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1、摘要低压电力线载波通信是近几年发展起来的利用低压电力线作为传输媒介的通信方式，由于它与低压用户的无缝连接以及较高的经济性、实时性，已经越来越被人们所关注。由于低压电网作为传输通道的特殊性，在传输性能上还存在许多问题。因此，有必要对低压电网的传输特性进行研究和分析。首先，本文利用传输线分析方法来研究低压电力传输线，并提出一种计算低压电力线传输特性的电路模型，并通过理论分析发现负载的介入是影响低压电网传输特性的主要原因。然后，本文通过现场实验，对不同建筑的低压电力线上5 0 K H z 一3 0 0 K H z 的1 4 个频率点上的衰减特性进行了测量。在对大量实验的数据分析的基础上，发现低压电网
2、的衰减除近距离( c o L ，w C G ，从而( 21 0 ) 式变为：弘去= 接乒。s c ( 21 0 )( 2U )在直流情况下，均匀传c 高频时的计算公式 如果频率提高到使条件) 祸D ，) G 得到满足，则因Z 。= 捂”去，一F( 21 2 )= 捂慨 ( 1 + 盒A + 嘉， - 捂舻舡1 专套1R 舞G南京理工大学硕士论文尺G一 一LC所以，妒，的数值是负的。妒c2 彗翼P c2 曼曼a I l 1 i ： 燕2 。( 2 1 4 ) 一式( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) 表示，I z 和c , o 。的数值均随频率的增高而下降。当频率无限高时，纯趋近于零，I 乙
3、I 趋近于J 言，呈纯阻性。2 ) 特性阻抗的特点a 特性阻抗的模值和角度均随频率而变。b 传输线的特性阻抗一般呈容性。当频率超过3 0 k H z 时，由于容抗分量所占比重极小，可近似的认为传输线具有电阻性的特性阻抗。C 传输线的特性阻抗仅与传输线的结构、制造传输线时所用的材料有关，但与传输线的长度无关。2 传输常数1 ) 传输常数的算法如果已知线路的一次参数见厶口和信号的传输频率，我们可以通过下式求得线路的传输常数：，= ( R + j c o L ) ( G + _ ，吐c ) = 口+ _ ，( 2 1 5 )从式( 2 1 5 ) 可推出：( 尺+ j c o L ) ( G + _
4、 ，6 l C ) = ( 口+ 。7 ) 2从而得到：口2 一口2 = R G 一2 L C筇= c o ( R C + G )解联立方程得：南京理工大学硕士论文 。= 三厕i 瓦丽需菰丽( N p a 晋频时的计算公式对输送音频信号的传输线来讲，由于频率比较低，感抗比较小，同时，G 值L P 较小，具有C G ，R c o L 的特点，因此可以用另一个简化公式进行计算，现推导如下：将上述条件代入( 2 1 5 ) 式，得： 剐+ 矽兰腼_ ( 1 竽于是删6 8 6 J 警( d B ( 2 1 6 a )= 孕( r a d k m )( 2 1 6 b )b 向朔日 驯计异公虱如果频率
5、提高到使条件u 冠n C G 得到满足，则由式( 2 t 5 ) 得y = 矧击邶网去邶讷厨乒盒) ( 1 + 面G )2 ，厨乒盅+ 嘉一篇珈劂盎+ 嘉，在高频时，_ 冬和_ 乓均很小，根据近似计算公式 I ( - O L，c Z 疋南京理工大学硕士论文在捌出Z吝已百、3H南京理工大学硕士论文同样，对于衰减常数的计算也采用高频时的简化公式，所以可采用第二章式( 21 7 ) ：口：i R l _ C + i G l 矣( N p K m )口2 i 、i + 虿、石( N 9p = t o 、L C ( R a d K m )其计算值见表4 ，11 。4 1 2 传输特性的测量原理及方法1
