低压电力线载波通信信道传输特性分析

近年来，随着我国国民经济及电力事业的迅速发展 城镇建设步伐的加快，以及一产一表制的推广和实施，使得用户电表的需求量(人工抄表的工作量急剧增加。城市内高层建筑的增多、商住小区建设速度的加快以及保安措施的加强给用电管理部门的抄表管理工作带来困难。针对电力系统特别是电力营业部门的需要，结合单片机嵌入式控制技术、数据载波通信技木、计算机网络技术、电子测量及仪表技术为一体的远程自动抄表系统的研究一直成为近几年的热点。

1　低压电力线载波通信信道传输特性分析

对于所有的通信信道，阻抗、信号衰减和干扰是决定其性能的基本参数。下面就针对这素对220V/380V低压电力线进行研究和分析，以得出低压电力线的载波通信信道特性，并应的结论。

1.1　低压电力线上输入阻抗的研究

输入阻抗是表征低压电力线传输特牲的重要参数，低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。理论上，在没有负载的理想情况下，电力线是一条阻抗均匀分布的传验线，在分布电感和分布电容的影响下，输入阻抗应该随着频率的增大而减小；而当电力线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率91阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至不可预测。因为电网上负载随机的接入、切出，电动机的停运、启动，家用电器的开、关，功率因数补偿电容的接入、撤除等原因，导致电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，变化范围超过了1000倍，而且输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反。由于这些负载会在电力线上随机地连上或断开，所以输入阻抗还是时间的函数，在不同时间，电力线的输入阻抗会发生较大幅度的改变。

因此，由于低压电力线输入阻抗随着地点、时间、载波频率而剧烈 随机变化，在设计载波发送机时，无法保证功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗相匹配，给电路设计带来很大的困难。

1.2　低压电力线信道高频信号衰减特性的研究

高频信号的衰减，首并和线路的等效输入阻抗有关。基于前面分析的结果，高频信号在低压电力线上传输的衰减，必然与通信距离、信号频率、传输时刻等因素有密切的关系。

1.2.1信号衰减和通信距离的关系

从理论上说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。但是，由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂，甚至会出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。

1.2.2　信号衰减和载波频率的关系

为了研究低压电力线上载波传输信号频率与信号衰减的关系，前人进行了很多的理论的探讨和实验，文献[2]在研究了多种典型低压线路衰减特性的实验数据的基础上，采用了线性拟合和RC曲线拟合的方法均无法得出二者的理论关系式，遇到的最主要问题是随机变化的负载曲线。

在低压电力线载波通信中，确定一个合理的通信带宽并不容易。从衰减变化的趋势来看，频率较高信号会有较大的衰减，实验证明，幅频曲线中会出现突然性的衰减跌落。

1.2.3　信号衰减和时间的关系

我们在实验测试中发现，高频信号在低压电力线上传输时的衰减还会随5Hz工频电源的相位而变化，通常在工频电源的窄相位范围内产生100Hz为周期的衰减变化，变化范围为几分贝到十几分贝。产生这种现象的原因可能是因为一些工作于开关状态的设备，如开关电源等，在工频交流电的一定相位时打开开关器件，就将电路上含有的大容量电容器或大功率的负载接入电力线网络，引起高频信号衰减的急剧变化。

经分析可以看出，在总体上，电力线上的衰减随着频率的增加而增加，但在某些频率，由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响，衰减会出现突然的迅速增加。同时，信号传输距离对信号衰减程度也起着决定性的影响，随着距离的增加，衰减会迅速地增加。随着工频交流电相位的变化，高频信号的衰减也会出现周期性的变化。在不同的时间段、不同的地点，衰减幅度也不同，有时变化会很大。这种变化对载波通信设备的设计影响很大。

1.3　低压电力线信道干扰特性分析

低压电力线上干扰可分为非人为干扰和人为干扰两类。非人为干扰指的是一些自然现象，如雷电等引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，它对数据通信影响更大。

经研究发现，电力线上的干扰不能简单地认为是可加性高斯白噪声，为了研究方便可以近似将其分成4类：周期性的连续干扰、周期性的脉冲干扰，时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。通常情况下，前两类干扰占主导地位。

1.3.1　低压电力线上干扰的周期性和连续性

在以前的研究中发现，谐波噪声以交流电频率(fa)的整数倍出现，因此，我们会存在周期性的倾向：为此我们选择了一个大学的实验室进行试验，发现了同样的结论。

电力线上实测的干扰波形如图1所示。从图1中可以看到电力线上的主要干扰是周期性出现的，其出现频率为2fa，而且周期性干扰幅值比时不变连续干扰要大许多。这种干扰的强度有时可能很大，其峰值最高可达10V以上。

产生这种周期性干扰的原因是由于许多用电设备会在工频交流电基波的某个固定相位上释放干扰。每次干扰的持续时间受多种因素的影响，而许多开关电源、逆变器等还可能产生频率高于100Hz的周期性干扰。

