張皓嵐，賀慧英，羅寧昭

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

電力線載波通信（PLC, Power Line Carrier）技術(shù)是指采用調(diào)制／解調(diào)技術(shù)，利用傳輸工頻電能的電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號的一種通信方式，是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式。電力線載波技術(shù)以電力線路為傳輸通道，不占用無線頻道資源，亦無需鋪設(shè)專用通信線路,具有通道可靠性高、投資少、見效快、維護簡單、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨厚的優(yōu)點，開發(fā)電力線資源具有巨大的實用價值和經(jīng)濟價值[1-2]。

如果能將艦船配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)用為通信網(wǎng)絡(luò)，即采用PLC技術(shù)實現(xiàn)艦船電氣設(shè)備的通信，相對于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，將會有以下優(yōu)勢:

1）工程量小，投入成本低。電力線載波通信技術(shù)充分利用已有的電力線路為傳輸信道，不用進(jìn)行額外布線，能夠解決艦船上布線困難的問題，同時可降低設(shè)備成本，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資；減少穿艙電纜，增強了水密性能，降低了工程施工難度，節(jié)約施工成本，不會出現(xiàn)干擾艦船正常運行的情況。

2）增裝簡便。在艦船現(xiàn)代化改裝過程中，難免增裝新的電氣設(shè)備，因而必然增加通信接口，采用配電網(wǎng)絡(luò)作為通信載體，可避免在改裝過程中新增穿艙通信電纜，大大降低了施工難度，增加了通信節(jié)點而不增加線路。只要有電線插座，艦員可以即插即用接入電力線通信網(wǎng)，提高了通信的及時性和便利性。

3）減少了故障源。艦船上任何設(shè)備都可看作潛在的故障源，通信電纜也不例外。電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用使得配電網(wǎng)絡(luò)取代了通信網(wǎng)絡(luò)，降低了由通信網(wǎng)絡(luò)故障引起監(jiān)控系統(tǒng)故障的概率，提高了系統(tǒng)可靠性。

1 艦船PLC通信網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計

1.1 PLC的適用網(wǎng)絡(luò)

船舶配電網(wǎng)絡(luò)分為:①正常照明配電網(wǎng)絡(luò)。該電網(wǎng)則由照明變壓器副邊算起，通過主配電網(wǎng)的照明負(fù)載饋電各照明分配電板，再由各分配電板供電給全船所有照明燈具；②動力配電網(wǎng)絡(luò)。指供電給三相異步電動機負(fù)載的電網(wǎng)，也包括供電給 380 V三相電熱負(fù)載的電纜。該網(wǎng)絡(luò)輸送的電能約占全船全部電能的70%左右；③應(yīng)急電網(wǎng)。當(dāng)主電源失電時，應(yīng)急電源自動啟動并通過應(yīng)急電網(wǎng)供電給應(yīng)急用戶；④小應(yīng)急電網(wǎng)。由24 V蓄電池提供的直流電提供給各應(yīng)急設(shè)備；⑤弱電電網(wǎng)。全船無線電通訊設(shè)備、各種助航設(shè)備、信號報警系統(tǒng)等用戶供電的低壓支流電網(wǎng)或中頻電網(wǎng)[3]。

以上的幾種配電網(wǎng)絡(luò)中，220 V的正常照明配電網(wǎng)絡(luò)無疑最適合作為載波通信的網(wǎng)絡(luò)。照明配電網(wǎng)絡(luò)分布廣，而且網(wǎng)絡(luò)上所連接設(shè)備功率小，設(shè)備的開關(guān)也不頻繁，所以產(chǎn)生的噪聲信號也相應(yīng)要小一些。

