室內低壓電力線的信道特性研究

賈鵬飛 華 偉 崔 雙 李 智

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室內低壓電力線的信道特性研究

賈鵬飛 華 偉 崔 雙 李 智

（四川大學電子信息學院，成都 610065）

本文利用傳輸線理論，分析了信號在電力線上的傳輸過程，引出了多枝節多反射的電力線信道模型，并對其進行仿真。在1～100MHz頻段內，對實驗室內的低壓電力線信道的特性進行了實測，與仿真結果進行了對比。本文討論了接入220V交流電力網絡對所測電力線信道的影響，發現了電力線主干長度、枝節數目、枝節長度和交流電力網絡等均會對電力線信道的傳輸特性和阻抗特性產生影響，電力線的衰減具有頻率選擇性。

電力線；建模；傳輸特性；衰減

隨著現代電力技術的快速發展，大量的先進技術已經應用于電力自動化系統，包括計算機技術、先進電子技術以及安全快速通信技術等[1]。隨著網絡與通信技術的快速發展，利用已有的中壓、低壓電力線來傳輸數據、圖像、音頻和視頻等的電力線通信技術，尤其是利用220V交流低壓電力線實現高速數據傳輸的技術越來越受到重視。電力線網絡作為世界上最大的有線通信網絡，基本涵蓋了全球范圍的任意角落，電力線通信不需要額外布線，連接方便，即插即用，被業內人士普遍認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術之一[2]。然而電力線系統網絡拓撲結構復雜多變[3]，在樓宇中創建基于電力線的通信系統，將電力線作為傳輸高速信號的通信信道，就必須克服一些技術限制：①作為樓宇基礎設施的電力布線的設計目的是將50Hz或60Hz的工頻交流電源傳送到樓宇各個角落，連接或斷開各種用電負載，而不是將通信信號從建筑的某一位置傳送到其他區域；②室內電力布線的拓撲結構高度可變，取決于建筑物的大小、類型、用途等因素，分支多，且無規律性。并且不同用電設備的接入或斷開也會改變網絡的傳輸特性，可能引起隨時間、頻率的不同，信號衰落的變化[4-5]。因此，電力線信道特性的研究是實現電力線載波通信的重要課題。已有電力線載波通信的研究工作多數集中在1～30MHz頻段[6-7]，進行電力線模型分析和測試，鮮有接入實際電力網絡的分析與測試和對更高頻段的研究。然而電力線通信使用更高頻段、更寬帶寬是必然的發展趨勢。目前，Homeplug AV2標準建議的室內低壓電力線通信頻段為1～85MHz，而IEEE標準P1901IEEE Standard的頻段達到60MHz[8]，因此研究較高頻段的電力線信道特性十分必要。本文利用一種多路徑多反射的電力線信道模型進行仿真，測試并分析了1～100MHz的電力線信道特性，探索了220V交流電力網絡對電力線信道特性的影響，并找到一些影響電力線信道特性的相關因素。

1 電力線信道模型

1.1 引出模型

鑒于建筑物的結構不同，電力線網絡的拓撲結構會有很大不同，電力線的材質也會不同，不同材質的電力線會有不同的高頻信號傳導損耗和輻射損耗，從而造成了電力線信道特性的不同。關于電力線信道模型的探索已有S參數模型，阻抗導納模型[9]等，然而無論是哪種模型，都需要已知電力線網絡結構以及用電設備的參數。不同電力網絡的拓撲結構取決于建筑本身，在高度時變的電力線架構中難以實時獲得上述參數。同時，高頻的發送端信號在經過電力線信道時，其路徑存在多個信道，可能經過多條路徑到達接收端。因而經過延時和衰減，接收端接收所有路徑的信號，各個分量幅度和相位都有所差異。因此整個寬帶低壓電力線網絡具有駐波、行波的混合特性[10]。本文分析了一種多枝節、多徑反射的電力線信道模型，本模型多枝節、多徑反射的信道特征與實際電力線網絡結構多分枝、分枝點阻抗突變的情況具有較高的吻合度。

1.2 模型推導

首先，將電力線視為理想的平行雙線傳輸線進行分析。依據傳輸線理論，假設傳輸線的一端發送頻率的正弦信號，線上的電壓和電流隨時間時諧變化。此時傳輸線上的瞬時電壓和電流分別為(,)和(,)：

