低压电力线载波信道测试装置设计.pdf

第 5 2卷第 1 O期 2 0 1 5年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a lM e a s ur e m e n t I n s t r u m e n t a t i o n Vo I 5 2 No 1 0 M a y。 2 5， 2 0 1 5 低压 电力线载波信道测试装置设计 王立城 ， 胡科军 ， 霍超 ， 李建岐 ( 1 北京南瑞智芯微 电子科技有限公 司， 北京 1 0 0 1 9 2； 2 中国电力科学研究院通信技术研 究所 ， 北京 1 0 0 0 8 5 ) 摘要 ： 电力线载波通信在居民抄表 、 路灯控制等领域广泛应用 ， 然而 由于电力线不是专用信道 ， 且受用 电设备 、 电力负荷、 线路结构等影响较大 ， 其传输特性在时域 、 频域上具有多变性 ， 直接影响到电力载波通信产 品的业务 承载能力和应用效果。文中研制了一种便携化低压电力线载波通信信道测试装置 ， 实现 了电力线载波信道 的 阻抗 、 衰减和噪声三个重要信道参量的在线测量 ， 并可通过即时分析软件实时掌握载波信道的变化特征 ， 对 电 力线通信产品的技术实现和工程化应用具有重要意义 。 关键词 ： 电力线载波 ； 信道测试 ； 噪声 ； 衰减 ； 阻抗 中图分类号 ： T M 7 3 文献标识码： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 1 0 - 0 0 4 4 - 0 6 De s i g n o f a t e s t i ng de v i c e f o r l o w v o l t a g e p o we r l i ne c a r r i e r c o mmun i c a t i o n c ha n n e l Wa n g L i c h e n g ， H u K e j u n ， H u o C h a o ， L i J i a n q i ( B 4 j i n g N A R I S m a r t C h ip Mi c r o e l e c t r o n i c s C o m p a n y L i mi t e d ， B e ij i n g 1 0 0 1 9 2 ，C h i n a , 2 C o m mu n i c a t i o n T e c h n o l o g y D e p t o f E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 5， C h i n a ) Ab s t r a c t：Po we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n i s wi d e l y us e d i n a u t o ma t i c me t e r r e a d i ng a nd s t r e e t l a mp c o n t r o l e t c Ho we v e r，t h e p o we r l i ne i s n o t a d e d i c a t e d c o mmu ni c a t i o n c ha n n e l ，a n d i n fl ue n c e d b y t h e e l e c t ric a l e q u i p me n t ， p o we r l o a d， g r i d s t r uc t u r e a n d o t he r f a c t o r s l a r g e l yTh e c h a n n e l t r a ns mi s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s v a r y i n t i me d o ma i n a nd f r e - q u e n c y d o ma i n，wh i c h d i r e c t l y i n flu e n c e t h e b u s i n e s s c a r r y i n g c a p a c i t y a nd a pp l i c a t i o n e f f e c t o f p o we r c o mmu n i c a t i o n p r o d u c t s T h i s pa p e r i n t r o d u c e s a p o r t a b l e l o w v o l t a g e po we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n c h a n n e l t e s t i n g d e v i c e，wh i c h c a n r e a l i z e t h e o n l i n e me a s u r e me n t o f n o i s e ，i mp e d a n c e a n d a t t e n u a t i o n o f t h e p o w e r l i n e c a r r i e r c h a n n e l ，a n d c a n g e t t he v a ria t i o n c h a r a c t e ris t i c s o f c a r r i e r c h a n ne l t h r o u g h t h e r e a l t i me a n a l y s i s s o f t wa r e T he d e v i c e i s o f g r e a t s i g n i fi c a n c e t o t h e t e c hn o l o g y r e a l i z a t i o n a n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f p o we r l i n e c o mmu ni c a t i o n p r o d uc t s Ke y wor d s： p o we r l i n e c a r r i e r ，c ha n n e l t e s t i n g，n o i s e，a t t e n ua t i o n，i mp e d a n c e 0 引 言 P L C ( P o w e r L i n e C a r r i e r ) 即电力线载波 ， 是 电力 系统特有的通信方式 ， 利用现有 电力线 ， 通过载波方 式将模拟或数字信号耦合到电力线进行高速传输的 技术 1 J 。