低壓電力線信道的研究

低壓電力線信道的研究

1專用通信系統(tǒng)的選擇隨著配電網(wǎng)絡(luò)自動化的改善，低壓電氣線作為通信通道的需求日益突出。同時,Internet的突破進展帶來了更大帶寬的需求,而電信和電力市場的開放為電力公司介入飛速增長的Internet業(yè)務(wù)提供了契機,若能夠把配電網(wǎng)升級為寬帶接入網(wǎng),將具有巨大的應(yīng)用前景。由于低壓電力線上負荷的多樣性和時變性,以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),低壓電力線載波信道表現(xiàn)出低阻抗、高噪聲、信號衰減大和時變性等特點。因此,對于這樣的通道,要保證通信質(zhì)量和提高通信速率,必需選擇合適的專用通信系統(tǒng)。而為了選擇合適的信號調(diào)制、編碼、傳輸和解調(diào)方法,就需對通道特性有詳細的了解,因此,建立低壓電力線載波通信信道模型變得尤為重要。2低壓配電網(wǎng)抗壓強度測量低壓電力線的輸入阻抗是信號發(fā)送裝置和信號接收裝置驅(qū)動點上電力網(wǎng)的阻抗,它直接影響了信號耦合的效率,是低壓電力線傳輸特性的重要參數(shù)。早在1973年,J.R.Nicholson和J.A.Malack就公布了他們在20kHz到30kHz范圍的25個離散頻率下,對美國36個未濾波的商業(yè)電源115VAC,1?;220VAC,1?;208VAC,3?等所進行的阻抗測量結(jié)果,并與一個典型5μH阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)提供的阻抗進行了對照,結(jié)果表明商業(yè)電源阻抗隨頻率的升高有上升的趨勢(平均從2Ω到100Ω左右變化),在150kHz到25MHz頻率范圍內(nèi),一個5μH阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)可以很好地描述商業(yè)電力線阻抗的平均值。1976年J.A.Malack和J.R.Engstrom公布了在相同的頻率范圍內(nèi),對6個歐洲國家的86個商業(yè)電源220Vac,1?,3?;110/220Vac,3?;220/380Vac,3?;380Vac,3?等所進行的阻抗測量結(jié)果,表明歐洲各國之間商業(yè)電源的阻抗值變化不是很大,并且在整個LF～HF頻段上(20kHz～30MHz)與文中報道的在美國商業(yè)電源上測得的阻抗值相似,而在MF～HF頻段上(300kHz～30MHz)則兩者完全一致。1985年,R.M.Vines等人進行了在5～20kHz頻率下的低壓電力線上的阻抗測量,并針對決定低壓配電網(wǎng)阻抗的配電變、線路(包括引入電纜和室內(nèi)線)和電氣負荷分別進行了阻抗的測量,得出了如下結(jié)論:配電變二次側(cè)阻抗類似一個RL電路阻抗,阻抗值隨頻率升高而增加,并有較大的相角移動;在低壓配電網(wǎng)上發(fā)生的諧振(并聯(lián)時為低頻,串聯(lián)時為高頻)一般在40kHz以上,這使得配電網(wǎng)的阻抗在高頻時比在低頻時(5～20kHz)更加不可預(yù)測,這樣的諧振常常是由容性負載(如電視(0.1μF))引起的;連接線的電感試圖隔離網(wǎng)絡(luò)中的各元件,并在高頻時消除遠方連接負荷的影響;連接房屋和配電變的線路對阻抗的影響一般較小,但如果配電線沒有扭絞在一起,可能會有比較大的影響;在各種負荷中,電阻性供熱負荷在低頻時會引起較大的阻抗變化,其效果是在電路回路中并入了電阻和電感,感應(yīng)電機負載不會改變千赫茲級頻率下的阻抗,這是因為負載本身的電抗很大。所有研究表明低壓配電網(wǎng)的輸入阻抗隨頻率的升高而呈上升趨勢,在100kHz頻率以下的阻抗值一般很低,單個住戶的阻抗在9～95kHz頻率下已經(jīng)低到2Ω,這就要求信號發(fā)送裝置具有低輸出阻抗(<1Ω)。由于隨機負荷的影響,低壓配電網(wǎng)的輸入阻抗變得不可預(yù)測,在不同時間或不同位置,阻抗值均可能發(fā)生較大的改變。