提高电力线载波通信可靠性的方法

黄洪邵强徐睿姜苏娜/ .福建省计量科学研究院；.国网福建电力有限公司福州供电公司；.青岛鼎信通讯股份有限公司

提高电力线载波通信可靠性的方法

黄洪1邵强2徐睿3姜苏娜1/ 1.福建省计量科学研究院；2.国网福建电力有限公司福州供电公司；3.青岛鼎信通讯股份有限公司

分析了阻抗特性、衰减、噪声等影响电力线载波通信可靠性的因素，在此基础上探讨了改善阻抗特性、屏蔽噪声干扰、采用先进的调制技术等提高载波通信可靠性的方法。

电力线载波通信；可靠性；阻抗特性；噪声；调制技术

0 引言

电力系统通信为电力系统正常运行提供全面的支撑，如调度和站用内线电话以及2M光纤通信等，其主要作用是为继电保护设备和自动化控制设备提供优质可用的通道，供站间的设备通信，并将站内信号上传到局端。随着全球能源互联网的推行，建设一个网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动的全球能源网络对电力系统通信提出新的要求，电力系统通信不仅是电力生产过程中的必备环节，也是实现需求侧用电管理的保障。

电力线载波依靠电力线传输而不需要单独架设通信线路，具有结构牢固，不易受外力破坏， 建设成本低廉的特点，是电力系统中采用的主要通信方式之一。然而电力线的阻抗特性、衰减特性、噪声干扰等特性给电力线载波通信可靠性带来巨大威胁，因此有必要对提高电力线载波通信可靠性的方法进行研究。

1 电力载波通信可靠性

配电网电力线载波通信可靠性指配电网正常运行过程中有效通信的能力，包含了可靠性主体、约束限制、约束时间与功能、性能测试和系统故障等要素［1］。这里可靠性主体是低压电力线载波通信网；约束限制是干扰通信的各种因素，包括网内特性和网外干扰；约束时间与功能是指在有效时间内所满足的通信需求；性能测试与系统故障是指测试通信系统在约束时间内是否能满足通信需求和是否会发生突发性故障。充分了解约束限制环节，对干扰通信的因素进行全面了解及分析是提高通信可靠性的一种必要手段。

2 影响因素特性

为提高配电网电力线载波通信可靠性，需要解决电力线阻抗匹配、信号衰减和噪声干扰等问题，有必要围绕这三方面进行特性分析，以采取针对性措施提高通信可靠性。

2.1 阻抗特性

低压电力线载波通信信道的输入阻抗是指信号发送装置和信号接收装置驱动点处电力网络的等效阻抗［2］。在如图1所示的电力线分布参数等值模型中，设Zin和Z0分别为电力线输入阻抗和负载阻抗，Z为电力线特性阻抗。

图1 电力线输入阻抗和负载阻抗

输入阻抗可由式（1）计算得出：

式中：γ——电力线传播系数；

l——所求等效阻抗点到负载之间电力线的长度；

当Z0= Z，即负荷电力线阻抗匹配时，电力线反射系数，即电力线上不发生反射，则Zin= Z0= Z。

由于传播系数和频率相关，电力线载波系数受载波信号频率影响。此外，网络阻抗具有时变性，且受负载影响较大，在配电网用户侧其阻抗特性会随用电设备的投入和切除而产生变动。据文献［3］的测量结果分析，在宽带电力线载波通信中，当在波信号频率在1～20 MHz频率范围内时，阻抗在200～1 000 Ω范围内大幅度波动；频率为20 MHz以上时，阻抗在10 Ω到150 Ω范围内波动。

2.2 衰减特性

影响低压电力线载波信号衰减的因素有：低压配电网负载、低压电力线输入阻抗和通信距离等。在配电网电力线载波通信中，载波信号的衰减主要由线路衰减和耦合衰减两部分组成。线路衰减产生的原因主要包括电网拓扑复杂、阻抗不匹配、节点数量巨大引起的多径效应，这些因素会造成信号衰减；电力线载波信号作为电磁干扰源产生能量耗散，进而衰减；线路负载多样性对电力线信号造成的衰减。耦合衰减产生的原因是载波耦合模块和电力线路输入阻抗不完全匹配。综合以上因素电力线多径效应与支路的存在有关，且支路数量越多，其衰减效应越明显。电力线信道的衰减特性是一个与距离有关的函数。综合这些分析得出的电力线信道衰减模型如式（2）所示。

式中：gi——权重；

a0、a1——衰减因子；

k——衰减因子的指数，取值一般为0.5到1.0；

τi——路径i的时延

式（2）综合了电力线信道传输信号时电缆自身衰减部分和多径效应，比较全面概括了电力线的衰减特性。

2.3 噪声干扰

电力线载波通信噪声通常指混叠在载波通信信号中的干扰信号，这些干扰信号通常为谐波或间谐波，会对接收端的正确解调产生影响［1］。由于低压配电网网络结构复杂、负荷类型多样、变化实时而随机，特别是当今变频技术被广泛应用于低压电器中，具体如中压侧线路故障、雷击、短路、电网投切等；低压侧电器的投入、切出和运行，可控硅器件的调节，电网线路的合闸跳闸等，使低压电力线受到复杂的外界噪声干扰，导致载波通信可靠性下降。

