低壓電力線通信技術(shù)綜述

摘要 在概述低壓電力線通信技術(shù)當(dāng)前主要研究方向的基礎(chǔ)上，總結(jié)了在阻抗特性、噪聲特性、信號(hào)衰減特性及信道模型方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者的最新研究成果與相應(yīng)策略。分析了當(dāng)前熱點(diǎn)研究的低壓電力線通信調(diào)制解調(diào)技術(shù)，包括跳頻調(diào)制／解調(diào)技術(shù)與正交頻分復(fù)用技術(shù)。最后，對(duì)低壓電力線通信技術(shù)未來(lái)的研究方向及發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞 低壓電力線通信；信道特性；噪聲特性：信道模型；正交頻分復(fù)用

許多學(xué)者為提高電力線通信的可靠性做出了富有成效的努力，目前在解決電力線通信可靠性問(wèn)題方面，主要集中于兩點(diǎn)：其一，提高點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信正確接收概率，包括基于物理層與鏈路層的研究；其二，也有學(xué)者開(kāi)始關(guān)注于使用網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)路由的方法來(lái)提高電力線通信網(wǎng)絡(luò)層面的可靠性。這些方法與技術(shù)雖取得了一定突破，但仍有改進(jìn)的空間。

1 輸入阻抗特性與信道衰減
1．1 輸入阻抗特性
如前所述，電力線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，變電站的二次變壓裝置與用戶負(fù)載同時(shí)并聯(lián)在電力網(wǎng)絡(luò)中，低壓電力線輸入阻抗主要由3部分組成：(1)變電站變壓器產(chǎn)生的阻抗，它隨著頻率的增加而增大；(2)導(dǎo)線的特征阻抗，導(dǎo)線可看作電阻與電感的串聯(lián)，不同導(dǎo)線的特征阻抗一般相差70～100Ω；(3)接在電力線上的設(shè)備阻抗，一般相差10～1 000Ω。
低壓配電網(wǎng)電力線輸入阻抗與電力線通信收發(fā)模塊輸出阻抗的匹配程度直接影響信號(hào)的耦合效率，因此，電網(wǎng)的輸入阻抗是電力線傳輸特性的重要參數(shù)。J．A．Malack與J．R．Nicholson在1973年發(fā)表了在20 kHz～30 MHz范圍內(nèi)的25個(gè)離散頻率下，對(duì)美國(guó)未經(jīng)濾波處理的商業(yè)電源進(jìn)行的阻抗測(cè)量，包括交流115 V單相、220 V單相以及208 V單相，并與一個(gè)典型5阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)提供的阻抗進(jìn)行了對(duì)照，結(jié)果表明商業(yè)電源阻抗隨頻率的增加有上升趨勢(shì)，平均從2～100 Ω變化，在150 kHz～25 MHz頻率范圍內(nèi)，1個(gè)5μH阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)可以較好地描述電力配電網(wǎng)阻抗的平均值。
1985年，R．M．Vines等人對(duì)5～20 kHz低壓電力線上的阻抗進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)決定低壓配電網(wǎng)阻抗的配電變、線路和電氣負(fù)荷分別進(jìn)行了阻抗的測(cè)量，得出結(jié)論如下：配電變二次側(cè)阻抗類似一個(gè)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(dòng)；在低壓配電網(wǎng)上發(fā)生的諧振一般在40 kHz以上，這使得配電網(wǎng)的阻抗在高頻時(shí)比在低頻時(shí)更不可預(yù)測(cè)，這樣的諧振常常是由容性負(fù)載引起的。

