李波,曹敏,王垚,胡萬層,,謝濤,李川,劉愛蓮,肖元強(qiáng),

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；2.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院,昆明 650500)

低壓電力載波中通信頻點(diǎn)阻抗與脈沖噪聲特性關(guān)系

李波1,曹敏1,王垚2,胡萬層1,2,謝濤2,李川2,劉愛蓮2,肖元強(qiáng)1,2

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；2.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院,昆明 650500)

利用比值法原理,選取不同環(huán)境,在80 kHz～500 kHz頻段內(nèi),對低壓電力線的阻抗和信道噪聲進(jìn)行了測量,并對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算。分析電力線網(wǎng)絡(luò)中不同時(shí)間段通信頻點(diǎn)的阻抗變化范圍與信道中脈沖噪聲特性的關(guān)系。分析結(jié)果表明：在80～500 kHz頻段內(nèi),輸入阻抗變化范圍與信道脈沖噪聲數(shù)量和功率有同增同減的關(guān)系；阻抗具有很強(qiáng)的時(shí)變性；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及負(fù)載類型、數(shù)量對阻抗變化范圍影響較大。

低壓電力線；通信頻點(diǎn)；阻抗變化范圍；脈沖噪聲；阻抗與噪聲關(guān)系

0 前言

在低壓電力線上,輸入阻抗和信道噪聲都會對低壓電力線載波通信產(chǎn)品的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響,同時(shí),由于低壓電力線上的阻抗和信道中噪聲都受電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所連接的電器負(fù)載的影響,具有復(fù)雜多變的特征,因此很有必要測量并總結(jié)電力線中通信頻點(diǎn)的阻抗特性與信道噪聲之間的規(guī)律[1-3]。2002年,張有兵研究了輸入阻抗與頻率的關(guān)系,并用最小二乘法進(jìn)行了擬合,得到了輸入阻抗和頻率的關(guān)系式,反應(yīng)了輸入阻抗隨頻率的變化趨勢[4]。2005年,鄭濤、張寶會則使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對三種典型低壓電網(wǎng)進(jìn)行連續(xù)測量,討論了1 M～30 M頻段內(nèi)阻抗隨頻率、時(shí)間、地點(diǎn)變化的特點(diǎn)[5]。2012年,孔慧娟利用比值法得到阻抗的幅值和相位與頻率的對應(yīng)關(guān)系[2]。

本文采用比值法的原理,對低壓電力線信道的阻抗和噪聲進(jìn)行了測量和分析,得到了阻抗變化范圍與脈沖噪聲數(shù)量以及脈沖噪聲與背景噪聲功率差之間的關(guān)系。

1 信道阻抗與噪聲測試原理

1.1 阻抗測量原理

使用Tektronix AFG3021B作為信號發(fā)生器,軟件控制信號發(fā)生器發(fā)送不同頻率的正弦信號,結(jié)合高精度高速數(shù)字化儀和分析單元,通過采集設(shè)備采集網(wǎng)絡(luò)反饋信號,然后將所采集的相應(yīng)頻率的分析信號S1和原始信號S2進(jìn)行比較,從而得出低壓電力線相應(yīng)頻率的阻抗值以及變化趨勢。低壓電力線阻抗分析設(shè)備連接如圖1所示。

圖1 低壓電力線阻抗分析設(shè)備接線圖

低壓電力線阻抗分析設(shè)備主要包括三部分模塊：

1)高精度高速數(shù)字化儀：保證信號采集的精確性,并使阻抗分析的頻率分辨率精確到5 k為間隔以內(nèi)。

2)網(wǎng)絡(luò)反饋分析單元：保證阻抗分析信號在所測網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配性,并提供阻抗分析所需的兩路測試信號發(fā)生器發(fā)送不同頻率號以及信號采集所需的市電觸發(fā)信號。

3)阻抗分析軟件：控制信號發(fā)生器和低壓電力線阻抗分析設(shè)備完成阻抗分析數(shù)據(jù)的采集,并實(shí)現(xiàn)阻抗數(shù)據(jù)分析。

