论PLC通道传输衰耗的不对称性

论PLC通道传输衰耗的不对称性
0 引言
电力线载波通道的构成除线路和两端的同轴电缆外，还包括由耦合电容器和结合滤波器组成的耦合设备，耦合设备将特性阻抗为300——400欧姆的高压输电线与特性阻抗为75——100欧姆的高频同轴电缆耦合起来，传递载波信号并隔离工频电压。

理论上希望耦合设备两侧百分百匹配，工作衰耗为0，实际上无法作到，总是存在一定程度的失配，当设备内部故障或两侧连接不良时，反射更为严重，形成不可忽略的工作衰耗。

线路阻波器串联插入在耦合电容与线路的T接点与变电站母线之间，旨在增大载波通道以外的变电设备对地高频阻抗，限制变电设备对载波通道形成的分流影响，使通道总衰耗稳定在某一较小数值并减少各通道之间的相互串扰。

由于阻波器从理论上对工频电网发挥着高频或载频的加工作用，使输电线路在带母线运行情况下开通载波通信或高频保护成为可能，因而阻波器又称作载波通道加工设备。

加工设备并不能将母线等变电设备的分流作用完全排除，由于阻抗是有限的，母线仍对载波通道形成一定的损耗，这种损耗称为变电设备的分流损耗，又称变电设备的介入损耗。

分流损耗或变电设备的介入损耗是载波通道总衰耗的重要构成部分，对于较短的线路，通道两端的分流损耗之和以及两端结合设备的工作衰耗之和甚至超过线路的衰耗，在设备故障的情况下更是如此。

此外，用来传送强大工频电流的高压输电线，其结构和特性相对比较稳定，不容易出现问题，而加工与结合设备电路复杂，绝缘结构薄弱，常常出现各种故障。

大部分通道衰耗异常几乎都是由这两个设备的故障所引起。

因此，研究电力线载波通道的衰耗，高效率地分析和处理载波通道传输质量问题，首先要深入研究结合与加工设备的工作原理，了解他们在各种条件下的工作特性。

而这两个设备的故障所带来的通道异常往往有一些特殊的规律可以给人以启示，使通道故障排除工作有章可循，工作效率大大提高。

在此，本文重点分析通道传输衰耗因信号传输方向而异的问题。

在电力线载波通道的日常测试中，常常发现在两个方向上传输信号时通道衰耗不同，似乎通道的衰耗与方向有关。

然而理论分析表明，正常情况下，无源网络在两个方向上的工作衰耗总是相等的，高频通道的衰耗如果在两个方
向上有差别，意味着两端的通道设备或终端设备的输入输出阻抗存在差异，如果衰耗严重不对称，则表明某一端的设备可能出现了故障。

1 工作衰耗
高频通道的工作衰耗是负载阻抗和信号源内阻相等的负载直接连接到信号源所取得的视在功率与经过传输网络后阻抗为任意值的负载所取的视在功率之比的常用对数（衰耗以dB 为单位）的10倍，也即前一功率对于后一功率的相对电平。

在载波通信领域，信号源内阻以及收信设备的内阻一般设计为纯电阻性，故理论上的工作衰耗在载波技术实践上往往就表现为有功功率的衰减。

按照这个定义以及功率电平与电压电平的关系，任一通信信号传输网络（包括结合设备、同轴电缆、输电线）的工作衰耗可按下图和下式测定。

K a R R U U a z g i f gz +=+--='/lg 102lg 2020 _________(1)
i f R R K /lg 10=
2lg 20'20--=U U a z g
公式中，U 0、U 1、U 2指各点电压电平，dBv ，而不是以伏特为单位的绝对电压值。

根据有限传输理论的分析，传输网络工作衰减与信号源输出阻抗R i ，负载的输入阻抗R f 以及网络发信端特性阻抗Zcr 、网络收信端特性阻抗Zcch 的关系如下：
g cch f cch f cr i cr i cch f cch f cr i cr
i gz e Z R Z R Z R Z R Z R Z R Z R Z R a a 201lg 202lg 202lg 20-+-⋅+--+++++= -----(2)
式中，a 0为传输网络的固有衰耗，dBm 。

