低压电力线载波通信中信号传输特性分析

1、低压电力线载波通信中信号传输特性分析2006-12-22 15:49引言随着供电管理自动化的发展， 远程集中抄表系统已经获得越来越广泛的应用 1 。在集中抄表系统的推广使用过程中，利用低压电力线作为通信信道的技术已经日益体现出其优势。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。 因此，在使用电力线作为信号传输媒介之前，需要对它的信道特性进行分析。由于从六七十年代以来，利用 10 kV 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波电话已经获得广泛使用， 对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。 但是， 在 220 V/380 V 低压电力线上进行信号传输，

2、与高压电力线载波通信有较大 区别， 突出表现在工作环境恶劣、 线路阻抗小、 信号衰减强、干扰大且时变性大等特点 。因此，对于低压电力线载波信道，有必要进一步具体分析。1 低压电力线上输入阻抗及其变化输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。 研究输入阻抗， 对于提高 发送机的效率，增加网络的输入功率有重大意义。研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。 在理想情况下， 当没有负载时， 电力线相当于一根均匀分布的传输线。 由于分布电感和分布电容的影响， 输入阻抗会随着频率的增大而减小 。 当在电力线上有负载时， 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

3、同频率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从0.1 Q变到大于100 Q,变化范围超过了 1000倍！而且，在实验所测的频率范围内， 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。 为了解释这一问题， 可以将电力线看成是一根传输线， 上面连接有各种复杂的负载。 这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路， 在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。因此，在输入阻抗- 频率图上可以看到许多阻抗低谷区。 这些低阻抗区组合起来， 就形成图 1 所示的图形， 并会在局部上违反电力线上阻抗随

4、负载增大而降低的一般规律。 同时， 正是由于负载会在电力线上随机地连上或断开， 所以在不同时间， 电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。出于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。在由许多电阻、电容和电感组成的网络中，从不同的点上看进去，输入阻抗显然是不同的。图 1的两曲线就是在同一个低压电力线网的不同地点测得的。 可以看出， 信号输入点的不同对输入阻抗的影响是非常大的。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化， 使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难。2 低压电力线上高频信号的衰减及其变化高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信

5、遇到的又一个实际困难。 对高频信号而言， 低压电力线是一根非均匀分布的传输线， 各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开。 因此， 高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系。总的来说，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，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。对于民用电网，其三相电源所接的负载大小和性质都不相同， 所以同样强度的信号在三相上的衰减也不同

6、。这种现象有时就表现为接收机和发送机的位置不变，接在不同相上，通信的误码率不同。信号频率与信号衰减有着直接的关系。IS 曲线的衰减随频率变化比较平缓， 且小于 5 dB。 由于距离很近， 发送与接收两点间的负载对信号衰减影响不大。 I 曲线由于布线图未知，所以无法得知准确的距离，但估计在20 m 300 mi将IS曲线和I曲线进行比较，可见传输距离对衰减的影响是非常明显的， 在某些频率， 衰减的变化可以超过50 dB。 从 I曲线可以看出，小于60 kHz的信号，衰减大约在25 dB附近，然后衰减随频 率增加而增大，到了 200 kHz,衰减大约为50 dB。A1和A2曲线的测量距离 同样未知

7、，估计在20 m300 mi比较I , A1和A2曲线可以发现，高频信号在跨相传播时，衰减一般都要比同相传播大。通常情况下，这个差距可以达到 1 0 dB 以上。但是，有些时候跨相传播的衰减并不一定大于同相传播。引起这种现象的原因是三根相线之间存在的一些耦合电容，以及有些三相供电的用电设备，如三相电机、大功率加热器等。这些设备对称地使用三相电源，也就等效于为高频信号在三相电源之间加入了耦合元件。值得一提的是， 电容器对低压电力线载波通信系统有重大的影响。 由于电容器高频信号的阻抗比较小， 所以会使高频信号有比较大的衰减。 例如， 一个接在一相上的10 nF电容器，对100 kHz的信号的阻抗只

8、有0.16 Qo这对于低 压电力线载波通信系统可以说是一个巨大的障碍。图2 (b)为晚上在同一地点测得的衰减曲线。因为IS曲线与图2 (a)几乎 完全一样， 所以未画出。 从 I 曲线可以看出， 晚间同相传输的衰减基本上比白天要小，在某些频率，衰减甚至可以小20 dB。这主要是因为晚间的负载较轻。在跨相传输中，衰减的波动比较大，在某些频率上的衰减比白天还要大这可能是电抗性负载、反射、多径传播或驻波等现象造成的影响。20 dB。从以上曲线的分析可知， 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， 大于 150 kHz 的信号会有比较大的衰减。所以， 许多现有

