低压电力线通信技术综述

摘要 在概述低压电力线通信技术当前主要研究方向的基础上，总结了在阻抗特性、噪声特性、信号衰减特性及信道模型方面国内外学者的最新研究成果与相应策略。分析了当前热点研究的低压电力线通信调制解调技术，包括跳频调制／解调技术与正交频分复用技术。最后，对低压电力线通信技术未来的研究方向及发展潜力进行了展望。
关键词 低压电力线通信；信道特性；噪声特性：信道模型；正交频分复用

许多学者为提高电力线通信的可靠性做出了富有成效的努力，目前在解决电力线通信可靠性问题方面，主要集中于两点：其一，提高点对点通信正确接收概率，包括基于物理层与链路层的研究；其二，也有学者开始关注于使用网络层组网路由的方法来提高电力线通信网络层面的可靠性。这些方法与技术虽取得了一定突破，但仍有改进的空间。

1 输入阻抗特性与信道衰减
1．1 输入阻抗特性
如前所述，电力线网络是一个广泛存在的网络，变电站的二次变压装置与用户负载同时并联在电力网络中，低压电力线输入阻抗主要由3部分组成：(1)变电站变压器产生的阻抗，它随着频率的增加而增大；(2)导线的特征阻抗，导线可看作电阻与电感的串联，不同导线的特征阻抗一般相差70～100Ω；(3)接在电力线上的设备阻抗，一般相差10～1 000Ω。
低压配电网电力线输入阻抗与电力线通信收发模块输出阻抗的匹配程度直接影响信号的耦合效率，因此，电网的输入阻抗是电力线传输特性的重要参数。J．A．Malack与J．R．Nicholson在1973年发表了在20 kHz～30 MHz范围内的25个离散频率下，对美国未经滤波处理的商业电源进行的阻抗测量，包括交流115 V单相、220 V单相以及208 V单相，并与一个典型5阻抗平衡网络提供的阻抗进行了对照，结果表明商业电源阻抗随频率的增加有上升趋势，平均从2～100 Ω变化，在150 kHz～25 MHz频率范围内，1个5μH阻抗平衡网络可以较好地描述电力配电网阻抗的平均值。
1985年，R．M．Vines等人对5～20 kHz低压电力线上的阻抗进行了测量，并对决定低压配电网阻抗的配电变、线路和电气负荷分别进行了阻抗的测量，得出结论如下：配电变二次侧阻抗类似一个RL电路阻抗，阻抗值随频率升高而增加，并有较大的相角移动；在低压配电网上发生的谐振一般在40 kHz以上，这使得配电网的阻抗在高频时比在低频时更不可预测，这样的谐振常常是由容性负载引起的。

图1为意法半导体公司(ST)在其ST7538应用文档中给出的由IBM电磁兼容实验室在欧洲6国测得关于欧洲低压商业电网阻抗值，相关参数值与J．A．Malack所得结论基本一致，该测试结果为后续的电力线载波通信模块的阻抗匹配设计奠定了基础。
1．2 信道衰减
由于低压配电网结构的复杂性和负载的多样性与时变性，高频信号在低压电力线上的传输必然会有衰减，并且该衰减特性难以预测，这就给低压电力线通信带来了困难。低压电力线一般由铝或其他电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小，对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相对稳定，因此，电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因，主要原因在于电力线上并联的许多负载，尤其是那些用于调整电网功率因数的大电容，对几百kHz的载波通信信号来说，相当于短路。
根据文献，传输信号在100 kHz以下的衰减相对稳定，在100～200 kHz之间以0．25 dB／kHz的比例线性增长，信号衰减与频率有关是由电抗性负载与传输线效应引起的，传输线效应包括反射与多峰抵消，这引起网络中某些特定点出现窄带衰减。实验结果表明，频率低于100 kHz，距离400 m时，传输线效应的影响较小。该文在20～240 kHz频率下，测量了5种不同类型建筑物的室内信号衰减，结果表明室内电力线的信号衰减一般会超过20 dB。一般来说，发送装置与接收装置同相时的信号衰减比非同相时的低，而且信号衰减随频率的增长有增加的趋势。并且，电气负荷对室内电力线信号衰减有较大影响，在任何给定频率下负荷随时间的变化可能导致信号衰减的剧烈变化。
测量分析说明，电力线上的信号衰减随频率增长有增加的趋势，并且频率越高传输线效应越明显，发生谐振的可能性越大，导致在某些频率下衰减会迅速增加，跨相传输时信号衰减比同相传输时大，但这可以通过在相间加电容耦合来消除。除衰减较高以外，电力线信道的另一个典型特征是多径衰落，从而产生频率选择性衰落。由于各种配电网结构以及负荷不同，很难找到简单的数学关系来进行普遍意义的描述，文献从传输线理论出发，通过分析等效负载阻抗在复平面上的变化规律，讨论了3种典型连接形式的电力线高频阻抗特性，同时，文中指出在高频载波条件下，传输线策动点阻抗与负载阻抗特性变化的关系，为进一步讨论大规模配电网阻抗特性提供了一种分析方法。另外，还总结了电网参数对阻抗特性的影响，通过改变线缆参数与调制方法来减小传输线阻抗特性变化对载波通信的影响。

2 信道噪声特性
低压电力线的噪声强度在不同电网上有所区别，并具有时变性，文献指出即使在同一栋住宅公寓大楼，其平均噪声水平在24 h内的变化也可高达6 dB，因此，很难直接定量地表示其大小。
2．1 噪声分类
(1)具有平滑频谱的噪声。
该类噪声的功率谱密度相对较低，是频率的衰减函数，它主要是由线路上与电力系统频率不同步的各种负载所产生的，其功率谱密度随时间变化较慢，常常在几min或几h内保持平稳变化，在短时间内变化不大，可以看作是背景噪声。
(2)与系统频率无关的窄带噪声。
这类噪声大多数为带调制幅值的正弦干扰信号，它主要由引入电力线的广播频带信号引起，它在夜间有最高幅值，白天相对较低。
(3)与系统频率同步的周期脉冲噪声。
主要由可控硅整流(SCR)引起的噪声，它每50 Hz要切换一定次数，引起在时域上的一系列噪声脉冲，或在频域上的工频的更高次谐波噪声。文献测得白炽灯灯光调节器由于可控硅或其他整流元件的快速通断产生60 Hz谐波噪声，对于400 W的白炽灯，在10 kHz其噪声水平可以达到比正常背景噪声高40 dB，而且在更高频率上产生的噪声甚至更高。
(4)与系统频率无关的单事件脉冲噪声。
电网中有各种各样的开关操作，会在电网中产生突发噪声，测量结果显示，这种脉冲噪声的持续时间为几μs到几ms，脉冲噪声的出现时间具有随机性，其频度平均每秒远远少于一个，它按μs和mS级单位时变，在这样的脉冲发生时，噪声的功率谱很高，可引起数据传输中发生位或串的突发性错误。