低压电力线信道特性分析.pdf

第 4 7 卷第 7 A期 2 0 1 0年 7月 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t I n s t r u me n t a t i o n Vo 1 4 7 NO 。 7 A J u1 2 0 1 0 低压 电力线信道特性分析 王翥 ， 孙嘉宁 ( 哈尔滨工业大学( 威海) 信息科学与工程学院， 山东 威海 2 6 4 2 0 9 ) 摘要： 本文针对低压电力线分析归纳了信道的阻抗、 衰减和噪声三大传输特性， 并以此为基础建立了简化的电 力线信道模型。利用计算机软件搭建仿真平台， 对常见的D S S S 、 F S K 和B P S K 种调制技术做了抗干扰对比仿真 实验， 仿真结果表明低压电力线通信系统比较适合采用D S S S 和B P S K 这两种调制技术。 关键词： 电力线载波； 传输特性； 抗干扰性能； 中图分类号 ： T P 8 4 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 7 A 一 0 0 3 2 0 4 An a l y z e s o f Lo w Vo l t a g e Po we r Li n e Ch a n n e l Ch a r a c t e r i s t i c s WANG Z h u ， S UN J i a - n i n g ( S c h o o l o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y a t We i h a i ， We i h a i 2 6 4 2 0 9 ， S h a n d o n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r an a l y Z e S t h e i mp e d a n c e ， a e n u a fi o n an d n o i s e c h ara c t e ri s t i c s o f l o w p o we r l i n e c h a n n e 1 Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ri s t i c s ， the p a p e r h a s gi v e n a s i m p l i fi e d c h ann e l mo d e l ，and h a s d o n e t h e a n t i - j a m m i n g s i m u l a t i o n e x p e rime n t f o r D S S S ，F S K a n d B P S K mo d u l a t i o n t e c h n o l o gy o n t h e c o mp u t e r a n d s o f t ware p l a t f o rm Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t o f e x p e ri me n t ， b o t h DS S S an d B P S K w e r e a p p r o p ri a t e f o r the l o w v o l t a g e p o w e r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n s y s t e m Ke y w o r d s ： p o w e r l i n e c a e r ， t r ans mi s s i o n c h ara c t e ri s t i c s ， a n ti - j a m mi n g c a p a b i l i t y 0引 言 电力网是一个人户率第一的物理网络。 利用电力 网资源实现数据通信已经成为近些年研究的热点， 研 究表明实现电力线通信较好的手段是采用电力线载 波( 简称P L C) 通信技术 。电力网通常分三类 ： 高压输 电网 ( 3 5 k V) 、中压配电 网 ( 1 O k V)和低压用户 网 ( 2 2 0 V 3 8 0 V) 。其中高压和中压电力线载波通信的研 究起步早、 时间长、 技术成熟； 而低压电力线载波通信 的研究起步则要晚得多。目 前P L C 通信研究形成了两 个方 向：一个是 面向高压和 中压输 电配电网 自动化 的， 称为配电线路载波； 另一个是面向低压用户网的， 称为线路通信【 1 。 