PLC技術(shù)在艦船通信中的應(yīng)用初探＊

張皓嵐 羅寧昭

（海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）

1 引言

電力線載波通信（Power Line Communication，簡稱PLC）技術(shù)是指采用調(diào)制／解調(diào)技術(shù)，利用傳輸工頻電能的電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號的一種通信方式，是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式。電力線載波技術(shù)以電力線路為傳輸通道，不占用無線頻道資源，亦無需鋪設(shè)專用通信線路，具有通道可靠性高、投資少、見效快、維護簡單、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨厚的優(yōu)點，開發(fā)電力線資源具有巨大的實用價值和經(jīng)濟價值［1］。

如果能將艦船配電網(wǎng)絡(luò)復用為通信網(wǎng)絡(luò)，即采用PLC技術(shù)實現(xiàn)艦船電氣設(shè)備的通信，相對于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，將會有以下優(yōu)勢：

1）工程量小，投入成本低。電力線載波通信技術(shù)充分利用已有的電力線路為傳輸信道，不用進行額外布線，能夠解決艦船上布線困難的問題，同時可降低設(shè)備成本，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資；減少穿艙電纜，增強了水密性能，降低了工程施工難度，節(jié)約施工成本，不會出現(xiàn)干擾艦船正常運行的情況［2］。

2）增裝簡便。在艦船現(xiàn)代化改裝過程中，難免增裝新的電氣設(shè)備，因而必然增加通信接口，采用配電網(wǎng)絡(luò)作為通信載體，可避免在改裝過程中新增穿艙通信電纜，大大降低了施工難度，增加了通信節(jié)點而不增加線路。只要有電線插座，艦員可以即插即用接入電力線通信網(wǎng)，提高了通信的及時性和便利性。

3）減少了故障源。艦船上任何設(shè)備都可看作潛在的故障源，通信電纜也不例外。電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用使得配電網(wǎng)絡(luò)取代了通信網(wǎng)絡(luò)，降低了由通信網(wǎng)絡(luò)故障引起監(jiān)控系統(tǒng)故障的概率，提高了系統(tǒng)可靠性［3］。

研究載波通信的第一步就是要對具體電力線上的噪聲、輸入阻抗等進行分析研究，以此得到電力線上信號的干擾、衰減、阻抗的頻域關(guān)系，從而綜合確定最佳的調(diào)制策略。由于艦船存在“分區(qū)供電”的情況，所以PLC技術(shù)應(yīng)該應(yīng)用于在區(qū)域配電網(wǎng)之下的局域通信，設(shè)計艦船PLC網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 艦船電力載波通信網(wǎng)

2 艦船配電網(wǎng)情況

船舶配電網(wǎng)絡(luò)分為：1）正常照明配電網(wǎng)絡(luò)。該電網(wǎng)則由照明變壓器副邊算起，通過主配電網(wǎng)的照明負載饋電各照明分配電板，再由各分配電板供電給全船所有照明燈具。2）動力配電網(wǎng)絡(luò)。指供電給三相異步電動機負載的電網(wǎng)，也包括供電給380V三相電熱負載的電纜。該網(wǎng)絡(luò)輸送的電能約占全船全部電能的70%左右。3）應(yīng)急電網(wǎng)。當主電源失電時，應(yīng)急電源自動啟動并通過應(yīng)急電網(wǎng)供電給應(yīng)急用戶。4）小應(yīng)急電網(wǎng)。由24V蓄電池提供的直流電提供給各應(yīng)急設(shè)備。5）弱電電網(wǎng)。全船無線電通訊設(shè)備、各種助航設(shè)備、信號報警系統(tǒng)等用戶供電的低壓支流電網(wǎng)或中頻電網(wǎng)［4］。

以上的幾種配電網(wǎng)絡(luò)中，220V的正常照明配電網(wǎng)絡(luò)無疑最適合作為載波通信的網(wǎng)絡(luò)。照明配電網(wǎng)絡(luò)分布廣，而且網(wǎng)絡(luò)上所連接設(shè)備功率小，設(shè)備的開關(guān)也不頻繁，所以產(chǎn)生的噪聲信號也相應(yīng)要小一些。

3 艦船照明配電網(wǎng)的輸入阻抗研究

輸入阻抗的研究是為了實現(xiàn)艦船用電力線調(diào)制解調(diào)器與艦船電力線的阻抗匹配。

3.1 艦船照明電路的電纜參數(shù)

