载波通信在舰船电网中的应用研究

张皓岚，贺慧英，罗宁昭

（海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引言

电力线载波通信（PLC, Power Line Carrier）技术是指采用调制／解调技术，利用传输工频电能的电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式，是电力系统特有的一种通信方式。电力线载波技术以电力线路为传输通道，不占用无线频道资源，亦无需铺设专用通信线路,具有通道可靠性高、投资少、见效快、维护简单、与电网建设同步等得天独厚的优点，开发电力线资源具有巨大的实用价值和经济价值[1-2]。

如果能将舰船配电网络复用为通信网络，即采用PLC技术实现舰船电气设备的通信，相对于传统的通信网络，将会有以下优势:

1）工程量小，投入成本低。电力线载波通信技术充分利用已有的电力线路为传输信道，不用进行额外布线，能够解决舰船上布线困难的问题，同时可降低设备成本，减少网络建设的投资；减少穿舱电缆，增强了水密性能，降低了工程施工难度，节约施工成本，不会出现干扰舰船正常运行的情况。

2）增装简便。在舰船现代化改装过程中，难免增装新的电气设备，因而必然增加通信接口，采用配电网络作为通信载体，可避免在改装过程中新增穿舱通信电缆，大大降低了施工难度，增加了通信节点而不增加线路。只要有电线插座，舰员可以即插即用接入电力线通信网，提高了通信的及时性和便利性。

3）减少了故障源。舰船上任何设备都可看作潜在的故障源，通信电缆也不例外。电力线载波通信技术的应用使得配电网络取代了通信网络，降低了由通信网络故障引起监控系统故障的概率，提高了系统可靠性。

1 舰船PLC通信网络总体设计

1.1 PLC的适用网络

船舶配电网络分为:①正常照明配电网络。该电网则由照明变压器副边算起，通过主配电网的照明负载馈电各照明分配电板，再由各分配电板供电给全船所有照明灯具；②动力配电网络。指供电给三相异步电动机负载的电网，也包括供电给 380 V三相电热负载的电缆。该网络输送的电能约占全船全部电能的70%左右；③应急电网。当主电源失电时，应急电源自动启动并通过应急电网供电给应急用户；④小应急电网。由24 V蓄电池提供的直流电提供给各应急设备；⑤弱电电网。全船无线电通讯设备、各种助航设备、信号报警系统等用户供电的低压支流电网或中频电网[3]。

以上的几种配电网络中，220 V的正常照明配电网络无疑最适合作为载波通信的网络。照明配电网络分布广，而且网络上所连接设备功率小，设备的开关也不频繁，所以产生的噪声信号也相应要小一些。

1.2 舰船PLC通信网络的规划

舰船电力系统是电源、配电网和本舰用电负载所组成的完整体系，是最为典型的移动式独立电力系统。船舶电力系统中电能产生、分配、传输以及使用皆在船舶内进行和完成。为了满足不同电气设备的工作电压，舰船配电网中有不同等级的变压装置，由于载波通信的高频信号无法通过变压装置，这些变压装置将舰船电力载波通信网络分割为不同的子网络，子网络之间的载波通信就需要研究如何“绕过变压器”；为提高供电生命力，船舶电网上采取开关隔离的方式，在功能工况或某些特殊情况下，由各发电机进行分区供电，从而可以把故障限制在一个区域的小范围内。这样以来，舰船PLC网络或由一个环形、总线型的大局域网退化为若干个树形的小局域网，阻碍了全舰的及时通信，这与“绕过变压器”实质是一样的:即舰船设备对 PLC通信的阻断问题。解决阻断问题有两种方案:①模拟电路方案，利用阻波器、滤波器，让信号通过这些设备通过阻断处；②数字电路方案，利用数字交换机、数字中继器等设备组成计算机网络将阻断处连接起来，同时能起一个控制中心的作用。克服了阻断问题，就构成了电力线和通信线混合的舰船通信网络，电力线载波只解决区域通信问题。

设计舰船PLC网络如图1所示。

图1 舰船电力载波通信网

2 舰船电力线载波通信的通信介质

2.1 舰船照明电路的电缆

船舶网路有两种线路。即“短线路”和“长线路”。如按发热条件计算的截面大于按电压损失要求计算的截面，这样的线路称为“短线路”。反之，按电压损失要求计算的截面大于按发热条件计算的截面时，这样的线路称为“长线路”。对“短线路”来说，按发热条件来选择电缆截面，必然满足电压损失的要求；对“长线路”来说，按电压损失来选择电缆截面，必须满足发热的要求。经实践统计表明，中、小型船舶的动力网路一般都属于“短线路”，照明网路，特别是低压照明网路，大多是“长线路”。按照规范的要求，照明网路电缆的截面要根据网路电压损失来确定，电压损失应按总接入负载电流计算。照明系统和配电系统电路的总负载电流应按如下要求确定[4]:

1）支线。接入负载额定值的矢量和。

2）干线分支。所有支线电路接入负载矢量和得到的最大线电流。

3）干线。所有接入干线分支的接入负载电流矢量和。

4）馈线。馈线需用因数与所有接入干线的三相总负载电流的矢量和之乘积。

5）在确定照明电路的电流定额时，每一灯头必须按能与它连接的最大负载计算，但最小为60 W。每个照明插座应按二个灯头计算。

对于未具体指明负载的每个交流或直流插座，应考虑增加功率的裕量。对专门给照明插座供电的插座电路，应采用如下表所示负载系数来确定配电板的电缆规格:一个电路内插座数3个以下，负载系数为1；一个电路内插座数4～6个，负载系数.75；一个电路内插座数为7～9个，负载系数为0.65；一个电路内插座数为10～11个，负载系数为0.60；一个电路内插座数为12～15个，负载系数为0.55。

由 LC主要用于解决区域配电网络内的通信问题，所以我们采取支线中最大负载的情况来确定照明电缆的规格，即一个电路内15个插座数，负载系数0.55。则此条电路上负载为3272 W，最大电流为8.610 A，根据表1和表2[4]，可确定照明网络电力线截面积应为2.5 mm2，对应直流电阻 R0为7.360mΩ/m，感抗L为0.372μH/m。照明用聚乙烯电缆电流定额如表1所示，截面积单位为平方毫米，额定电流单位为安培。船用三芯电缆电阻和感抗值如表2所示。

表1 氯乙烯绝缘电缆的电流定额

表2 三芯电缆线芯的电阻和感抗值（f=50 Hz）

电缆单位长度的电容为:

其中ε为真空介电常数，rε为相对介电常数，D为绝缘层外径，d为铜芯直径，n为芯数，G为三芯电缆几何修正系数，。

2.2 高频信号下舰船照明电缆的交流电阻

PLC需要采用高频信号通过船用电缆，所以会产生显著的趋肤效应，即高频信号通过时，认为电流只在表面上很薄的一层中流过，相当于导线截面减少，电阻增大，中心部分几乎没有电流。研究表明，导线中电流密度从导线表面到中心按指数规律下降，导线的有效截面积减少而电阻加大。工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368（1/e）时的厚度为趋肤深度[5]:

其中f为频率，µ为磁导率，ρ为电导率。对于铜介质，μ=1.257μH/m ，ρ=5.714× 109S/m ，均为20℃时的数值[6]。那么交流电阻 R与直流电阻的关系可表示为[7-8]:

则交流电阻 R=K·R0，R0为直流电阻。

3 电力线信道输入阻抗分析

选用在船舶上安装使用的电源电压不超过250 V的以荧光灯为负载。荧光灯具内部安装有等于和大于0.5μF的电容器，自感为1.56 H，由于高频信号在负载之前已经被滤出电路，所以只考虑荧光灯直流电阻为300Ω，其等效电路如图2所示。

图2 舰船电力线等效电路（带负载）

根据单口网络的传输特性[9]，线路特性阻抗:

其中 f0为工频50 Hz，z为端口位置，设为单位长度，φL为初始相位，设为零，α为衰减常数，β为相移常数，分别为传播常数的实部和虚部，输入阻抗为Zin=, 将数值带入，可得接入负载后输入阻抗与频率的关系如图3所示。

图3 电力线信道输入阻抗与载波频率关系

可见电缆中的载波信号行波与负载的反射波混合，形成行驻波的传输状态。而由于趋肤效应的影响，频率越高交流电阻越大，电缆中的信号衰减越大，反射系数减少，使输入阻抗在周期性波动中减小并逐渐趋向特性阻抗[10]。在PLC接入时，要根据调制频率确定信道输入阻抗，使舰船电力线调制解调器与信道输入阻抗实现匹配才能取得最大的发射功率和最小的线路损耗。

4 结语

本文首先对PLC的舰船移植应用作了初步的网络规划，在以照明网络为通信载体的前提下对介质进行了阻抗分析，计算出了PLC信号载波频率与电力线信道输入阻抗的关系，为实现调制解调器与信道的阻抗匹配提供了定量准则。

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