利用扫频仪测试干扰信号，我们发现干扰信号的频谱非常不规则，存在许多突变，因此，这种周期性干扰应该是由大量的高频干扰组合而成的。

这种干扰主要有两个特点：a．无法对这种干扰的周期、宽度、强度和发生时间等做出准确的预测，这些参数的变化范围也是未知的；b．这种干扰的频谱非常宽，很难有针对性地采取措施抑制这种干扰。

1.3.2　低压电力线上干扰的随机性

除了上述的周期性和连续性的干扰外，电力线上还存在许多随机发生的干扰。这种随机干扰通常是由于电力线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启停、功率因数补偿电容器的投切以及短路、故障切除和重合闸、雷电等引起，往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽，会引起电压、电流的突变和谐波分量的增加。而在离接收机近距离的范围内，某些中小功率的负载，如日光灯、计算机等的开关也会产生较大的突发脉冲干扰而影响通信。

这些随机干扰持续的时间较短，从几十微秒到几秒不等，强度大小也不等，出现时间也是随机的，具有很大的不可预测性。

1.3.3 低压电力线上干扰的多变性

出于与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的干扰也存在多变性。这种多变性表现在两个方面：一是因时而变；二是因地而变。

通过针对低压电力线阻抗特性、衰减特性、干扰特性的全面分析，我们可以看到，低压电力线上的信道特性非常复杂，随机性、时变性大、通道性质恶劣，难以通过建立数学模型加以描述，这是对低压电力线高频信号传输特性分析一直多以定性分析和实验数据测试分析为主的原因。提出的模型往往是附加了许多假设和限制，也是不精确或适用面很窄的。这种精确数学模型的缺乏，对低压电力线载波通信设备的设计提出了很大的挑战

通信数据以一个8位开关键控ASK同步头信号作为开始，同步头中解决了频道的访问和争用问题。当频道确定后，采用相移键控PSK技术把数据包中所含地址、控制或数据等信息的正文发送出去。信息正文后面是一个包结束标志及一个用于错误控制的CRC码。在一个CEBus数据包内，通过对数据脉宽编码以表示符号的域结束和包结束。在数据信息正文中，一个最小符号即为1个UST,周期的持续时间为100μs。

但是，从PLT-22模块在国内电量遥抄领域取得的成功可以得到两个启示，一是在低压电力线载波通信领域，传统的窄带通信并未被先进的扩频通信淘汰，其主要原因是信道的扩频增益有限，无法充分发挥扩频的优点；二是通信协议制定的优劣是通信系统能否成功的一个关键。

2　结论

众所周知，电力线的设计之初并非用于通信。因此，与其它的通信媒介相比，电力线的传输特性极为恶劣，具有高频通道电平衰落变化范围大、频率选择性衰落严重、噪声大、脉冲干扰频繁、网络结构随机地发生时变等缺陷。总之，电力线是极为恶劣的时变信道。

采用扩频通信，就是针对电力线的噪声、高衰减、信号失真等缺陷，因为扩频通信具有很强的抗干扰、抗多径衰落等优良性能，能克服窄带通信的不足，比较适合电力线高频通道环境。但由于电力线上的信号传输带宽规定在40～500kHz，这使得扩频增益不会很高。因而，其克服通道干扰的能力有限，在系统设计时，必须考虑这方面的因素。针对不同的衰落情况，需采用相应的措施，如自适应均衡技术、前向功率控制、自动增益控制以及可靠的纠错编码技术等；此外，还必须优化设计全网协议，以保证多点传输的可靠性和实时性。当配电网中某点发生故障导致网络结构发生变化时，应保证调度控制命令不受影响，实现安全通信。

国外开发的电力线载波通信芯片只适用于该国的信道特点，因此，综合国外在电力线扩频通信领域取得的研究成果及发展趋势，结合我国的具体情况，研究适合我国国情的具有自主知识产权的电力线通信产品，才是从根本上解决问题的唯一方法。

参考文献：

[1]　李玉清,卢志忠,魏晶玉．电量计量计费监控系统方案[J]．黑龙江电力,2001,(2):78-81．

[2] Morgan H，Robert W D．Attenuation of communication signals on residential and commercial Intrabuilding power distribution eircuits[J]．IEEE Transactions on Electromagnetic compatibility．1986,(4):220-230．

[3] John N,William M．Potential communication services using power line carries and broadband integrated services digital network[J]．IEEE Transaction on Power Delivery,1999,(4)1197-1201．

[4] Amitava D R.Networks for Homes[J]．IEEE Spectrum，1999，36(12):42-49．

[5] 张土文，殳国华，韩正之．线性调频技术在电力通信系统中的应用[J]．无线电工程,2001,(2):49-51．

来源：北极星