船舶網(wǎng)路有兩種線路。即“短線路”和“長線路”。如按發(fā)熱條件計算的截面大于按電壓損失要求計算的截面，這樣的線路稱為“短線路”。反之，按電壓損失要求計算的截面大于按發(fā)熱條件計算的截面時，這樣的線路稱為“長線路”。對“短線路”來說，按發(fā)熱條件來選擇電纜截面，必然滿足電壓損失的要求；對“長線路”來說，按電壓損失來選擇電纜截面，必須滿足發(fā)熱的要求。經(jīng)實踐統(tǒng)計表明，中、小型船舶的動力網(wǎng)路一般都屬于“短線路”，照明網(wǎng)路，特別是低壓照明網(wǎng)路，大多是“長線路”。按照規(guī)范的要求，照明網(wǎng)路電纜的截面要根據(jù)網(wǎng)路電壓損失來確定，電壓損失應(yīng)按總接入負載電流計算。照明系統(tǒng)和配電系統(tǒng)電路的總負載電流應(yīng)按如下要求確定：

1）支線接入負載額定值的矢量和；

2）在確定照明電路的電流定額時，每一燈頭必須按能與它連接的最大負載計算，但最小為60W。每個照明插座應(yīng)按二個燈頭計算。

對于未具體指明負載的插座，應(yīng)考慮增加功率的裕量，應(yīng)采用如表1所示負載系數(shù)來確定配電板的電纜規(guī)格［5］。

表1 具體指明負載的照明電路負載系數(shù)

3.2 高頻信號下艦船照明電纜的交流電阻

PLC需要采用高頻信號通過船用電纜，所以會產(chǎn)生顯著的趨膚效應(yīng)，即高頻信號通過時，認為電流只在表面上很薄的一層中流過，相當于導線截面減少，電阻增大，中心部分幾乎沒有電流。研究表明，導線中電流密度從導線表面到中心按指數(shù)規(guī)律下降，導線的有效截面積減少而電阻加大。工程上定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的0.368（1／e）時的厚度為趨膚深度Δ［6］：

其中f為頻率，μ為磁導率，ρ為電導率。對于銅介質(zhì)，μ＝1.257μH／m，ρ＝1.369＊108S／m，均為20℃時的數(shù)值。那么交流電阻R與直流電阻的關(guān)系可表示為

3.3 電力線信道輸入阻抗計算

選用在船舶上安裝使用的電源電壓不超過250V的以熒光燈為負載，主要用于篷頂燈、艙頂燈、角燈、壁燈和床頭燈。熒光燈具內(nèi)部安裝有等于和大于0.5μF的電容器，自感為1.56H，由于高頻信號在負載之前已經(jīng)被濾出電路，所以只考慮熒光燈直流電阻為300Ω，其等效電路為

圖2 艦船照明配電網(wǎng)等效電路圖

可見電纜中的載波信號行波與負載的反射波混合，形成行駐波的傳輸狀態(tài)。由于趨膚效應(yīng)的影響，頻率越高交流電阻越大，電纜中的信號衰減越大，反射系數(shù)減少，使輸入阻抗在周期性波動中減小并逐漸趨向特性阻抗。此曲線的意義在于根據(jù)通信方案的通信頻率可以對應(yīng)找到輸入線路的阻抗，從而匹配電力線調(diào)制解調(diào)器的輸出阻抗。

圖3 艦船照明配電網(wǎng)電纜中的輸入阻抗與頻率關(guān)系

4 艦船電力線信道的傳輸特性研究

運用仿真的方法，將噪聲干擾和多徑衰減效應(yīng)加入到電力線通信信道之中，辨識此電力線信道得艦船電力線信道的傳輸特性，作為PLC艦船應(yīng)用的理論支持。

對于陸地的電力線來說，一般來說有1）有色背景噪聲；2）由廣播臺介入電力線的窄帶噪聲，這種噪聲主要是調(diào)幅正弦信號；3）由電力設(shè)備開關(guān)引起的與工頻不同步的周期沖擊噪聲，頻率在50Hz～200Hz之間，頻域中表現(xiàn)為重復出現(xiàn)的一系列離散譜線；4）由與電機同步工作的電力設(shè)備產(chǎn)生的與工頻周期相關(guān)聯(lián)的周期噪聲，持續(xù)時間短且功率譜密度隨頻率升高而下降；5）大量的隨機噪聲。然而對于艦船電力載波通信來說，因為船艙對于電磁波具有電磁屏蔽作用，所以由無線通信引起的窄帶噪聲是不存在的，故不需要分析（2）噪聲。

現(xiàn)將1）、3）、4）、5）類噪聲仿真實現(xiàn)［8］，與多徑衰減模塊一齊加入電力線信道仿真SIMULINK模型中，利用辨識信號對此電力線通信信道進行辨識［9］，可以得出艦船電力線通信信道的傳輸特性曲線：

