室內(nèi)低壓電力線的信道特性研究

賈鵬飛 華 偉 崔 雙 李 智

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室內(nèi)低壓電力線的信道特性研究

賈鵬飛 華 偉 崔 雙 李 智

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

本文利用傳輸線理論，分析了信號(hào)在電力線上的傳輸過(guò)程，引出了多枝節(jié)多反射的電力線信道模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真。在1～100MHz頻段內(nèi)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的低壓電力線信道的特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)，與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。本文討論了接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)對(duì)所測(cè)電力線信道的影響，發(fā)現(xiàn)了電力線主干長(zhǎng)度、枝節(jié)數(shù)目、枝節(jié)長(zhǎng)度和交流電力網(wǎng)絡(luò)等均會(huì)對(duì)電力線信道的傳輸特性和阻抗特性產(chǎn)生影響，電力線的衰減具有頻率選擇性。

電力線；建模；傳輸特性；衰減

隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的快速發(fā)展，大量的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于電力自動(dòng)化系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、先進(jìn)電子技術(shù)以及安全快速通信技術(shù)等[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的快速發(fā)展，利用已有的中壓、低壓電力線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)、圖像、音頻和視頻等的電力線通信技術(shù)，尤其是利用220V交流低壓電力線實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)越來(lái)越受到重視。電力線網(wǎng)絡(luò)作為世界上最大的有線通信網(wǎng)絡(luò)，基本涵蓋了全球范圍的任意角落，電力線通信不需要額外布線，連接方便，即插即用，被業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為是提供“最后一公里”解決方案最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一[2]。然而電力線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變[3]，在樓宇中創(chuàng)建基于電力線的通信系統(tǒng)，將電力線作為傳輸高速信號(hào)的通信信道，就必須克服一些技術(shù)限制：①作為樓宇基礎(chǔ)設(shè)施的電力布線的設(shè)計(jì)目的是將50Hz或60Hz的工頻交流電源傳送到樓宇各個(gè)角落，連接或斷開(kāi)各種用電負(fù)載，而不是將通信信號(hào)從建筑的某一位置傳送到其他區(qū)域；②室內(nèi)電力布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度可變，取決于建筑物的大小、類型、用途等因素，分支多，且無(wú)規(guī)律性。并且不同用電設(shè)備的接入或斷開(kāi)也會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，可能引起隨時(shí)間、頻率的不同，信號(hào)衰落的變化[4-5]。因此，電力線信道特性的研究是實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的重要課題。已有電力線載波通信的研究工作多數(shù)集中在1～30MHz頻段[6-7]，進(jìn)行電力線模型分析和測(cè)試，鮮有接入實(shí)際電力網(wǎng)絡(luò)的分析與測(cè)試和對(duì)更高頻段的研究。然而電力線通信使用更高頻段、更寬帶寬是必然的發(fā)展趨勢(shì)。目前，Homeplug AV2標(biāo)準(zhǔn)建議的室內(nèi)低壓電力線通信頻段為1～85MHz，而IEEE標(biāo)準(zhǔn)P1901IEEE Standard的頻段達(dá)到60MHz[8]，因此研究較高頻段的電力線信道特性十分必要。本文利用一種多路徑多反射的電力線信道模型進(jìn)行仿真，測(cè)試并分析了1～100MHz的電力線信道特性，探索了220V交流電力網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力線信道特性的影響，并找到一些影響電力線信道特性的相關(guān)因素。

1 電力線信道模型

1.1 引出模型

鑒于建筑物的結(jié)構(gòu)不同，電力線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)有很大不同，電力線的材質(zhì)也會(huì)不同，不同材質(zhì)的電力線會(huì)有不同的高頻信號(hào)傳導(dǎo)損耗和輻射損耗，從而造成了電力線信道特性的不同。關(guān)于電力線信道模型的探索已有S參數(shù)模型，阻抗導(dǎo)納模型[9]等，然而無(wú)論是哪種模型，都需要已知電力線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及用電設(shè)備的參數(shù)。不同電力網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于建筑本身，在高度時(shí)變的電力線架構(gòu)中難以實(shí)時(shí)獲得上述參數(shù)。同時(shí)，高頻的發(fā)送端信號(hào)在經(jīng)過(guò)電力線信道時(shí)，其路徑存在多個(gè)信道，可能經(jīng)過(guò)多條路徑到達(dá)接收端。因而經(jīng)過(guò)延時(shí)和衰減，接收端接收所有路徑的信號(hào)，各個(gè)分量幅度和相位都有所差異。因此整個(gè)寬帶低壓電力線網(wǎng)絡(luò)具有駐波、行波的混合特性[10]。本文分析了一種多枝節(jié)、多徑反射的電力線信道模型，本模型多枝節(jié)、多徑反射的信道特征與實(shí)際電力線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多分枝、分枝點(diǎn)阻抗突變的情況具有較高的吻合度。

