低压电力线信道特性优化

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：低压电力线的信道特性主要体现在噪声、阻抗和衰减三个方面。图11.23电力线通信信道的背景噪声图11.24电力线通信信道的低频突发性噪声由于噪声种类繁多且特性各异，需要研究如何对其进行建模分析。

低压配电网是指低压配电变压器出线侧的用电网络，接入用户数量多，负载设备多样，拓扑结构复杂、分支多，存在反射、折射、散射、驻波和谐振等多种现象，导致其信道环境恶劣。低压电力线的信道特性主要体现在噪声、阻抗和衰减三个方面。

1.信道的噪声特性

低压电力线通信的干扰噪声来源于电力线上的负载，大致可以分为如下5类：有色背景噪声、窄带噪声、与工频异步的周期性噪声、与工频同步的周期性噪声和突发性噪声。

（1）有色背景噪声：主要来源于网络上众多的功率较低的噪声源，如大量的家用设备，其频谱很宽，但功率谱密度不高，随着频率增加而减小，变化缓慢。

（2）窄带噪声：主要由中短波广播所致，其功率谱密度在频段内几乎保持不变，白天高，晚上低。

（3）与工频异步的周期性噪声：来源于电力线上的一些电子设备，如计算机和电视机等，脉冲噪声的频率是离散的，和设备的扫描频率有关，主要分布在50～200 Hz。

（4）与工频同步的周期性噪声：由工作在电网频率的开关器件造成，如开关电源，其噪声频率为工频或其整数倍，一旦发生将持续很长时间，但单个脉冲的持续时间短，为微秒量级，频域覆盖范围广，功率大，功率谱密度随频率增加而降低。

（5）突发性噪声：主要由线路上电器的瞬间开关造成，多表现为突发性，脉冲持续时间在几微秒到几毫秒之间，功率谱密度高，可高出背景噪声50 dB以上。

前3类为背景噪声，在较长时间内相对保持不变，将各个噪声谱线相加可得到它们的总噪声谱线，其平均功率较小，频谱很宽，持续存在，有可能部分或完全覆盖信号频谱。如图11.23所示的背景噪声曲线，中心频率为4.2 MHz，频带宽度为8.4 MHz。后两类可以认为是冲激噪声，它们的幅度变化很快。如图11.24所示的低频突发性噪声曲线，中心频率为17.8 Hz，频带宽度为35.6 Hz。

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图11.23　电力线通信信道的背景噪声

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图11.24　电力线通信信道的低频突发性噪声

由于噪声种类繁多且特性各异，需要研究如何对其进行建模分析。有色背景噪声通常可建模为由白噪声源通过整形滤波器而生成。目前多采用自回归滑动平均（ARMA）模型，整形滤波器在z平面上的传递函数表示如下：

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式中，A（z）和B（z）分别表示的是自回归部分和滑动平均部分，ai和n 为自回归部分的加权系数和阶数，bi和m 为滑动平均部分的加权系数和阶数。

窄带噪声一般可建模为由N 个正弦波相叠加而生成，表示如下：

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其中，Ai（t）、fi、和φi分别表示第i个正弦波的幅度、频率和相位。为简化起见，幅度可以设定为恒定值，而忽略其时变性；相位可以在[0，2π]之间任意选择，是随机的。

与工频同步的周期性噪声在时域具有周期特性，而在频域与有色背景噪声相似，因此，此类噪声可建模为对有色背景噪声的幅度进行周期矩形脉冲加权而生成。

与工频异步的周期性噪声和工频同步周期性噪声特性类似，所以通常采用和工频同步周期性噪声相似的建模方法。另外，由于其频率高、频谱宽，也可简化为有色背景噪声来建模处理，只需将其功率谱密度略做提高。

突发性噪声除了持续时间短以外，最大的特点是突发性强、随机分布。因此通常采用随机模型来模拟，如马尔科夫链模型。

2.信道的阻抗特性

低压电力线上的输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数，其好坏对高频信号的传输影响很大，但由于情况复杂，对其特性的研究通常是借助测量而得到的。理想情况下，电力线在没有负载时的输入阻抗随频率增大而减小，当电力线有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。在实际中，由于线路情况复杂，输入阻抗的变化不完全符合随频率增大而减小的规律（平均从2Ω 到100Ω），甚至与之相反。这主要是因为信道上的负载会随机接入或断开，导致输入阻抗发生较大幅度的变化，使其具有随时间和地点变化的特点。另外，电力线可看成是连接有各种复杂负载的传输线，这些负载以及电力线本身可组合成许多谐振回路，一般配电网的谐振频率在40 k Hz以上，所以在此谐振频率及其附近频率容易形成低阻抗区。总的来说，由于电力线信道的电参数往往随频率、时间和地点变化，信道输入阻抗也相应发生急剧变化，造成发送端的输出阻抗和接收端的输入阻抗均容易发生失配现象。

3.信道的衰减特性

低压电力线是由电阻、电容和电感组成的传输线，其配电网直接面向用户，使得其网络拓扑和负载均呈现多样化，同时负载的接入与切断也具有很强的随机性，这导致电力线信道在某些节点发生阻抗失配或近似短路等情况，从而使载波信号在传输过程中发生反射、折射、散射、驻波和谐振等多种现象，呈现出复杂的衰减特性，主要如下。

①信号衰减与频率有关，这是由电抗性负载和传输线效应引起的，其中传输线效应包括反射和多峰抵消等。信号衰减随频率上升而增加，但并不一定是单调的。一般来说，传输信号在100 k Hz以下衰减相对稳定，在10～200 k Hz之间近似以0.25 d B/k Hz的比例线性增长，但在某些频率点会出现减少的情况。

②信号衰减与距离有关，通常随距离增大而增加，但并不一定是单调的。由于信号传输中会出现反射、驻波和散射等复杂现象，导致有可能近距点比远距点衰减大。

③信号衰减与时间有关，由于电力网络负载的频繁接入和切断等各种随机事件，信道表现出很强的时变性，在1 s内对某一频率信号的衰减变化可达到20 d B，l s内的信噪比变化也可达到10 d B左右。

④信号衰减包括线路衰减和耦合衰减。线路衰减包括由于多径传输和线路损耗等引起的衰减；此外，配电变压器会阻碍信号通过，其原边和副边的信号损耗可达到60～100 d B，次级间也会有20～40 d B的损耗。耦合衰减是由发送端和接收端与电力线的阻抗不匹配引起的。三相电力信道间的信号损耗可达10～30 dB。载波信号一般只能在单相电力线上传输，不同耦合方式导致信号的损耗也不同，线-地耦合比线-中线耦合损耗少10 dB 左右。同时，不同相位的耦合也会引起损耗，同相传输比跨相传输损耗少10 d B左右。

4.信道模型

电力线信道呈现无法预知的多径传输和反射等特征，表现为时变频率选择性衰落信道，这与无线信道的传播类似，信道容量和误码率会受到多径衰落的影响。如图11.25所示，电力线信道模型主要从5个方面描述：发送端输出阻抗匹配性、信道衰减、噪声干扰、接收端输入阻抗匹配性、干扰的时变性。噪声被看作随机干扰过程，除此以外，所有的损耗都可用时变线性滤波器来表征。信道模型的传递函数可以用N 条传输路径的叠加表示如下：

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