用戶負荷對載波通信輸出信號的影響試驗及分析

韓東，孫洋，殷聰，宮游

（1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150001；2.哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150028）

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)（Smart Grid）的迅猛發(fā)展，電力線載波通信（Power Line Carrier，PLC）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力用電信息采集系統(tǒng)。低壓電力線載波通信技術(shù)目前完成了系統(tǒng)信息的采集、計量數(shù)據(jù)的傳輸以及用戶用電情況的實時監(jiān)控［1-5］。

由于低壓電力線載波通信的信道是由電網(wǎng)組成，在電力載波通信過程中勢必會受到用電負荷的干擾影響；因此，載波通信過程輸出能力大小更顯尤為重要。本文采用了控制電網(wǎng)載波阻抗匹配的測試方法，通過實測數(shù)據(jù)證實了用電負荷對載波通信輸出效率有一定的影響［6-10］。

1 阻抗匹配

阻抗匹配是長線理論的一個重要概念。對于由信號源、長線及負載所組成的傳輸系統(tǒng)，為了提高傳輸效率，保持信號源工作的穩(wěn)定性以及提高長線的功率容量，希望信號源給出最大功率，同時負載吸收全部入射功率。前者要求信號源內(nèi)阻與長線輸入阻抗實現(xiàn)共軛匹配，后者要求負載與長線實現(xiàn)無反射匹配［11-12］。

本文涉及的阻抗匹配屬于前者的共軛匹配，如圖1所示，若信號源的內(nèi)阻為：長線輸入阻抗為：

則有如下公式：

通過T1參考面的平均功率

在Eg和Zg不變的條件下求P的極大值。由偏導(dǎo)公式及，得到P取極大值的條件為Rin＝Rg，Xin＝－Xg，即當(dāng) Zin＝Z*g，即信號源共軛匹配時，信號源可以輸出最大功率。

圖1 共軛匹配示意圖Fig.1 Schematic diagram of conjugate match

2 試驗方法

阻抗是低壓配電網(wǎng)評價載波通信效率的一個重要參數(shù)，其值的大小直接影響所發(fā)射的載波信號能否有效的耦合到電網(wǎng)中。低壓電力線作為通信信道的阻抗特性是隨機變化的，主要受到時間、頻率、負荷類型等因素的影響。電力線上的阻抗變化范圍越大，載波通信的發(fā)射端越難以輸出最大能量的信號，造成傳輸信號的衰減，甚至導(dǎo)致通信失敗。因此，載波通信的發(fā)射端，接收端以及電力線信道的阻抗匹配是影響電力線載波通信的關(guān)鍵因素。

為驗證用戶使用不同負載對電力線載波輸出通信的影響，試驗所用設(shè)備有：阻抗測試終端、阻抗匹配器、阻抗控制器、V型網(wǎng)絡(luò)、頻譜儀、抄控器、電能表、電腦等。電能表承擔(dān)計量負載電量和發(fā)射載波信號，阻抗匹配裝置作為調(diào)節(jié)控制電網(wǎng)輸入載波阻抗，阻抗測試終端測試電力線載波阻抗和相位值，電腦指令電能表發(fā)射載波信號，V型網(wǎng)絡(luò)和頻譜分析儀撲捉傳輸信號電平值，接線方式見圖2。

圖2 試驗接線Fig.2 Test wiring connection diagram

試驗步驟：

第一步，空負載時，通過阻抗測試終端觀測并記錄系統(tǒng)電網(wǎng)載波阻抗值，然后調(diào)節(jié)載波阻抗匹配器與阻抗控制器，使電網(wǎng)阻抗測試端的載波阻抗穩(wěn)定在這一范圍內(nèi)；

第二步，空負載時，用電腦控制電能表發(fā)送載波信號，頻譜分析儀檢測并記錄載波電平值，同時阻抗測試終端觀測并記錄載波阻抗值；

第三步，電能表下端接入用戶負載，切換不同工作狀態(tài)，分別通入載波信號，記錄載波信號電平值和載波阻抗值；

第四步，用戶接入不同負載，電腦指令電能表分別發(fā)送載波信號，同時記錄不同負荷的載波信號電平值和載波阻抗值；

第五步，分析比較用戶使用各類負荷與空負荷時，載波通信信號輸出電平值和載波阻抗值，歸納試驗數(shù)據(jù)，得出影響程度結(jié)果。

3 試驗結(jié)果及分析

本次試驗的用戶使用負荷有：空調(diào)扇、白熾燈、洗衣機、手提電腦、電視機、空調(diào)、微波爐、電冰箱等，這些負荷對載波輸出效率都具有不同程度的影響。文中列出影響較突出的典型范例，試驗載波通信頻率選擇為421 kHz（其它頻率規(guī)律一致不做列舉）。采用V型網(wǎng)絡(luò)裝置，排除電網(wǎng)本身載波阻抗變化影響的檢測方法，空負載時載波通信輸出最大電平值為115.8 dBμV，如圖3所示。試驗前為了排除電網(wǎng)負荷波動對本試驗的影響，采用載波阻抗控制裝置，調(diào)解控制電網(wǎng)系統(tǒng)輸入載波阻抗保持較低穩(wěn)定水平，起到隔離電網(wǎng)系統(tǒng)負荷波動影響本次試驗的作用。試驗前經(jīng)控制調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)輸入載波阻抗為4.3Ω，載波信號電平值為 20.7 dBμV，該數(shù)據(jù)作為本次試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于與其它負荷工況試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。