1.2 模型推導(dǎo)

首先，將電力線視為理想的平行雙線傳輸線進(jìn)行分析。依據(jù)傳輸線理論，假設(shè)傳輸線的一端發(fā)送頻率的正弦信號(hào)，線上的電壓和電流隨時(shí)間時(shí)諧變化。此時(shí)傳輸線上的瞬時(shí)電壓和電流分別為(,)和(,)：

（2）

根據(jù)克希荷夫定律可得理想均勻傳輸線方程為

（4）

將式（1）、式（2）代入式（3）、式（4），得到傳輸線方程：

（6）

對(duì)式（5）、式（6）求微分得

（8）

式中，為傳輸線上波的傳播系數(shù)，一般情況為復(fù)數(shù)，其中為衰減系數(shù)，為相位系數(shù)。

實(shí)際電力線信道中，式（9）中的為復(fù)數(shù)阻抗，包含實(shí)部和虛部。電力線分析建模時(shí)，等效為兩部分組成，傳輸損耗t以及輻射損耗r，t和r均為復(fù)數(shù)。式（9）因此可被寫成

（10）

求解式（7）、式（8）得

（12）

其中

在式（11）和式（12）中，1、2分別為積分常數(shù)，由傳輸線上的條件確定。

基于平行雙線模型，本文采用回波傳輸函數(shù)的方法來(lái)描述電力線信道的多徑模型，設(shè)電力線信道中共有個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)共有條支路，信號(hào)在經(jīng)過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)都會(huì)在該節(jié)點(diǎn)的條支路上傳輸，得到如圖1所示的電力線信道模型。

圖1 多路反射衰減信道模型

設(shè)信號(hào)在某個(gè)枝節(jié)上的傳輸函數(shù)為H()，某個(gè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸函數(shù)為H()，整個(gè)信道的傳輸函數(shù)()為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸函數(shù)的級(jí)聯(lián)，由式（11） 可得

（15）

（16）

式中，表示某節(jié)點(diǎn)上的第個(gè)枝節(jié)；表示第個(gè)節(jié)點(diǎn)；a為信號(hào)在各個(gè)枝節(jié)的幅度，l為電力線的長(zhǎng)度，為加權(quán)系數(shù)，與信道阻抗有關(guān)，為衰減系數(shù)，是頻率和電力線長(zhǎng)度的函數(shù)。()是與頻率有關(guān)的函數(shù)，為反射波的延遲系數(shù)，與電力線的布線環(huán)境和傳輸路徑有關(guān)。

由以上的公式可知，電力線信道具有隨電力線的長(zhǎng)度的增加和枝節(jié)數(shù)量的增加而衰減增加的特性，同時(shí)具有頻率敏感性。下面首先對(duì)模型進(jìn)行了仿真，其次對(duì)實(shí)際電力線信道模型進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證傳輸函數(shù)和電力線長(zhǎng)度、枝節(jié)的關(guān)系。

1.3 模型仿真

利用上述電力線信道模型，進(jìn)行Matlab數(shù)學(xué)建模仿真。鑒于220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，且具有時(shí)變性。針對(duì)未接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的不同長(zhǎng)度電力線模型的傳輸特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2 電力線信道模型仿真結(jié)果

圖2中的a、b、c分別表示單枝節(jié)的5m、10m、20m的電力線信道仿真結(jié)果，隨著電力線長(zhǎng)度的增加，在1～100MHz頻段內(nèi)，其傳輸函數(shù)呈現(xiàn)衰減增大的趨勢(shì)，各個(gè)頻點(diǎn)的衰減幅度不同，且在部分頻點(diǎn)出現(xiàn)向下的衰減凹槽。

