低压电力线信道传输特性测量与研究

杨爱冰， 董天强， 陈 波， 周 克， 孙 航

(1. 贵州电网有限责任公司贵阳供电局， 贵阳 550001; 2. 贵州大学 电气工程学院， 贵阳 550025)

低压电力线信道传输特性测量与研究

杨爱冰1， 董天强1， 陈 波1， 周 克2， 孙 航1

(1. 贵州电网有限责任公司贵阳供电局， 贵阳 550001; 2. 贵州大学 电气工程学院， 贵阳 550025)

为有效评估低压配电台区用电环境对电力线载波信号的影响，介绍低压电力线信道传输特性测量方法。首先对信道传输特性的测量参数及设备进行介绍，给出了低压电力线噪声、信号传输损耗、电力线阻抗特性的测量原理，并用测试设备对低压电力线信道进行特性测量，给出测量结果。实验结果表明: 环境噪声在中、低频段处较大，线路衰减在220 kHz频点左右最为严重，而测试信号在高频区域的阻抗特性在工频过零时刻时呈现稳定特性。由各项指标可知，低压电力线载波信号传输的最佳频率范围为350～450 kHz；电压过零点处低压电网呈现阻抗高且稳定、噪声电平低的特性，适用于信号传输，并有利系统时间同步。

低压电力线； 信道测量； 噪声特性； 阻抗特性； 衰减特性

0 引 言

低压电力线载波( Power Line Carrier， PLC)[1-4]通信是指以低压配电线(380 V/220 V)作为信息传输媒介进行数据传输的一种通信方式。作为目前覆盖范围最广的电力网络，研究如何利用该网络传输数据信号，对实现智能电网具有重要的意义。相比其他通信方式，如光纤通信、GPRS、RS-485等，电力线载波通信具有投资少、施工周期短、设备简单、通信安全、实时性好等优点。

然而，与专门用于通信的介质如双绞线、同轴电缆相比，电力线的基本功能用来传输电能，它是一种非均匀分布的传输线，因此传输特性较差;另外，低压电力线终端由于用电设备种类多，数量大，因此低压电力网络的信道特性十分复杂，通信环境相当恶劣。主要体现在[5-8]：

(1) 电力信道是时变系统，存在多径效应。信道的传输函数随时间变化而变化，将会引起接收端信号的频率弥散性和时间选择性衰落。

(2) 存在各种干扰和噪声，不能简单地归结为加性高斯白噪声特性。

(3) 电力线路的阻抗小，且阻抗随着信号的频率和时间的变化而变化。

(4) 信号的衰减与传输距离和信号的频率有关。传输距离越远、频率越高，则信号的衰减就越大。

为了提高电力线通信系统的可靠性，对低压电力线信道进行精确分析和建模至关重要。但由于其频率、时间和地理位置等的不确定性，很难建立一套精确的数学模型[9]。对电力线信道的研究可以采用两种方法[10-11]：自上而下以及自下而上的方法。前者通过测量运行电网的不同信道参数，从中获得统计结果，并结合合理的物理过程，研究信道特性；后者在离线状态下逐个测量电网基本元件的的传输特性，然后结合网络的拓扑特性，得到整个网络的传输特性。由于低压电力线网络拓扑结构复杂，用电负载众多，采用自下而上的方法进行信道测量方法并不适用[12]，本文采用自上而下的方法对低压电力线通信信道传输特性进行研究。

1 信道传输特性测量参数和设备

对低压电力线信道特性的测量主要包括噪声、阻抗、衰减特性3个方面。由于低压电网连接着众多用电设备，每种用电设备对电网的噪声污染各不相同，特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等对电网产生的噪声影响尤为严重。根据噪声来源、信号频谱、持续时间和强度，电网噪声可分为：背景噪声、与电网频率同步的周期型脉冲噪声、与电网频率不同步的周期型脉冲噪声和非同步脉冲噪声。前两种能够保持较长时间，可将其看作“有色背景噪声”，而后两种可归结为“脉冲噪声”，其噪声幅值大，持续时间较短，在电力线进行数据传输时，对信号干扰最严重，易出现信号传输错误，导致误码率升高[13]。

低压电力线阻抗特性主要对载波信号的馈网功率产生影响。为了使耦合到电力线上的载波信号功率最大，载波机的输出阻抗应该与电网阻抗相匹配。但由于低压电力线上负载众多，且负载是随机接入和切出，因此，低压电力线的阻抗呈现动态变化[14]。

