PLC技术在舰船通信中的应用初探＊

张皓岚 罗宁昭

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

1 引言

电力线载波通信（Power Line Communication，简称PLC）技术是指采用调制／解调技术，利用传输工频电能的电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式，是电力系统特有的一种通信方式。电力线载波技术以电力线路为传输通道，不占用无线频道资源，亦无需铺设专用通信线路，具有通道可靠性高、投资少、见效快、维护简单、与电网建设同步等得天独厚的优点，开发电力线资源具有巨大的实用价值和经济价值［1］。

如果能将舰船配电网络复用为通信网络，即采用PLC技术实现舰船电气设备的通信，相对于传统的通信网络，将会有以下优势：

1）工程量小，投入成本低。电力线载波通信技术充分利用已有的电力线路为传输信道，不用进行额外布线，能够解决舰船上布线困难的问题，同时可降低设备成本，减少网络建设的投资；减少穿舱电缆，增强了水密性能，降低了工程施工难度，节约施工成本，不会出现干扰舰船正常运行的情况［2］。

2）增装简便。在舰船现代化改装过程中，难免增装新的电气设备，因而必然增加通信接口，采用配电网络作为通信载体，可避免在改装过程中新增穿舱通信电缆，大大降低了施工难度，增加了通信节点而不增加线路。只要有电线插座，舰员可以即插即用接入电力线通信网，提高了通信的及时性和便利性。

3）减少了故障源。舰船上任何设备都可看作潜在的故障源，通信电缆也不例外。电力线载波通信技术的应用使得配电网络取代了通信网络，降低了由通信网络故障引起监控系统故障的概率，提高了系统可靠性［3］。

研究载波通信的第一步就是要对具体电力线上的噪声、输入阻抗等进行分析研究，以此得到电力线上信号的干扰、衰减、阻抗的频域关系，从而综合确定最佳的调制策略。由于舰船存在“分区供电”的情况，所以PLC技术应该应用于在区域配电网之下的局域通信，设计舰船PLC网络如图1所示。

图1 舰船电力载波通信网

2 舰船配电网情况

船舶配电网络分为：1）正常照明配电网络。该电网则由照明变压器副边算起，通过主配电网的照明负载馈电各照明分配电板，再由各分配电板供电给全船所有照明灯具。2）动力配电网络。指供电给三相异步电动机负载的电网，也包括供电给380V三相电热负载的电缆。该网络输送的电能约占全船全部电能的70%左右。3）应急电网。当主电源失电时，应急电源自动启动并通过应急电网供电给应急用户。4）小应急电网。由24V蓄电池提供的直流电提供给各应急设备。5）弱电电网。全船无线电通讯设备、各种助航设备、信号报警系统等用户供电的低压支流电网或中频电网［4］。

以上的几种配电网络中，220V的正常照明配电网络无疑最适合作为载波通信的网络。照明配电网络分布广，而且网络上所连接设备功率小，设备的开关也不频繁，所以产生的噪声信号也相应要小一些。

3 舰船照明配电网的输入阻抗研究

输入阻抗的研究是为了实现舰船用电力线调制解调器与舰船电力线的阻抗匹配。

3.1 舰船照明电路的电缆参数

船舶网路有两种线路。即“短线路”和“长线路”。如按发热条件计算的截面大于按电压损失要求计算的截面，这样的线路称为“短线路”。反之，按电压损失要求计算的截面大于按发热条件计算的截面时，这样的线路称为“长线路”。对“短线路”来说，按发热条件来选择电缆截面，必然满足电压损失的要求；对“长线路”来说，按电压损失来选择电缆截面，必须满足发热的要求。经实践统计表明，中、小型船舶的动力网路一般都属于“短线路”，照明网路，特别是低压照明网路，大多是“长线路”。按照规范的要求，照明网路电缆的截面要根据网路电压损失来确定，电压损失应按总接入负载电流计算。照明系统和配电系统电路的总负载电流应按如下要求确定：

1）支线接入负载额定值的矢量和；

2）在确定照明电路的电流定额时，每一灯头必须按能与它连接的最大负载计算，但最小为60W。每个照明插座应按二个灯头计算。

对于未具体指明负载的插座，应考虑增加功率的裕量，应采用如表1所示负载系数来确定配电板的电缆规格［5］。

表1 具体指明负载的照明电路负载系数

3.2 高频信号下舰船照明电缆的交流电阻

PLC需要采用高频信号通过船用电缆，所以会产生显著的趋肤效应，即高频信号通过时，认为电流只在表面上很薄的一层中流过，相当于导线截面减少，电阻增大，中心部分几乎没有电流。研究表明，导线中电流密度从导线表面到中心按指数规律下降，导线的有效截面积减少而电阻加大。工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368（1／e）时的厚度为趋肤深度Δ［6］：

