低压电力载波中通信频点阻抗与脉冲噪声特性关系

李波,曹敏,王垚,胡万层,,谢涛,李川,刘爱莲,肖元强,

(1.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；2.昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650500)

低压电力载波中通信频点阻抗与脉冲噪声特性关系

李波1,曹敏1,王垚2,胡万层1,2,谢涛2,李川2,刘爱莲2,肖元强1,2

(1.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；2.昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650500)

利用比值法原理,选取不同环境,在80 kHz～500 kHz频段内,对低压电力线的阻抗和信道噪声进行了测量,并对所测数据进行处理计算。分析电力线网络中不同时间段通信频点的阻抗变化范围与信道中脉冲噪声特性的关系。分析结果表明：在80～500 kHz频段内,输入阻抗变化范围与信道脉冲噪声数量和功率有同增同减的关系；阻抗具有很强的时变性；电网结构及负载类型、数量对阻抗变化范围影响较大。

低压电力线；通信频点；阻抗变化范围；脉冲噪声；阻抗与噪声关系

0 前言

在低压电力线上,输入阻抗和信道噪声都会对低压电力线载波通信产品的性能产生严重影响,同时,由于低压电力线上的阻抗和信道中噪声都受电网拓扑结构和所连接的电器负载的影响,具有复杂多变的特征,因此很有必要测量并总结电力线中通信频点的阻抗特性与信道噪声之间的规律[1-3]。2002年,张有兵研究了输入阻抗与频率的关系,并用最小二乘法进行了拟合,得到了输入阻抗和频率的关系式,反应了输入阻抗随频率的变化趋势[4]。2005年,郑涛、张宝会则使用网络分析仪对三种典型低压电网进行连续测量,讨论了1 M～30 M频段内阻抗随频率、时间、地点变化的特点[5]。2012年,孔慧娟利用比值法得到阻抗的幅值和相位与频率的对应关系[2]。

本文采用比值法的原理,对低压电力线信道的阻抗和噪声进行了测量和分析,得到了阻抗变化范围与脉冲噪声数量以及脉冲噪声与背景噪声功率差之间的关系。

1 信道阻抗与噪声测试原理

1.1 阻抗测量原理

使用Tektronix AFG3021B作为信号发生器,软件控制信号发生器发送不同频率的正弦信号,结合高精度高速数字化仪和分析单元,通过采集设备采集网络反馈信号,然后将所采集的相应频率的分析信号S1和原始信号S2进行比较,从而得出低压电力线相应频率的阻抗值以及变化趋势。低压电力线阻抗分析设备连接如图1所示。

图1 低压电力线阻抗分析设备接线图

低压电力线阻抗分析设备主要包括三部分模块：

1)高精度高速数字化仪：保证信号采集的精确性,并使阻抗分析的频率分辨率精确到5 k为间隔以内。

2)网络反馈分析单元：保证阻抗分析信号在所测网络的阻抗匹配性,并提供阻抗分析所需的两路测试信号发生器发送不同频率号以及信号采集所需的市电触发信号。

3)阻抗分析软件：控制信号发生器和低压电力线阻抗分析设备完成阻抗分析数据的采集,并实现阻抗数据分析。

低压电力线阻抗测量原理如图2所示,标准电阻R与被测电网阻抗ZC串联,测出电阻R的电压V1,根据串联电路电压关系,得知电网阻抗的电压V2=V0-V1,根据欧姆定律可以得到低压电力线阻抗的模值：

图2 低压电力线阻抗测量原理图

1.2 噪声测量原理

本文使用TCD100来对电力线信道中的噪声进行采集,结合高精度高速数字化仪和噪声耦合单元。高精度高速数字化仪对输入信号进行的采样,采样率为100 MSa/s。噪声耦合单元即高通滤波器,采集噪声耦合单元的输出,并分析各频率点低压电力线噪声变化趋势。耦合原理参见图3。

图3 噪声耦合单元原理

所采集噪声可根据功率谱变化平缓情况分为背景噪声和脉冲噪声两大类[8-10],脉冲噪声所持续时间大致从几微妙到几毫秒之间,这里为了方便,我们统一将脉冲噪声持续时间设定为5 μs到20 μs,将幅值高于实测数据均值的噪声认定为脉冲噪声,低于均值的则看作背景噪声滤除。根据所设定的脉冲噪声持续时间对实测噪声进行分离处理,得到脉冲噪声的数量。并对比脉冲噪声的功率谱与背景噪声的功率谱,得到脉冲噪声与背景噪声功率的dBμV差值。

2 典型场景的测试与分析

2.1 生活区环境

选择220 V电源插座进行阻抗数据测量,从早晨8时到第二天凌晨3时进行数据采集,测量频点为：120 kHz、270 kHz、300 kHz、360 kHz、420 kHz、480 kHz。在测量阻抗的同时,在相同的电源插座上对信道噪声进行测量,并对噪声数据进行处理,提取出脉冲噪声数量和脉冲噪声与背景噪声功率的dB差值,将不同频点的阻抗变化范围和时间的关系用图形描绘出来,如图4所示。

