电力线载波通信信道建模技术综述

= （R0 +j L0）(G0 +jC0 )= +j R0 j L0 ZC G0 jC0
H ( f ) ci e j2 πf ：α 为衰减常数；β 为相移常数。如何简单有 效地等效出衰减系数 α 是信道建模算法的关键。
1 电力线信号传输基本理论
考虑电力线上电阻、电感、线间电容电导的存 在，不同位置处的电压、电流也不等。高频电流沿 着传输线传播时，可以用电报方程式来描述[7]，即 可以用线路始端或末端的电流和电压来确定导线上 任一点处的电流和电压。 用传输常数 γ 和特性阻抗 Zc 确定线路任一点的 电流和电压方程如式（1） 。
U x U 0 ch x I 0 Z Csh x U0 I x I 0 ch x Z sh x C
（1）
式中：U0 和 I0 分别为线路首端的电压和电流；x 为 该点距线路首端的长度；γ 和 Zc 分别为线路传输常 数和特性阻抗，它们与线路单位长度电阻 R0，电感 L0，线间电导 G0 和电容 C0 的关系如式（2）所示。
基金项目：国家自然科学基金（51007065）;中央高校基本 科研业务费专项资金（2101008）;武汉大学博士研究生自主 科研项目（20102070101000082）
期刊和国际会议上，有大量基于电力载波通信技术 的自动抄表系统[2-3]和家居自动化系统[4-5]等实际应 用研究方面文章的出现。电力载波通信为在已加载 工频电力信号的通路上传输高速数据信息，因而具 有工作环境恶劣、干扰严重、时变性大等特点[6]。 同时信号很容易产生反射、驻波、谐振等现象，使 信号的衰减特性极其复杂，造成电力载波通信信道 具有很强的频率选择性。因此如何精确地建立有效 的电力载波通信信道传输模型，进而根据频率选择 特性确定最佳信号传输频率，对于电力载波通信技 术的发展和应用支持具有重大理论意义和实用价 值。 本文首先简要介绍了电力线信号传输的基本理 论，然后对国内外近年来的电力载波通信信道建模
h(t ) i .e ji . (t i )
i 1
N
（3）
其中， i arctan
Im i Re 。 i
N
经过傅里叶变换得到频域表达式为
H ( f ) i .e ji .e j2 πf i
i 1
（4）
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电力系统保护与控制
最新研究成果进行了综述，介绍了各类建模方法的 发展历程，对各种建模方法的核心思想进行详细分 析，指出了各种方法的优缺点和适用范围。最后提 出了一种基于图论法的电力线载波信道建模方法， 为在智能电网中压网络中应用电力线载波通信的相 关研究工作提供了有益的参考。
射，因此从信号发射点到达信号接收点间的波不止 一条通路，其由多条路径重叠而成，因此电力线传 输信道可以用多径传输模型来建模。信号在经过不 同通路的时间和衰减各不相同，每个可能的路径用 带有延时 τ 和复因子 ρ 的形式表示。 基于多径传输模型的信道传递函数表达式为
其中：参数 ci 和 τi 为路径 i 的衰减系数和时延；N 为路径数，N 的选取考虑实际网络的拓扑和反射信 号的衰减大小。文中取 N=2 的二径模型，从而将传 递函数进一步简化为式（6） 。
2 信道建模研究方法分析
决定信道建模可靠性和准确性的两个重要因素 是模型参数和建模算法。 按照模型参数的获取方法， 建模方法可分为自顶向下法和自底向上法。自顶向 下法又分为两类。一类是将电力线信道看成一个整 体，通过各种参数拟合算法得到所需的各种参 数 [6,8-12] 。另一类是将传输线系统看作一二端口网 络，通过求解传输矩阵来建立信道模型[13-15]。 与上述方法相对应的自底向上法，基本思想是 按照网络的实际接线，考虑阻抗不匹配点的反射和 衰减来建立信道模型[16-21]。 2.1 信道建模技术中的自顶向下法 最早采用此方法并进行仿真验证的是 1999 年 Holger Philipps 提出的电力线多径传输模型。其在 文献 [8] 中指出由于信号在阻抗不匹配点会产生反
该建模忽略了信号传输过程中的相移，而对衰 减特性进行了重点分析。gi 为第 i 条路径总的反射 和透射系数乘积，记为权重因子，且|gi|≤1；衰减系 数 A(f, di)由信号传输频率 f 和第 i 条路径的长度 di 决定。信号经过长度为 l 的传输线，信号就要衰减 到原来的 e 。衰减常数 α 以通过实际测量得到的 三个因子 α0、α1 和 k 来建模。
( a0 a1 f k ) di
.e j2 πf i
al
Us
U1
二端口网络 T
U2
Zl
图 1 二端口网络 Fig. 1 Two-port network
由图 1 可得： 信号发送端电压为 U s U1 I1Z s ； 信号接收端电压为 U 2 I 2 Z L 。 将 Us 和 U2 代入式（10）可求得传输线系统传 递函数为
( f ) a0 a1 f k
H ( f ) c1e j2 πf 1 c2 e j2 πf 2
（6）
由于多径模型简化成二径模型，致使模型仿真 结果与实测结果之间的误差不可避免，同时信道传 输特性随着通信网络的不同千差万别，因此衰减系 数 ci 和延时 τi 需根据不同的网络进行实时调整，必 要的情况下需要增加路径个数。 上述各种方法参数少，模型简单，但模型参数 的计算方法复杂。且该模型衰减系数用一个复因子 ρ 表示，没有体现信号衰减影响因素的多样性。文 献[9]在此基础上对模型进行了改进，指出信号的衰 减由两部分组成：在阻抗不匹配点发射时的反射系 数 g 和传播过程中的衰减系数 A(f, d)。其传递函数 表达式为
Holger Philipps 信道模型利用进化策略算法进 行参数拟合，分别得到 N（N 从 3 取到 10）段线模 型的参数 ρi，φi 和 τi。再利用最小均方误差和最大 相关系数原则进行比较，其得到的 8 段线模型与实 际情况最相近。 文献[6]在此模型基础上进行了简化，忽略信号 传输过程中的相移特性，得到的传输函数为