（2）

根據克希荷夫定律可得理想均勻傳輸線方程為

（4）

將式（1）、式（2）代入式（3）、式（4），得到傳輸線方程：

（6）

對式（5）、式（6）求微分得

（8）

式中，為傳輸線上波的傳播系數，一般情況為復數，其中為衰減系數，為相位系數。

實際電力線信道中，式（9）中的為復數阻抗，包含實部和虛部。電力線分析建模時，等效為兩部分組成，傳輸損耗t以及輻射損耗r，t和r均為復數。式（9）因此可被寫成

（10）

求解式（7）、式（8）得

（12）

其中

在式（11）和式（12）中，1、2分別為積分常數，由傳輸線上的條件確定。

基于平行雙線模型，本文采用回波傳輸函數的方法來描述電力線信道的多徑模型，設電力線信道中共有個節點，每個節點共有條支路，信號在經過每個節點時都會在該節點的條支路上傳輸，得到如圖1所示的電力線信道模型。

圖1 多路反射衰減信道模型

設信號在某個枝節上的傳輸函數為H()，某個每個節點的傳輸函數為H()，整個信道的傳輸函數()為每個節點的傳輸函數的級聯，由式（11） 可得

（15）

（16）

式中，表示某節點上的第個枝節；表示第個節點；a為信號在各個枝節的幅度，l為電力線的長度，為加權系數，與信道阻抗有關，為衰減系數，是頻率和電力線長度的函數。()是與頻率有關的函數，為反射波的延遲系數，與電力線的布線環境和傳輸路徑有關。

由以上的公式可知，電力線信道具有隨電力線的長度的增加和枝節數量的增加而衰減增加的特性，同時具有頻率敏感性。下面首先對模型進行了仿真，其次對實際電力線信道模型進行了測試，驗證傳輸函數和電力線長度、枝節的關系。

1.3 模型仿真

利用上述電力線信道模型，進行Matlab數學建模仿真。鑒于220V交流電力網絡的結構復雜多變，且具有時變性。針對未接入220V交流電力網絡的不同長度電力線模型的傳輸特性進行仿真，結果如圖2所示。

圖2 電力線信道模型仿真結果

圖2中的a、b、c分別表示單枝節的5m、10m、20m的電力線信道仿真結果，隨著電力線長度的增加，在1～100MHz頻段內，其傳輸函數呈現衰減增大的趨勢，各個頻點的衰減幅度不同，且在部分頻點出現向下的衰減凹槽。

2 信道特性測試

采取控制變量法，利用安捷倫NA7200A矢量網絡分析儀進行室內低壓電力線信道特性的測試。首先，電力線的枝節數目和長度不變，改變電力線的主干長度測試信道特性。然后，在保證電力線的主干長度不變，改變枝節的數目和長度測試信道特性。最后接入與斷開220V交流電力網絡，測試電力線信道特性的變化。

采用圖3所示的測試框圖。為保證測試結果的統一，枝節接入點為同一位置，交流電力網絡通過同一接口引入。

圖3 電力線信道測試框圖

其中的測試裝置主要由矢量網絡分析儀、耦合裝置、插座和電力線組成，其中矢量網絡分析儀用來測試整個電力線信道的特性，耦合裝置由4700pF串聯電容和并聯二極管TVS1.5KE200A組成。電容防止工頻信號進入測試裝置，二極管防瞬變、防浪涌，為電涌保護器，其最大持續運行電壓最小值應大于其接到線路產生的最大運行電壓[11]。插座選用公牛牌插座，作為枝節的接入點，可以控制枝節接入或斷開，電力線為0.75mm2國標布線，三芯插頭。

3 測試結果與仿真分析

由回波傳輸函數的多路反射衰減模型可以得到整個電力線網絡的信號強度分布。對實際電力線信道傳輸函數進行測試，測試場景為不同長度的電力線模型網絡。

3.1 傳輸特性測試

分別對長度為5m、10m和20m的電力線模型網絡進行測量，測試在1～100MHz頻段的傳輸函數，并對接入220V交流電力網絡前后對電力線信道的影響和枝節對電力線信道特性的影響進行測試。測試結果如圖4所示。

圖4 電力線信道傳輸曲線

圖4中曲線a、b、c分別表示長度為5m、10m、20m的電力線在未接入220V交流電力網絡傳輸函數的測試結果。曲線d、e、f分別表示長度為5m、10m、20m的電力線在接入220V交流電力網絡之后傳輸函數的測試結果。從圖4可以看出，隨著電力線長度的增加，其信道衰減呈增大趨勢，且在部分頻點可能出現較大衰減凹槽。說明信道衰減具有頻率選擇性，對比接入和未接入交流電力網絡的測試結果可以看出，220V交流電力網絡的引入會改變電力線信道的頻率選擇性，使得出現衰減凹槽的頻點改變。對比實測結果和仿真結果，觀測其未接入電力網絡的5m、10m、20m的信道特性曲線，可知實測和仿真的電力線信道都出現衰減凹槽，凹槽數目相近，衰減的幅度有所差異，信道傳輸函數曲線趨勢基本一致。