低压电力线上并联的负载对信号衰减将会产生影响，尤其是电容特性的负载[15]。对高频载波信号来说，容性负载相当于短路。此外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率。所以信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，耦合器的内阻可以做得相当小，这样信号衰减就主要取决于线路的衰减。

为了对低压电力通信信道上的干扰能有一个定量分析，利用高精度高速数字化仪、噪声耦合单元以及低压电力线噪声分析软件与波形发生器对低压电力线噪声、阻抗、衰减特性进行测试和分析。

2 信道特性测量基本原理

2.1 信道噪声特性测量原理

信道噪声的测试由噪声耦合单元与高精度高速数字化仪构成。噪声耦合单元的电路原理如图1所示。噪声经过耦合单元输出到高精度高速数字化仪，通过高精度高速数字化仪实现对信号各频率点低压电力线噪声的变化分析。

图1 噪声耦合单元原理图

高精度高速数字化仪对耦合器输出的信号进行采样，则20 ms的采样点数为2×106。在测试中，频谱范围设定10～500 kHz，频率间隔为5 kHz。采样后的信号通过快速傅里叶变换(FFT)算法，实现了采样信号的频谱分析。

2.2 信道阻抗特性测量

信道阻抗的测试由高精度高速数字化仪、波形发生器和馈网分析单元三者构成，测试原理如图2所示。测试中，利用软件控制波形发生器发送不同频率的正弦信号，然后采集所需相应频率的分析信号U1和U2，从而获取当前发送频率的低压电力线阻抗变化趋势。

低压电力线阻抗的模为

(1)

低压电力线阻抗虚部偏转角度为

(2)

式中：θ<0表示低压电力线阻抗为容性；θ>0表示低

图2 低压电力线阻抗分析原理图

压电力线阻抗为感性；θ=0表示低压电力线阻抗为阻性。

2.3 信道衰减特性测量原理

信道衰减测试由高精度高速数字化仪、波形发生器和馈网分析单元以及电力线噪声分析设备构成，测试原理如图3所示。

图3 低压电力线载波衰减分析原理图

测试中，利用软件控制任意波形发生器发送不同频率的正弦信号，并使用软件同步的方式分别在测试点1和2采集所需信号U1和U2，从而获取当前发送频率的低压电力线衰减的变化趋势。

软件同步方式是指低压电力线衰减分析设备和低压电力线噪声分析设备在测试点1和2保持时间同步，即在某一频率发送时刻同时采集两点20 ms的分析数据U1和U2，其中U1为测试点1发送端信号，U2为测试点2接收端信号，采样率1.0×108/s。利用式A=20lg|U1/U2|计算得出各频率分量的衰减变化。

3 测量数据及其分析

利用低压电力线噪声、阻抗和衰减分析设备对低压电力线信道的噪声、阻抗和衰减特性进行测量，结果分析如下。

3.1 噪声特性分析

对取得的低压电力线信道噪声测量结果进行三维频谱分析，得到各频点噪声幅度随时间变化的频谱图如图4所示。由图可知，不同频点的噪声在0～20 ms时间段内都有一定的幅度起伏，即验证了噪声的时变特性。另一方面，随着频率的增大，噪声幅度有逐步减小的趋势，即低频分量具有更大的幅值。

图4 三维噪声频谱图

接着对噪声进行二维频谱分析，选取80、250、420 kHz 3个频点的噪声功率谱在0～20 ms时间段内的幅度曲线进行比较，结果如图5所示。

图5 不同频点噪声频谱对比图

由图5可知，80 kHz频点的噪声幅度变化范围为75～110 dB，250 kHz频点的噪声幅度变化范围为60～100 dB，420 kHz频点的噪声幅度变化范围为50～80 dB。可见，随着频率的升高，噪声频谱幅度降低，并且幅度变化区间也会减小。通过对频谱图分析发现，所测噪声也具备50/100 Hz的周期性趋势，且工频过零时刻噪声幅度最弱，非过零时刻噪声变化丰富，其峰值噪声一般比过零点噪声幅值高15 dB。

3.2 阻抗特性分析

利用低压电力线阻抗分析设备，对80～500 kHz频段内每5 kHz为间隔的频点进行阻抗分析，以工频同步交流市电电压过零时刻为基准点，在三维阻抗图中比较低压电力线各频点阻抗幅度/相位随时间变化趋势。图6为某现场电力线阻抗的变化情况，其中绿色轴为时间轴，红色轴为频率轴，蓝色轴为幅度轴，直观的看出在20 ms微分时段内各频点阻抗模的变化情况。由图6可知，低压电力线信道的阻抗也具有时变特性，但是对于不同频点，其随时间变化的程度具有较大的差别，说明阻抗特性受频率的影响较大。