從這一點來說,采用高頻率載波是有利的,它可以消除遠方負荷的影響,使低壓配電網(wǎng)的輸入阻抗相對穩(wěn)定,不過這樣可能會產(chǎn)生由容性負載引起的諧振和大的信號衰減。3噪聲模型的研究3.1噪聲功率譜wsf早在1972年,A.A.Smith就提出了低壓電力線的噪聲頻譜測量問題,他給出了從美國城市商業(yè)辦公大樓到鄉(xiāng)村農(nóng)場的六個地點的電力線噪聲水平的測量結(jié)果,測量信號耦合到50Ω的接收裝置上,測量時間是在工作日的上午8:00到下午5:00之間。從測量結(jié)果可以看出,城區(qū)辦公大樓的噪聲最高,鄉(xiāng)村的噪聲水平最低,兩者相差近30dB。并且隨著頻率的升高噪聲水平呈顯著降低的趨勢,比如,城區(qū)辦公大樓的噪聲功率譜密度,在10kHz時為20dB(參考值為1μW/MHz),在100MHz時為-80dB,下降率約為-20dB/十倍頻(詳見文中的圖1)。1988年,日本學(xué)者塔那卡(Tanaka)在10k～100MHz頻率范圍內(nèi),對日本某大學(xué)的一座六層高的大約5000m2的實驗研究大樓的配電線上的噪聲功率譜進行了測量。結(jié)果表明,10～100kHz的噪聲水平較高,平均為-20～-40dBm(毫瓦分貝);同樣,噪聲隨頻率的增加而降低,頻率在100k～1MHz的范圍變化時,噪聲功率在-40～-80dBm范圍內(nèi)變化,衰減率達到-40dB/十倍頻;當頻率升高到1～100MHz時,噪聲功率譜降到測量的底限-90dBm以下。冬夏兩季的最大噪聲水平相差30～50dB,作者認為這是因為夏天旋轉(zhuǎn)機械,如電扇和空調(diào)增加了噪聲功率所致。另外,對住宅區(qū)的五層公寓樓的噪聲功率譜進行了測量,結(jié)果是高頻率范圍內(nèi)的噪聲比科研大樓的低。文所得出的最大噪聲功率譜比文中的大10dB以上。以上所述以及其它文獻、、、中的噪聲測量結(jié)果均表明,低壓電力線上的噪聲強度在不同電網(wǎng)上是有區(qū)別的,并且具有時變性,文獻報道,即使同一棟住宅公寓大樓,其平均噪聲水平在24h內(nèi)的變化也可高達6dB,因此,很難直接定量地表示其大小。但噪聲也具有一定的規(guī)律性,比如,噪聲隨頻率的增高而呈下降趨勢,并且無論噪聲多么復(fù)雜,它都是由各種特定性質(zhì)的噪聲源疊加而成的。所以進行噪聲的分類分析可望對噪聲特性有一個透徹的了解。3.2噪聲分類1ensty函數(shù)該類噪聲的功率譜密度(powerspectraldensity)相對較低,是頻率的衰減函數(shù),它主要是由線路上與電力系統(tǒng)頻率不同步的各種負載所產(chǎn)生的,其功率譜密度隨時間變化較慢,常常在幾分鐘或幾小時內(nèi)保持平穩(wěn)變化。2兩組日耗小、日最低幅值高這類噪聲大多數(shù)為帶調(diào)制幅值的正弦干擾信號。它主要是由引入電力線的廣播頻帶信號引起,它在夜間有最高幅值,白天相對較低。文測得電視水平回掃頻率(15.625kHz)的高次諧波強度為-80dB(W)左右,在其它頻率(25,30,49,55,58,75和82kHz),該類型噪聲的強度為-60到-90dB(W),這可能是由開關(guān)電源引起的。3高次諧波噪聲這主要是由可控硅整流(SCR)引起的噪聲,它每50Hz周(美國為60Hz)要切換一定次數(shù),引起在時域上的一系列噪聲脈沖,或在頻域上的工頻的更高次諧波噪聲。文測得白熾燈燈光調(diào)節(jié)器由于可控硅或其它整流元件的快速開通與關(guān)斷產(chǎn)生60Hz諧波噪聲,對于400W的白熾燈,在10kHz其噪聲水平可以達到比正常背景噪聲高40dB,而且,在更高頻率上產(chǎn)生的噪聲甚至?xí)?12480Hz擴展頻譜的各譜線的幅值均達到了80mV)。4脈沖噪聲的持續(xù)時間由于電網(wǎng)中有各種各樣的開關(guān)操作,可以想象它們會在電網(wǎng)中產(chǎn)生突發(fā)噪聲。測量結(jié)果顯示,這種脈沖噪聲的持續(xù)時間為幾微秒到幾毫秒,脈沖噪聲出現(xiàn)的時間具有隨機性,其頻度平均每秒遠遠少于一個。