圖1為意法半導(dǎo)體公司(ST)在其ST7538應(yīng)用文檔中給出的由IBM電磁兼容實(shí)驗(yàn)室在歐洲6國(guó)測(cè)得關(guān)于歐洲低壓商業(yè)電網(wǎng)阻抗值，相關(guān)參數(shù)值與J．A．Malack所得結(jié)論基本一致，該測(cè)試結(jié)果為后續(xù)的電力線載波通信模塊的阻抗匹配設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
1．2 信道衰減
由于低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和負(fù)載的多樣性與時(shí)變性，高頻信號(hào)在低壓電力線上的傳輸必然會(huì)有衰減，并且該衰減特性難以預(yù)測(cè)，這就給低壓電力線通信帶來(lái)了困難。低壓電力線一般由鋁或其他電的良導(dǎo)體加工而成，其本身的阻抗很小，對(duì)不同頻率的信號(hào)，其阻抗略有變化且相對(duì)穩(wěn)定，因此，電力線本身的阻抗并不是產(chǎn)生衰減的主要原因，主要原因在于電力線上并聯(lián)的許多負(fù)載，尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)的大電容，對(duì)幾百kHz的載波通信信號(hào)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于短路。
根據(jù)文獻(xiàn)，傳輸信號(hào)在100 kHz以下的衰減相對(duì)穩(wěn)定，在100～200 kHz之間以0．25 dB／kHz的比例線性增長(zhǎng)，信號(hào)衰減與頻率有關(guān)是由電抗性負(fù)載與傳輸線效應(yīng)引起的，傳輸線效應(yīng)包括反射與多峰抵消，這引起網(wǎng)絡(luò)中某些特定點(diǎn)出現(xiàn)窄帶衰減。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頻率低于100 kHz，距離400 m時(shí)，傳輸線效應(yīng)的影響較小。該文在20～240 kHz頻率下，測(cè)量了5種不同類型建筑物的室內(nèi)信號(hào)衰減，結(jié)果表明室內(nèi)電力線的信號(hào)衰減一般會(huì)超過(guò)20 dB。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)送裝置與接收裝置同相時(shí)的信號(hào)衰減比非同相時(shí)的低，而且信號(hào)衰減隨頻率的增長(zhǎng)有增加的趨勢(shì)。并且，電氣負(fù)荷對(duì)室內(nèi)電力線信號(hào)衰減有較大影響，在任何給定頻率下負(fù)荷隨時(shí)間的變化可能導(dǎo)致信號(hào)衰減的劇烈變化。
測(cè)量分析說(shuō)明，電力線上的信號(hào)衰減隨頻率增長(zhǎng)有增加的趨勢(shì)，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(huì)迅速增加，跨相傳輸時(shí)信號(hào)衰減比同相傳輸時(shí)大，但這可以通過(guò)在相間加電容耦合來(lái)消除。除衰減較高以外，電力線信道的另一個(gè)典型特征是多徑衰落，從而產(chǎn)生頻率選擇性衰落。由于各種配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷不同，很難找到簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)進(jìn)行普遍意義的描述，文獻(xiàn)從傳輸線理論出發(fā)，通過(guò)分析等效負(fù)載阻抗在復(fù)平面上的變化規(guī)律，討論了3種典型連接形式的電力線高頻阻抗特性，同時(shí)，文中指出在高頻載波條件下，傳輸線策動(dòng)點(diǎn)阻抗與負(fù)載阻抗特性變化的關(guān)系，為進(jìn)一步討論大規(guī)模配電網(wǎng)阻抗特性提供了一種分析方法。另外，還總結(jié)了電網(wǎng)參數(shù)對(duì)阻抗特性的影響，通過(guò)改變線纜參數(shù)與調(diào)制方法來(lái)減小傳輸線阻抗特性變化對(duì)載波通信的影響。

2 信道噪聲特性
低壓電力線的噪聲強(qiáng)度在不同電網(wǎng)上有所區(qū)別，并具有時(shí)變性，文獻(xiàn)指出即使在同一棟住宅公寓大樓，其平均噪聲水平在24 h內(nèi)的變化也可高達(dá)6 dB，因此，很難直接定量地表示其大小。
2．1 噪聲分類
(1)具有平滑頻譜的噪聲。
該類噪聲的功率譜密度相對(duì)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(fù)載所產(chǎn)生的，其功率譜密度隨時(shí)間變化較慢，常常在幾min或幾h內(nèi)保持平穩(wěn)變化，在短時(shí)間內(nèi)變化不大，可以看作是背景噪聲。
(2)與系統(tǒng)頻率無(wú)關(guān)的窄帶噪聲。
這類噪聲大多數(shù)為帶調(diào)制幅值的正弦干擾信號(hào)，它主要由引入電力線的廣播頻帶信號(hào)引起，它在夜間有最高幅值，白天相對(duì)較低。
(3)與系統(tǒng)頻率同步的周期脈沖噪聲。
主要由可控硅整流(SCR)引起的噪聲，它每50 Hz要切換一定次數(shù)，引起在時(shí)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。文獻(xiàn)測(cè)得白熾燈燈光調(diào)節(jié)器由于可控硅或其他整流元件的快速通斷產(chǎn)生60 Hz諧波噪聲，對(duì)于400 W的白熾燈，在10 kHz其噪聲水平可以達(dá)到比正常背景噪聲高40 dB，而且在更高頻率上產(chǎn)生的噪聲甚至更高。
(4)與系統(tǒng)頻率無(wú)關(guān)的單事件脈沖噪聲。
電網(wǎng)中有各種各樣的開(kāi)關(guān)操作，會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生突發(fā)噪聲，測(cè)量結(jié)果顯示，這種脈沖噪聲的持續(xù)時(shí)間為幾μs到幾ms，脈沖噪聲的出現(xiàn)時(shí)間具有隨機(jī)性，其頻度平均每秒遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于一個(gè)，它按μs和mS級(jí)單位時(shí)變，在這樣的脈沖發(fā)生時(shí)，噪聲的功率譜很高，可引起數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生位或串的突發(fā)性錯(cuò)誤。