6、特性阻抗的测试1 ) 测试原理我们使用真空管毫伏电压表测试阻抗，其原理接线图如411 ：R o图41 1 用电压表测试阻抗的原理图图中，乙代表将要测试的低压线路，其中的乓是一台频率发生仪，是选取的 一个1 0 0Q 的固定电阻，使其接近于线路阻抗计算值平均值9 45Q 以减小测量误差。从图中可以知道式中U = 巩= I Z 堡：堡：互U 1 巩R则 I z I = R 。U u ,尺厂一一个固定电阻值。 固定电阻两端的电压值( 41 )南京理工大学硕士论文奶被测部件两端的电压值2 ) 测试方法测试低压电力线上的特性阻抗，需要分两次进行，一次是测试线路的开路输入阻抗乙，另一次是测试线路的短路输入
7、阻抗Z 。，然后通过运算求得线路特性阻抗值乙，计算公式为：刚= I z 。H Z 。l( 42 )式中：z c 线路特性阻抗值历一线路的短路输入阻抗 乙线路的开路输入阻抗3 ) 测试步骤当Z ，= O 即低压线路另一端短路时U = U 1 短U = 短陈等当Z 一= 0 0 即低压线路另一端开路时U 1 = U l RU 2 = U 2 开I zo 。等从以上可以得到： 阪l = 佩= R 蘸( 43 )2 衰减常数的测量1 1 测试原理由于线路本身无增益只有衰减，可以根据线路衰减常数的定义，在线路的两端的任一端作为测试线路衰减特性的输入端，另一端作为测试端，测试时在线路某端输送一个信号电平P
8、 。o ，这个信号电平由频率发生器输出，再用电平表测试线路的另一端的电平值P o 。，在测试仪表与被测线路特性阻抗匹配的情南京理工大学硕士论文况下，它们之间的电平差值就是被测线路在测试频率下的衰减值，在测试中也可以用毫伏表代替电平表，接线图如图4l2 ，取R o = 1 0 0 Q ，己知频率发生仪的内阻为Z o = 1 0 0 Q 。Z gE 线路图41 2 线路传输衰减测试原理图线路传输衰减的公式如下：耐以。一P o = 1 0 1 9 等4 1 3 传输特性的测量结果及分析R o本试验对型号为R V V B 的低压电力线在5 0 K H z 3 0 0 K H z 频带上的1 4 个频率
9、点上的特性阻抗和衰减常数进行了测量，其测量结果见表4 1 2 和表41 3 。我们可以从中发现，在没有加入电网时的低压电力线的特性阻抗和衰减特性的计算值和测量值是基本相符的。无论测量还是计算都可发现，线路的特性阻抗在频率范围5 0 K H z 3 0 0 K H z 时是很稳定的，波动不大；在该频段内它的衰减常数也是很小的，随着频率的上升缓缓增大，中间并没有很大的波动。这从物理性能上说明了单独的低压电力线作为传输线传输高频信号是完全可行的。但现实中的低压电力线是不可能独立存在的，它肯定要并入电网运行，并且和千千万万的、各式各样的负载相连，这时的低压电力线正如第三章建模分析的一样，己不能在作为均
10、匀的传输线处理了，它的整个传输网络结构已发生了很大的变化，又加之电网上各种噪声的污染，使得并入电网运行的低压电力线的传输性能下降很多，在下一节的测量中，我们将要测量实际存在的低压电力线的传输特性，来进一步分析它的传输性能。南京理工大学硕士论文4 2 接入电网的低压电力线传输特。 生的试验与分析4 2 1 试验装置设计和测量原理为了测试低压电力线的衰减特性，我们研制了如下的试验装置如图4 2l( a ) ，图中的信号发生器产生单频正弦信号，经功率放大之后，通过耦合网络接入低压电力网，见图42l ( b ) 。发射信号经低压电力网之后，接受端将同时收到信号和噪声，这两种电平经过与发射端相同的耦合网
11、络后，加在一个阻性负载上，并由一个毫伏电压表测量其值。为了使试验结果具有普遍性，我们选取了科研大楼、医院这两种常见的低压用电单位进行测量，并有选择的研究几种常用电器对于低压电网传输特性的影响。图4 21 ( a ) 试验装置图图4 2l ( b ) 耦合网络图42 1 ( b ) 是我们本次试验中所使用的耦合网络，采用变压器耦合的方式。耦合网络是在经过了反复的计算和试验之后设计出的，其中变压器选取变比为1 ：1 的铁氧体为磁芯的罐形变压器( 详细设计见附录A ) ；电容器取为2 0 r ,试验证明该耦合网络在频率为5 0 - 3 0 0 K H z 时是比较理想的高频耦合网络，由耦合网络产生的
