用户负荷对载波通信输出信号的影响试验及分析

韩东，孙洋，殷聪，宫游

（1.黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150001；2.哈尔滨电工仪表研究所，哈尔滨150028）

0 引 言

随着智能电网（Smart Grid）的迅猛发展，电力线载波通信（Power Line Carrier，PLC）技术已广泛应用于电力用电信息采集系统。低压电力线载波通信技术目前完成了系统信息的采集、计量数据的传输以及用户用电情况的实时监控［1-5］。

由于低压电力线载波通信的信道是由电网组成，在电力载波通信过程中势必会受到用电负荷的干扰影响；因此，载波通信过程输出能力大小更显尤为重要。本文采用了控制电网载波阻抗匹配的测试方法，通过实测数据证实了用电负荷对载波通信输出效率有一定的影响［6-10］。

1 阻抗匹配

阻抗匹配是长线理论的一个重要概念。对于由信号源、长线及负载所组成的传输系统，为了提高传输效率，保持信号源工作的稳定性以及提高长线的功率容量，希望信号源给出最大功率，同时负载吸收全部入射功率。前者要求信号源内阻与长线输入阻抗实现共轭匹配，后者要求负载与长线实现无反射匹配［11-12］。

本文涉及的阻抗匹配属于前者的共轭匹配，如图1所示，若信号源的内阻为：长线输入阻抗为：

则有如下公式：

通过T1参考面的平均功率

在Eg和Zg不变的条件下求P的极大值。由偏导公式及，得到P取极大值的条件为Rin＝Rg，Xin＝－Xg，即当 Zin＝Z*g，即信号源共轭匹配时，信号源可以输出最大功率。

图1 共轭匹配示意图Fig.1 Schematic diagram of conjugate match

2 试验方法

阻抗是低压配电网评价载波通信效率的一个重要参数，其值的大小直接影响所发射的载波信号能否有效的耦合到电网中。低压电力线作为通信信道的阻抗特性是随机变化的，主要受到时间、频率、负荷类型等因素的影响。电力线上的阻抗变化范围越大，载波通信的发射端越难以输出最大能量的信号，造成传输信号的衰减，甚至导致通信失败。因此，载波通信的发射端，接收端以及电力线信道的阻抗匹配是影响电力线载波通信的关键因素。

为验证用户使用不同负载对电力线载波输出通信的影响，试验所用设备有：阻抗测试终端、阻抗匹配器、阻抗控制器、V型网络、频谱仪、抄控器、电能表、电脑等。电能表承担计量负载电量和发射载波信号，阻抗匹配装置作为调节控制电网输入载波阻抗，阻抗测试终端测试电力线载波阻抗和相位值，电脑指令电能表发射载波信号，V型网络和频谱分析仪扑捉传输信号电平值，接线方式见图2。

图2 试验接线Fig.2 Test wiring connection diagram

试验步骤：

第一步，空负载时，通过阻抗测试终端观测并记录系统电网载波阻抗值，然后调节载波阻抗匹配器与阻抗控制器，使电网阻抗测试端的载波阻抗稳定在这一范围内；

第二步，空负载时，用电脑控制电能表发送载波信号，频谱分析仪检测并记录载波电平值，同时阻抗测试终端观测并记录载波阻抗值；

第三步，电能表下端接入用户负载，切换不同工作状态，分别通入载波信号，记录载波信号电平值和载波阻抗值；

第四步，用户接入不同负载，电脑指令电能表分别发送载波信号，同时记录不同负荷的载波信号电平值和载波阻抗值；

第五步，分析比较用户使用各类负荷与空负荷时，载波通信信号输出电平值和载波阻抗值，归纳试验数据，得出影响程度结果。

3 试验结果及分析

本次试验的用户使用负荷有：空调扇、白炽灯、洗衣机、手提电脑、电视机、空调、微波炉、电冰箱等，这些负荷对载波输出效率都具有不同程度的影响。文中列出影响较突出的典型范例，试验载波通信频率选择为421 kHz（其它频率规律一致不做列举）。采用V型网络装置，排除电网本身载波阻抗变化影响的检测方法，空负载时载波通信输出最大电平值为115.8 dBμV，如图3所示。试验前为了排除电网负荷波动对本试验的影响，采用载波阻抗控制装置，调解控制电网系统输入载波阻抗保持较低稳定水平，起到隔离电网系统负荷波动影响本次试验的作用。试验前经控制调节电网系统输入载波阻抗为4.3Ω，载波信号电平值为 20.7 dBμV，该数据作为本次试验基础数据，用于与其它负荷工况试验数据进行对比分析。