其中f为频率，μ为磁导率，ρ为电导率。对于铜介质，μ＝1.257μH／m，ρ＝1.369＊108S／m，均为20℃时的数值。那么交流电阻R与直流电阻的关系可表示为

3.3 电力线信道输入阻抗计算

选用在船舶上安装使用的电源电压不超过250V的以荧光灯为负载，主要用于篷顶灯、舱顶灯、角灯、壁灯和床头灯。荧光灯具内部安装有等于和大于0.5μF的电容器，自感为1.56H，由于高频信号在负载之前已经被滤出电路，所以只考虑荧光灯直流电阻为300Ω，其等效电路为

图2 舰船照明配电网等效电路图

可见电缆中的载波信号行波与负载的反射波混合，形成行驻波的传输状态。由于趋肤效应的影响，频率越高交流电阻越大，电缆中的信号衰减越大，反射系数减少，使输入阻抗在周期性波动中减小并逐渐趋向特性阻抗。此曲线的意义在于根据通信方案的通信频率可以对应找到输入线路的阻抗，从而匹配电力线调制解调器的输出阻抗。

图3 舰船照明配电网电缆中的输入阻抗与频率关系

4 舰船电力线信道的传输特性研究

运用仿真的方法，将噪声干扰和多径衰减效应加入到电力线通信信道之中，辨识此电力线信道得舰船电力线信道的传输特性，作为PLC舰船应用的理论支持。

对于陆地的电力线来说，一般来说有1）有色背景噪声；2）由广播台介入电力线的窄带噪声，这种噪声主要是调幅正弦信号；3）由电力设备开关引起的与工频不同步的周期冲击噪声，频率在50Hz～200Hz之间，频域中表现为重复出现的一系列离散谱线；4）由与电机同步工作的电力设备产生的与工频周期相关联的周期噪声，持续时间短且功率谱密度随频率升高而下降；5）大量的随机噪声。然而对于舰船电力载波通信来说，因为船舱对于电磁波具有电磁屏蔽作用，所以由无线通信引起的窄带噪声是不存在的，故不需要分析（2）噪声。

现将1）、3）、4）、5）类噪声仿真实现［8］，与多径衰减模块一齐加入电力线信道仿真SIMULINK模型中，利用辨识信号对此电力线通信信道进行辨识［9］，可以得出舰船电力线通信信道的传输特性曲线：

图4 舰船电力线信道的传输特性曲线

由此曲线可以看出，舰船电力线信道具有选择性衰落的特点，衰减可以很大，达到60dB，也可以几乎为零，所以对于技术应用来说，需要对具体信道进行大量有效的噪声采集［10］，分析噪声的频域分布，找到衰减在整个周期内都最小的频点作为通信信号的调制频点。

5 PLC信号对舰船电能质量与电气设备的影响

PLC信号由发射机部分发出，发射功率与负载在大小有关，目前使用和将要使用的发射机，发射功率主要集中在零点几毫瓦到几百毫瓦之间，载波信号接收机灵敏度都不大于400μV，信号电平在零点几伏到几伏之间，而且具有随负载变化自动调节发送功能。以美国INTELLON公司的电力线调制解调器为例计算PLC信号对电能品质的影响，信号电平0.4V，以最严重的情况发送功率300mw、信道输入阻抗100Ω计，信号有效值U有效＝Pout＊RIN，有效值5.5V。对电能质量影响的指标分析如下［11］：

1）电压偏差＝5V／220V＝2%，满足电压偏差≤±3.5%。

2）载波信号属于高频信号，一般在100kHz以上，且功率极小，不会对工频信号频率产生影响。

3）总谐波畸变率＝2.3%。

4）载波信号是均值为零的周期信号，叠加工频时不会产生直流分量。

5）定义电压骤降持续时间最小为10ms，载波信号的周期在μs级。

6）载波信号很小，引起的三相不对称可忽略不计，更不会造成保护设备误动作。

7）高频载波信号在包裹的电缆中，不会对周围电气设备产生电磁干扰。

所以电力载波信号不会影响用电品质。由于舰船电缆具有多层包裹，高频信号辐射出的能量也很微小，不会对周围电气设备造成影响［13］。

6 结语

本文针对PLC技术在舰船通信中应用的几个关键问题作了理论分析，确定了应用的网络为舰船照明配电网，计算出了照明配电网在高频信号下的输入阻抗特性并仿真得出了电力线通信信道的传输特性，同时在兼容性方面，证实PLC信号不会对舰船的电能质量和周围的电气设备产生影响。

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