P L C 通信应用广泛 ， 主要应用在远程抄表 、 照明 控制、 楼宇家居自动化和互联网宽带接人等领域。但 是P L C 通信也有其 自身缺陷， 电力线本身并不是按传 输通信数据要求设计的， 因此它的各项特性与常用传 输介质( 如光纤和同轴电缆) 有很大不同， 这使得电力 线信道的传输特性相当复杂， 加上我国电网设备电磁 兼容标准低， 造成电力线通信环境十分恶劣。 3 2。 本文针对低压电力网分析归纳了电力线信道的 阻抗、 衰减和噪声三大传输特性， 并以此为基础建立 了一个简化的电力线信道模型。 以D S S S 方式为例， 利 用仿真软件分析了电力线信道对载波通信的影响和 调制解调 的全过程 ， 最后通过抗干扰对 比仿真实验说 明电力线上比较适合采用D S S S 和B P S K 调制技术。 1 电力线信道传输特性分析与建模 1 1阻抗特性 电力线输人阻抗特性直接关系到通信效率， 研究 表明输入阻抗与传输信号的频率有关。理想情况下， 电力线可以看作一条各项特性均匀分布的传输线 ， 其 输入阻抗应该随着频率的增大而减小。 而在实际接入 负载的情况下， 输入阻抗的变化并不一定符合这一变 化规律。 各种复杂负载与电力线本身组成许多共振电 路， 在共振频率及其附近频率上输入阻抗的幅值会有 较大变化， 形成阻抗低谷区。这种振荡变化规律使得 载波发送的输出阻抗和接收的输入阻抗都难以匹配， 所以在具体应用时要考虑实际情况， 做相应调整来消 除这种影响。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 7 卷第7 A期 2 0 1 O年 7月 电测与仪表 El e e t r i e a l M e a s ur e me n t I ns t r u m e nt a t i o n Vo 1 4 7 No 7 A J l l 1 2 O 1 0 1 2衰减特性 由于电力线并不是一条各项特性均匀分布的传 输线， 所以上面传输的高频信号必然存在衰减。这种 衰减主要是由线路衰减引起的 。显然， 电力线衰减 特性与通信距离和信号频率都有密切的关系， 归纳起 来有以下两个主要特征翻 ： ( 1 ) 信号的衰减随着传输距离的增大而增加。 一 般来说 ， 根据电力线使用的不同环境 ， 信号衰 减与距离的关系为2 0 5 0 d B 5 0 0 m，城市的衰减要小 一 些， 农村要大一些。 但是， 由于电力线本身的不平衡 性， 加上负载的阻抗也不匹配， 所以信号可能会遇到 反射、 驻波等复杂现象， 使得衰减与距离之间的变化 关系变得非常复杂， 有的时候可能出现近距离点的衰 减比远距离点还大的现象。 ( 2 )信号的衰减随着频率升高而呈现增大的趋 势 。 研究表明， 对于不同的频率， 中间段的衰减特性 要略好于两头。小于1 0 0 k H z 时衰减较小，但不稳定； 1 0 0 4 0 0 k H z 这段区间较为稳定，可以近似看作线性 关系； 而大于5 0 0 k H z 以后衰减开始显著增大。 1 - 3 噪声特性 噪声特性是描述信道的重要参数之一， 要紧密结 合通信频带来研究。电力线由于其自身的一些特性， 作用于它的噪声是非常复杂的， 并不能简单归结为高 斯白噪声。为了简化对噪声复杂性的分析， 电力线信 道噪声根据不同的性质可简单地划分为5 类： ( 1 ) 有色背景噪声 这类噪声是电力线上各种噪声源共同造成的组 合干扰， 是种随时间缓慢变化的随机干扰， 其功率 谱密度随频率增加而减小， 变化比较缓慢。 ( 2 ) 窄带噪声 这是一种频带很窄的噪声， 主要是短波广播在频 域上的窜扰 ， 其干扰强度在一天里变化不定， 一般情 况下 ， 由于大气层 的反射 ， 夜 间干扰 比较严重 ， 而白天 的干扰却较小。 ( 3 ) 与工频异步的周期性噪声 它主要来源于一些电子显示设备， 例如电视机或 电脑显示器 ， 它的重复频率与电视屏幕或电脑显示器 的扫描频率同步， 主要分布在5 0 2 0 0 H z 。 ( 4 ) 与工频同步的周期性噪声 一 般由一些大功率的用电设备造成的，如电机、 开关电源等， 会在电力线上产生很多的高次谐波。这 些高次谐波一般为工频或工频的整数倍，能量比较 大。 ( 5 ) 突发性噪声 主要由用电设备突然启动和关闭造成， 出现的时 间是不确定的； 但是持续时间很短， 能量很集中， 时域 的幅值非常大。 针对以上对噪声基本的分类 ， 我们可以总结出电 力线信道上噪声的一些基本特点： 存在周期性成分、 存在连续性的背景噪声、 存在随机性成分、 具有多变 性特点 。 1 4电力线 信道 通信模 型 电力线网络存在许多节点和分支， 因此存在众多 阻抗不连续的点， 使信号不能从发射端直接传输到接 收端， 而是在节点处会发生反射， 影响发射信号， 使得 信号发生频率选择性衰减。 