图4 宿舍不同频率的阻抗变化范围随时间变化关系

图5 宿舍脉冲数量和脉冲噪声与背景噪声功率dBμV差值

由图4可知,根据典型通信频率的阻抗幅值变化范围,可以看出在80～500 kHz的通信范围内,其余频率的输入阻抗的变化范围随时间的变化趋势也与所测通信频点的相似。图4中早晨8点时刻,阻抗值的整体波动范围不大,基本在10 Ω～30 Ω之间,上午9时到12时,下午2时到6时和晚上19时到凌晨这三个用电的小高峰期,电网的阻抗幅值则处在一个较大的波动范围之内。对比图5与图4,可看出阻抗变化范围和脉冲噪声数量随时间变化的整体趋势大致相同,当脉冲噪声的数量较多时,阻抗变化范围也较大,对应的脉冲噪声与背景噪声功率的dB差值也较大。此实验表明：在用电高峰期,各种用电设备不断的接入或者接出电网,会产生较多的脉冲噪声,同时脉冲噪声的功率也较强,电网受脉冲噪声的影响,其输入阻抗的变化范围也相对较大。

2.2 教学区环境

对实验室环境下,测量方法同生活区相同,测量时间为周三的8：00到周五22：00,时间跨度接近15小时,任选一个220 V电源插座同时进行阻抗和噪声的测量,阻抗的测量频点依然选择了现阶段国内主流的窄带载波通信中心频点：120 kHz、270 kHz、300 kHz、360 kHz、420 kHz、480 kHz。

图6 实验室不同频率的阻抗变化范围随时间变化关系

图7 实验室脉冲数量和脉冲噪声与背景噪声功率dBμV差值

由图6可知,根据实验室环境不同时间和不同频点的阻抗幅值变化范围,可以看出在80 kHz～500 kHz的通信范围内,其余频率的输入阻抗的变化范围随时间的变化趋势也与所测通信频点的相似。相比于宿舍环境,实验室用电器除了电脑,饮水机外,还会有一些功能组成复杂的实验设备,种类相对比较复杂。图6中早晨8点时刻,阻抗值整体的波动范围基本在10 Ω～50 Ω之间,上午9点到12点,阻抗值的波动范围开始变大,整体在50～120 Ω之间变化,但是变化趋势相对来说还是比较平滑。下午2时到5时,所测频点的阻抗值变化较为剧烈,频点为270k时其变化范围可以达到600 Ω。对比图7和图6可以看出,阻抗变化范围和脉冲噪声数量随时间变化的整体趋势大致相同,当脉冲噪声的数量较多时,阻抗变化范围也较大,对应的脉冲噪声与背景噪声功率的dB差值也较大,此时,在实验室环境可以得到与宿舍环境相同的结论,并且此结论在校园大环境中的普遍适用性。

3 结束语

本文通过对阻抗和噪声进行了大量的现场测量与分析,得到在80 kHz～500 kHz频段内,输入阻抗变化范围会与信道脉冲噪声数量和功率有同增同减的关系。当在电力线上负载较多时,用电器产生较多的脉冲信号,其功率也相对背景噪声更强,脉冲信号会对分布电感和电容产生较大影响,所有频率的输入阻抗波动范围基本都会相应的增大；电力线网络的阻抗具有一定的时变性,并且具有频率选择性。低压电力线的阻抗值是在不断的变化的,电力线对不同的通信频率所等效出的阻抗值也不同。电力线本身与并入电力线的各种负载组合成许多的共振电路,当某些共振频率及其附近频率的信号在电力线传播时,会产生共振现象,使得电力线的阻抗值产生一定的突变。不同的电网结构及负载类型、数量,不同测量位置的阻抗也不同。

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Research on the Relationship between Communication Frequency Impedance Variation and Impulse Noise Characteristics in the Low-voltage Power Line Carrier

LI Bo1,CAO Min1,WANG Yao2,HU Wanceng1,2,XIE Tao2,LI Chuan2,LIU Ailian2,XIAO Yuanqiang1,2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China；2.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Choosing different environments on campus,the impedance of the low-voltage power line and channel noise in the range of 80～500 kHz was measured by ratio method principle.Process and calculate the data obtained by collection,and then analyze the relationship between impulse noise characteristics and communication frequency impedance variation on low-voltage power line in different times.The analysis of results show that：in the range of 80～500 kHz,the input-impedance variation and the number and power of impulse noise has the relationship of increasing or decreasing synchronously；Impedance has a strong time-varying；The impedance variation can be seriously influenced by the structure of the power grid,load type and quantity.

low-voltage power line；communication frequency；impedance variation range；impulse noise；relationship of impedance and noise

TM75

B

1006-7345(2015)01-0047-04

云南省重点科技项目"电力载波设备通信性能测试方法、测试规范及设备验收规范的研究"；国家自然科学基金 (KKGD201203004)

2014-07-30

李波 (1982),男,硕士,工程师,云南电网公司电力科学研究院,主要从事自动化、智能计量相关技术相关工作 (email)libo2010＠163.com。

曹敏 (1961),男,教授级高级工程师,云南电网公司电力科学研究院,主要从事电力计量与测量及其相关专业、智能电网及物联网技术等相关工作 (e-mail)cm1961＠sohu.com。

王垚 (1987),男,硕士,主要研究方向：电力系统通信 (e -mail)380431444＠qq.com。