圖3 V型網(wǎng)絡(luò)載波通信電平Fig.3 PLC level on V net

空調(diào)扇通電未啟動時，載波通信輸出信號電平值如圖4（a）；啟動冷風(fēng)工況時載波通信輸出信號電平值如圖4（b）；風(fēng)扇加熱工況時載波通信輸出信號電平值如圖4（c）。

圖4 以空調(diào)扇為負載的載波通信輸出信號Fig.4 Output signal of PLC with cooler fan load

洗衣機通電未啟動時，載波通信輸出信號電平值如圖5（a）；洗衣機啟動強洗時載波通信輸出信號電平值如圖5（b）；洗衣機甩干時載波通信輸出信號電平值如圖5（c）。

圖5 以洗衣機為負載的載波通信輸出信號Fig.5 Output signal of PLC with washing machine load

空調(diào)通電未啟動時載波通信輸出信號電平值如圖6（a）；空調(diào)啟動時載波通信輸出信號電平值如圖6（b）。

圖6 以空調(diào)為負載的載波通信輸出信號Fig.6 Output signal of PLC with air condition load

圖7所示為電視通電啟動時載波通信輸出信號電平值。

圖7 以電視為負載的載波通信輸出信號Fig.7 Output signal of PLC with TV load

表1 載波通信電平和載波阻抗試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistic table of PLC level and impedance test data

歸納整理試驗數(shù)據(jù)，得到表1的試驗結(jié)果。通過試驗結(jié)果可以看出，用戶使用各類負荷對電能表載波發(fā)射效率都產(chǎn)生不同程度影響，表1中統(tǒng)計；電平最低達到 8.38 dBμV，最高為 24.28 dBμV，與基礎(chǔ)值比較范圍在 －12.32 dBμV至 ＋03.58 dBμV；載波線路阻抗 3.2Ω至 3.6Ω，與基礎(chǔ)值比較最低下降1.1Ω。

縱觀試驗數(shù)據(jù)不難看出，用戶使用負荷對載波輸出能力至關(guān)重要，也將較大影響載波傳輸是否成功的關(guān)鍵；從載波輸出特性角度分析，線路輸入阻抗為（V型網(wǎng)絡(luò)設(shè)為無窮大）純電阻時，載波輸出電平值115.8 dBμV，當(dāng)線路輸入阻抗下降4.3Ω時，載波輸出電平 20.70 dBμV，載波輸出有效率下降至17.9%（隨之電網(wǎng)干擾也按同比例下降）。表1試驗結(jié)果分析：用戶使用各類負荷不同，影響載波輸出效果各異，與試驗控制設(shè)定基礎(chǔ)值對比，載波線路阻抗下降0.7Ω至1.1Ω，載波輸出電平值8.38 dBμV至24.28 dBμV，載波輸出有效率 40.48%至 117.29%。綜上所述用戶負荷影響載波輸出特性歸納如下：

（1）用戶使用負荷與電網(wǎng)負載是并聯(lián)結(jié)線，用戶使用負荷種類不同將改變電網(wǎng)端對載波機的線路輸入阻抗，特別是與載波機較近的用戶負荷，影響程度更為突出，因為無功不能遠距離傳輸；

（2）負荷影響載波程度各有差異，主要與負荷性質(zhì)有關(guān)，即容性和感性。當(dāng)負荷諧波阻抗與線路載波內(nèi)阻共軛匹配時，載波輸出能力提高，這在空調(diào)通電未啟動試驗中體現(xiàn)，但總體載波輸出影響是下降的；

（3）電網(wǎng)線路載波阻抗大小制約載波輸出能力，電網(wǎng)線路載波阻抗越大，載波輸出效率越高，傳輸能力越強。但是，電網(wǎng)是由多個用戶組成，使用負荷是不可控制的。隨著社會發(fā)展負荷種類增多，都將影響制約載波傳輸質(zhì)量，應(yīng)從多渠道采取技術(shù)改進措施，確保載波通信技術(shù)的發(fā)展和延續(xù)；

（4）載波信號輸出電平如果被噪聲（線路噪聲和諧波噪聲疊加）淹沒，則會導(dǎo)致載波通信接收端的誤碼率上升或無法解調(diào)，影響通信的誤碼率；如果沒有被噪聲淹沒，載波通信接收端可以正常解調(diào)，則不影響誤碼率。載波通信速率不會受到載波信號輸出電平的影響。

4 結(jié)束語

文中給出運用阻抗隔離電網(wǎng)系統(tǒng)干擾的方法，開展了用戶負荷對載波通信特性影響的試驗檢測研究。通過試驗驗證，載波通信受用戶負荷的影響制約，如遇不利負荷載波輸出效率急劇下降。

隨著社會發(fā)展，用戶負荷種類繁多，勢必阻礙載波通信技術(shù)發(fā)展和延續(xù)，需多渠道采取技術(shù)改進措施。在滿足現(xiàn)有技術(shù)條件下提出以下建議：

（1）電力網(wǎng)主干線和電能表盡可能遠離用戶負荷，由電力線消耗負荷無功能量影響；

（2）在滿足技術(shù)條件前提下，用戶或臺區(qū)配電變壓器零線同時加裝低通高頻阻抗器，提高電網(wǎng)系統(tǒng)和用戶載波阻抗，載波通信能力將大幅提高。