中壓電力線載波通信信道分析及模型研究

文/鄒育霖 趙宏偉 孟艷清

目前，成熟的通信技術有光纖通信、GPRS通信、載波通信、微波通信等。與其他通信方式相比，載波通信有著先天的優勢——可以充分利用現有的電力網進行通信，而不用額外布線，通信線路的投資小，后期運營費用少。因此在配網智能化中，載波通信有著極大的發展前景。特別是對于現存的大量已建配網的智能化升級，載波通信無需重新布線，接入方便，對電網運行無影響，成為了最具競爭力的方式之一。

但是，電力線是設計用于傳輸電能的線路，不是專門設計的通信線路，它的物理特性與專門的通信線路有著很大的不同。由于線路上傳輸的是電能，因此在傳輸通信信號時線路的信道特性極為復雜。電力線上負載多，每個負載都產生噪聲，噪聲干擾復雜，信號衰減大，由于存在多徑衰減，會使信道產生多徑延時 ，而且電力線信道參數是隨時間和頻率變化的，因此必須對電力線的信道特性進行分析和研究，建立合適的電力線信道模型。

1.信道特性分析

電力線阻抗特性與信號的耦合直接相關，噪聲特性直接影響到信號在信道中的傳輸和衰減，衰減特性是信道本身直接影響信號衰減的部分。因此主要對這三個方面進行分析。

1.1 阻抗特性分析

大量的研究表明，載波通信信道的阻抗特性與頻率有很大的相關性，總體上信道的阻抗特性是隨著頻率的增大而減小，但在實際中，并不完全按照這個趨勢，甚至會與趨勢相反 。電力網上有各種不同頻率的負載，這些負載之間以及負載與電力線之間產生了各種共振電路，在共振頻率附近，阻抗明顯減小。阻抗特性隨時間不同變化也很大，在不同時段有著不同的阻抗特性。電網中的各種負載都會隨機地開通和關斷，這也直接影響到了不同時間不同地點的阻抗特性的變化。通常白天的時候接入負載較多，因此通常情況下白天的阻抗較低，晚上相對較高。在載波機的阻抗與信道阻抗匹配的情況下，耦合的發射信號功率最大，然而，隨著頻率和時間的變化，阻抗特性從幾歐姆到上百歐姆變化，很難實現輸入匹配。

1.2 噪聲特性分析

電力線載波通信系統中，噪聲干擾是對信號影響最大的干擾，噪聲特性是描述信道特性的最重要參數之一。噪聲干擾的產生有以下幾種情況：

(1)電力線的固有干擾，我國使用的交流電頻率為50Hz，每個周期有兩個峰值，因此電力線固有干擾為100Hz，時間間隔為10毫秒。

(2)周圍環境產生的噪聲干擾，在電網周圍，存在著各種不同頻率的中、短波廣播電臺，這些電臺和其他各種電磁干擾會對載波通道產生一定的噪聲干擾。

(3)電網設備產生的噪聲干擾，電網上有著各種不同功率值的阻性、感性、容性設備和開關，這些設備在開閉時，會產生瞬時的沖擊電流，成為電網中的高能噪聲，干擾強度極大。在電網設備運行時，同樣會產生一定的噪聲。

對于這些噪聲，我們可以分為以下幾類：

(1)有色背景噪聲 功率譜密度較低，由低功率電器產生，隨頻率變化。

(2)窄帶噪聲 由中、短波廣播引起，隨時間變化。

(3)與工頻異步的周期性脈沖噪聲 頻率分部于50～200KHz，主要是顯示器掃描頻率與諧波產生。

(4) 與工頻同步的周期性脈沖噪聲 脈沖頻率為工頻整數倍，如50或100Hz，持續時間短、功率大，主要由可控硅器件等產生。

(5)突發噪聲 系統內設備、開關的通斷產生。發生時間是隨機的，影響頻帶寬、功率譜密度大。

前三種噪聲通常歸為背景噪聲，頻譜寬、隨時間變化緩慢，存在于電網的任意時刻，不同時段的功率譜密度也保持穩定，又可稱為穩態背景噪聲。后面兩種噪聲功率譜密度較高，隨時間變化快，可以達到毫秒級甚至是微秒級，可以稱為脈沖噪聲，數據通信時出現的錯誤通常由其引起。

2.信道衰減分析及建模

信號在電力線上傳輸，會產生很大的衰減，主要是線路衰減和多徑衰減。線路衰減主要是因為線路本身的電氣特性產生的，屬于固有衰減，主要受電力線的固有參數影響。中壓電網中電力線網絡復雜，線路節點多，信道中很多節點處阻抗都不匹配，在信號傳輸過程中，經過這些阻抗不匹配的節點時，會發生信號的反射，反射的信號會產生時間上的延遲，同時又會影響發射信號。這些反射就構成了信號的多徑衰減。

