低压电力线信道的阻抗特性研究

张秀秀

(长治学院 电子信息与物理系，山西 长治 046011)

1 概述

家庭用户电器使用的电力线网络已经存在，把它作为通信环境困难很大。存在恶劣的通信环境，如:变化的阻抗，噪声干扰变化大以及信号在电力线上传输衰减大。因此，研发低压通信系统载波通信方案的前提是构建电力信道模型，测量分析电力信道，而这些也是分析提高载波信号传输质量的基础。

电力线网络的配置没有一定的特点，总体可以分为三种，它们分别是高压电力线网络、中压电力线网络和低压电力线网络。高压电力网络的任务是从发电厂发电，输送到各个城市的周边，想到信息的安全及重要性，技术人员一般不考虑将它作为通信线路。中压电力线网络的任务是将用电配送到周围地区的中压变电站，中压变电站然后将电压变换为220 V/380 V 供家户的电器工作［1］。低压电力线网络则遍及到各个家户，这为组网通信带来方便。

一般的低压供电系统如下图1 所示，系统通过变压器联络到各个家庭用户，每条支路的长度也不相等，支路的网络分布结构没有一定的特点，连接的家庭户数也很没定数。总之，网络拓扑分布结构没有特点。

图1 低压电力线网络结构

2 输入阻抗数据的测量方法

根据理论知识将低压电力信道的输入阻抗规定为在信号发送端驱动点和信号接收端的驱动点之间的等效阻抗［2］，电力线携带信号传送的能力直接与阻抗有关。

在图2 中，信号发生器产生信号，该信号一般选用正弦信号，它首先经过耦合变压器T 和给定电阻R，然后进入低压电力网，通过仪器测量出给定电阻两端的电压V1和用户家里插座上的电压V2，再依据电路原理的公式就能计算出要知道的输入阻抗Z。

图2 输入阻抗测量原理图

具体阻抗值由下式求得:

在室内换不同点的插座同时改变测试信号的频率，V1、V2的电压由测量得出，这样通过上面的公式就能测定出输入阻抗。

3 耦合方案

耦合电路主要起两个作用:一是能将通信仪器与220 V的市电隔离，这就保证了通信仪器的安全;二是通信频段外的各种噪声能被耦合系统中的滤波电路滤除，这样就大大减少了对系统的干扰［3］。图3 就是一个典型的低压电系统的耦合电路，该电路中有一个耦合电容、一个耦合变压器和一个二极管。

电力线通信中常用到耦合电容，它能将被传输信号耦合到低压电力线上，滤波器中的一个重要器件也是耦合电容。耦合电容是携带高频通信信号用的，所以该电容必须是一个高频的电容，电容的自谐振频率还要比通信信号的最高频率高。此外，高频电容还得有能滤波220 V 的强电和浪涌电压，所以要求耦合电容必须是一个高能力耐压的电容。

图3 耦合电路原理图

耦合变压器的作用有两个，一是将电流隔离，并实现阻抗变换，二是高频电信号必须能够通过耦合变压器。通过耦合变压器的信号，我们对它的的频率范围也有一定的限定。同时，由于市电信号的频率只有50 Hz，幅度又较大，因此与高频通信信号相比，市电最少有105数量级的过饱和影响［4］。载波信号通过市电被电力线传输到高通滤波器，载波信号然后进入耦合电路。实际上，高通滤波器也是一个带通滤波器，它对强电进行滤波，并降低其电压幅度，目的是减小对后面测量系统的影响。

在图3 中，高通滤波器中有电容C1、C2 和耦合变压器T1，滤波器是用来过滤市电，并降低其幅度，这样就可以减小其对通信系统的影响。变压器次级连着5 个开关二极管组成了一个限位电路，作用是稳定敏感的通信系统。如果正限位电平低于输出端电压，二极管D1、D3、D4 将会导通，对输出电压进行高电平钳位;相反，如果负限位电平低于输出端电压，二极管D2、D3、D5 就会导通。

4 输入阻抗测试数据分析

如下表1 所示，在不同插座上测得的输入阻抗数据分别为Z1、Z2、Z3。

表1 输入阻抗测量值

对所测数据使用matlab 中的最小二乘法进行拟合，图4给出了拟合后的曲线，它由Z 给出。所得到的输入阻抗与频率的关系为:|Z|=1.22 ×10－2×f－0.06，式中，频率的单位为kHz;阻抗的单位为Ω。

分析图4，可以得出在一定的通信频率段内，低压电力线通信信道的输入阻抗有变化，变化范围为2.2 Ω～41 Ω，并且输入阻抗随频率的不断升高而增大［5］。总之从实验数据来看，输入阻抗值在大概150 kHz～450 kHz 频率范围比较低。所以，携带载波信号的发送装置要在此频段工作，它必须具有很低的输出阻抗，否则信号的传送是失败的。

图4 输入阻抗拟合曲线

5 总结

本文分析了低压电力线的网络拓扑图，结合实际指出低压电力线作为通信环境有很多技术难点，通过理论知识给出了如何测量低压电力线网络的方案和耦合信号方案，所测数据得到的结论是:低压电力信道的输入阻抗和所传输的载波信号频率有关，而且关系很大。此分析对低压电力线通信方案的设计有着一定的参考价值，同时也为我们的低压电力信道建模打下了基础。

［1］Govender P，Bipraj S.Data Transmission over the Medium Voltage Power Line Communication Channel［G］.Industrial Electronics，IEEE International Symposium on，2006:1905－1910.

［2］Wu D，Hou Y T.Streaming Video over the Internet:Approaches and Directions［G］.IEEE Trans on Circuit and Systems for Video Technology，2001:282－300.

［3］吴宁.电网络分析与综合［M］.北京:科学出版社，2003.

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