低壓電力線阻抗測量原理如圖2所示,標(biāo)準(zhǔn)電阻R與被測電網(wǎng)阻抗ZC串聯(lián),測出電阻R的電壓V1,根據(jù)串聯(lián)電路電壓關(guān)系,得知電網(wǎng)阻抗的電壓V2=V0-V1,根據(jù)歐姆定律可以得到低壓電力線阻抗的模值：

圖2 低壓電力線阻抗測量原理圖

1.2 噪聲測量原理

本文使用TCD100來對電力線信道中的噪聲進(jìn)行采集,結(jié)合高精度高速數(shù)字化儀和噪聲耦合單元。高精度高速數(shù)字化儀對輸入信號進(jìn)行的采樣,采樣率為100 MSa/s。噪聲耦合單元即高通濾波器,采集噪聲耦合單元的輸出,并分析各頻率點(diǎn)低壓電力線噪聲變化趨勢。耦合原理參見圖3。

圖3 噪聲耦合單元原理

所采集噪聲可根據(jù)功率譜變化平緩情況分為背景噪聲和脈沖噪聲兩大類[8-10],脈沖噪聲所持續(xù)時(shí)間大致從幾微妙到幾毫秒之間,這里為了方便,我們統(tǒng)一將脈沖噪聲持續(xù)時(shí)間設(shè)定為5 μs到20 μs,將幅值高于實(shí)測數(shù)據(jù)均值的噪聲認(rèn)定為脈沖噪聲,低于均值的則看作背景噪聲濾除。根據(jù)所設(shè)定的脈沖噪聲持續(xù)時(shí)間對實(shí)測噪聲進(jìn)行分離處理,得到脈沖噪聲的數(shù)量。并對比脈沖噪聲的功率譜與背景噪聲的功率譜,得到脈沖噪聲與背景噪聲功率的dBμV差值。

2 典型場景的測試與分析

2.1 生活區(qū)環(huán)境

選擇220 V電源插座進(jìn)行阻抗數(shù)據(jù)測量,從早晨8時(shí)到第二天凌晨3時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,測量頻點(diǎn)為：120 kHz、270 kHz、300 kHz、360 kHz、420 kHz、480 kHz。在測量阻抗的同時(shí),在相同的電源插座上對信道噪聲進(jìn)行測量,并對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取出脈沖噪聲數(shù)量和脈沖噪聲與背景噪聲功率的dB差值,將不同頻點(diǎn)的阻抗變化范圍和時(shí)間的關(guān)系用圖形描繪出來,如圖4所示。

圖4 宿舍不同頻率的阻抗變化范圍隨時(shí)間變化關(guān)系

圖5 宿舍脈沖數(shù)量和脈沖噪聲與背景噪聲功率dBμV差值

由圖4可知,根據(jù)典型通信頻率的阻抗幅值變化范圍,可以看出在80～500 kHz的通信范圍內(nèi),其余頻率的輸入阻抗的變化范圍隨時(shí)間的變化趨勢也與所測通信頻點(diǎn)的相似。圖4中早晨8點(diǎn)時(shí)刻,阻抗值的整體波動范圍不大,基本在10 Ω～30 Ω之間,上午9時(shí)到12時(shí),下午2時(shí)到6時(shí)和晚上19時(shí)到凌晨這三個(gè)用電的小高峰期,電網(wǎng)的阻抗幅值則處在一個(gè)較大的波動范圍之內(nèi)。對比圖5與圖4,可看出阻抗變化范圍和脈沖噪聲數(shù)量隨時(shí)間變化的整體趨勢大致相同,當(dāng)脈沖噪聲的數(shù)量較多時(shí),阻抗變化范圍也較大,對應(yīng)的脈沖噪聲與背景噪聲功率的dB差值也較大。此實(shí)驗(yàn)表明：在用電高峰期,各種用電設(shè)備不斷的接入或者接出電網(wǎng),會產(chǎn)生較多的脈沖噪聲,同時(shí)脈沖噪聲的功率也較強(qiáng),電網(wǎng)受脈沖噪聲的影響,其輸入阻抗的變化范圍也相對較大。