2.1 線路損耗衰減

由于電纜本身有熱損失和輻射等，信號在傳輸過程中會發生衰減，這種衰減隨著頻率的增大和距離的增大而增加。為了分析的方便，現在首先考慮載波通道線路損耗衰減，這等效于只考慮載波信號從信源到信宿的波形傳播。模型如圖1所示：由電源、電力線AB、負載三部分組成，其中電源的阻抗為sZ，電力線AB距離為l，負載阻抗為LZ。

圖1 電力線傳輸模型

對于電力線節點阻抗匹配的情況，長度為l的電力線傳輸函數可以表示如下：

其中l為傳輸距離，r為傳輸常數。r通常可表示為以下形式：

α是傳輸常數的實部，為衰減常數，β為相位常數，是傳輸函數的虛部。在傳輸線結構一定的情況下，頻率的改變會直接影響到幅度和相位常數的變化。

在載波通信中，載波信號的頻率遠大于工頻電源的頻率，故載波信道的傳輸常數可以按如下形式給出：

其中 ω =2π f ，f為載波信號的頻率。R、L、G、C分別是電力線的電阻、電感、電導、電容。假設兩導體間的距離遠大于兩導體間的半徑，導體間距離和導體的半徑分別用D和a表示。則單位長度的電容、電感、電阻、電導可以表示為：

其中：ε為真空介電常數，ε=8.854*10^-12

μ為磁導率，μ=4*π*10^-7

σ為電導率，σ=5.8*10^7

ZL為單位長度傳輸線的特征阻抗

2.2 多徑反射衰減

由于電力線的連結點處的組抗特性發生改變，當信號傳輸到這類阻抗變化點處的時候，會有一定量的信號發生反射，致使信號不能完全傳輸過去，信號的功率發生損失，而反射的信號又會沿著另一條路徑繼續傳輸到終點。為了分析的簡便，我們選擇一個簡單的電路模型來分析線路的多徑反射。

圖2 線路的多徑反射

如圖2所示：信號為從A點向B點傳輸，結點為O，支路長度為L1、L2、L3，支路傳輸常數分別為1γ、2γ、3γ，結點為A、B、C，反射系數分別為ρA、ρB、ρC，從各支路向結點O傳輸的信號反射系數分別為ρAO、ρBO、ρCO。

連結O點的有3條支路，任意支路上的點A、B、C向O點傳輸的信號，在到達O點后，均分成3路信號，分別向各條支路傳輸。而這些信號到達支路端點后，則分成了兩路信號——入射信號和反射信號。入射信號被負載吸收，不再在線路上傳輸，反射信號繼續向O點傳輸。由此我們可以推算出信號每過一次O點，就會有一條路徑的信號到達接收點B。故信號第K次過O點時，到達接收點的路徑數為 3n?1，到達B點的信號總數為：

1+ 3 + 32+ L + 3n?1= 3n?1

第一次過C點：A-O-B L1+L2

第二次過C點：A-O-B-O-B L1+3*L2

A-O-A-O-B 3*L1+L2

A-O-C-O-B L1+L2+2*L3

第三次過C點：A-O-B-O-A-O-B 3*L1+3*L2

A-O-B-O-B-O-B L1+5*L2

A-O-B-O-C-O-B L1+3*L2+2*L3

A-O-A-O-A-O-B 5*L1+L2

A-O-A-O-B-O-B 3*L1+3*L2

A-O-A-O-C-O-B 3*L1+L2+2*L3

A-O-C-O-A-O-B 3*L1+L2+2*L3

A-O-C-O-B-O-B L1+3*L2+2*L3

A-O-C-O-C-O-B L1+L2+4*L3

……

用 UNi表示第N次反射時第i條路徑在負載處接受的信號，i = 1 ,2,3L 3N?1。

第N次反射時所有路徑在負載處接受的信號：

所有路徑在負載處接受的信號：

由于信號是多徑傳播的，不同的路徑傳播的信號經過的距離不同，因此到達的時間也會有差別。到達的時間與路徑的距離總和有關，具體表達是為

其中τ是路徑到達終點的時間，l是信號傳播路徑的距離總和，c是信號傳播速度，光速。

2.3 信道模型

通過分析，我們知道中壓電網的阻抗不匹配特性決定了信號的多徑傳播特性。我們可以將每一條特定的通信路徑的衰減用下式表示：

經過不同傳輸路徑到達終點的信號總和為：

考慮到信號在輸入端和接收端的耦合，信號在電力線上的自然衰減和多徑反射衰減以及線路噪聲的影響，我們可以得到一個電力線信道模型，如圖3所示：

圖3 電力線信道模型

3.結論

電力線上有復雜的噪聲干擾，對信號的傳輸有著極大的干擾，信號在電力線傳輸有著固有的衰減，由于線路阻抗特性復雜多變，很難達到阻抗匹配，使得電力線上有著復雜的多徑反射，對信號的傳輸有著很大的干擾。本文通過對中壓電力線阻抗、噪聲、衰減特性的分析，建立了簡單實用的中壓載波通信信道模型。

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