图6 三维阻抗模变化情况

通过对阻抗特性进行二维分析，同样选取80、250、420 kHz 3个频点的阻抗进行观察。结果如图7所示。80 kHz频点的阻抗变化范围为3 Ω左右，250 kHz频点阻抗变化范围为1～14 Ω，420 kHz频点阻抗变化范围为6～8 Ω。通过对比多次阻抗分析结果，发现其阻抗变化也呈现50/100 Hz周期性变化趋势，过零点与非过零点时刻存在差异，在420 kHz频点过零点处阻抗较大且稳定性好。在不同频点，低压电力线信道的阻抗变化范围差别很大，变化范围在0到几百Ω之间波动，造成阻抗大范围波动的原因是不同的布线方式以及不同的家用电器类型所造成的。

3.3 衰减特性分析

在80～500 kHz频段内每隔5 kHz对电力线上的衰减特性进行测试，通过对各频点20 ms时间段内的测试信号进行分析，得到某现场8 m左右传输距离的电力线信号衰减变化情况如图8所示。绿色轴为时间轴，红色轴为频率轴，蓝色轴为幅度轴，由图可直观地看出在20 ms时段内各频点测试信号的衰减变化情况，信号衰减虽随时间变化不明显，但是对于整个测试频段，在中间部分的信号衰减明显，而两端频段部分的信号衰减较小。

对衰减特性进行二维分析，选取80、250、420 kHz 3个频点的信号衰减特性进行分析，分析结果如图9所示。在80 kHz频点处，信号衰减约7 dB；在250 kHz频点处，信号衰减约25 dB；在420 kHz频点处，信号衰减约6 dB。通过对多次测量值比较发现，衰减的变化

图8 三维衰减变化情况

也呈现50/100 Hz周期性变化趋势，且过零点与非过零点时刻差异因地而异，普遍区别较小。信号衰减不一定随载波频率有绝对性的上升或下降趋势，却与当地传输线路的分支走线密切相关。对于同一传输距离的传输线路来说，接入不同的用电设备后，载波信号的衰减特性也会明显不同。

图9 不同频点衰减变化对比图

4 结 语

针对低压电力线信道噪声、阻抗、衰减特性进行了测量分析。分析表明：低压电力线环境噪声在测试频段的中低频幅值较大，信号线路衰减在220 kHz左右最为严重，而高频区域的阻抗特性在工频过零时刻呈现稳定特性且衰减较小，综合各项测试指标可得低压电力线载波信号的传输最佳频率范围为350～450 kHz。在一个交流电供电周期内，交流电压有两次电压过零点。在电压过零点处，低压电网呈现阻抗高且稳定、噪声低的特性，因而适用于传播信号。此外，在实际系统设计中，各个通信节点可以低压电网工频过零点作为载波通信系统的同步基准源，有利于系统的时间同步与广播校时。

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·名人名言·

每个人都有一定的理想,这种理想决定着他的努力和判断的方向。就在这个意义上,我从来不把安逸和快乐看作是生活目的本身—这种伦理基础我叫它猪栏的理想。

——爱因斯坦

Measurement and Analysis of Channel Transmission Characteristics for Low-voltage Power Networks

YANGAi-bing1，DONGTian-qiang1，CHENBo1,ZHOUKe2,SUNHang

(1. Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 55001, China; 2. College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

This paper presents a channel measurement method for low-voltage power networks. Firstly, the measurement parameters and equipments for the channel transmission characteristic are introduced. Then the basic principles for measuring noise, attenuation and impedance characteristics are analyzed. At the end, we give the measurement and the analysis results. It shows that the noise is larger when the frequency is low and medium, and the line attenuates seriously when the frequency is 220kHz, as well as that the impedance characteristics is stable when the power frequency nearby zero in the high-frequency regions. Thus, we can conclude that the optimal transmission frequency is between 350～450Khz. Besides, the noise is low and the impedance is stable when power frequency nearby zero. It means that when power frequency is nearby zero the carrier communication may have the best result, also, this scheme is beneficial to the system synchronization.

low-voltage power lines; channel measurement; noise characteristics; attenuation characteristics; impedance characteristics

2016-04-07

贵州省科技厅基金项目(黔科合LH[2014]7614);贵州电网科技项目GZ2014-2-0006资助

杨爱冰(1969-)，男，贵州贵阳人，硕士，高级工程师，长期主要从事计量科技研究工作。E-mail：zk8008h@163.com

TN 911.22

A

1006-7167(2017)01-0136-04