低压电力载波通信可靠性研究

莫秉湖，农荣贵

在我国智能电网的建设过程中，电能计量自动化是实现智能电网的基础。低压电力线载波通信是实现电能计量自动化的一种有效方式。由于利用低压电力线作为通信媒介，可以减少由于布线造成的成本上升及资源浪费，同时，随着近年来扩频跳频技术的发展，低压电力线载波通信的通信可靠性大为提高，这在一定程度上提升了电力管理办公自动化水平，提高人们的生产生活水平。但由于非线性元器件的广泛应用对电网造成干扰，尤其是当今大量变频设备的应用推广，低压电力载波抄表在实际应用中还是存在稳定性不够的问题，尤其是在实时性要求较高的场合，低压电力线载波通信应用会达不到电能计量自动化结算率要求，这严重阻碍了低压电力线载波通信的推广。鉴于此，本文提出一种基于自适应算法的自适应滤波器的干扰抵消，以实现通信信号的有效传输，从而提高低压电力载波通信可靠性。

一、低压电力载波通信原理

低压电力线载波通信是利用低压电力线路作为载波传输媒介的通信方式。在电力线路这个载体上，存在着大量的频率在数百kHz到20MHz范围内的噪声，为保证通信信号能够有效传输，需对原始信号进行一次或多次调制，将信号频率调制到不同于线路的传输频带，并将调制后的高频信号经放大后耦合到电力线上进行传输。在接收的另一端，我们将信号解调后载波处理器将会接收到有效的载波信号。考虑到模拟信号比数字信号更容易受到干扰，在调制过程中，一般都会将信号调制成数字信号。

从通信的角度看，低压电力载波通信系统的原理框图如下图1所示。

图1 低压电力载波通信系统原理框图

二、低压电力载波通道基本特性

低压电力载波线信号是在50Hz交流输电线路上进行传输的。除了线路本身的工频干扰外，还存在着衰减，其衰减频率特性取决于电力线本身的结构尺寸、长度、线种、地面高度、导线排列、有无换位和分支、大地导电率等因素。通常低压电力线载波高频信号传送组成时，最有效的耦合方式是相—地耦合。

采用相—地耦合方式的电力线高频通道衰减特性常用如下公式表示：

式中L为有效通信距离，单位为km；

F为通信信号频率（即所传输信号频率），单位为kHz；

K为系数，对35kV以下线路一般取12.2×10-3；

N为通信电力线路的端数，一般取n=2；

E为高频电缆衰减值，单位为dB/km；

P为两端高频电缆总长度，单位km。

从式（1-1）可以看出，传输频率越高衰减越大、距离越远衰减越严重。考虑到目前国内城市低压线路一般布线距离基本上小于1km，且不另外架设通信用高频电缆，以上式（1-1）可以简写成：

除衰减和多径效应外，噪声也是影响电力线通信的最重要因素，为了在电力线上传送高频信号，必须在电力载波设备和电力线路之间加装耦合电路、滤波电路等，以减小因噪声造成的干扰。由于低压电力线本身传输着50Hz交流电，在通信过程中，载波信号比较容易受到工频干扰，且为防止载波通信信号高频段进入广播频段，以及避免线路传输衰减因频率过高而增加得过大，同时抑制工频干扰，电力线载波通道的带宽一般限制在40～500kHz内。即通信时载波信号中心频率为270kHz左右。

根据式 (1-2)，1km左右的电力线载波衰减约为2dB。

三、自适应算法基础

自适应滤波是指数字滤波器在处理和分析过程中，根据处理数据的数据特征自动搜寻最小误差点，并自动调整滤波器参数，使其与所处理数据的统计分布特征、结构特征相适应，以取得最佳的处理效果。考虑到文中采用自适应滤波器对以上噪声v(n)进行滤波，在滤波过程中并不需要确定噪声的参数与模型，而只需对载波通信信号x(n)与输出期望信号y(n)进行逼近，故而只简单叙述电力线载波通信中存在的噪声类型，而不对噪声进行建模与仿真。

在本文中，自适应算法的核心内容是确定并调整自适应滤波器的参数，而自适应滤波器的参数取决于输入和输出信号。基于此，滤波器的输入信号是确定的，就是经调频后加载到低压电力载波线路的270kHz中心频率的高频信号。我们期待从自适应滤波器输出的信号与输入信号完全匹配，即输入与输出完全相同，此时，误差信号的期望值可以达到最小，即ε(n)=E[e2(n)]=0。但由于误差、干扰的存在，ε(n)=E[e2(n)]无法达到理想状态值，所以，在算法中，经查询到ε(n)=E[e2(n)]=min时，我们即认为输入信号与输出信号完成匹配。

经以上分析，自适应算法在低压电力载波通信上的应用就演变为：载波集中器（或载波采集器）发出的270kHz中心频率的高频信号，发送到接收端的信号是不确定的，但是，接收端所接收的信号应该是发送端所发出的信号，否则，自适应滤波器就要根据误差信号的期望值来调整自身的参数。参数确定后，发送与接收两端的信号就可以基本同步。

四、自适应滤波硬件实现

自适应滤波器是能够根据输入信号自动调整性能进行数字信号处理的数字滤波器。在本文中，输入信号是经调制的270kHZ中心频率的通信信号，考虑到通信通道的噪声干扰、衰减等影响，实际输入自适应滤波器的信号可能会偏离270kHZ。参考信号d(n)是调制过的不经自适应滤波的原始信号，该信号不经线路传输，而是由发送端产生且与接收端同步（双方可约定后进行通信）或发送接收双方经通信验证测试后再通信。自适应滤波器对以上两路信号进行对比后，根据误差信号均方根最小原则确定自适应滤波器的参数，若误差信号均方根未达到最小，则继续调整参数。自适应滤波器的原理框图如下图2所示：

图2 自适应滤波器原理框图

考虑到我们通信时的载波信号为单输入，输出信号可表示为：

若用W(n)表示权矢量，即

W(n)=[w0(n)w1(n)… wL(n)]T，则式（3-2）可表示为：

d(n)为参考信号，该信号由叠加到到低压载波线路的信号决定，并与加载到低压载波线路的信号相同；

e(n)为误差信号，定义为：

自适应处理器的参数根据误差信号e(n)均方值（或平均功率）最小的准则来调整，最终使e(n)的均方值最小，即

五、基于LMS自适应算法软件实现

六、总 结

通过以上分析可知，通信信号通过自适应滤波器后，经自适应算法查询到ε(n)=E[e2(n)]=min时，输出信号与参考信号可以达到完美匹配。经测试，低压电力载波抄表成功率可以达到95%以上，即自适应算法对低压电力载波通信可靠性的提高是有效的。

［1］张建超，李斯伟，邓毅华.数字通信［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［2］低压电力线载波自动化抄表系统［Z］.青岛东软电脑技术有限公司，2010.

［3］电力载波通信与数据处理芯片应用手册［Z］.青岛东软电脑技术有限公司，2010.