这就决定了电力线信道对 信号具有多径传输特性， 其传递函数可以简单的表示 为 ： = a ,E (f ,d , ) e x p ( - j 2 rrf r , ) ( 1 ) 1 l 式中啦 为路径i 的加权系数； ( ) 为衰减， 其特性与 路径长度、 频率和衰耗参数有关； 表示路径i 的延时。 式( 1 ) 给出了一个比较准确的数学模型， 但是其各项 参数不易测量得到， 实际应用较少。为了方便后面讨 论 ， 这里将信道所有衰减集中在一起考虑， 信道模型 简化之后如图1 所示。 图1 电力 线信 道模 型 F i g 1 Mo d e l o f p o we r l i n e c h a n n e l 2 P L C通信 系统抗干扰仿真 为了形象直观地说明电力线信道对传输信号的 影响， 下面以目前常用的直接序列扩频为例分析P L C 通信 系 统 抗 干 扰 性 能 。直 接 序列 扩 频 ( D ir e c t S e q u e n c e S p r e a d S p e c tr u m， D S S S )通信是扩频通信的 一 种 ， 它主要理论依据是香农( S h a n n o n ) 信道容量公 式 ： C = B c l o g 2 ( 1 + S N) ( 2 ) 式中 c 为信道容量； 为信号带宽； 为噪声功率； S 为 信号功率。式( 2 ) 说明给定的信道容量可以用不同的 带宽与信噪比的组合来传输 ，如果加大信号传输带 宽， 则可以在较小的信噪比下以较小的误码率传输信 号。因此扩频通信的核心就是信号传输带宽的扩展。 D S S S 通信系统仿真框图如图2 所示 ， 图符6 一 图符 一 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 7卷第 7 A期 2 0 1 0年 7月 电测与仪表 El e c t r i c a d M e a s u r e me nt I n s t r ume n t a tio n Vo 1 4 7 No 7 A Jl l 1 2 O 1 O 图2 D s S S 通信 系统仿真框 图 F i g 2 T h e DS S S s i mu l a t i o n s y s t e m 1 1 组成了图1 所示的电力线信道模型。其中， 图符6 为 衰减模块， 图符7 为窄带干扰模块， 图符8 为背景噪声， 图符9 和1 0 为周期和非周期的脉冲噪声。 在仿真时， 可 将干扰幅度都设为0 来模拟理想情况，也可以通过更 改参数将各种干扰综合起来观察系统的抗干扰能力。 系统工作的基本过程如下： 发送信号首先对载波 进行反相键控， 随后用伪码序列对已调信号再次进行 反相键控 ； 由于伪码序列 的速率要远大于发送信号的 速率，所以第二次调制就起到了扩展信号频谱的作 用； 发送信号和伪码都是二进制序列， 调制过程可以 简化， 即先将两路信号进行模2 相加， 再对载波反相键 表1系 统参数设定 T a b 1 P a r a me t e r s e t t i n g 控； 在接收端， 先用与发送端同步的相同伪码序列去 相关解扩 ， 再经本地载波解调 ， 恢复成原始信息。 按表1 设置参数， 并运行系统。发送信号如图3 所 示， 信号经过低通滤波处理后， 与扩频P N 码直接相乘 扩频如图4 所示， 可以明显地看出信号带宽被扩展； 之 后信号对载波进行调制， 经过扩频和载波调制后的信 号波形如图5 所示，经过信道衰减和各种干扰后的信 号如图6 所示 ， 可以看到信号幅值已被衰减的很小了， 而且毛刺较多， 突起的尖峰为脉冲噪声干扰 ， 其幅值 要远大于信号幅值， 由此可见信道对信号传输的影响 是非常大的， 接收端经过解调和解扩得到接收信号波 形如图7 所示。对比图3 和图7 ， 除去系统延时的因素， 可以看出发送信号和接收信号是一致的， 这说明信号 在传输过程中没有出现误码的情况圈 。 3 4 图3发送信号波形 F i g 3 S e n d s i g n a l wa v e f o r m 图4扩频前后信号频谱对 比 Fi g 4 Co n t r a s t o f s i g n a l s p e c t r u m a f t e r s p r e a d s pe c t ru m 图5载波后的信号的波形 F i g 5 Ca r r i e r s i g n a l wa v e f o r m 图6经过信道模型后的信号波形 F i g 6 S i g n a l w a v e f o r m i n c h a n n e l mo d e l 图7接 收信 号 波形 F i g 7 Re c e i v i n g s i g n a l w a v e f o r m 通过上面的分析可知， 电力线信道对信号的影响 极大， 选用不同的调制解调技术， 信号的抗干扰性也 不同。