式中g 为网络固有传输常数，含固有衰耗a 0和总相移β两分量构成，g=a 0+j β。

现假定A 端传输网络的特性阻抗为Zca,A 端载波终端设备发信时的输出阻抗和收信时的输入阻抗分别为R ia ,R fa ; 假定B 端传输网络的特性阻抗为Z cb ,B 端载波终端设备发信时的输出阻抗和收信时的输入阻抗分别为R ib ,R fb ;那么由上式
（2）可知道，B 端发信的工作衰耗(计作a gzba )与A 端发信的工作衰耗(计作a gzab )的差Δgz 为:
g ca fb ca fa cb ib cb ib g cb fb cb fb ca ia ca ia ib fb cb fb cb ib ia fa ca fa ca ia gzba
gzab gz e Z R Z R Z R z R e Z R Z R Z R z R R R Z R Z R R R Z R Z R a a 2211lg 20lg 20lg 20--+-⋅+--+-⋅+--+++-++=-=∆
-------------------------------------(3)
由式(3)可以看出，无论传输网络两端特性阻抗是否相同，只要任何一端信号终端设备在发信时作为输出阻抗的内阻R i 与其收信时作为负载时的输入阻抗R f 相等，则Δgz ≡0。

也就是说，即使传输网络两端不对称，即使两端终接的收发信设备内阻不同，但工作衰减却总是相同，与传输方向无关。

可见，一旦所测得的工作衰减因信号传输方向不同而不同，应检查两端跨接的电阻R i 、R f 是否稳定，发信与收信时的内阻是否恒等，实际阻值是否不同于修正值K gz 计算所采用的正常数值。

根据这一公理可以证明，在利用具有一定偏差的标准电阻器测量滤波器等产品或高频通道的工作衰减时，如果在两个方向上进行测量，并取两个个结果的平均值，便可消除电阻偏差对修正值K 引起的偏差，从而使测试结果达到理想的准确性。

示例：A:端匹配电阻Rna 和B 端匹配电阻Rnb 均为75Ω,传输网络A 端特性阻抗Zca 为15.4-j63.18Ω,B 端Zcb 为1363.65+j1739.13Ω，工作衰耗测量结果如表1所示：
2．电压电平传输衰耗与功率电平传输衰耗的差别
测量工作衰耗时要准确测量信号源开路输出电压的电平 U 0，或者需要用内阻为0的振荡器和外接标准电阻器R i 替换收发信设备，总之是一项比较麻烦的工作，因而高频通道的日常测试通常并不测量工作衰耗，而是测量通道的传输衰耗。

所谓传输衰耗，是指发信机加在传输网络入口的视在功率与网络输出端（通道收信端）负载电阻所得到的功率之比的常用对数（以dB 为单位）的10倍，也即通道输出端功率电平与通道入口视在功率电平的差值。

根据电压电平、功率电平与信号接受阻抗的关系，真正的功率电平的传输衰耗应按式（4）计算。

但对于电力线载波通道，通常认为通道输入阻抗（电缆机房端的输入阻抗）与两端发信机内阻相等（均认为75Ω），日常测试中便取修正值为0。

显然，这种不加修正值的两端口电平之差只是电压电平的传输衰耗a ’ch ,而不一定是真正的功率电平传输衰耗a ch ，只是当收信端作为负载的终端设备的输入阻抗R f 等于通道在发信端的输入阻抗Zsr ，他们才在数值上相等。

一旦两个阻抗的模值不等，那么两种衰耗数值上存在差距10lg ︱R f /Z sr ｜。

ch
ch r f ch K a Z R U U a +=+-='/lg 1021————（4）
r f ch Z R K /lg 10= 21'U U a ch -= 式（4）表明，当收信端终端设备输入阻抗与发信端通道输入阻抗不相等时，修正值K ch 不为零，也即功率电平的传输衰耗在数值上并不等于电压电平的传输衰耗a ’ch 。

换言之，在我们没有准确测量通道输入阻抗Zsr 和和收信装置输入阻抗R f 并准确计入修正值之前，所测量的传输衰耗仅仅是电压电平的传输衰耗a ’ch ，而不是真正的传输衰耗a ch 。

3．电压电平传输衰耗的方向性
由工作衰耗定义式（1），有
（5）带入（4）并整理得，电压电平传输衰耗为：
)
5(/lg 102lg 2002----------------------------+--=i f gz R R a U U
)
6(lg 102lg 20'----------------------------+-+=gz f r i r ch a Ri R Z R Z a 此处，Zr 为发信端网络输入阻抗。

