低压电力线载波通信中信号传输特性分析.docx

CompanyDocumentnumber：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT

低压电力线载波通信中信号传输特性分析
低压电力线载波通信中信号传输特性分析2006-12-2215:49
引言
随着供电管理自动化的发展，远程集中抄表系统已经获得越来越广泛的应用［1］。在集中抄表系统的推广使用过程中，利用低压电力线作为通信信道的技术已经日益体现出其优势。
对于所有的通信信道，阻抗、信号衰减和干扰是决定其性能的基本参数。因此，在使用电力线作为信号传输媒介之前，需要对它的信道特性进行分析。
由于从六七十年代以来，利用10kV以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波电话已经获得广泛使用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。但是，在220V/380V低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大等特点。因此，对于低压电力线载波信道，有必要进一步具体分析。
1低压电力线上输入阻抗及其变化
输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。研究输入阻抗，对于提高发送机的效率，增加网络的输入功率有重大意义。
研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。
电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从Ω变到大于100Ω，变化范围超过了1000倍！而且，在实验所测的频率范围内，输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反。为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线，上面连接有各种复杂的负载。这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。因此，在输入阻抗-频率图上可以看到许多阻抗低谷区。这些低阻抗区组合起来，就形成图1所示的图形，并会在局部上违反电力线上阻抗随负载增大而降低的一般规律。同时，正是由于负载会在电力线上随机地连上或断开，所以在不同时间，电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。出于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。在由许多电阻、电容和电感组成的网络中，从不同的点上看进去，输入阻抗显然是不同的。图1的两曲线就是在同一个低压电力线网的不同地点测得的。可以看出，信号输入点的不同对输入阻抗的影响是非常大的。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难。2低压电力线上高频信号的衰减及其变化高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际困难。对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系。总的来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。但是，由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。对于民用电网，其三相电源所接的负载大小和性质都不相同，所以同样强度的信号在三相上的衰减也不同。这种现象有时就表现为接收机和发送机的位置不变，接在不同相上，通信的误码率不同。信号频率与信号衰减有着直接的关系。
IS曲线的衰减随频率变化比较平缓，且小于5dB。由于距离很近，发送与接收两点间的负载对信号衰减影响不大。I曲线由于布线图未知，所以无法得知准确的距离，但估计在20m～300m。将IS曲线和I曲线进行比较，可见传输距离对衰减的影响是非常明显的，在某些频率，衰减的变化可以超过50dB。从I曲线可以看出，小于60kHz的信号，衰减大约在25dB附近，然后衰减随频率增加而增大，到了200kHz，衰减大约为50dB。A1和A2曲线的测量距离同样未知，估计在20m～300m。比较I，A1和A2曲线可以发现，高频信号在跨相传播时，衰减一般都要比同相传播大。通常情况下，这个差距可以达到10dB以上。但是，有些时候跨相传播的衰减并不一定大于同相传播。引起这种现象的原因是三根相线之间存在的一些耦合电容，以及有些三相供电的用电设备，如三相电机、大功率加热器等。这些设备对称地使用三相电源，也就等效于为高频信号在三相电源之间加入了耦合元件。
值得一提的是，电容器对低压电力线载波通信