目前常用的调制解调方式还有F S K( 频移键控) 和B P S K( 二进制相移键控) 两种 ， 参照前面分析D S S S 的方法分别搭建F S K 和B P S K 仿真通信系统， 分析它们 的抗干扰能力。 衡量通信系统优劣的一个重要指标就是比特误 码率 ( 简称B E R ) 。图8 给出了F S K 和B P S K 两者仿真 B E R曲线 ， 曲线I 为F S K的， 曲线I I 为B P S K 的 。可以看 出， 在信噪比很小的时候， 两者的B E R 曲线基本一样； 随着信噪比的增加， B P S K 的误码率下降的 L F S K 要 快。由此可见 ， 在相同信噪比的情况下 ， B P S K 的抗干 扰能力要强过F S K 。 虽然F S K 的抗干扰能力较差， 但是其调制解调原 理简单， 硬件上实现容易， 成本低。在衰减小、 噪声干 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 7卷第 7 A期 2 0 1 0年 7月 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t I ns t r u me nt ati o n No T A J m 2 O 1 O 图8 B E R曲线 Fi g 8 BER c ur v e 扰不强的通信系统中， F S K 技术还是一种比较合算的 选择。 3 结束语 低压电力线是一种各项特性十分复杂的传输介 质， 本文比较具体地分析了电力线信道的阻抗、 衰减 和噪声三种传输特性， 根据这些分析建立了近似的电 力线信道模型， 利用仿真软件对D S S S 、 F S K 和B P s K 三 种常见的调制方式作了抗干扰对比实验，最后指出 D S S S 和B P S K 调制方式比较适合应用在P L C 通信系统 中。 当然， 这里的分析与仿真实验做了一定的简化， 结 果可能会有一定的局限， 但相信对深入研究P L C 通信 技术有一定的帮助。 参 考 文 献 1 】1张士文， 殳国华， 韩正之 低压电力线通信技术综述叨 华北电力技 术， 2 0 0 1 ， ( 1 ) ： 2 7 - 2 9 Z HANG S h i - y i S HU Gu o - h ua ,HAN Z h e n g - z h i Ov e r v i e w o f LV Po we r L i n e C o mmu n i c a t i o n s叨 N O 砌1 H C H I N A E L E C T R I C P O WE R ， 2 0 0 1 ， ( 1 ) ： 2 7 - 2 9 【 2 】 高锋， 董亚波 低压电力线载波通信中信号传输特性分析田 电力系 统 自动化， 2 0 0 0 , ( 7 ) ： 3 6 _ 4 o I GAO F e ng , DONG Ya b o S i g ma T r a n s mi s s i o n Ch a r a c - t e fis t i e An a l y s i s i n L o w V o l t a g e P o w e r Lin e C a r ti e r C o m mu n i cati o n 叨 A u t o m a t i o n o f E l e c t r i c Po we r S y s t e ms ， 2 0 0 0 , 2 4 ： 3 6 4 O 【 3 】 王波 基于低压电力线的智能载波通信模块的研究与设计 D 】 哈尔 滨工业大学硕士论文 ， 2 0 0 8 ： 7 - 1 0 WA N G B o D e s ig n of t h e i n t e ll i g e n t e r i e r c o mm u nic a ti o n m o d u l e a s e d o n l o w P L C 【 D I H a r b i n I n s ti t u t e o f T ech n o l o g y ma s t e r s d e g ree t h e s i s ， 2 0 0 8 ： 7 -1 0 【 4 Z i mm e r m a n n M， D o s t e r t K A Mu l ti P a th S i a l P r o p a g a ti o n Modal f o r t h e P o w e r L i