3.2 阻抗特性測試

阻抗匹配對電力線信道的傳輸尤為重要，匹配的阻抗會獲得最佳傳輸函數，然而220V交流電力網絡的引入會改變電力線信道的阻抗。為了分析220V交流用電網絡對電力線信道阻抗特性的影響，分別對未接入220V交流電力網絡的電力線信道阻抗、220V交流電力網絡接入端阻抗以及接入220V交流電力網絡后的整個電力線信道阻抗進行了測試。

圖5、圖6分別為測試電力線信道在傳輸函數出現凹槽的頻點處所表現的阻抗實部和虛部，其中曲線a是出現凹槽的頻點在未接入220V交流電力網絡的電力線信道的信號輸入端口阻抗，曲線b是該部分頻點在實驗室220V交流電力網絡的輸入端口阻抗，曲線c為該部分頻點在接入電力網絡之后的電力線信道的總的信號輸入端口阻抗。電力線信道的阻抗具有頻率選擇性，因此只對出現衰減凹槽的頻點處的阻抗進行了測試，對比圖中的測試結果得知，接入電力網絡后對電力線信道的阻抗影響明顯，但其總阻抗不是呈現簡單的并聯。220V交流電力網絡對出現衰減凹槽頻點的阻抗實部影響明顯，虛部影響較小，導致出現凹槽頻點的阻抗發生變化，因此所測試信道中的衰減凹槽在接入220V交流電力網絡后會有所變化，其變化為衰減凹槽出現的頻點的移動，幅度的變化。

圖5 傳輸函數測試結果中凹槽頻點處的阻抗實部

圖6 傳輸函數測試結果中凹槽頻點處的阻抗虛部

3.3 枝節對信道的影響測試

當電力線主干長度為10m、枝節長度為5m時，電力線信道中分別接入不同枝節，測試枝節對信道傳輸特性的影響。

圖7中a、b、c分別表示電力線信道中接入1個、2個、3個枝節后的傳輸特性曲線。圖8中a、b、c分別表示同一位置接入一個枝節，枝節長度為1m、2m和5m時，信道的傳輸特性測試結果。

圖7說明隨著信道中枝節數目的增加，電力線信道的衰減呈現增大趨勢，并且向下的衰減凹槽數目也呈現增多趨勢，結合圖8的測試結果可知，在1～100MHz內，枝節的數目會改變衰減凹槽的數目，枝節數目越多凹槽越多，枝節的長度不會改變衰減凹槽數目；然而枝節長度和電力線主干長度都會對信道的衰減有影響，枝節越多、電力線越長都會造成電力線信道的衰減增大。對比未接入220V交流電力網絡的實測結果和仿真結果，得知所提出的信道模型，在未引入交流電力網絡時，仿真結果和實測結果近似，引入電力網絡后改變了電力線信道的阻抗特性，使其傳輸函數有所改變。

圖7 枝節數目對信道傳輸特性的影響

圖8 枝節長度對信道傳輸特性的影響

4 結論

模型仿真和測試結果分析表明，在未接入220V交流電力網絡時，模型的仿真結果和實際的電力線信道具有近似的趨勢，而交流電力網絡的引入改變了電力線信道特性。室內低壓電力線的長度、枝節和交流電力網絡都會對其信道特性有影響，其信道衰減隨著線長的增加而增大，隨著線上枝節數目的增多而增大，且具有頻率選擇性，在1～100MHz內，部分頻點會出現向下的衰減凹槽，凹槽的數目隨著電力線上枝節數目的增加而增多，與枝節長度無關。220V交流電力網絡的引入會改變電力線信道的阻抗特性，其改變不是阻抗的簡單并聯，而是表現出隨機性，對電力線信道阻抗的實部影響較大，虛部影響較小，使電力線信道中出現衰減凹槽的頻點發生改變。

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Research on Channel Characteristics of Indoor Low-voltage Power Line

Jia Pengfei Hua Wei Cui Shuang Li Zhi

(College of Electronic and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065)

The process of signal transmission within the indoor power line channelis analyzedwith transmission line theory and a multi-branch, multi-reflection channel model is established.The low-voltage power line channel characteristics have been measured in the laboratory and also been simulated with the model studied in the frequency range of 1～100MHz. With the comparison of the measured results with that of the simulation, whether the access of 220V AC power network will affect the power line channel characteristics has been discussed. At last, it is found that the length of the main power line, branch number, branch length, and 220V AC power network affect the transmission parameters and impedance characteristics of the indoor power line. Meanwhile, the attenuation of power line channel have the feature of frequency selectivity.

power line; modeling; transmission characteristics; attenuation

賈鵬飛（1989-），男，陜西咸陽市人，碩士，主要從事電子信息、射頻電路設計工作。

四川省科技支撐計劃項目（2015SZ0054）

四川省應用基礎計劃項目（2014JY0164）