電力線載波技術在高速鐵路中的應用研究

熊 偉，孫建明，夏 炎，宋 淳，李達義，汪威宇

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.中國鐵路經濟規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038；3.華中科技大學 電氣與電子工程學院 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著我國經濟的快速發(fā)展以及“碳達峰、碳中和”雙碳環(huán)保目標的提出，傳統(tǒng)內燃機式機車將進一步被電力機車所替代。采用電力機車可降低鐵路運輸成本，但電力機車單相接入電網，是一個具有非線性、不對稱和波動性特點的大功率負荷。電力機車的接入導致三相電壓不平衡并產生高次諧波電流注入電網[1-2]。

電力機車投入在三相電網中會產生負序電流，造成用電損耗過大，使變壓器利用率下降，同時還會降低輸電線路傳輸能力，造成電壓波動[3]。對鐵路用電，如三相電壓、電流、功率因數(shù)以及三相不平衡度等信息進行實時、準確的監(jiān)測，有助于調控治理電氣化鐵路中存在的負序分量，節(jié)約用電成本，降低能源損耗。

用電信息采集系統(tǒng)是監(jiān)測鐵路用電的基礎，通過采用自動采集、遠程通信、集中控制等技術，實現(xiàn)對用電數(shù)據(jù)的采集、處理與分析，為優(yōu)化鐵路電能質量提供支持。如圖1所示，用電采集系統(tǒng)由設備采集層、通信層以及主站層3層架構組成。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)結構

電力線載波（Power Line Communication，PLC）技術使用現(xiàn)有電力線進行通信，具有無需布線、建設成本低的優(yōu)點，且其傳輸速率滿足用電信息采集需求，通信傳輸具有一定抗干擾能力，在自動抄表遠程控制中得到了廣泛應用[4]。

1 PLC技術原理

PLC技術是將信息調制為高頻信號直接在電力線上傳輸?shù)囊环N通信技術，目前主要分為窄帶電力線載波（Narrowband Power Line Communication，NBPLC）和寬帶電力線載波（Broadband Power Line Communication，BBPLC）。窄帶PLC的傳輸頻率為3～500 kHz，傳輸速率可達500 kb/s；寬帶PLC的傳輸頻率為1.5～30 MHz，傳輸速率可達200 Mb/s[5]。前者主要用于自動抄表、系統(tǒng)檢測以及遠程控制等，可滿足鐵路部門對用電數(shù)據(jù)的采集的需求，后者用于視頻、語音傳輸及互聯(lián)網接入。

PLC信號主要有頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）和正交頻分復用（Orthogonal Frenquency Division Multiplexing，OFDM）兩種調制方式。其中，F(xiàn)SK是上一代PLC調制技術，采用單載波調制，抗干擾能力差，傳輸速度慢，具有一定抗衰減性，OFDM采用多載波調制，充分利用頻譜，抗噪聲干擾，魯棒性強[6]。

對PLC信道分析有許多建模方法，主要分為確定和隨機模型兩類[7]。在時域內使用電報微分方程能很好地描述PLC信號在電力線上的傳播特性，單位電力傳輸線模型如圖2所示。

圖2 單位傳輸模型

所使用的電報微分方程為：

式中，x為電力線長度，R′、L′、G′、C′分別為單位電阻、電抗、電導以及電容。

求解上述偏微分方程，可以得到特征阻抗Zc和傳播常數(shù)γ為：

根據(jù)傳輸線理論，得到傳輸線理論模型如圖3所示。

圖3 傳輸線理論模型

圖中，線路長度為L、末端阻抗為ZL、線路特征阻抗為ZC、傳播常數(shù)為γ的電力傳輸線，首端等效輸入阻抗Zin為：

2 貫通線仿真建模

在向車站及沿線非牽引負荷供電的配電系統(tǒng)中，變電所與配電所之間設置的兩回10 kV電力線稱為貫通線[8]。貫通線向鐵路沿線信號、通信負荷及其他各種設備負荷提供電能。

電纜線具有節(jié)約地面空間和受外界環(huán)境干擾小等優(yōu)點，國內貫通線主要選用電纜線，對鐵路貫通線中型號為YJV22-8.7/10-3*70的三芯電纜進行建模，仿真參數(shù)設置如表1中所示[9]。