以上噪聲中,類型1)在短時間內(nèi)變化不大,可以看作是背景噪聲,類型3)和4)是按微秒和毫秒級單位時變的,在這樣的脈沖發(fā)生時,噪聲的功率譜很高,可引起數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生位或串的猝發(fā)錯誤。3.3噪聲模型描述在用仿真的方法研究低壓電網(wǎng)載波通信時,建立用某些特性參數(shù)描述噪聲的模型非常必要。若針對以上的基本分類進行模塊化建模,則任一種復(fù)雜噪聲情況都可以通過基本模塊模型的疊加來表示。1模型參數(shù)z背景噪聲可按圖1用白噪聲源經(jīng)過濾波生成,噪聲整形濾波在z平面上的傳遞函數(shù)Hmod(z)可描述為:Hmod(z)=B(z)A(z)=1+∑i=1mbiz?i1+∑i=1naiz?i(1)Ηmod(z)=B(z)A(z)=1+∑i=1mbiz-i1+∑i=1naiz-i(1)其分子B(z)表示的是移動平均(MA)部分,其分母A(z)表示的是自回歸(AR)部分,模型參數(shù)由噪聲源的方差σ2和濾波器系數(shù)組成。通過使用AR處理模型,即:B(z)=1,參數(shù)可以由用AR頻譜分析儀測量的噪聲信號確定。2am廣播信號的調(diào)制幅值窄帶噪聲部分可通過如下N個獨立的正弦函數(shù)疊加來描述:nnarrow(t)=∑i=1NAi(t)sin(2πfit+φi)(2)nnarrow(t)=∑i=1ΝAi(t)sin(2πfit+φi)(2)其中,每一個分量由它的頻率fi、幅值A(chǔ)i(t)和相位φi來描述。幅值A(chǔ)i(t)在時間上既可以是常數(shù),也可以是對AM廣播信號更好近似的調(diào)制幅值。載波相位可以在區(qū)間[0,2π]上用隨機數(shù)選擇,并獨立于時間。噪聲既可在時域中合成,也可先在頻域中合成,再通過反快速傅立葉變換(IFFT)得到。3脈沖特性分析脈沖噪聲是低壓電力線通信的嚴重有害源,其對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懗潭戎饕怯擅}沖的幅度、脈寬和間隔時間決定。文提出了噪聲脈沖的幅度、脈寬和間隔時間的概率分布估計,根據(jù)測量結(jié)果得出了如下結(jié)論:脈沖噪聲強度一般比背景噪聲水平高10dB,有時可以超過40dB,脈沖強度與噪聲源的強度和噪聲源離接收裝置的距離有關(guān);主要脈沖系列的脈沖頻率(由脈沖間隔時間決定)一般為120Hz,它與60Hz電源電壓的正負周期同步;對于120Hz脈沖噪聲,其脈寬變化達到幾個百分點;脈寬與所選定的幅度水平T有關(guān),一般來說,脈沖寬度隨T增加而減小;有些噪聲源將增加背景噪聲功率(如真空吸塵器和攪拌機),其它一些將增加脈沖噪聲功率(如復(fù)印機以0.01的概率產(chǎn)生高于背景噪聲27dB的120Hz周期脈沖,燈光調(diào)節(jié)器以同樣的概率產(chǎn)生高于背景噪聲40dB的脈沖噪聲)?？紤]到脈沖為隨機事件的事實,其特性可以用隨機變量來描述,這里通過一個分割馬爾可夫鏈對脈寬和脈沖間隔時間進行模擬。假定把噪聲狀態(tài)分成兩組A(i=1,2…,v)和B(i=1+v,2+v,…,n),A中的v個狀態(tài)表示沒有脈沖事件發(fā)生的情況,B中的w=n-v個狀態(tài)表示有脈沖事件發(fā)生的情況。則脈沖寬度大于某個寬度tw的概率,用離散時間k表示為:Pw(k)=∑j=1wgw+1,j?gkjj(k=1,2,?)(3)Ρw(k)=∑j=1wgw+1,j?gjjk(k=1,2,?)(3)其中,gw+1,j表示從B中的某個狀態(tài)j向臨界狀態(tài)w+1過渡(脈沖開始消失)時的轉(zhuǎn)移概率,gjj表示B中的某個狀態(tài)不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(脈沖保持)的概率。脈沖間隔時間超過某一時間跨度tA的概率,用離散時間k表示為:PA(k)=∑j=1vuv+1,j?ukjj(k=1,2,?)