室内低压电力线的信道特性研究

贾鹏飞 华 伟 崔 双 李 智



室内低压电力线的信道特性研究

贾鹏飞 华 伟 崔 双 李 智

（四川大学电子信息学院，成都 610065）

本文利用传输线理论，分析了信号在电力线上的传输过程，引出了多枝节多反射的电力线信道模型，并对其进行仿真。在1～100MHz频段内，对实验室内的低压电力线信道的特性进行了实测，与仿真结果进行了对比。本文讨论了接入220V交流电力网络对所测电力线信道的影响，发现了电力线主干长度、枝节数目、枝节长度和交流电力网络等均会对电力线信道的传输特性和阻抗特性产生影响，电力线的衰减具有频率选择性。

电力线；建模；传输特性；衰减

随着现代电力技术的快速发展，大量的先进技术已经应用于电力自动化系统，包括计算机技术、先进电子技术以及安全快速通信技术等[1]。随着网络与通信技术的快速发展，利用已有的中压、低压电力线来传输数据、图像、音频和视频等的电力线通信技术，尤其是利用220V交流低压电力线实现高速数据传输的技术越来越受到重视。电力线网络作为世界上最大的有线通信网络，基本涵盖了全球范围的任意角落，电力线通信不需要额外布线，连接方便，即插即用，被业内人士普遍认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一[2]。然而电力线系统网络拓扑结构复杂多变[3]，在楼宇中创建基于电力线的通信系统，将电力线作为传输高速信号的通信信道，就必须克服一些技术限制：①作为楼宇基础设施的电力布线的设计目的是将50Hz或60Hz的工频交流电源传送到楼宇各个角落，连接或断开各种用电负载，而不是将通信信号从建筑的某一位置传送到其他区域；②室内电力布线的拓扑结构高度可变，取决于建筑物的大小、类型、用途等因素，分支多，且无规律性。并且不同用电设备的接入或断开也会改变网络的传输特性，可能引起随时间、频率的不同，信号衰落的变化[4-5]。因此，电力线信道特性的研究是实现电力线载波通信的重要课题。已有电力线载波通信的研究工作多数集中在1～30MHz频段[6-7]，进行电力线模型分析和测试，鲜有接入实际电力网络的分析与测试和对更高频段的研究。然而电力线通信使用更高频段、更宽带宽是必然的发展趋势。目前，Homeplug AV2标准建议的室内低压电力线通信频段为1～85MHz，而IEEE标准P1901IEEE Standard的频段达到60MHz[8]，因此研究较高频段的电力线信道特性十分必要。本文利用一种多路径多反射的电力线信道模型进行仿真，测试并分析了1～100MHz的电力线信道特性，探索了220V交流电力网络对电力线信道特性的影响，并找到一些影响电力线信道特性的相关因素。

1 电力线信道模型

1.1 引出模型

鉴于建筑物的结构不同，电力线网络的拓扑结构会有很大不同，电力线的材质也会不同，不同材质的电力线会有不同的高频信号传导损耗和辐射损耗，从而造成了电力线信道特性的不同。关于电力线信道模型的探索已有S参数模型，阻抗导纳模型[9]等，然而无论是哪种模型，都需要已知电力线网络结构以及用电设备的参数。不同电力网络的拓扑结构取决于建筑本身，在高度时变的电力线架构中难以实时获得上述参数。同时，高频的发送端信号在经过电力线信道时，其路径存在多个信道，可能经过多条路径到达接收端。因而经过延时和衰减，接收端接收所有路径的信号，各个分量幅度和相位都有所差异。因此整个宽带低压电力线网络具有驻波、行波的混合特性[10]。本文分析了一种多枝节、多径反射的电力线信道模型，本模型多枝节、多径反射的信道特征与实际电力线网络结构多分枝、分枝点阻抗突变的情况具有较高的吻合度。

1.2 模型推导

首先，将电力线视为理想的平行双线传输线进行分析。依据传输线理论，假设传输线的一端发送频率的正弦信号，线上的电压和电流随时间时谐变化。此时传输线上的瞬时电压和电流分别为(,)和(,)：

