中压电力线载波通信信道分析及模型研究

文/邹育霖 赵宏伟 孟艳清

目前，成熟的通信技术有光纤通信、GPRS通信、载波通信、微波通信等。与其他通信方式相比，载波通信有着先天的优势——可以充分利用现有的电力网进行通信，而不用额外布线，通信线路的投资小，后期运营费用少。因此在配网智能化中，载波通信有着极大的发展前景。特别是对于现存的大量已建配网的智能化升级，载波通信无需重新布线，接入方便，对电网运行无影响，成为了最具竞争力的方式之一。

但是，电力线是设计用于传输电能的线路，不是专门设计的通信线路，它的物理特性与专门的通信线路有着很大的不同。由于线路上传输的是电能，因此在传输通信信号时线路的信道特性极为复杂。电力线上负载多，每个负载都产生噪声，噪声干扰复杂，信号衰减大，由于存在多径衰减，会使信道产生多径延时 ，而且电力线信道参数是随时间和频率变化的，因此必须对电力线的信道特性进行分析和研究，建立合适的电力线信道模型。

1.信道特性分析

电力线阻抗特性与信号的耦合直接相关，噪声特性直接影响到信号在信道中的传输和衰减，衰减特性是信道本身直接影响信号衰减的部分。因此主要对这三个方面进行分析。

1.1 阻抗特性分析

大量的研究表明，载波通信信道的阻抗特性与频率有很大的相关性，总体上信道的阻抗特性是随着频率的增大而减小，但在实际中，并不完全按照这个趋势，甚至会与趋势相反 。电力网上有各种不同频率的负载，这些负载之间以及负载与电力线之间产生了各种共振电路，在共振频率附近，阻抗明显减小。阻抗特性随时间不同变化也很大，在不同时段有着不同的阻抗特性。电网中的各种负载都会随机地开通和关断，这也直接影响到了不同时间不同地点的阻抗特性的变化。通常白天的时候接入负载较多，因此通常情况下白天的阻抗较低，晚上相对较高。在载波机的阻抗与信道阻抗匹配的情况下，耦合的发射信号功率最大，然而，随着频率和时间的变化，阻抗特性从几欧姆到上百欧姆变化，很难实现输入匹配。

1.2 噪声特性分析

电力线载波通信系统中，噪声干扰是对信号影响最大的干扰，噪声特性是描述信道特性的最重要参数之一。噪声干扰的产生有以下几种情况：

(1)电力线的固有干扰，我国使用的交流电频率为50Hz，每个周期有两个峰值，因此电力线固有干扰为100Hz，时间间隔为10毫秒。

(2)周围环境产生的噪声干扰，在电网周围，存在着各种不同频率的中、短波广播电台，这些电台和其他各种电磁干扰会对载波通道产生一定的噪声干扰。

(3)电网设备产生的噪声干扰，电网上有着各种不同功率值的阻性、感性、容性设备和开关，这些设备在开闭时，会产生瞬时的冲击电流，成为电网中的高能噪声，干扰强度极大。在电网设备运行时，同样会产生一定的噪声。

对于这些噪声，我们可以分为以下几类：

(1)有色背景噪声 功率谱密度较低，由低功率电器产生，随频率变化。

(2)窄带噪声 由中、短波广播引起，随时间变化。

(3)与工频异步的周期性脉冲噪声 频率分部于50～200KHz，主要是显示器扫描频率与谐波产生。

(4) 与工频同步的周期性脉冲噪声 脉冲频率为工频整数倍，如50或100Hz，持续时间短、功率大，主要由可控硅器件等产生。

(5)突发噪声 系统内设备、开关的通断产生。发生时间是随机的，影响频带宽、功率谱密度大。

前三种噪声通常归为背景噪声，频谱宽、随时间变化缓慢，存在于电网的任意时刻，不同时段的功率谱密度也保持稳定，又可称为稳态背景噪声。后面两种噪声功率谱密度较高，随时间变化快，可以达到毫秒级甚至是微秒级，可以称为脉冲噪声，数据通信时出现的错误通常由其引起。

2.信道衰减分析及建模

信号在电力线上传输，会产生很大的衰减，主要是线路衰减和多径衰减。线路衰减主要是因为线路本身的电气特性产生的，属于固有衰减，主要受电力线的固有参数影响。中压电网中电力线网络复杂，线路节点多，信道中很多节点处阻抗都不匹配，在信号传输过程中，经过这些阻抗不匹配的节点时，会发生信号的反射，反射的信号会产生时间上的延迟，同时又会影响发射信号。这些反射就构成了信号的多径衰减。

2.1 线路损耗衰减

由于电缆本身有热损失和辐射等，信号在传输过程中会发生衰减，这种衰减随着频率的增大和距离的增大而增加。为了分析的方便，现在首先考虑载波通道线路损耗衰减，这等效于只考虑载波信号从信源到信宿的波形传播。模型如图1所示：由电源、电力线AB、负载三部分组成，其中电源的阻抗为sZ，电力线AB距离为l，负载阻抗为LZ。