9、的低压电力线载波通信系统大多使用低于150 kHz 的载波频率。但是，图2 (b)中，80 kHz信号衰减的突然增加表明在50 kHz150 kHz的频率范围内也可能会出现很大的衰减。高频信号在低压电力线上传输时， 还有一个显著的现象是其衰减随工频电源的相位而变化。有时高频信号在工频电源的某个相位范围(比如30°150° , 210°330° )内会发生较大的衰减变化。在这个相位范围内，信号衰减有可能会减小几个分贝， 或是增大几分贝到十几分贝。 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

10、件， 于是就将电力线连接到了后面的电路上。 这些电路上通常含有大容量的电容器或大功率的负载， 所以会引起高频信号衰减的急剧变化。 而且大多数的开关电源都在一次侧接有补偿电容， 虽然电容量较小， 但是由于数量较多， 所以其影响不容忽视。 除此之外， 开关电源会向电力线上施放大量高频干扰， 从而影响通信系统的工作。这一点将在后面详细阐述。随着负载在电力线上的连接或断开， 在不同的时刻， 信号衰减都会表现出不同的特点。有时这种变化的程度会很大。这一现象，在对比图2 (a)和图2 (b)中就可以看出。由于负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机地发生变化。但是，从统计上来说，这种变化还是有一定的定性规

11、律可寻的。多数情况下，电力线上负载的大小、性质是按照一定规律在一定范围内变化，例如，在工业区，白天的衰减比晚上大，而在居民区，晚上18： 00到 22： 00 的衰减是最大的。合理地利用这些规律，对于提高通信系统的可靠性有重要的作用。另外，接收机所处的位置不同，信号的衰减也不同。在某些负载，如彩色电视机、计算机等的旁边，高频信号的衰减往往会增大许多。在现场试验过程中， 我们还发现在电缆线与架空线混合布线的地方， 在电缆与架空线连接处的信号衰减十分显著。 产生这种现象的原因， 可能是由于在这一点，线路阻抗发生突变，高频信号会在此发生反射，因而使信号衰减增大。从以上分析可以看出，在总体上，电力线上

12、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。在跨相传播时，衰减一般比同相传播要大10 dB 以上，但有时也会有例外。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有很大的影响。3 低压电力线传输干扰特性分析在低压电力线上进行数据通信时的另一个需要认真研究的重要问题是电力线上干扰的特殊性质。 电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰。

13、 非人为干扰指的是一些自然现象， 如雷电， 在电力线上引起的干扰。 人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有更严重的影响。经过研究已经发现，电力线上的干扰不能被简单地认为是可加性高斯白噪声。为了表示这种干扰的复杂特性并简化分析，我们可以近似地将其分成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4。3.1 低压电力线上干扰的周期性在以前的研究中发现，谐波噪声以交流电频率(fAC) 的整数倍出现，因此我们有理由相信干扰也会存在周期性的倾向。 图 3 是某一时刻实验室中电力线上的干扰波形。图中显示电力线上

14、的主要干扰是周期性出现的，其出现频率为2fAC，而且其幅值比时不变连续干扰大许多。 这种干扰的强度有时可能很大， 其峰峰值可达 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出干扰。例如，可控整流电源在AC电源基波正半周和负半周的45°切换，则在一个工频周期中AC电源上会出现2个缺口，从而会以100 Hz为周期，每周期2次释放出强烈的干扰，而且这种干扰与AC电源有着固定的相位关系。每次干扰的持续时间受多种因素的影响，如可控整流电源在AC电源上产生缺口的宽度，电力线对高频干扰的衰减强度等。在图 3中，每次 干扰的持续时间约为3 ms而许多

15、开关电源、逆变器等还可能产生频率高于 100 Hz 的周期性干扰。为对这种周期干扰进行进一步分析， 画出图 3 干扰信号的对数频谱特性如图1.1 所示。从图 4 中可以看出，干扰信号的频谱非常不规则，存在许多突变，有些频率信号的强度很高，有些则很低。但是，从总体上来看， 9 kHz 以上的干扰信号的强度比8 kHz以下的信号的强度平均要大7 dB8 dB。因此，这种周期干扰主要是由大量的高频干扰组合而成的。 由于通常使用的电力线载波通信设备的工作频率都在10 kHz 以上， 所以这种干扰必然会对它们的正常工作产生很大的影响。 如果不采取措施， 这种干扰可能引起几个到十几个数据位的传输错误。例如