（2）

根据克希荷夫定律可得理想均匀传输线方程为

（4）

将式（1）、式（2）代入式（3）、式（4），得到传输线方程：

（6）

对式（5）、式（6）求微分得

（8）

式中，为传输线上波的传播系数，一般情况为复数，其中为衰减系数，为相位系数。

实际电力线信道中，式（9）中的为复数阻抗，包含实部和虚部。电力线分析建模时，等效为两部分组成，传输损耗t以及辐射损耗r，t和r均为复数。式（9）因此可被写成

（10）

求解式（7）、式（8）得

（12）

其中

在式（11）和式（12）中，1、2分别为积分常数，由传输线上的条件确定。

基于平行双线模型，本文采用回波传输函数的方法来描述电力线信道的多径模型，设电力线信道中共有个节点，每个节点共有条支路，信号在经过每个节点时都会在该节点的条支路上传输，得到如图1所示的电力线信道模型。

图1 多路反射衰减信道模型

设信号在某个枝节上的传输函数为H()，某个每个节点的传输函数为H()，整个信道的传输函数()为每个节点的传输函数的级联，由式（11） 可得

（15）

（16）

式中，表示某节点上的第个枝节；表示第个节点；a为信号在各个枝节的幅度，l为电力线的长度，为加权系数，与信道阻抗有关，为衰减系数，是频率和电力线长度的函数。()是与频率有关的函数，为反射波的延迟系数，与电力线的布线环境和传输路径有关。

由以上的公式可知，电力线信道具有随电力线的长度的增加和枝节数量的增加而衰减增加的特性，同时具有频率敏感性。下面首先对模型进行了仿真，其次对实际电力线信道模型进行了测试，验证传输函数和电力线长度、枝节的关系。

1.3 模型仿真

利用上述电力线信道模型，进行Matlab数学建模仿真。鉴于220V交流电力网络的结构复杂多变，且具有时变性。针对未接入220V交流电力网络的不同长度电力线模型的传输特性进行仿真，结果如图2所示。

图2 电力线信道模型仿真结果

图2中的a、b、c分别表示单枝节的5m、10m、20m的电力线信道仿真结果，随着电力线长度的增加，在1～100MHz频段内，其传输函数呈现衰减增大的趋势，各个频点的衰减幅度不同，且在部分频点出现向下的衰减凹槽。

2 信道特性测试

采取控制变量法，利用安捷伦NA7200A矢量网络分析仪进行室内低压电力线信道特性的测试。首先，电力线的枝节数目和长度不变，改变电力线的主干长度测试信道特性。然后，在保证电力线的主干长度不变，改变枝节的数目和长度测试信道特性。最后接入与断开220V交流电力网络，测试电力线信道特性的变化。

采用图3所示的测试框图。为保证测试结果的统一，枝节接入点为同一位置，交流电力网络通过同一接口引入。

图3 电力线信道测试框图

其中的测试装置主要由矢量网络分析仪、耦合装置、插座和电力线组成，其中矢量网络分析仪用来测试整个电力线信道的特性，耦合装置由4700pF串联电容和并联二极管TVS1.5KE200A组成。电容防止工频信号进入测试装置，二极管防瞬变、防浪涌，为电涌保护器，其最大持续运行电压最小值应大于其接到线路产生的最大运行电压[11]。插座选用公牛牌插座，作为枝节的接入点，可以控制枝节接入或断开，电力线为0.75mm2国标布线，三芯插头。

3 测试结果与仿真分析

由回波传输函数的多路反射衰减模型可以得到整个电力线网络的信号强度分布。对实际电力线信道传输函数进行测试，测试场景为不同长度的电力线模型网络。

3.1 传输特性测试

分别对长度为5m、10m和20m的电力线模型网络进行测量，测试在1～100MHz频段的传输函数，并对接入220V交流电力网络前后对电力线信道的影响和枝节对电力线信道特性的影响进行测试。测试结果如图4所示。

图4 电力线信道传输曲线

图4中曲线a、b、c分别表示长度为5m、10m、20m的电力线在未接入220V交流电力网络传输函数的测试结果。曲线d、e、f分别表示长度为5m、10m、20m的电力线在接入220V交流电力网络之后传输函数的测试结果。从图4可以看出，随着电力线长度的增加，其信道衰减呈增大趋势，且在部分频点可能出现较大衰减凹槽。说明信道衰减具有频率选择性，对比接入和未接入交流电力网络的测试结果可以看出，220V交流电力网络的引入会改变电力线信道的频率选择性，使得出现衰减凹槽的频点改变。对比实测结果和仿真结果，观测其未接入电力网络的5m、10m、20m的信道特性曲线，可知实测和仿真的电力线信道都出现衰减凹槽，凹槽数目相近，衰减的幅度有所差异，信道传输函数曲线趋势基本一致。