图3 V型网络载波通信电平Fig.3 PLC level on V net

空调扇通电未启动时，载波通信输出信号电平值如图4（a）；启动冷风工况时载波通信输出信号电平值如图4（b）；风扇加热工况时载波通信输出信号电平值如图4（c）。

图4 以空调扇为负载的载波通信输出信号Fig.4 Output signal of PLC with cooler fan load

洗衣机通电未启动时，载波通信输出信号电平值如图5（a）；洗衣机启动强洗时载波通信输出信号电平值如图5（b）；洗衣机甩干时载波通信输出信号电平值如图5（c）。

图5 以洗衣机为负载的载波通信输出信号Fig.5 Output signal of PLC with washing machine load

空调通电未启动时载波通信输出信号电平值如图6（a）；空调启动时载波通信输出信号电平值如图6（b）。

图6 以空调为负载的载波通信输出信号Fig.6 Output signal of PLC with air condition load

图7所示为电视通电启动时载波通信输出信号电平值。

图7 以电视为负载的载波通信输出信号Fig.7 Output signal of PLC with TV load

表1 载波通信电平和载波阻抗试验数据统计表Tab.1 Statistic table of PLC level and impedance test data

归纳整理试验数据，得到表1的试验结果。通过试验结果可以看出，用户使用各类负荷对电能表载波发射效率都产生不同程度影响，表1中统计；电平最低达到 8.38 dBμV，最高为 24.28 dBμV，与基础值比较范围在 －12.32 dBμV至 ＋03.58 dBμV；载波线路阻抗 3.2Ω至 3.6Ω，与基础值比较最低下降1.1Ω。

纵观试验数据不难看出，用户使用负荷对载波输出能力至关重要，也将较大影响载波传输是否成功的关键；从载波输出特性角度分析，线路输入阻抗为（V型网络设为无穷大）纯电阻时，载波输出电平值115.8 dBμV，当线路输入阻抗下降4.3Ω时，载波输出电平 20.70 dBμV，载波输出有效率下降至17.9%（随之电网干扰也按同比例下降）。表1试验结果分析：用户使用各类负荷不同，影响载波输出效果各异，与试验控制设定基础值对比，载波线路阻抗下降0.7Ω至1.1Ω，载波输出电平值8.38 dBμV至24.28 dBμV，载波输出有效率 40.48%至 117.29%。综上所述用户负荷影响载波输出特性归纳如下：

（1）用户使用负荷与电网负载是并联结线，用户使用负荷种类不同将改变电网端对载波机的线路输入阻抗，特别是与载波机较近的用户负荷，影响程度更为突出，因为无功不能远距离传输；

（2）负荷影响载波程度各有差异，主要与负荷性质有关，即容性和感性。当负荷谐波阻抗与线路载波内阻共轭匹配时，载波输出能力提高，这在空调通电未启动试验中体现，但总体载波输出影响是下降的；

（3）电网线路载波阻抗大小制约载波输出能力，电网线路载波阻抗越大，载波输出效率越高，传输能力越强。但是，电网是由多个用户组成，使用负荷是不可控制的。随着社会发展负荷种类增多，都将影响制约载波传输质量，应从多渠道采取技术改进措施，确保载波通信技术的发展和延续；

（4）载波信号输出电平如果被噪声（线路噪声和谐波噪声叠加）淹没，则会导致载波通信接收端的误码率上升或无法解调，影响通信的误码率；如果没有被噪声淹没，载波通信接收端可以正常解调，则不影响误码率。载波通信速率不会受到载波信号输出电平的影响。

4 结束语

文中给出运用阻抗隔离电网系统干扰的方法，开展了用户负荷对载波通信特性影响的试验检测研究。通过试验验证，载波通信受用户负荷的影响制约，如遇不利负荷载波输出效率急剧下降。

随着社会发展，用户负荷种类繁多，势必阻碍载波通信技术发展和延续，需多渠道采取技术改进措施。在满足现有技术条件下提出以下建议：

（1）电力网主干线和电能表尽可能远离用户负荷，由电力线消耗负荷无功能量影响；

（2）在满足技术条件前提下，用户或台区配电变压器零线同时加装低通高频阻抗器，提高电网系统和用户载波阻抗，载波通信能力将大幅提高。