该技术在进行信号传输时把 电力线作为通 信信道， 不需要另外铺设专门的通信线路， 这样就省 去了大量的布线费用， 这种优势使得电力线载波通 信技术具有广阔的应用前景。 但是电力线路设计 的初衷是为了完成电能配送 而非数据的传输 ， 因而对于数据通信而 言， 其信道特 性非常不理想_ 2 J 。在实验室内部测试通信 良好 的 产 品， 到 了实 际 电网环境 中就 无法 实现 有效 地通 一 4 4 一 信 J ， 导致企业投 入大量开发资源 的技术产品无法 在电网环境 中良好运行 。因此对电力线信道进行研 究 ， 对于电力线 载波通信产 品的开发 和工程 应用具 有十分现实的意义。 目前 ， 低压电力线 载波信道、狈 4 试通 常使 用频谱 仪 、 频响仪 、 信号功率放 大器 、 耦合装 置等设 备。测 量时 ， 需要对多个设备进行调试 ， 配合应用才能完成 阻抗、 衰减和噪声等信道参数 的测量 J 。不便携带 ， 成本较高 ， 且测试系统不稳定 ， 信道干扰不可控 ， 测 试重复性和复现性差。 文中研制的一体化电力线载波信道测试装置可 方便应用于实验室 、 现场等各种低压配 电网载波信 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 0期 2 0 1 5年5月 2 5日 电测与仪表 E1 e c t r i ea l M e as u r e me nt I n s t r ume nt a t l o n V0 1 5 2 N0 1 0 M a y 2 5， 2 0 1 5 道特性测量 ， 适 于 3 05 0 0 k Hz 频带 内测量 ， 具 有信 道参数 的高速采集 、 录波 、 波形实时分析 和反演等功 能， 支持测量精 度校准 ， 易携带 ， 成 本低。该信 道测 试装置为 电力线载波通信技术 的研究和应用 、 现场 载波信道特性的分析提供了一种有效的测量手段。 1 技 术原 理 1 1阻抗 测 试 相对于弱 电通信 线缆 ， 电力线路属于非对 称线 路和高压强 电网络， 实际测试 电力线路 阻抗有 一定 的难 度 J ， 国内外现有 的接入阻抗 的测试方法主要 有 比值法 ， 谐振法【 ， 双电流探头法等 。比值法只能 测出阻抗的模值 ， 不 能得到阻抗 的相位信息 ； 谐振法 只能测出单个频点 的阻抗 的值 ， 不能得 到连续 频谱 的阻抗特性 ； 双 电流探头法虽然能测 出低压 电力线 阻抗的模值和相位信 息， 但是 由于所用 网络分 析仪 的频率分辨率低 ， 所测得 的结果准确性并不是很 高 ， 现场测试也不方便 。另外 ， 由于 电力线本身 阻抗很 小 ， 测试线在接 人 电力线时有时需连接较长 的电线 或者 电缆也可能会引入较大测量误差 。 针对现有阻抗测试方法的不足以及测量过程中存 在的问题 ， 文中提出一种新 的低压 电力线阻抗测试方 法， 该方法基于伏安法( U I ) 原理 J ， 具有如下优点： ( 1 ) 该方法不仅能够测 出阻抗 的模值 ， 还能测试 阻抗 的， 实部和虚部和频率 的关 系， 并把它们 和频率 的关系拟合成 曲线 ， 可根据所 的数据计算 出相 位与 频率 的关系 ， 且测得数据相对于频率具有连续性 ， 克 服了谐振法测 阻抗只能测 出单个频点 的劣势 ， 具有 普遍性。 ( 2 该方法所采取 的校准原理能把测试装置 内 部元器件产生的阻抗 以及外部连接线产生的阻抗对 电力线阻抗的影响消除 ， 使得测试结果更加准确。 该阻抗 测试 方法 原理 如 图 1所 示。图 中变压 器原边与交流信号源连接 ， z 是从变压器副边到零线 r 交流源 图 1 伏 安 法阻抗 测试 原理 图 F i g 1 Vo ha mme t r y b a s e d i mpe d a n c e t e s t s c h e ma t i c d i a g r a m N包含定值 电阻 R 、 安 规电容 c 、 传输导线 ( 包含外 部连接线缆) 在内的整条路径的阻抗 ； Z 是从变压器 副边到零线 N包含定值 电阻 R ： 、 传输导线 ( 包含外 部连接线缆) 在内的整条路径的阻抗 。 该方法具体测试步骤包括校准和测量两部分。 ( 1 ) 校准 原理是利用短接方法和定值 电阻接入法把测试 装置内部元器件产生 的阻抗以及外部连接线产生 的 阻抗对 电力线 阻抗 的影响消除 ， 使 得测试 结果更加 准确。确定图 1电路中参数所用原理如下 ： 在 L 、 N两端短路得到 Z 两端电压 和 z 两端 电压 ， 这样可得 ： U 1 ， 7 z - 在 L 、 N两端接入一个固定电阻 Z 。 ， 可得到 Z 。 和 Z 。 串联后两端电压 U 和 Z 两端的电压 U ， 得到 ： ( 2 ) 由公式( 1 ) 和公式( 2 ) 可得 ： Z D ( 3 ) Um l Z D ( 4 ) 这样就得到测试电路中所需要的阻抗 z 和 z 。 。 在进行现场测试 时 ， 必须把测试装 置的信 号线先进 行短路再接入定值 电阻 z 。进行校准 ， 在需要外接 电 线或电缆时需要把外接电线( 缆) 与信号线相连再进 行上述操作 ， 以消 除电路 内部元 器件及 外接 电线在 高频信号流过时产生的阻抗对测试结果的影响。 ( 2 ) 测量 经过校准 ， 获得 了计算 电力线接入 阻抗所需 的 z 和 z ： 两个关键参数值。将 图 1所示 电路接人待 测 电力线信道 ， 可得 ： U =U+， z I ( 5 ) 式 中 为接入电力线 的 L、 N两端的 电压 ； ， 为流 过 测试电路的电流。 z = 孚= 一 Z 1 式 中 Z为所要测的电力线的阻抗。 z= = l E c o s ( U m , U B ( 6 ) - - - - 4 5 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m