2.2 教學(xué)區(qū)環(huán)境

對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,測量方法同生活區(qū)相同,測量時(shí)間為周三的8：00到周五22：00,時(shí)間跨度接近15小時(shí),任選一個(gè)220 V電源插座同時(shí)進(jìn)行阻抗和噪聲的測量,阻抗的測量頻點(diǎn)依然選擇了現(xiàn)階段國內(nèi)主流的窄帶載波通信中心頻點(diǎn)：120 kHz、270 kHz、300 kHz、360 kHz、420 kHz、480 kHz。

圖6 實(shí)驗(yàn)室不同頻率的阻抗變化范圍隨時(shí)間變化關(guān)系

圖7 實(shí)驗(yàn)室脈沖數(shù)量和脈沖噪聲與背景噪聲功率dBμV差值

由圖6可知,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不同時(shí)間和不同頻點(diǎn)的阻抗幅值變化范圍,可以看出在80 kHz～500 kHz的通信范圍內(nèi),其余頻率的輸入阻抗的變化范圍隨時(shí)間的變化趨勢也與所測通信頻點(diǎn)的相似。相比于宿舍環(huán)境,實(shí)驗(yàn)室用電器除了電腦,飲水機(jī)外,還會有一些功能組成復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,種類相對比較復(fù)雜。圖6中早晨8點(diǎn)時(shí)刻,阻抗值整體的波動范圍基本在10 Ω～50 Ω之間,上午9點(diǎn)到12點(diǎn),阻抗值的波動范圍開始變大,整體在50～120 Ω之間變化,但是變化趨勢相對來說還是比較平滑。下午2時(shí)到5時(shí),所測頻點(diǎn)的阻抗值變化較為劇烈,頻點(diǎn)為270k時(shí)其變化范圍可以達(dá)到600 Ω。對比圖7和圖6可以看出,阻抗變化范圍和脈沖噪聲數(shù)量隨時(shí)間變化的整體趨勢大致相同,當(dāng)脈沖噪聲的數(shù)量較多時(shí),阻抗變化范圍也較大,對應(yīng)的脈沖噪聲與背景噪聲功率的dB差值也較大,此時(shí),在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境可以得到與宿舍環(huán)境相同的結(jié)論,并且此結(jié)論在校園大環(huán)境中的普遍適用性。

3 結(jié)束語

本文通過對阻抗和噪聲進(jìn)行了大量的現(xiàn)場測量與分析,得到在80 kHz～500 kHz頻段內(nèi),輸入阻抗變化范圍會與信道脈沖噪聲數(shù)量和功率有同增同減的關(guān)系。當(dāng)在電力線上負(fù)載較多時(shí),用電器產(chǎn)生較多的脈沖信號,其功率也相對背景噪聲更強(qiáng),脈沖信號會對分布電感和電容產(chǎn)生較大影響,所有頻率的輸入阻抗波動范圍基本都會相應(yīng)的增大；電力線網(wǎng)絡(luò)的阻抗具有一定的時(shí)變性,并且具有頻率選擇性。低壓電力線的阻抗值是在不斷的變化的,電力線對不同的通信頻率所等效出的阻抗值也不同。電力線本身與并入電力線的各種負(fù)載組合成許多的共振電路,當(dāng)某些共振頻率及其附近頻率的信號在電力線傳播時(shí),會產(chǎn)生共振現(xiàn)象,使得電力線的阻抗值產(chǎn)生一定的突變。不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及負(fù)載類型、數(shù)量,不同測量位置的阻抗也不同。

[1] 趙宇明,王贊基,郭靜波.配電網(wǎng)電力線高頻阻抗特性分析 [J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2004,44(7)：901-904.

