范圍內，某些中小功率的 負載，如日光燈、計算機等的開關也會產生較大的突發脈沖干擾而影響通信。上述這些干擾的持續時間較短，從幾十微秒到幾秒不等，強度大小也不等， 出現時間也是隨機的，具有很大的不可預測性。如果它們正好發生在數據通信過 程中，由于其高能量、寬頻譜的特性，通常會使所傳數據的若干個位甚至整個數 據傳輸過程發生錯誤。在一個完善的低壓電力線載波通信系統中， 可以通過前向 糾錯碼、自動重發機制、數據預取機制等措施加以克服。低壓電力線上干擾的多變性出于與信號衰減多變性同樣的原因， 低壓電力線上的干擾也存在多變性。

20、這 種多變性表現在2個方面。首先是因時而變，即在不同時刻，干擾的頻率、強度 都各不相同。其次是因地而變，即在不同的低壓電網之間，干擾情況各不相同； 而在同一個低壓電網之內，不同地點的干擾情況也不相同。前者是因為在不同的 電網之間，連接的負載、線路情況、電網結構等都不同，導致電網內的各種參數 都不同，則必然會影響干擾的分布。后者是因為干擾在電力線上的傳播也要遵循 高頻信號在電力線上的傳播特性，會受到電力線上衰減特性的影響，因而對距離、 負載分布等也很敏感。因此，電力線上干擾的因地而變的特性對低壓電力線載波 通信系統也會有很大的影響。通過以上討論，我們可以看到，低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性

21、非 常復雜，而且隨機性、時變性大，難以找到一個較為準確的解析式或數學模型加 以描述，這也是為什么一直以來對低壓電力線高頻信號傳輸特性的分析多以定性 分析和實驗數據測試分析為主的原因。 即使有些學者提出了一些模型，但是這些 模型也往往是附加了許多假設和限制，因而也是不精確的或適用面很窄。這種精 確數學模型的缺乏，對低壓電力線載波通信設備的設計提出了很高的要求，即要求其有很好的自適應能力。但同時，出于實用的角度，為了獲得合理的性價比， 又要求其成本要限制在一定的范圍內。這些對系統的設計而言是一個很大的挑 戰。但是，盡管低壓電力線載波通信存在上述所說的這些困難，我們仍然認為用低壓電力線作為通信信道是

22、可行的，只是需要采用一些特殊的技術手段。目前， 低壓電力線載波通信已經朝著使用擴頻通信技術的方向發展。采用擴頻通信技F術，能在很大程度上克服電力線的強衰減、 強干擾的缺陷，大大提高通信系統的 生存能力。在我們設計的載波通信系統中，就采用了擴頻通信技術，發射功率為 4.5 W在幾個居民小區進行試運行時，發現通常情況下至少可以保證100 m的可靠通信距離。這樣，再結合適當的差錯控制技術和動態中繼技術，完全可以使低壓電力線載波通信系統滿足遠程集中抄表系統的需要。有關這一點，我們將另外撰文介紹。高鋒，男，副教授，現從事工業自動化的教學與研究工作。董亞波，男，博士研究生，現從事工業自動化、計算機通信的研究參考文獻1,邵源，鐘炬，周昭茂(Shao用戶集中抄表系統綜述(A Survey of AutomatedCustomers).電力系統自動化(Autom