表1 YJV22-8.7/10-3*70型電纜參數(shù)

由于PLC信號為高頻信號，因此需考慮單位電阻、電感、電容隨頻率的變化。通常情況下，單位電感、電容受頻率影響較小，在載波通信頻段下可認為是定值[10]。受線損影響，單位電阻與頻率的關系可用二次線性函數(shù)描述為：

式中，二次系數(shù)AR為-0.03 mΩ/(kHz2)，一次系數(shù)BR為39 mΩ/(kHz)，電阻常數(shù)CR為2330 mΩ。

在MATLAB/Simulink中建立載波信號在10 kV貫通線上傳輸?shù)姆抡婺Ｐ停鐖D4所示。

圖4 10kV貫通線仿真模型

PLC發(fā)射端的信號電壓幅值為U0，經耦合裝置在10 kV貫通線上傳播，到線路末端接收處信號電壓幅值衰減為U1，則衰減幅值為：

分別仿真50～100 kHz頻率下載波信號在100～4000 m貫通線上的傳播，衰減特性如圖5所示。

圖5 10 kV貫通線衰減

由仿真結果可知，載波信號在貫通線上傳播的衰減并不是隨距離增大而增大，而是沿線出現(xiàn)波峰波谷。因此選擇合適的通信距離，可以提升電力線載波傳輸能力。

3 高速鐵路電力載波實驗

在已經安裝基于PLC技術自動抄表裝置的江蘇省新沂站及高鐵維修工區(qū)內，測試傳輸信道內噪聲特性及PLC信號的衰減特性。

3.1 噪聲特性測試

使用示波器測量變電站內220 V單相電壓波形，經快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）變換后，可得到0～200 kHz噪聲頻譜，橫軸為頻率，縱軸為分貝數(shù)，分貝數(shù)越大，此頻率下的噪聲強度越大。如圖6所示。由噪聲頻譜顯示30 kHz以下噪聲較強，頻率大于30 kHz后噪聲最大強度相差不大。

圖6 變電站內噪聲特性

為更加直觀地比較不同頻率下PLC信號地相對強度，測試ST7540和LME2980兩款載波芯片在高鐵維修工區(qū)內發(fā)射信號強度與噪聲強度的比值，即信噪比，結果如圖7所示。

圖7 不同頻率下信噪比

3.2 衰減特性測試

為研究PLC信號在高鐵維修工區(qū)電力線上傳播的衰減情況，在變電站房內使用集中器，對食堂、宿舍、辦公樓及軌道車棚內安裝的智能電表進行抄表，使用示波器測試集中器接收信號強度，根據(jù)式（7）計算衰減幅值，結果如圖8所示。

圖8 不同距離下衰減特性

4 高速直通車的噪聲干擾

近年來，我國電氣化鐵路采用基于脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術的交直交型電力機車，其具有牽引功率大、產生低次諧波的含量小等優(yōu)點[11]。但交直交型機車使用的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等全控型器件，在IGBT開關頻率附近產生對電力線載波通信具有干擾的高頻噪聲。

列車通過車站的供電區(qū)間時，具有速度快、時間短的特點，車內開關元器件頻繁動作，對牽引供電形成沖擊負荷，產生高次諧波，干擾站內電力線載波信號的傳輸[12]。在新沂站內測量直通車經過時照明回路中噪聲分布，結果表明噪聲主要集中于13 kHz附近。

5 結 論

PLC技術在高速鐵路中主要應用于用電信息采集系統(tǒng)，可滿足鐵路自動抄表通信需求。基于傳輸線理論，對電力線載波信號在鐵路10 kV貫通線傳輸?shù)姆抡姹砻鳎d波信號在電力線上的衰減呈波峰波谷效應，因此選擇合適通信距離可最大化發(fā)揮載波傳輸能力。對高鐵客站載波傳輸信道內噪聲測試，結果表明30 kHz頻率以下噪聲強度較高，在鐵路采用PLC技術進行通信時，應避開30 kHz以下頻段，減小噪聲干擾。