图1 电力线传输模型

对于电力线节点阻抗匹配的情况，长度为l的电力线传输函数可以表示如下：

其中l为传输距离，r为传输常数。r通常可表示为以下形式：

α是传输常数的实部，为衰减常数，β为相位常数，是传输函数的虚部。在传输线结构一定的情况下，频率的改变会直接影响到幅度和相位常数的变化。

在载波通信中，载波信号的频率远大于工频电源的频率，故载波信道的传输常数可以按如下形式给出：

其中 ω =2π f ，f为载波信号的频率。R、L、G、C分别是电力线的电阻、电感、电导、电容。假设两导体间的距离远大于两导体间的半径，导体间距离和导体的半径分别用D和a表示。则单位长度的电容、电感、电阻、电导可以表示为：

其中：ε为真空介电常数，ε=8.854*10^-12

µ为磁导率，µ=4*π*10^-7

σ为电导率，σ=5.8*10^7

ZL为单位长度传输线的特征阻抗

2.2 多径反射衰减

由于电力线的连结点处的组抗特性发生改变，当信号传输到这类阻抗变化点处的时候，会有一定量的信号发生反射，致使信号不能完全传输过去，信号的功率发生损失，而反射的信号又会沿着另一条路径继续传输到终点。为了分析的简便，我们选择一个简单的电路模型来分析线路的多径反射。

图2 线路的多径反射

如图2所示：信号为从A点向B点传输，结点为O，支路长度为L1、L2、L3，支路传输常数分别为1γ、2γ、3γ，结点为A、B、C，反射系数分别为ρA、ρB、ρC，从各支路向结点O传输的信号反射系数分别为ρAO、ρBO、ρCO。

连结O点的有3条支路，任意支路上的点A、B、C向O点传输的信号，在到达O点后，均分成3路信号，分别向各条支路传输。而这些信号到达支路端点后，则分成了两路信号——入射信号和反射信号。入射信号被负载吸收，不再在线路上传输，反射信号继续向O点传输。由此我们可以推算出信号每过一次O点，就会有一条路径的信号到达接收点B。故信号第K次过O点时，到达接收点的路径数为 3n−1，到达B点的信号总数为：

1+ 3 + 32+ L + 3n−1= 3n−1

第一次过C点：A-O-B L1+L2

第二次过C点：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

第三次过C点：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次反射时第i条路径在负载处接受的信号，i = 1 ,2,3L 3N−1。

第N次反射时所有路径在负载处接受的信号：

所有路径在负载处接受的信号：

由于信号是多径传播的，不同的路径传播的信号经过的距离不同，因此到达的时间也会有差别。到达的时间与路径的距离总和有关，具体表达是为

其中τ是路径到达终点的时间，l是信号传播路径的距离总和，c是信号传播速度，光速。

2.3 信道模型

通过分析，我们知道中压电网的阻抗不匹配特性决定了信号的多径传播特性。我们可以将每一条特定的通信路径的衰减用下式表示：

经过不同传输路径到达终点的信号总和为：

考虑到信号在输入端和接收端的耦合，信号在电力线上的自然衰减和多径反射衰减以及线路噪声的影响，我们可以得到一个电力线信道模型，如图3所示：

图3 电力线信道模型

3.结论

电力线上有复杂的噪声干扰，对信号的传输有着极大的干扰，信号在电力线传输有着固有的衰减，由于线路阻抗特性复杂多变，很难达到阻抗匹配，使得电力线上有着复杂的多径反射，对信号的传输有着很大的干扰。本文通过对中压电力线阻抗、噪声、衰减特性的分析，建立了简单实用的中压载波通信信道模型。

1. KlausOostert，powerline communications，北京，中国电力出版社.2003

2.李艳龙，陈维千.在城市10kV配网上实现载波通信，电力系统通信.2001（3）.5～11

3.易浩勇，汪晓岩，孙荣久，刘胤龙，蔡世龙，王忠杰.中压配电网载波通信的多径反射模型研究，电力系统通信.2004（1）.21～23

4.李家生，刘大茂，孙旭飞.低压电力线信道阻抗测量与匹配，现代电子技术.2011.34（7）.161～164

5.蔡伟，乐健，靳超，黄楚鸿，郑雪.电力线载波通信信道建模技术综述，电力系统保护与控制.2012.40（10）.149～154

6.张有兵，程时杰，何海波，熊兰，J.Nguimbis.低压电力线高频载波通信信道的建模研究，电力系统自动化.2002.26（23）.62～65

7.程晓荣，苑津莎，侯思祖，康恩婷.中压宽带电力线通信接入及信道特性测试与分析，电力系统自动化.2005.29（14）.69～72

8.李丰，田海亭，王思彤，袁瑞铭，梁贵书.低压电力线窄带载波通信信道阻抗与衰减特性的现场测量及分析，电测与仪表.2011.48（547）.90～95