将电力线上的噪声按照引起原因、持续时间、频谱和强度可以分为背景噪声和脉冲噪声两大类。背景噪声有：有色背景噪声、窄带噪声、与工频异步的周期脉冲噪声［4］；脉冲噪声有：与工频同步的周期脉冲噪声、随机脉冲噪声［5］，如图2所示。

1）背景噪声

背景噪声由很多低功率的噪声源引起，持续时间较长，从几秒到几小时不等。在PLC通信中，背景噪声是正交频分复用（OFDM）系统产生同步偏差的一个原因。背景噪声可以用白噪声滤波形成，噪声整形滤波器的函数式如式（3）所示。

式中：B（Z）、A（Z）——分别为移动平均部分和自回归部分

以有色背景噪声为例，背景噪声产生方法如图3所示。

图3 背景噪声产生方法

背景噪声功率频谱比较平稳，一般随频率上升而下降。

2）脉冲噪声

脉冲噪声以毫秒或微秒的速度随时间变化，功率谱密度幅度较高，一般比背景噪声高几十dB数量级。电力线载波通信数据传输中出现的比特错误和突发错误主要由异步脉冲噪声引起。

异步脉冲噪声特性可以用随机变量表示，建立脉冲序列模型如式（4）所示。

式中：tw——脉冲宽度；

A——脉冲幅值；

ta——时间间隔；

p（t/t0）——单位幅值和脉宽为tw的通用脉冲函数；

i——脉冲序列号，脉冲i的参数twi、Ai、tai为随机变量

脉冲噪声的宽度tw一般很窄，只有大约1%的脉冲宽度超过500 μs，0.2%的脉冲宽度超过l ms，两个脉冲之间的时间间隔有90%以上在200 μs以下。脉冲噪声的功率谱与背景噪声功率谱不同，其幅值会突然增加。

3 电力线载波通信可靠性提高方法

要提高电力线载波通信可靠性可从应用层、网络层、数据链路层、物理层几个方面着手，如图4所示。

图4 提高电力线载波通信可靠性关键点

这里详细讨论从物理层入手的提高措施。

3.1 采用自动组网技术

电力线载波通信网络组网的目的是，通过一定的方法找出网络的逻辑拓扑结构，使网络能够有效联通每个通信终端。电力线载波通信信道的不良特性使得用电力载波通信组网过程有自己的特点。这些不良特性包括网络拓扑的时变、通信媒质共享信道、无专用的交换机或中继器、数据处理能力低，因此要求电力线载波通信组网必须具备自组织、自适应能力。为提高通信可靠性，电力线载波通信组网可采用自动组网方法。

具体过程如下：

（1）载波系统通电，系统开始自动组网。

（2）每个通信节点发送广播数据包。

（3）每个节点接收其他节点发送的广播数据包，并根据这些数据包的地址信息建立、更新本节点的可通信路由表。

（4）当中心节点发现有某个节点多次通信失败时，中心节点便发起一次对该节点的最优路由寻优过程，并根据寻优结果更新中心节点路由表，标明该节点正常，或已退出网络，或已经失效。

这种自动组网方法可动态更新网络结构，及时发现失效网络节点和无效连接的网络节点，并及时处理，提高网络可靠性。

3.2 改善阻抗特性

由于高频段内阻抗特性比较稳定，可以考虑将载波通信装置设计在高频段。设计功率放大和耦合电路时考虑增加其自动增益调整功能。采取如扩频或OFDM等可以减小阻抗特性的调制模式，

3.3 屏蔽噪声干扰

文献［6，7］研究者主要关注的提高可靠性的措施有滤波、消噪、采用可靠性更高的调制解调技术。滤波及消噪技术对突发脉冲噪声难以有效滤除，且实现有难度。从调制解调技术角度出发，不仅可以有效应对噪声干扰，还可以在电力线信道不利的通信环境中提高通信的可靠性。

3.4 采用先进的调制技术

为了提高低压电力线载波通信系统的可靠性，国内外的广大科研工作者还在通信技术方面做了更深度的探索，例如采用更加先进的调制技术。目前低压电力线载波通信正朝着使用OFDM技术方向发展。

载波通信调制基本方式及其衍生类型主要有：幅度键控（ASK）、移频键控（FSK）、相移键控（PSK）、多进制幅度键控（MASK）、多进制移频键控（IDFSK）、最小移频键控（MSK）、多进制相移键控（MPSK）和四相相移键控（QPSK）等［8］。通常用误码率作为可靠性分析的参考指标。设通信系统码元速率和信号平均功率及噪声功率均相同，几种传统调制方式的可靠性能比较如表1所示。

表1 几种传统调制方式性能比较

表1中：fb——码源速率；

r——信噪比，r = A02/2σ2，其中A02为信号平均功率，σ2为噪声功率；

erfc（η）——互补衰减函数