圖4 艦船電力線信道的傳輸特性曲線

由此曲線可以看出，艦船電力線信道具有選擇性衰落的特點，衰減可以很大，達到60dB，也可以幾乎為零，所以對于技術(shù)應(yīng)用來說，需要對具體信道進行大量有效的噪聲采集［10］，分析噪聲的頻域分布，找到衰減在整個周期內(nèi)都最小的頻點作為通信信號的調(diào)制頻點。

5 PLC信號對艦船電能質(zhì)量與電氣設(shè)備的影響

PLC信號由發(fā)射機部分發(fā)出，發(fā)射功率與負載在大小有關(guān)，目前使用和將要使用的發(fā)射機，發(fā)射功率主要集中在零點幾毫瓦到幾百毫瓦之間，載波信號接收機靈敏度都不大于400μV，信號電平在零點幾伏到幾伏之間，而且具有隨負載變化自動調(diào)節(jié)發(fā)送功能。以美國INTELLON公司的電力線調(diào)制解調(diào)器為例計算PLC信號對電能品質(zhì)的影響，信號電平0.4V，以最嚴重的情況發(fā)送功率300mw、信道輸入阻抗100Ω計，信號有效值U有效＝Pout＊RIN，有效值5.5V。對電能質(zhì)量影響的指標分析如下［11］：

1）電壓偏差＝5V／220V＝2%，滿足電壓偏差≤±3.5%。

2）載波信號屬于高頻信號，一般在100kHz以上，且功率極小，不會對工頻信號頻率產(chǎn)生影響。

3）總諧波畸變率＝2.3%。

4）載波信號是均值為零的周期信號，疊加工頻時不會產(chǎn)生直流分量。

5）定義電壓驟降持續(xù)時間最小為10ms，載波信號的周期在μs級。

6）載波信號很小，引起的三相不對稱可忽略不計，更不會造成保護設(shè)備誤動作。

7）高頻載波信號在包裹的電纜中，不會對周圍電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

所以電力載波信號不會影響用電品質(zhì)。由于艦船電纜具有多層包裹，高頻信號輻射出的能量也很微小，不會對周圍電氣設(shè)備造成影響［13］。

6 結(jié)語

本文針對PLC技術(shù)在艦船通信中應(yīng)用的幾個關(guān)鍵問題作了理論分析，確定了應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)為艦船照明配電網(wǎng)，計算出了照明配電網(wǎng)在高頻信號下的輸入阻抗特性并仿真得出了電力線通信信道的傳輸特性，同時在兼容性方面，證實PLC信號不會對艦船的電能質(zhì)量和周圍的電氣設(shè)備產(chǎn)生影響。

［1］張典謨.電力系統(tǒng)通信基礎(chǔ)［M］.北京：水利電力出版社，1999：6－10.

［2］歐清海.國外高速電力線通信技術(shù)發(fā)展分析［J］.通信世界，2005（21）：34－35.

［3］齊淑清.電力線通信技術(shù)在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國電信建設(shè)，2005（3／4）：28－34.

［4］李麟，沈冰，莊勁武.艦船電力系統(tǒng)［M］.武漢：海軍工程大學出版社，2001：199－210.

［5］吳強，甄洪斌，張超，等.水面艦艇電氣設(shè)備［M］.武漢：海軍工程大學出版社，2011：86－92.

［6］余明揚，童磊.集膚效應(yīng)對銅排導電性能的影響分析［J］.電氣技術(shù)，2007（4）.

［7］張喻，郝文輝，高金輝.微波技術(shù)與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006：105.

［8］Zimmermann M，Dostert K.A Multipath Model for the power line channel［J］.IEEE Trans.Commun，2002，50（4）：553－559.

［9］MengH.Guan YL.Chen S.Modeling and Analysis of Noise Effects on Broadband Power－line Communication［J］.Power Delivery，IEEE Transactions on，2005，20（2）：630－637.

［10］呂鋒，呂國遠.低壓電力線通信信道模型［J］.電力系統(tǒng)通信，2004（12）：30－32.

［11］程曉榮，侯思祖，趙惠蘭，等.PLC對電能質(zhì)量和電器設(shè)備的影響［J］.電力系統(tǒng)通信，2004（12）：53.

［12］張立民，孫永威，周帆.基于AMSAA模型的彈上電子設(shè)備可靠性增長試驗研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2010，38（2）.

［13］吳晗平.艦船電子設(shè)備可靠性與環(huán)境防護技術(shù)［J］.裝備環(huán)境工程，2004（2）：64－68.