信号在电力线上传输应用中特性的研究

　　 

    摘要：随着电子技术和网络技术的发展，运用电力线作为载体进行信号传输受到人们越来越多的重视，得到了越来越广泛的应用。在电力载波技术的应用中，信号干扰和衰减是影响信号传输的重要原因。

首先介绍了应用电力线传输信号的意义、原理和干扰信号的来源，分析了用电力线传输信号的一些特点，给出了测量信号衰减的方法，并对实验结果进行了分析，然后提出了抗干扰和抗衰减的方案设计，并对信号干扰和衰减的特性进行了分析和总结，对用电力载波方式进行传输信号的应用具有很好的参考和实用价值。

    关键词：电力线；载波；信号干扰；信号衰减；放大电路

    TheCharacteristicStudyabout Signal Transmission

    ApplicationinPowerline

    LIGenwang，ZHAOFuhai

    (The27thInstitute,ElectronicScience and Technology Group

    CorporationofChina, Zhengzhou,450005,China)

    Abstract：Alongwithelectronictechnology and network technology′s development,signal t ransmission in powerline is regarded more and more by people,is appli ed more and more widely?In powerline carrier wave application,signal disturbing and signal attenuation is the important reason of effecting signal tr ansmission?The paper first introduces the meaning and theory of signal transmi ssion in powerline,introduces the source of distur bing signal,analyzes the peculiarity of signal transmission in powerlin e,gives the method of measuring signal attenuation,analyzes the experiment′s result,advances the project design of reducing disturbing and attenuation,intr oduces the design circuit simply,and analyzes and summarizes the characteristic about signal disturbing and signal attenuation?It has the value of reference and practicality about signal transmission application in powerline

    Keywords：powerline;carrierwave;signaldisturbing;signalattenuation;enlarge circuit

    1引言

    电力载波技术，是指利用电力线传输数据和话音、图像信号的一种通信技术方式，他是将低压控制信号加载到电力线上传送到电力网的各个位置，合理地利用了电力线的网络资源。以前该技术只作为长距离调度的通信手段，随着信息技术的飞速发展，利用220V低压电力线传输高速数据的价值越来越为人们所重视，因为他具有不用布线、覆盖范围广、连接方便、功能灵活、安装便捷、扩展容易的显著特点，被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一［1］。

    当前，随着我国电子技术和网络技术的发展，很多电力线载波专用芯片的传输速率也越来越高，以电力线作为载体通过电力载波技术进行通信的例子越来越多，如载波电话、家庭智能控制、小区物业管理、安防报警等等。在我国很多地方已经可以通过电力线上Internet网并取得了良好的效果，预计在未来数年，随着技术的发展，使用者可以通过电力连线，轻松地将计算机、各种电子装置、安全系统和家电串连成家庭网络。

    低压电力线载波通信的基本原理框图如图1所示。

    然而一些基于电力载波技术开发的产品并不能大面积地推广，主要原因是其抗干扰性能差和电网噪声比较大。这是由于我国的电网波动较大，同时接入的干扰噪声较多并且没有进行较好的抑制。电力线上的高削减、高噪声、高变形使得电力线成为一个不理想的通信媒介。

    2干扰来源分析和电力线通信特点

    电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制。首先配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域内传送。同时三相电力线间有很大信号损失（10~30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。但是一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。

    低压电力线一般由铜或其他电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小。因此，电力线本身的阻抗并不是产生干扰的主要原因。从技术角度而言，利用电力线作为传输媒介，主要存在着以下几个干扰因素。

    电力线存在本身固有的脉冲干扰，脉冲噪声是电力线上最大的噪声源目前使用的交流电有50Hz和60Hz，则周期为20ms和16.7 ms。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上固有的100 Hz或120 Hz脉冲干扰，噪声具有突变、高能和覆盖频率范围广的特点，对载波信号影响很大，不仅会造成信号误码率升高，而且可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。

    信号衰减和阻抗变化电力线对载波信号造成高削减，低压电力网载波信号的衰减通常很大，可达60dB以上，而且衰减值要受到电力网上负载变化的影响，随着信号频率而变化。如冰箱的启动使得电力线阻抗可从0.1Ω变到100Ω，信号衰减从55 dB到100 dB。

    持续谐波干扰电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，就会给电力线上带来各种噪声干扰。如开关电源产生的主谐波频率在50kHz以上，处于载波信号的频率范围。特别随着家用微机的普及，大量的劣质开关电源使得电网受到严重污染。

    电力线引起数据信号变形电力线是一个分布参数的网络，不同地点对数据信号影响不一样，同时电力线时刻都在动态变化，不同时间对数据信号影响也不一样，这就使发出的数据信号经过电力线后，接收到的信号是严重变形、参差不齐的信号。

    综上所述，电力线并不是一个理想的通信媒介，但由于现代化通讯技术的发展，使电力线载波通讯成为现实，其中数据信号的信噪比决定了传输距离的远近。电力线载波通讯的关键就是采用功能强大的电力线载波专用Modem芯片并对干扰信号采取抗干扰和滤波措施。

    3信号衰减分析

    低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性大，难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述，这也是为什么一直以来对低压电力线载波信号传输特性的分析多是以定性分析和实验数据测试分析为主的原因，即使有些学者提出了一些模型，这些模型也往往是附加了许多假设和限制，因而也是不准确的或适用面很窄［2］。我们在载波产品开发过程中，运用以下方式测试干扰特性并采取抗干扰措施取得了良好的效果。