3.2 阻抗特性测试

阻抗匹配对电力线信道的传输尤为重要，匹配的阻抗会获得最佳传输函数，然而220V交流电力网络的引入会改变电力线信道的阻抗。为了分析220V交流用电网络对电力线信道阻抗特性的影响，分别对未接入220V交流电力网络的电力线信道阻抗、220V交流电力网络接入端阻抗以及接入220V交流电力网络后的整个电力线信道阻抗进行了测试。

图5、图6分别为测试电力线信道在传输函数出现凹槽的频点处所表现的阻抗实部和虚部，其中曲线a是出现凹槽的频点在未接入220V交流电力网络的电力线信道的信号输入端口阻抗，曲线b是该部分频点在实验室220V交流电力网络的输入端口阻抗，曲线c为该部分频点在接入电力网络之后的电力线信道的总的信号输入端口阻抗。电力线信道的阻抗具有频率选择性，因此只对出现衰减凹槽的频点处的阻抗进行了测试，对比图中的测试结果得知，接入电力网络后对电力线信道的阻抗影响明显，但其总阻抗不是呈现简单的并联。220V交流电力网络对出现衰减凹槽频点的阻抗实部影响明显，虚部影响较小，导致出现凹槽频点的阻抗发生变化，因此所测试信道中的衰减凹槽在接入220V交流电力网络后会有所变化，其变化为衰减凹槽出现的频点的移动，幅度的变化。

图5 传输函数测试结果中凹槽频点处的阻抗实部

图6 传输函数测试结果中凹槽频点处的阻抗虚部

3.3 枝节对信道的影响测试

当电力线主干长度为10m、枝节长度为5m时，电力线信道中分别接入不同枝节，测试枝节对信道传输特性的影响。

图7中a、b、c分别表示电力线信道中接入1个、2个、3个枝节后的传输特性曲线。图8中a、b、c分别表示同一位置接入一个枝节，枝节长度为1m、2m和5m时，信道的传输特性测试结果。

图7说明随着信道中枝节数目的增加，电力线信道的衰减呈现增大趋势，并且向下的衰减凹槽数目也呈现增多趋势，结合图8的测试结果可知，在1～100MHz内，枝节的数目会改变衰减凹槽的数目，枝节数目越多凹槽越多，枝节的长度不会改变衰减凹槽数目；然而枝节长度和电力线主干长度都会对信道的衰减有影响，枝节越多、电力线越长都会造成电力线信道的衰减增大。对比未接入220V交流电力网络的实测结果和仿真结果，得知所提出的信道模型，在未引入交流电力网络时，仿真结果和实测结果近似，引入电力网络后改变了电力线信道的阻抗特性，使其传输函数有所改变。

图7 枝节数目对信道传输特性的影响

图8 枝节长度对信道传输特性的影响

4 结论

模型仿真和测试结果分析表明，在未接入220V交流电力网络时，模型的仿真结果和实际的电力线信道具有近似的趋势，而交流电力网络的引入改变了电力线信道特性。室内低压电力线的长度、枝节和交流电力网络都会对其信道特性有影响，其信道衰减随着线长的增加而增大，随着线上枝节数目的增多而增大，且具有频率选择性，在1～100MHz内，部分频点会出现向下的衰减凹槽，凹槽的数目随着电力线上枝节数目的增加而增多，与枝节长度无关。220V交流电力网络的引入会改变电力线信道的阻抗特性，其改变不是阻抗的简单并联，而是表现出随机性，对电力线信道阻抗的实部影响较大，虚部影响较小，使电力线信道中出现衰减凹槽的频点发生改变。

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Research on Channel Characteristics of Indoor Low-voltage Power Line

Jia Pengfei Hua Wei Cui Shuang Li Zhi

(College of Electronic and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065)

The process of signal transmission within the indoor power line channelis analyzedwith transmission line theory and a multi-branch, multi-reflection channel model is established.The low-voltage power line channel characteristics have been measured in the laboratory and also been simulated with the model studied in the frequency range of 1～100MHz. With the comparison of the measured results with that of the simulation, whether the access of 220V AC power network will affect the power line channel characteristics has been discussed. At last, it is found that the length of the main power line, branch number, branch length, and 220V AC power network affect the transmission parameters and impedance characteristics of the indoor power line. Meanwhile, the attenuation of power line channel have the feature of frequency selectivity.

power line; modeling; transmission characteristics; attenuation

贾鹏飞（1989-），男，陕西咸阳市人，硕士，主要从事电子信息、射频电路设计工作。

四川省科技支撑计划项目（2015SZ0054）

四川省应用基础计划项目（2014JY0164）