16、， 以上述干扰为例， 对于以 4800 bit/s 进行的数据通信， 每次干扰可能破坏 15 个数据位的传输。消除这种干扰的困难有两点：首先，由于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， 而且这些参数的变化范围可能很大， 所以很难有针对性地采取措施抑制这种干扰； 其次， 由于这种干扰的频谱非常宽， 所以对接收 端滤波器的灵敏度有很高的要求。 另外， 有许多大功率的用电设备， 如电机等， 会在电网上产生很多的高次谐波。 这些高次谐波只存在于工频的整数倍的频率内， 但是能量较大， 且频率有可能延伸到几万赫兹。 如果信号频率正好与它们重叠， 则对通信的可靠性会产生很 大的影响。

17、在实际情况中， 由于有大量的用电设备同时释放出干扰， 而这些干扰的瞬时功率、周期、相位等又变化很大，各不相同，因此最终会在电力线上产生时不变的连续干扰。 在图 3 中， 幅值较低的连续干扰就属于这种干扰。 这种干扰表现为平均功率较小， 但是频谱很宽而且持续存在。 由于信号在电力线上传输的衰减非常大且富于变化， 而且干扰频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱， 因此， 在通信 过程中的信噪比可能会变得很低，通信误码率增加。1.2 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高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障等

18、引起的， 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 5。高压开关的断开和闭合在电力线路上导致的暂态过程会产生一系列的电磁脉冲（脉冲群），而这一暂态过程受多种因素影响，分散性极大。雷电会在电力线路上产生能量很大的电流和电压脉冲， 电流峰值可达几千安培，电压峰值可达几万伏。这种波形的上升时间很短，通常不大于5.5 ns,下降时间相对较长，但通常也不大于75 So雷电波沿线路侵入变电站，并通过一、 二次系统间的各种耦合或接地网进入二次回路。 这样的雷击过电压在低压 网络内传播时， 遇阻抗不同的节点时将发生反射， 产生振荡波， 其频率和传播速度与电路内的各种参数有

19、关，最具典型的是上升时间为0.5 ns、振荡频率为1 00 kHz 的衰减振荡波。显然，这种脉冲会对载波通信产生很大的影响。另外， 低压电力线路上的各种大功率负载的突然开关、 大功率电机的启停过程、功率因数补偿电容器的投切以及短路、故障切除和重合闸等都会引起电压、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。上述这些干扰的持续时间较短，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。 如果它们正好发生在数据通信过程中， 由于其高能量、 宽频谱的特性， 通常会使所传数

20、据的若干个位甚至整个数据传输过程发生错误。 在一个完善的低压电力线载波通信系统中， 可以通过前向纠错码、自动重发机制、数据预取机制等措施加以克服。1.3 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2 个方面。首先是因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度都各不相同。其次是因地而变，即在不同的低压电网之间，干扰情况各不相同；而在同一个低压电网之内， 不同地点的干扰情况也不相同。 前者是因为在不同的电网之间，连接的负载、线路情况、电网结构等都不同，导致电网内的各种参数都不同， 则必然会影响干扰的分布。 后者是因为干扰在电力线上的传播

21、也要遵循高频信号在电力线上的传播特性， 会受到电力线上衰减特性的影响， 因而对距离、负载分布等也很敏感。 因此， 电力线上干扰的因地而变的特性对低压电力线载波通信系统也会有很大的影响。通过以上讨论， 我们可以看到， 低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂， 而且随机性、 时变性大， 难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述， 这也是为什么一直以来对低压电力线高频信号传输特性的分析多以定性分析和实验数据测试分析为主的原因。 即使有些学者提出了一些模型， 但是这些模型也往往是附加了许多假设和限制， 因而也是不精确的或适用面很窄。 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

22、提出了很高的要求， 即要求其有很好的自适应能力。但同时，出于实用的角度，为了获得合理的性价比，又要求其成本要限制在一定的范围内。这些对系统的设计而言是一个很大的挑战。但是， 尽管低压电力线载波通信存在上述所说的这些困难， 我们仍然认为用低压电力线作为通信信道是可行的，只是需要采用一些特殊的技术手段。目前，低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术的方向发展。采用扩频通信技 术， 能在很大程度上克服电力线的强衰减、 强干扰的缺陷， 大大提高通信系统的生存能力。 在我们设计的载波通信系统中， 就采用了扩频通信技术， 发射功率为4.5 W在几个居民小区进行试运行时，发现通常情况下至少可以保证 100 m的可靠通信距离。 这样， 再结合适当的差错控制技术和动态中继技术， 完全可以使低压电力线载波通信系统满足远程集中抄表系统的需要。 有关这一点， 我们将 另外撰文介绍。高锋，男，副教授，现从事工业自动化的教学与研究工作。董亚波，男，博士研究生，现从事工业自动化、计算机通信的研究。参 考文 献1,邵源，钟炬，周昭茂(Shao Yuan, Zhong Ju, Zhou Zhaomao).关于低压 用户集中抄表系统综述(A Survey of Automated Meter Reading Sys