(4)ΡA(k)=∑j=1vuv+1,j?ujjk(k=1,2,?)(4)其中,uv+1,j表示從A中的某個狀態(tài)j向臨界狀態(tài)v+1過渡(脈沖開始發(fā)生)時的轉(zhuǎn)移概率,ujj表示A中的某個狀態(tài)不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(無脈沖保持)的概率。4隧道模型的研究4.1頻率對傳播衰減的影響由于低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和負載的多樣性與時變性,高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然會有衰減,并且該衰減特性難以預(yù)測,這就給低壓電力線載波通信帶來了困難。據(jù)文獻報道,傳輸信號在100kHz以下的衰減相對穩(wěn)定,在100kHz到200kHz之間以0.25dB/kHz的比例線性增長,信號衰減與頻率有關(guān)是由電抗性負載和傳輸線效應(yīng)引起的。傳輸線效應(yīng)包括反射和多峰抵消(multi-modalcancellations),這引起網(wǎng)絡(luò)中某些特定點出現(xiàn)窄帶衰減,實驗結(jié)果表明,頻率低于100kHz,距離小于400m(即小于0.12個波長)時,傳輸線效應(yīng)的影響較小。文獻提出了配電變副方兩回路之間的導(dǎo)納參數(shù)模型,并對六臺配電變在20～30kHz的頻率范圍進行了測量,結(jié)果表明配電變副方兩回路之間的信號傳輸衰減隨頻率增加而增加,通常連接在兩回路之間的負荷能增進跨回路的信號傳輸,只要該負荷的等效導(dǎo)納大于配電變副方兩回路的互導(dǎo)納。文獻提出了在20～240kHz的頻率下,對五種不同類型建筑物的室內(nèi)信號衰減的測量,結(jié)果表明室內(nèi)電力線的信號衰減一般會超過20dB;一般來說,發(fā)送裝置和接收裝置同相時的信號衰減一般比非同相時的低,而且信號衰減隨頻率的增高有增加的趨勢;電氣負荷對室內(nèi)電力線信號衰減影響很大,在任何給定頻率下負荷隨時間的變化可能導(dǎo)致信號衰減的劇烈變化(變化常達20dB)。文獻給出了在10k～20MHz頻率下,對日本建筑物內(nèi)低壓電力線信號衰減特性的實地測量,發(fā)送和接收點距離為10、20和30m時(接收點處的終端阻抗為5Ω),其變化范圍分別為-3～-30dB,-3～-40dB和-10～-55dB,頻率低于400kHz時每種距離的衰減隨頻率變化不大(穩(wěn)定在-3～-25dB之間),在400kHz以上衰減變化則很快,并且變化范圍很大。以上的測量分析說明,電力線上的信號衰減隨頻率增長有增加的趨勢,并且頻率越高傳輸線效應(yīng)越明顯,發(fā)生諧振的可能性越大,導(dǎo)致在某些頻率下衰減會迅速增加。跨相傳輸時信號衰減比同相傳輸時大,這可以通過在相間加電容耦合來消除。由于各種配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及負荷不同,很難找到簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系,可從各種室內(nèi)電力線上得到的信號衰減數(shù)據(jù)進行具有普遍意義的描述。4.2低壓電力線的傳播模型盡管以上測量表明無法建立一個通用的精確模型來模擬所有的低壓配電網(wǎng)通道情況,但是建立一個能反映通道基本特征的近似模型卻是可能的,也是有必要的,這對于研究低壓電力線載波通信的調(diào)制、編碼、傳輸和解調(diào)有很重要的意義。文獻提出了一個簡單的電力線通信通道模型,如圖2所示。通道濾波的頻率響應(yīng)h(f,t)隨電氣負荷的改變表現(xiàn)為時變性,衰減A(t)常常具有120Hz的頻率,當然也包括其它周期分量,其對噪聲也有衰減作用,噪聲衰減和信號衰減的相對比值為B。這些參數(shù)的確定有賴于對線路和負荷的有關(guān)信息的了解。文獻采用自頂向下的方