    (1)信号测量方法

    为了测量低压电力网的衰减特性，使用图2所示的实验装置。通过图1的信号处理器产生一个正弦信号，经过放大后，通过线性耦合网络接入低压电力网络。信号经过低压电力网后，接收端将同时收到信号与噪声，这两种电平经过一个与发射端相同的线性耦合网络，加到一个阻性负载上，并用一台数字示波器测量其值。

    (2)实验结果分析

    经过实际测量，低压电力网的衰减特性是非常复杂和变化的。在同一电力网中的不同地方，甚至在同一个地方的不同时间段，其衰减值都相差很大，并且随着频率的上升，衰减也随之增大。

    测量到的一组数据如表1所示。

    通过实验可以总结出衰减特性的一般规律：

    ①同相衰减一般小于跨相衰减，但在一定频率点上有例外。

    ②当频率上升时，信号衰减随之明显增大，但这种增大并不是单调的。

    ③电力网上的电力负载将极大地影响载波信号的衰减。由于负载情况随着时间发生变化，因此在给定的频率点上衰减也会随着时间变化，其变化范围可高达30dB。

    ④低压电力网通信信号的衰减特性很难建立准确的数学模型，也不能用简单的数学公式来表达,他更适合于用统计的方法来进行分析计算。

    4抗干扰和衰减方案设计

    为解决干扰问题，在产品设计中采取了以下措施，首先在系统接口处采用新型的耦合器，该耦合器不仅能增强发送信号，更重要的是进行滤波；同时在设计时把发射端功率增大，提高信号的发射功率；在接收端提高信号灵敏度，使信号经衰减后，信噪比仍能达到一定的要求；最后在信号接收后采用软件滤波方式把有用信号提取出来。

    (1)电力线上的许多负载对信号衰减影响很大。尤其是那些用于调整电网功率团数的大电容，对几百kHz的载波信号来说，相当于短路［3］。理论上，可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定于线路的衰减。

    通过实验可以总结出衰减特性的一般规律：

    ①同相衰减一般小于跨相衰减，但在一定频率点上有例外。

    ②当频率上升时，信号衰减随之明显增大，但这种增大并不是单调的。

    ③电力网上的电力负载将极大地影响载波信号的衰减。由于负载情况随着时间发生变化，因此在给定的频率点上衰减也会随着时间变化，其变化范围可高达30dB。

    ④低压电力网通信信号的衰减特性很难建立准确的数学模型，也不能用简单的数学公式来表达,他更适合于用统计的方法来进行分析计算。

    4抗干扰和衰减方案设计

    为解决干扰问题，在产品设计中采取了以下措施，首先在系统接口处采用新型的耦合器，该耦合器不仅能增强发送信号，更重要的是进行滤波；同时在设计时把发射端功率增大，提高信号的发射功率；在接收端提高信号灵敏度，使信号经衰减后，信噪比仍能达到一定的要求；最后在信号接收后采用软件滤波方式把有用信号提取出来。

    (1)电力线上的许多负载对信号衰减影响很大。尤其是那些用于调整电网功率团数的大电容，对几百kHz的载波信号来说，相当于短路［3］。理论上，可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定于线路的衰减。

    (3)接收模块设计

    接收电路采用运算放大器对信号进行放大，通过带通滤波器提取有用信号，提高信号的信噪比。

    在接收系统中，接收器的接收灵敏度设计为自适应方式，使其能根据电力网衰减的情况自动进行调整，以保证良好的通信质量。同时在各个相线之间接上耦合电容，以扩大通信信号的覆盖面，提高跨相传输距离，同时又改变了电力系统的功率品质因数。

    (4)软件滤波技术

    如果传送的信号距离较远，由于电力线上的干扰较多，一些随机干扰仍然可以进入信号处理器内部，这时候可以用数字滤波方法予于削弱或滤除。所谓数字滤波方法，就是通过程序计算或判断来减少干扰在有用信号中的比重［4］。

    在应用中采用如下措施：信号在发送端3次接连发送，在接收端取中值接收，然后进行数据校验。采用这种方式取得了较好的效果。

    5结语

    低压电力载波通信信号的干扰和衰减总体上虽有一定的统计规律，但由于电力网负载的多样性、复杂性和时变性，其具体变化细节难于准确预测，不能以简单的数学公式来描述。我们在集中抄表系统和智能家居网络控制系统的应用中通过采取以上一些措施取得了比较好的效果。随着技术的进一步发展，随着电力线抗干扰技术的成熟，我国的低压电力线载波通信技术一定会得到越来越广泛的应用。

    参考文献

    ［1］陈维千.电力线载波通信［M］.北京：水利电力出版社，1989.

    ［2］谢飞，熊立翔，杨士中.低压电力网载波通信信号衰减特性的研究［J］.电子技术应用，1998，(1)：36-37.

    ［3］马学文，朱名日.X10在智能家居应用中干扰问题的研究［J］.今日电子，2004，(5)：55-56.

    ［4］李朝青.单片机原理及接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1999.

    作者：李根旺，赵富海

原文转自：http://www.ltesting.net