1.2 艦船PLC通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃

艦船電力系統(tǒng)是電源、配電網(wǎng)和本艦用電負(fù)載所組成的完整體系，是最為典型的移動式獨立電力系統(tǒng)。船舶電力系統(tǒng)中電能產(chǎn)生、分配、傳輸以及使用皆在船舶內(nèi)進(jìn)行和完成。為了滿足不同電氣設(shè)備的工作電壓，艦船配電網(wǎng)中有不同等級的變壓裝置，由于載波通信的高頻信號無法通過變壓裝置，這些變壓裝置將艦船電力載波通信網(wǎng)絡(luò)分割為不同的子網(wǎng)絡(luò)，子網(wǎng)絡(luò)之間的載波通信就需要研究如何“繞過變壓器”；為提高供電生命力，船舶電網(wǎng)上采取開關(guān)隔離的方式，在功能工況或某些特殊情況下，由各發(fā)電機進(jìn)行分區(qū)供電，從而可以把故障限制在一個區(qū)域的小范圍內(nèi)。這樣以來，艦船PLC網(wǎng)絡(luò)或由一個環(huán)形、總線型的大局域網(wǎng)退化為若干個樹形的小局域網(wǎng)，阻礙了全艦的及時通信，這與“繞過變壓器”實質(zhì)是一樣的:即艦船設(shè)備對 PLC通信的阻斷問題。解決阻斷問題有兩種方案:①模擬電路方案，利用阻波器、濾波器，讓信號通過這些設(shè)備通過阻斷處；②數(shù)字電路方案，利用數(shù)字交換機、數(shù)字中繼器等設(shè)備組成計算機網(wǎng)絡(luò)將阻斷處連接起來，同時能起一個控制中心的作用?？朔俗钄鄦栴}，就構(gòu)成了電力線和通信線混合的艦船通信網(wǎng)絡(luò)，電力線載波只解決區(qū)域通信問題。

設(shè)計艦船PLC網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 艦船電力載波通信網(wǎng)

2 艦船電力線載波通信的通信介質(zhì)

2.1 艦船照明電路的電纜

船舶網(wǎng)路有兩種線路。即“短線路”和“長線路”。如按發(fā)熱條件計算的截面大于按電壓損失要求計算的截面，這樣的線路稱為“短線路”。反之，按電壓損失要求計算的截面大于按發(fā)熱條件計算的截面時，這樣的線路稱為“長線路”。對“短線路”來說，按發(fā)熱條件來選擇電纜截面，必然滿足電壓損失的要求；對“長線路”來說，按電壓損失來選擇電纜截面，必須滿足發(fā)熱的要求。經(jīng)實踐統(tǒng)計表明，中、小型船舶的動力網(wǎng)路一般都屬于“短線路”，照明網(wǎng)路，特別是低壓照明網(wǎng)路，大多是“長線路”。按照規(guī)范的要求，照明網(wǎng)路電纜的截面要根據(jù)網(wǎng)路電壓損失來確定，電壓損失應(yīng)按總接入負(fù)載電流計算。照明系統(tǒng)和配電系統(tǒng)電路的總負(fù)載電流應(yīng)按如下要求確定[4]:

1）支線。接入負(fù)載額定值的矢量和。

2）干線分支。所有支線電路接入負(fù)載矢量和得到的最大線電流。

3）干線。所有接入干線分支的接入負(fù)載電流矢量和。

4）饋線。饋線需用因數(shù)與所有接入干線的三相總負(fù)載電流的矢量和之乘積。

5）在確定照明電路的電流定額時，每一燈頭必須按能與它連接的最大負(fù)載計算，但最小為60 W。每個照明插座應(yīng)按二個燈頭計算。

對于未具體指明負(fù)載的每個交流或直流插座，應(yīng)考慮增加功率的裕量。對專門給照明插座供電的插座電路，應(yīng)采用如下表所示負(fù)載系數(shù)來確定配電板的電纜規(guī)格:一個電路內(nèi)插座數(shù)3個以下，負(fù)載系數(shù)為1；一個電路內(nèi)插座數(shù)4～6個，負(fù)載系數(shù).75；一個電路內(nèi)插座數(shù)為7～9個，負(fù)載系數(shù)為0.65；一個電路內(nèi)插座數(shù)為10～11個，負(fù)載系數(shù)為0.60；一個電路內(nèi)插座數(shù)為12～15個，負(fù)載系數(shù)為0.55。

由 LC主要用于解決區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信問題，所以我們采取支線中最大負(fù)載的情況來確定照明電纜的規(guī)格，即一個電路內(nèi)15個插座數(shù)，負(fù)載系數(shù)0.55。則此條電路上負(fù)載為3272 W，最大電流為8.610 A，根據(jù)表1和表2[4]，可確定照明網(wǎng)絡(luò)電力線截面積應(yīng)為2.5 mm2，對應(yīng)直流電阻 R0為7.360m?/m，感抗L為0.372μH/m。照明用聚乙烯電纜電流定額如表1所示，截面積單位為平方毫米，額定電流單位為安培。船用三芯電纜電阻和感抗值如表2所示。

表1 氯乙烯絕緣電纜的電流定額

表2 三芯電纜線芯的電阻和感抗值（f=50 Hz）

電纜單位長度的電容為:

其中ε為真空介電常數(shù)，rε為相對介電常數(shù)，D為絕緣層外徑，d為銅芯直徑，n為芯數(shù)，G為三芯電纜幾何修正系數(shù)，。

2.2 高頻信號下艦船照明電纜的交流電阻

PLC需要采用高頻信號通過船用電纜，所以會產(chǎn)生顯著的趨膚效應(yīng)，即高頻信號通過時，認(rèn)為電流只在表面上很薄的一層中流過，相當(dāng)于導(dǎo)線截面減少，電阻增大，中心部分幾乎沒有電流。研究表明，導(dǎo)線中電流密度從導(dǎo)線表面到中心按指數(shù)規(guī)律下降，導(dǎo)線的有效截面積減少而電阻加大。工程上定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的0.368（1/e）時的厚度為趨膚深度[5]:

其中f為頻率，μ為磁導(dǎo)率，ρ為電導(dǎo)率。對于銅介質(zhì)，μ=1.257μH/m ，ρ=5.714× 109S/m ，均為20℃時的數(shù)值[6]。那么交流電阻 R與直流電阻的關(guān)系可表示為[7-8]:

則交流電阻 R=K·R0，R0為直流電阻。

3 電力線信道輸入阻抗分析

選用在船舶上安裝使用的電源電壓不超過250 V的以熒光燈為負(fù)載。熒光燈具內(nèi)部安裝有等于和大于0.5μF的電容器，自感為1.56 H，由于高頻信號在負(fù)載之前已經(jīng)被濾出電路，所以只考慮熒光燈直流電阻為300Ω，其等效電路如圖2所示。

圖2 艦船電力線等效電路（帶負(fù)載）

根據(jù)單口網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性[9]，線路特性阻抗:

其中 f0為工頻50 Hz，z為端口位置，設(shè)為單位長度，φL為初始相位，設(shè)為零，α為衰減常數(shù)，β為相移常數(shù)，分別為傳播常數(shù)的實部和虛部，輸入阻抗為Zin=, 將數(shù)值帶入，可得接入負(fù)載后輸入阻抗與頻率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 電力線信道輸入阻抗與載波頻率關(guān)系

可見電纜中的載波信號行波與負(fù)載的反射波混合，形成行駐波的傳輸狀態(tài)。而由于趨膚效應(yīng)的影響，頻率越高交流電阻越大，電纜中的信號衰減越大，反射系數(shù)減少，使輸入阻抗在周期性波動中減小并逐漸趨向特性阻抗[10]。在PLC接入時，要根據(jù)調(diào)制頻率確定信道輸入阻抗，使艦船電力線調(diào)制解調(diào)器與信道輸入阻抗實現(xiàn)匹配才能取得最大的發(fā)射功率和最小的線路損耗。

4 結(jié)語

本文首先對PLC的艦船移植應(yīng)用作了初步的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，在以照明網(wǎng)絡(luò)為通信載體的前提下對介質(zhì)進(jìn)行了阻抗分析，計算出了PLC信號載波頻率與電力線信道輸入阻抗的關(guān)系，為實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器與信道的阻抗匹配提供了定量準(zhǔn)則。

[1]張典謨.電力系統(tǒng)通信基礎(chǔ)[M].北京:水利電力出版社,1999:6-10.

[2]易平波,劉志英,田軍,等.基于ST7540的電力載波通信濾波器設(shè)計[J].通信技術(shù),2010,43(04):43.

[3]李麟,沈冰,莊勁武.艦船電力系統(tǒng)[M].海軍工程大學(xué)出版,2001:199-210.

[4]吳強,甄洪斌,張超,等.水面艦艇電氣設(shè)備[M].武漢:海軍工程大學(xué)出版社,2011:86-92.

[5]余明揚,童磊.集膚效應(yīng)對銅排導(dǎo)電性能的影響分析[J].電氣技術(shù),2007,22(04):19.

[6]張喻,郝文輝,高金輝.微波技術(shù)與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006:105.

[7]甄翔余,楊慶慶,周曉方,等.室內(nèi)低壓電力線信道噪聲分析與建模[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報,2011(04):59.

[8]ANTONIALI M, TONELLO A M, LENARDON M, et al.Measurements and Analysis of PLC Channels in a Cruise Ship[C].USA:IEEE,2011:105-105.

[9]黃乘順,李星亮,蔡藝宇.傳輸線阻抗匹配模型及精確計算[J].通信技術(shù),2007,40(11):119-121.

[10]王福謙.偏軸傳輸線中的TEM波及其特性阻抗[J].通信技術(shù),2011,44(10):10-12.

[11]郭斌,譚齊,基于仿真的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法[J].信息安全與通信保密,2010(07):49-51.