H ( f ) gi A( f , di )e j2 πf i
i 1
N
（7）
蔡 伟，等
电力线载波通信信道建模技术综述
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其中： i
di r ； c0 为光速； r 为介电常数。 c0
式中，U1、I1、U2、I2 分别为传输线首末端的电压 和电流。
Zs I1 I2
将 A( f , di ) e
N
（8）
( f ) d i
代入式（7）可得
H ( f ) gi e
i 1 N
( f ) d i
.e
j2 πf i

（9）
H( f )
U2 ZL （11） U S AZ L B CZS Z L DZS
g e
i 1 i
Overview of the channel modeling methods of power-line carrier communication
CAI Wei，LE Jian，JIN Chao，HUANG Chu-hong，ZHENG Xue （School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China） Abstract：The power line channel modeling and carrier frequency optimization are the theoretical basis of high-speed data transmission over the power line. This paper gives a brief introduction about the basic theories of signal transmission on power-line at first, and then an overview on power-line communication channel modeling methods which are classified according to the model parameters acquisition approaches is presented：channel modeling in this paper is divided into up-down methods and bottom-top methods, the development process of each method is given and the advantages and disadvantages of each method are analyzed in detail. Results show that the up-down model methods have low accuracy and the bottom-top model methods have poor expansibility. Thus a bottom-top channel model method of power line communication based on the graph theory is proposed. The method has high excellent expansibility and the possibility to be applied to smart grid medium-voltage power-line communication is analyzed. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51007065). Key words： power-line carrier communication; channel modeling; transfer function; graph theory; smart grid 中图分类号： TM73 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2012)10-0149-06
第 40 卷 第 10 期 2012 年 5 月 16 日
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
Vol.40 No.10 May 16, 2012
电力线载波通信信道建模技术综述
蔡 伟，乐 健，靳 超，黄楚鸿，郑 雪
（武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072） 摘要：电力线信道模型的建立和电力线载波频率的优化是电力线上实现高速数据传输的理论基础。首先简要介绍了电力线信 号传输基本理论，然后按照建模所需参数的获取方法进行分类，并对各类建模技术进行了综述：将电力线信道建模技术分为 自顶向下法和自底向上法两类，介绍了这两类建模技术的发展历程，并分析了各类建模技术的优缺点。结果显示自顶向下法 的精确度不高，而其他学者提出的自底向上法的拓展性太差。因此提出了一种基于图论法的自底向上电力线载波信道建模方 法，该方法拓展性良好。最后分析了该方法应用于智能电网中压电力线载波通信的可行性。 关键词：电力载波通信；信道建模；传递函数；图论；智能电网
0 引言
电力线载波通信是以电力线为信息传输媒介进 行语音或数据传输的一种通信方式[1]。电力线遍及 千家万户，其作为通信媒介具有应用的广泛性和经 济性。 人们对于电力载波通信技术的研究历史悠久， 早在 20 世纪 20 年代就开始将其应用于 10 kV 配电 网线路的通信中。随着人们对各种通信需求的不断 上升和相关技术的快速发展，电力载波通信日益成 为国内外相关人员研究的热点。近十年来，在权威