2 信道特性測(cè)試

采取控制變量法，利用安捷倫NA7200A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行室內(nèi)低壓電力線信道特性的測(cè)試。首先，電力線的枝節(jié)數(shù)目和長(zhǎng)度不變，改變電力線的主干長(zhǎng)度測(cè)試信道特性。然后，在保證電力線的主干長(zhǎng)度不變，改變枝節(jié)的數(shù)目和長(zhǎng)度測(cè)試信道特性。最后接入與斷開(kāi)220V交流電力網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試電力線信道特性的變化。

采用圖3所示的測(cè)試框圖。為保證測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)一，枝節(jié)接入點(diǎn)為同一位置，交流電力網(wǎng)絡(luò)通過(guò)同一接口引入。

圖3 電力線信道測(cè)試框圖

其中的測(cè)試裝置主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、耦合裝置、插座和電力線組成，其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用來(lái)測(cè)試整個(gè)電力線信道的特性，耦合裝置由4700pF串聯(lián)電容和并聯(lián)二極管TVS1.5KE200A組成。電容防止工頻信號(hào)進(jìn)入測(cè)試裝置，二極管防瞬變、防浪涌，為電涌保護(hù)器，其最大持續(xù)運(yùn)行電壓最小值應(yīng)大于其接到線路產(chǎn)生的最大運(yùn)行電壓[11]。插座選用公牛牌插座，作為枝節(jié)的接入點(diǎn)，可以控制枝節(jié)接入或斷開(kāi)，電力線為0.75mm2國(guó)標(biāo)布線，三芯插頭。

3 測(cè)試結(jié)果與仿真分析

由回波傳輸函數(shù)的多路反射衰減模型可以得到整個(gè)電力線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度分布。對(duì)實(shí)際電力線信道傳輸函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)景為不同長(zhǎng)度的電力線模型網(wǎng)絡(luò)。

3.1 傳輸特性測(cè)試

分別對(duì)長(zhǎng)度為5m、10m和20m的電力線模型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試在1～100MHz頻段的傳輸函數(shù)，并對(duì)接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)前后對(duì)電力線信道的影響和枝節(jié)對(duì)電力線信道特性的影響進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 電力線信道傳輸曲線

圖4中曲線a、b、c分別表示長(zhǎng)度為5m、10m、20m的電力線在未接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)的測(cè)試結(jié)果。曲線d、e、f分別表示長(zhǎng)度為5m、10m、20m的電力線在接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)之后傳輸函數(shù)的測(cè)試結(jié)果。從圖4可以看出，隨著電力線長(zhǎng)度的增加，其信道衰減呈增大趨勢(shì)，且在部分頻點(diǎn)可能出現(xiàn)較大衰減凹槽。說(shuō)明信道衰減具有頻率選擇性，對(duì)比接入和未接入交流電力網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試結(jié)果可以看出，220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的引入會(huì)改變電力線信道的頻率選擇性，使得出現(xiàn)衰減凹槽的頻點(diǎn)改變。對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果，觀測(cè)其未接入電力網(wǎng)絡(luò)的5m、10m、20m的信道特性曲線，可知實(shí)測(cè)和仿真的電力線信道都出現(xiàn)衰減凹槽，凹槽數(shù)目相近，衰減的幅度有所差異，信道傳輸函數(shù)曲線趨勢(shì)基本一致。

3.2 阻抗特性測(cè)試

阻抗匹配對(duì)電力線信道的傳輸尤為重要，匹配的阻抗會(huì)獲得最佳傳輸函數(shù)，然而220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的引入會(huì)改變電力線信道的阻抗。為了分析220V交流用電網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力線信道阻抗特性的影響，分別對(duì)未接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的電力線信道阻抗、220V交流電力網(wǎng)絡(luò)接入端阻抗以及接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)后的整個(gè)電力線信道阻抗進(jìn)行了測(cè)試。