n e C h a n n e l i n t h e H i s h F r e q u e n c y R a n g e A I n ： P r o c e e d i n g s o f 3 r d I n t e r n a t i o n a l S y mp o s ium o n Po we r li n e C o mmu n i c a ti o n s a n d I t s A p p li cat i o n s C 】 L a n c a s t e r ( UK ) ： 1 9 9 9 4 5 - 5 1 5 】 耿煊， 李永辉 低压电力线通信的信道特性分析及模型研究田 电力 系统通信， 2 0 0 4 ， ( 4 ) ： 1 9 2 1 GENGXu an， LI Yo n g -h u i An a l y s i sf o r c h a n n e l c h a r a c t e ris ti c sand r e s e a r c h f o r c h a n n e l mod e l o f l o w v o l t a g e p o w er l i n e commu n i c a t i o n T e l e c o m mu nic a t i o n s f o r Electr i c P o w e r S y s t e m, 2 0 0 4 ， ( 4 ) ： 1 9 - 2 1 【 6 宋佳， 王祁， 王翥 一种有效的用于低压电力载波通信的技术叽 微 计算机信息， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 8 3 ) ： 1 0 1 1 0 3 S O N G J i a , WA N G Q i ， WAN GZ h u An e ff ecti v et e c h n o l o g yt O a p p l yin the l o wpow e r l i n e e a l e r commu nic a ti o n田 M i ero com p u t e r I n f o r ma t i o n , 2 0 0 7 ， 2 3 ( s - 3 ) ： 1 0 1 - 1 0 3 【 7 刘芳， 刘恩久， 张礼勇 低压电力线载波通信的信道模型与模拟系统 叨 哈尔滨理工大学学报， 2 0 0 6 ， l 1 ( 4 ) ： 6 7 - 7 0 L I U F ang , L I U S i - j i u ， Z HA NG L i - y o n g ,C h a n n e l Mode l and S i m u la ti o n S y s t e m o f L o w - Vo l t a g e P L C C 叨 J O UR N A L H AR B I N U N I V S C I T E C H 2 0 0 6 ， 1 1 ( 4 ) ： 6 7 - 7 0 【 8 】 赵玉玺 基于电力线载波通信技术的照明控制系统开发与实施【 D 浙 江大学硕士论文 。 2 0 0 6 ： 2 7 3 5 Z h a o Y u D e v e l o p m e m and I m p l e m e n t 0 f u#ti n s C o n t r o l S y s t e m B a s e d o n P o w e r L i n e C a r r i e r C o mm u nic a t i o n D Z h e j i ang U niv e r s i t y , 2 0 0 6 ： 2 7 - 3 5 作者简介： 王翥( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 辽宁省丹东市人， 哈尔滨工业大学( 威 海) 信息科学与工程学院教授， 硕士研究生导师， 研究方 向为传感器与仪表技术、 无线传感器网络和智能测控技 术。E m a il ： w ang z h u h i t e d u c n 孙嘉宁( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 黑龙江省哈尔滨市人， 哈尔滨工业大 学( 威海) 信息科学与工程学院硕士研究生， 主要研究方 向为电力线载波技术。E m a il ： s j n 1 9 8 5 0 7 1 4 1 6 3 C O In 收稿日期： 2 0 1 0 - 0 4 0 5 ( 常会敏编发) - 3 5一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m