现假定传输网络A 端输入阻抗为Z A ,A 端载波终端设备内阻为Rna, 假定传输网络B 端输入阻抗为Z B ,B 端载波终端设备内阻Rnb,那么由上式（6）可知道，B 端发信的电压电平传输衰耗(计作a ’chba )
与A 端发信的电压电平传输衰耗(计作a ’chab )的差Δ’ch 为:
)7(lg 20lg 20'''-----------------++⋅+=-=∆nb
na b nb b na a a chba chab ch R R Z R Z R Z Z a a 式（7）表明：
（1）载波通道电压电平传输衰耗是否对称，取决于两端终端终端设备内阻是否相等，还取决于通道两端的输入阻抗与设备内阻的匹配程度是否相同。

如果两端设备内阻相等，但通道两端输入阻抗不同，则两个方向的电压电平传输衰耗不同；如果通道两端输入阻抗相同，但两端设备内阻不同，两个方向的电压电平传输衰耗也不同。

可见，当载波通道的日常测试发现电压传输衰耗yan 严重不对称时，如果两端终端机内阻确实相同，并且任一机器在发信时的输出阻抗等于收信时的输入阻抗，那么一定是两端通道输入阻抗不同。

（2）应特别注意，故障情况下通道输入阻抗为复阻抗，复阻抗与机器内阻Rn 之和与阻抗角有关，因而，当载波机内阻Rn 相同时，即使而通道两端Zsr 不同，Δ’ch 为却有可能为0。

比如Rna=Rnb=75Ω,Za=56.9212Ω,Zb=35.3553+j35.3553Ω条件下，两端匹配程度明显不同，但Δ’ch 为0，也即分别从两端发信时，电压电平传输衰耗相同。

可见，电压电平传输衰耗的不对称可以证明通道两端复阻抗不等，但反过来，却不能以电压传输衰耗对称证明两端复阻抗完全相等。

（3） 当两端载波机内阻相等时，式（6）简化为
公式（8）计算所得结果就是是载波机正常情况下，日常所测电压电平传输衰耗对通道工作衰耗的修正值.此式表明，某一端通道输入阻抗与载波发信设备输出电阻越匹配，该端发信时的电压电平传输衰耗越接近工作衰耗；某一端输入阻抗与发信设备输出阻抗失配程度越严重，该端发信时电压电平传输衰耗越偏离工作衰耗。

（4）载波通道结合与加工设备出现故障后，通道输入阻抗的变化不仅在数值，而且还在其阻抗角。

设备正常时，通道输入阻抗以电阻分量为主，匹配程度较好；一旦加工、结合设备有故障，通道输入阻抗就呈现很大的电抗分量，结果导致通道入口电压电平很高，好像道入口所获得的功率很大，然而却以无功分量为主，实际上能够传送给对端电阻性负载的有功功率很少，于是使这个方向的传输衰耗明显偏大，而反方向的传输衰耗相对较小，出现不对称情况。

由这里可以知道，当传输衰耗不对称而两端输入阻抗模值又接近时，哪一端发信时衰耗较大，哪一端可能就存在问题。

（5） 由式（8）可以看出，当通道输入阻抗较低而电抗分量较小时，修正值a fj ’有出现负数的可能，也就是说，如果通道输入阻抗以电阻分量为主并小于信号源的内阻，传输衰耗有可能小于工作衰耗。

但这显然是以通道设备无故障的情况居多。

4．影响通道输入阻抗的因素
按照通道的设计，载波通道两端的输入阻抗一般设计为75欧，结合设备为了与电缆匹配，电缆侧的输入阻抗设计标准当然也为75欧姆。

这是理想的情况， 实际的输入阻抗与理想值总是有差距的。

考虑到必要的通频带带宽，结合设备不可能百分百地匹配，二次侧的输入阻抗总与其标称值之间总是有一定差距,并且在结合设备的通带中段或高通式结合设备的高段，二次侧输入阻抗往往小于其标称值。