12、衰减见表4 2 1 ，衰减值都很小，最大不超过15 d B ，基本满足试验要求。整个试验接线图如下图4 22 所示，试验中采用的频率发生器为9 2 0 5 C 型，内阻Z o = 5 0 Q ，为了最大程度的和电力线路阻抗匹配，z r 取5 0 Q ，图中的虚线为南京理工大学硕士论文- 4 1 一霄9心己毫Z0芑0o毽譬 叫蒜曾厘k 寄窨叵群趔蚓嚣g凝粑鳝髅簧罂g鼙K宦窭gooppsoNn q t 磷9 霄芷釜 委己k芯心毽00叫崔素厘卜蒜苔厘群靼嘲嚣g籁粑餐髅霉翼g颦K宣寓节NN目懈 oNooo一E 霄9芒Z 季苗2S群甏莨豁靶繁僻哪样如桀忑t瑙南京理工大学硕士论文所要连接的低压电力线。为了
13、提高测量的准确性，实验中所有的电压测量值均取平均值。2 u FZ ，= 5 0 Q图4 2 2实验接线圜线路的衰减公式为：口= 1 0 1 8 瓦亨B )“4 )式中：“ ，I _ 一线路上的输入电压 圪。，_ 线路上的输出电压“ ，线路上的固有噪声电压4 2 2 测量结果及曲线图表示1 科研大楼的衰减特性的测量及分析I ) 接入电力线( 单相) d 霄9芷Z 姜0毽姜0弓2K叫蒜富星k 蒜营垦一目聿u、日一样避捌嚣g赣靶挚2僻巽。霉譬郄K毒藻g009pgonn q t 群9 寸q 高，、，、 己己霄9芷岔爹心岔受姜0詈姜0詈叫繇莒厘卜蒜言厦罂uv擗遥删一雕g籁妊蟋僻罂罂g终K罄藻E009pE
14、oN哼Ht摧南京理工大学硕士论文线( B 、C 相) ，2 0 m 3 盖2粤251 1 电力线上的干扰波形产生这种周期性干扰的原因是由于开关电源设备会在工频交流电基波的某个固定相位上释放出干扰。例如，S C R ( 可控硅整流电源) 在A C 电源基波正半周和负半周的4 5 。切换，则在一个工频周期中A C 电源上会出现2 个缺口，从而会以1 0 0H z 为周期，每周期2 次释放出强烈的干扰，而且这种干扰与A C 电源有着固定的相位关系。每次干扰的持续时间受多种因素的影响，如可控硅整流电源在A C 电源上产生缺口的宽度，电力线对高频干扰的衰减强度等。在图51 1中，每次干扰的持续时间约为3
15、 m s 。而许多开关电源、逆变器等还可能产生频率高于1 0 0 H z 的周期性干扰。为对这种周期干扰进行进一步分析，画出图511 干扰信号的对数频谱特性如图512 所示。从图5 12 可以看出，干扰信号的频谱非常不规则，存在许多突变，有些频率信号的强度很高，有些则很低。但是，从总体上来看，9 k H z 以4 9 南京理工大学硕士论文上的干扰信号的强度比8 k H z 以下的信号的强度平均要大7 d B - 8 d B 。因此，这种周期干扰主要是由大量的高频干扰组合而成的。由于通常使用的电力线载通信设备的工作频率都在1 0k H z 以上，所以这种干扰必然会对它们的正常工作产生很大的影响。如果不采取措施，这种干扰可能引起几个到几十个数据位的传输错误。例如，以上述干扰为例，对于以4 8 0 0b i t S 进行的数据通信，每次干扰可能破坏几个数据位的传输。蠡3 0 删删ti,量m 1 【l- 2 0 了1 f 1 1 矿1 广下而b图5 12 干扰信号的对数频谱特性另外，有许多大功率的用电设备，如电机等，会在电网上产生很多的高次谐波。这些高次谐波只存在于工频的整数倍的频率内，但是能量较大，且频率有可能延伸到几万赫兹。如果信号频率正好与它们重叠，则对通信的可靠性会产生很大的影响。非工频同步周期性连续干扰是和低压电网的频率无关的。这种干扰普遍存在于低压电网上，而且会长时
