低压电力线信道微分时间段特性研究

低压电力线信道微分时间段特性研究
随着供电管理自动化的发展，远程集中抄表系统已经获得越来越广泛的应用。

在集中抄表系统的推广使用过程中，利用低压电力线作为通信信道的技术已经日益体现出其优势。

但由于低压电力线是用来传输电能的，而不是专为传输信号而设计的，因此，利用低压电力线作为通信信道就要先研究它的信道特性，以便采用适当的技术和措施实现安全可靠的通信。

对于所有的通信信道，噪声干扰、线路阻抗和信号衰减是决定其性能的基本参数，目前很多研究表明低压电力线信道这三个基本参数均存在时变性，但却没有结合交流电50Hz周期特性总结出低压电力线信道微分时间段特性，所以对低压电力线信道有必要在微分时间段进一步具体分析。

1.噪声特性
低压电力线噪声特性包括非人为噪声和人为噪声。

非人为噪声指的是一些自然现象，如雷电在电力线上的影响。

人为噪声则几乎完全由低压电力线上连接着的众多用电设备引起的，部分来源于空间噪声串扰。

每种用电设备都对低压电力线有不同程度的噪声污染，特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等影响很大，通过示波器或数据采集设备能够观察或采集的噪声信号均为时域信号，如图1。

20ms波形数据100ms波形数据
图1 低压电力线噪声波形
时域噪声波形能看出低压电力线噪声本身是随机变化的，却具备一定的周期性趋势，但并不能直观了解噪声各频率分量的幅度情况，即无法知道噪声对低压电力线载波通信影响多大。

使用三维频谱分析方法即可将噪声时域信号分解成各频率分量的时域变化信号，如图2，右图三维噪声谱是左图时域波形数据进行三维频谱分析后绘制而成，其中绿色为时间轴、红色为频率轴、蓝色为幅度轴，幅度越大，三维图的颜色越深。

时域波形三维噪声谱
图2 三维频谱分析方法
对多数用电现场采集分析后发现低压电力线噪声特性具备以下趋势：
(1)低压电力线噪声具备50Hz/100Hz周期性趋势；
(2)随着频率增加，低压电力线噪声呈现递减趋势，即中频噪声相对于低频噪声一般较弱；
(3)低压电力线噪声在交流电电压过零时刻一般较弱。

图3所示辽宁省葫芦岛市宏运小区B座16层低压电力线三维噪声谱图，此处有变频水泵长时间工作。

图3 现场三维噪声谱
图4所示为图3做时间切片对比效果图，其中黑色曲线为交流电电压过零时刻各频率分量噪声变化曲
线，红色曲线为交流电电压峰值时刻各频率分量噪声变化曲线。

图4 时间切片对比效果图
图5所示为图3做频率切片对比效果图，其中黑色曲线为421kHz频率分量噪声20ms时间变化曲线，
绿色曲线为280kHz频率分量噪声20ms时间变化曲线，红色曲线为130kHz频率分量噪声20ms时间变化
曲线，蓝色曲线为80kHz频率分量噪声20ms时间变化曲线。

图5 频率切片对比效果图
2.阻抗特性
在理想情况下，当没有负载时，低压电力线相当于一根均匀分布的传输线。

由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增加而减小。

当在低压电力线有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。

但是由于负载类型的不同，使得不同频率的阻抗变化也不同。

而且由于负载是随机的接入和切出，电动机类型的启动和停用不同，使得低压电力线阻抗不是静态的。

目前主流阻抗分析方法都是计算一段时间的阻抗平均值，这段时间一般大于低压电力线交流电一个周期(20ms)，这样将无法了解低压电力线阻抗在微分时间段内的变化情况。

使用三维阻抗分析方法即可将各频率分量阻抗变化合成在一起。

如图6，左图三维阻抗谱是对0.5Ω电阻进行的算法验证，右图三维阻抗谱是对47nF电容进行的算法验证，其中绿色为时间轴、红色为频率轴、蓝色为幅度轴，幅度越大，三维图的颜色越深，蓝色表示感性阻抗，红色表示容性阻抗。

图6 三维阻抗分析方法
对多数用电现场采集分析后发现低压电力线阻抗特性具备以下趋势：
(1)低压电力线阻抗具备50Hz/100Hz周期性趋势；
(2)低压电力线阻抗没有严格随频率增加/减小，阻抗就增加/减小的规律；
(4)低压电力线阻抗变化范围大，最小时会小于1欧姆，而且在交流电电压过零时刻更加稳定。

图7所示河北省廊坊市附近农村低压电力线三维阻抗谱图，此处为用户表端位置。

图7 现场三维阻抗谱
图8所示为图7做时间切片对比效果图，其中黑色曲线为交流电电压过零时刻各频率分量阻抗变化曲
线，红色曲线为交流电电压峰值时刻各频率分量阻抗变化曲线。

图8 时间切片对比效果图
图9所示为图7做频率切片对比效果图，其中黑色曲线为421kHz频率分量阻抗20ms时间变化曲线，
绿色曲线为280kHz频率分量阻抗20ms时间变化曲线，红色曲线为130kHz频率分量阻抗20ms时间变化
曲线，蓝色曲线为80kHz频率分量阻抗20ms时间变化曲线。

图9 频率切片对比效果图
3.衰减特性
低压电力线一般由铜或其它良导体加工而成，其本身的阻抗很小（视导线的电导率和截面积不同而不同）。

对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相对稳定。

因此，低压电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。

而低压电力线上并联着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的载波通信信号来说，相当于短路。

另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率。

所以信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。

理论上，我们可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要取决于线路的衰减。

而线路衰减不仅取决于距离，更取决于线路布线。

目前主流衰减分析方法都是计算一段时间的衰减最大值或最小值，而且这段时间一般大于低压电力线交流电一个周期(20ms)，这样将无法了解低压电力线衰减在微分时间段内的变化情况。

使用三维衰减分析方法即可将各频率分量衰减变化合成在一起。

对多数用电现场采集分析后发现低压电力线衰减特性具备以下趋势：
(1)低压电力线衰减具备50Hz/100Hz周期性趋势；
(2)低压电力线衰减没有严格随频率增加/减小，衰减就增加/减小的规律；
(3)低压电力线衰减变化范围大，由于反射、驻波等复杂现象，存在突然跌落或增加现象。

图10所示山东省青岛市高层写字楼内低压电力线三维衰减谱图。

图10 现场三维衰减谱
图11所示为图10做时间切片对比效果图，其中黑色曲线为交流电电压过零时刻各频率分量衰减变化
曲线，红色曲线为交流电电压峰值时刻各频率分量衰减变化曲线。

图11 时间切片对比效果图
图12所示为图10做频率切片对比效果图，其中黑色曲线为421kHz频率分量衰减20ms时间变化曲线，
绿色曲线为280kHz频率分量衰减20ms时间变化曲线，红色曲线为130kHz频率分量衰减20ms时间变化
曲线，蓝色曲线为80kHz频率分量衰减20ms时间变化曲线。

图12 频率切片对比效果图
4.结论
通过以上讨论，低压电力线噪声特性、阻抗特性和衰减特性都非常复杂，但也都具备一定规律性，尤其在各频率在微分时间段的变化趋势，使得目前低压电力线载波通信在选择工频同步过零传输方式和可靠通信频点的选择上提供了有力的依据，为低压电力线载波通信技术的提高奠定了坚实的基础。