这个差距首先是电路设计决定的，与结合设备的回波指标有关。

所以如果通道两端结合设备指标和特性不同，输入阻抗就不会完全相同。

此外结合设备二次侧的输入阻抗还与接在一次侧的阻波器阻抗有关。

阻波器阻)8(2lg
20'''----------------------------+=+=r i r j f fj
gz ch Z R Z a a a a
抗越小，影响越大，如果两边的阻波器特性不同或母线高频特性不同，通道两端的输入阻抗就不会完全相同。

这样，即使加工与结合设备无故障，通道的输入阻抗可能也会存在些许差距，尤其是在带母线带电运行时，两端母线阻抗的不同更会引起此现象。

当某一端的加工设备或结合设备出现故障，或结合设备与同轴电缆连接不良时，通道输入阻抗差距将会显得比正常情况更加明显。

可见，必须注意并记录正常运行情况下两端的输入阻抗数值和两个方向的传输衰耗的差异，以便于在不正常时根据所积累的经验进行分析判断。

结合设备二次侧阻抗对其标称值的偏离将导致电缆内的信号反射，进而影响电缆机房一端的输入阻抗。

这种反射波究竟是增大还是降低电缆的输入阻抗与频率有关还与电缆长度有关，不能简单地估计。

只有一点是可以肯定的：结合设备二次端子失配引起的反射如果没有改变同轴电缆机房一端的输入阻抗模值，那么一定就会引起电抗分量的出现。

从而使全通道电压电平的传输衰耗发生变化。

5．初步测定通道哪一端存在故障的方法——通道输入阻抗的测量既然传输衰耗的不对称性系通道两端阻抗不等或两端终端设备内阻不等所引起，那么很自然地就想到要测量两端的输入输出阻抗。

现场测试找故障时，经常用振荡器和标准电阻R i（如图2所示）向载波通道（比如同轴电缆与载波机的接口）注入信号并测量入口电压电平U1，在U1电压电平正常时就认为通道输入阻抗正常，这种判断方法显然是不可靠的。

因为，即使通道输入阻抗很低，但如果因加工或结合设备故障而出现电抗性阻抗，它所获得的电压也不一定低下去，反而有可能偏高。

这是因为通道输入阻抗正常时，通道入口的电压与标准电阻上的电压的矢量和才等于振荡器开路输出电压Uo，Uo并不是两个电压线性相加的关系（《参见阻波器基本原理与测试方法》）。

示例：通道入口阻抗为75欧姆纯电阻时，75欧姆载波机输出电压电平为26dBv，载波机75欧姆内阻R i上的电压电平也为26 dBv，载波机开路电压电平为32dBv。

设通道入口阻抗因故障而变为 j43.3欧姆纯电抗性，载波机向这个通道输出信号时，输出电压电平仍为26dB，而此时内阻R i上的电压电平却上升到30.8dB。

可见，如果通道输入阻抗呈现为电抗性而与载波机内阻严重失配，
输出电压电平仍可能维持较正常的值。

用通道入口电压电平的办法判断其输入阻抗是否正确的方法显然是不可靠的。

如果坚持用测量电平的方法判断通道输入阻抗是否正常，则应当用图3所示的比较法测量标准电阻R2（R2取值为通道特性阻抗或正常的输入阻抗）上的电压电平U2和通道入口的电平U1,再测量二者之和的总电平Uo。

如果通道输入阻抗Zsr模值与标准电阻R2（此标准电阻的阻止为通道入口阻抗的正常值）相等，则通道入口电压电平U1与标准电阻的电平U2应当相等，当通道输入阻抗为电阻性时，二者总电压的电平Uo（见图3）应当比标准电阻上的电平U2大6dB。

否则，通道输入阻抗并不是所认为的正常值R2。

当三个电压电平不符合上述关系时，输入阻抗Zsr的模值按下式计算：
|Z sr|=R2*100.05(U1-U2)---------------------------(9)
这个方法只能测试输入阻抗的模值，但不能测定电抗分量的大小。

最好的办法是用专用的阻抗分析仪测量通道输入阻抗，不仅测量模值，还要比较其中的电抗分量。

如果通道输入阻抗严重偏离正常值，则表明该端的结合设备或加工设备出现故障，或结合设备某一个端子接线不良。

如果缺乏足够的经验，也可与通道另一端或其他正常通道的输入阻抗进行比较，鉴别通道的输入阻抗是否正常。