[2] 孔慧娟.窄帶低壓電力線信道的阻抗測量與特性分析[J].電子測量技術(shù),2012(3)：57-61

[3] Paulo A.C.Lopes,Jo o M.M.Pinto,and José B.Gerald. Dealing With Unknown Impedance and Impulsive Noise in the Power-LineCommunicationsChannel[J].IEEE Transactions on power delivery,2013,28(1),58～65

[4] 張有兵,程時(shí)杰,何海波,等.低壓電力線高頻載波通信信道的建模研究 [J].電力系統(tǒng)自動化,2002,26(23)：63-66.

[5] 鄭濤,楊曉憲,張保會.低壓電網(wǎng)在1-30 MHz頻段的阻抗測量與特性分析 [J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(19)：50 -54.

[6] 李家生,劉大茂,孫旭飛.低壓電力線信道阻抗測量與匹配 [J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(4)：161-163.

[7] 李豐,田海亭.低壓電力線窄帶載波通信信道阻抗與衰減特性的現(xiàn)場測量及分析 [J].電測與儀表,2011,547 (48)：90-96.

[8] 郭昊坤,吳軍基,陸嫻,等.電力線通信信道噪聲模型研究現(xiàn)狀 [J].電力系統(tǒng)通信,2011,32(226).

[9] 高鋒,董亞波.低壓電力線載波通信中信號傳輸特性分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2000,24(7)：36-39.

[10] 王喬晨,郭靜波,王贊基.低壓配電網(wǎng)電力線高頻噪聲的測量與分析 [J].電力系統(tǒng)自動化,2002,26(1)：18 -21.

[11] 周洋,翟明岳,李建岐.低壓電力線窄帶載波信道阻抗測試及分析 [C].2012電力通信管理暨智能電網(wǎng)通信技術(shù)論壇論文集,2012(5)：534-537.

[12] S.N.Yang,H.Y.LiM.Goldberg,etal.Broadband Impedance Matching Circuit Design Using Numerical Optimization Techniques and Field Measurements[C].IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications,2007,26-28：425.

[13] Peter J.K.wasniok,A.James Kozlowski,Stanislaw S. Stuchly.An Improved Method of Measuring Power-Line Impedance Using Two Current Probes[J].IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility,1993,35(04)：473 -475.

Research on the Relationship between Communication Frequency Impedance Variation and Impulse Noise Characteristics in the Low-voltage Power Line Carrier

LI Bo1,CAO Min1,WANG Yao2,HU Wanceng1,2,XIE Tao2,LI Chuan2,LIU Ailian2,XIAO Yuanqiang1,2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China；2.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Choosing different environments on campus,the impedance of the low-voltage power line and channel noise in the range of 80～500 kHz was measured by ratio method principle.Process and calculate the data obtained by collection,and then analyze the relationship between impulse noise characteristics and communication frequency impedance variation on low-voltage power line in different times.The analysis of results show that：in the range of 80～500 kHz,the input-impedance variation and the number and power of impulse noise has the relationship of increasing or decreasing synchronously；Impedance has a strong time-varying；The impedance variation can be seriously influenced by the structure of the power grid,load type and quantity.

low-voltage power line；communication frequency；impedance variation range；impulse noise；relationship of impedance and noise

TM75

B

1006-7345(2015)01-0047-04

云南省重點(diǎn)科技項(xiàng)目"電力載波設(shè)備通信性能測試方法、測試規(guī)范及設(shè)備驗(yàn)收規(guī)范的研究"；國家自然科學(xué)基金 (KKGD201203004)

2014-07-30

李波 (1982),男,碩士,工程師,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,主要從事自動化、智能計(jì)量相關(guān)技術(shù)相關(guān)工作 (email)libo2010＠163.com。

曹敏 (1961),男,教授級高級工程師,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,主要從事電力計(jì)量與測量及其相關(guān)專業(yè)、智能電網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)工作 (e-mail)cm1961＠sohu.com。

王垚 (1987),男,碩士,主要研究方向：電力系統(tǒng)通信 (e -mail)380431444＠qq.com。