圖5、圖6分別為測(cè)試電力線信道在傳輸函數(shù)出現(xiàn)凹槽的頻點(diǎn)處所表現(xiàn)的阻抗實(shí)部和虛部，其中曲線a是出現(xiàn)凹槽的頻點(diǎn)在未接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的電力線信道的信號(hào)輸入端口阻抗，曲線b是該部分頻點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的輸入端口阻抗，曲線c為該部分頻點(diǎn)在接入電力網(wǎng)絡(luò)之后的電力線信道的總的信號(hào)輸入端口阻抗。電力線信道的阻抗具有頻率選擇性，因此只對(duì)出現(xiàn)衰減凹槽的頻點(diǎn)處的阻抗進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)比圖中的測(cè)試結(jié)果得知，接入電力網(wǎng)絡(luò)后對(duì)電力線信道的阻抗影響明顯，但其總阻抗不是呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的并聯(lián)。220V交流電力網(wǎng)絡(luò)對(duì)出現(xiàn)衰減凹槽頻點(diǎn)的阻抗實(shí)部影響明顯，虛部影響較小，導(dǎo)致出現(xiàn)凹槽頻點(diǎn)的阻抗發(fā)生變化，因此所測(cè)試信道中的衰減凹槽在接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)后會(huì)有所變化，其變化為衰減凹槽出現(xiàn)的頻點(diǎn)的移動(dòng)，幅度的變化。

圖5 傳輸函數(shù)測(cè)試結(jié)果中凹槽頻點(diǎn)處的阻抗實(shí)部

圖6 傳輸函數(shù)測(cè)試結(jié)果中凹槽頻點(diǎn)處的阻抗虛部

3.3 枝節(jié)對(duì)信道的影響測(cè)試

當(dāng)電力線主干長(zhǎng)度為10m、枝節(jié)長(zhǎng)度為5m時(shí)，電力線信道中分別接入不同枝節(jié)，測(cè)試枝節(jié)對(duì)信道傳輸特性的影響。

圖7中a、b、c分別表示電力線信道中接入1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)枝節(jié)后的傳輸特性曲線。圖8中a、b、c分別表示同一位置接入一個(gè)枝節(jié)，枝節(jié)長(zhǎng)度為1m、2m和5m時(shí)，信道的傳輸特性測(cè)試結(jié)果。

圖7說(shuō)明隨著信道中枝節(jié)數(shù)目的增加，電力線信道的衰減呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并且向下的衰減凹槽數(shù)目也呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，結(jié)合圖8的測(cè)試結(jié)果可知，在1～100MHz內(nèi)，枝節(jié)的數(shù)目會(huì)改變衰減凹槽的數(shù)目，枝節(jié)數(shù)目越多凹槽越多，枝節(jié)的長(zhǎng)度不會(huì)改變衰減凹槽數(shù)目；然而枝節(jié)長(zhǎng)度和電力線主干長(zhǎng)度都會(huì)對(duì)信道的衰減有影響，枝節(jié)越多、電力線越長(zhǎng)都會(huì)造成電力線信道的衰減增大。對(duì)比未接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果，得知所提出的信道模型，在未引入交流電力網(wǎng)絡(luò)時(shí)，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果近似，引入電力網(wǎng)絡(luò)后改變了電力線信道的阻抗特性，使其傳輸函數(shù)有所改變。

圖7 枝節(jié)數(shù)目對(duì)信道傳輸特性的影響

圖8 枝節(jié)長(zhǎng)度對(duì)信道傳輸特性的影響

4 結(jié)論

模型仿真和測(cè)試結(jié)果分析表明，在未接入220V交流電力網(wǎng)絡(luò)時(shí)，模型的仿真結(jié)果和實(shí)際的電力線信道具有近似的趨勢(shì)，而交流電力網(wǎng)絡(luò)的引入改變了電力線信道特性。室內(nèi)低壓電力線的長(zhǎng)度、枝節(jié)和交流電力網(wǎng)絡(luò)都會(huì)對(duì)其信道特性有影響，其信道衰減隨著線長(zhǎng)的增加而增大，隨著線上枝節(jié)數(shù)目的增多而增大，且具有頻率選擇性，在1～100MHz內(nèi)，部分頻點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)向下的衰減凹槽，凹槽的數(shù)目隨著電力線上枝節(jié)數(shù)目的增加而增多，與枝節(jié)長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。220V交流電力網(wǎng)絡(luò)的引入會(huì)改變電力線信道的阻抗特性，其改變不是阻抗的簡(jiǎn)單并聯(lián)，而是表現(xiàn)出隨機(jī)性，對(duì)電力線信道阻抗的實(shí)部影響較大，虛部影響較小，使電力線信道中出現(xiàn)衰減凹槽的頻點(diǎn)發(fā)生改變。

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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

賈鵬飛（1989-），男，陜西咸陽(yáng)市人，碩士，主要從事電子信息、射頻電路設(shè)計(jì)工作。

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015SZ0054）

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)計(jì)劃項(xiàng)目（2014JY0164）