电力线载波技术在高速铁路中的应用研究

熊 伟，孙建明，夏 炎，宋 淳，李达义，汪威宇

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038；3.华中科技大学 电气与电子工程学院 强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

0 引 言

随着我国经济的快速发展以及“碳达峰、碳中和”双碳环保目标的提出，传统内燃机式机车将进一步被电力机车所替代。采用电力机车可降低铁路运输成本，但电力机车单相接入电网，是一个具有非线性、不对称和波动性特点的大功率负荷。电力机车的接入导致三相电压不平衡并产生高次谐波电流注入电网[1-2]。

电力机车投入在三相电网中会产生负序电流，造成用电损耗过大，使变压器利用率下降，同时还会降低输电线路传输能力，造成电压波动[3]。对铁路用电，如三相电压、电流、功率因数以及三相不平衡度等信息进行实时、准确的监测，有助于调控治理电气化铁路中存在的负序分量，节约用电成本，降低能源损耗。

用电信息采集系统是监测铁路用电的基础，通过采用自动采集、远程通信、集中控制等技术，实现对用电数据的采集、处理与分析，为优化铁路电能质量提供支持。如图1所示，用电采集系统由设备采集层、通信层以及主站层3层架构组成。

图1 用电信息采集系统结构

电力线载波（Power Line Communication，PLC）技术使用现有电力线进行通信，具有无需布线、建设成本低的优点，且其传输速率满足用电信息采集需求，通信传输具有一定抗干扰能力，在自动抄表远程控制中得到了广泛应用[4]。

1 PLC技术原理

PLC技术是将信息调制为高频信号直接在电力线上传输的一种通信技术，目前主要分为窄带电力线载波（Narrowband Power Line Communication，NBPLC）和宽带电力线载波（Broadband Power Line Communication，BBPLC）。窄带PLC的传输频率为3～500 kHz，传输速率可达500 kb/s；宽带PLC的传输频率为1.5～30 MHz，传输速率可达200 Mb/s[5]。前者主要用于自动抄表、系统检测以及远程控制等，可满足铁路部门对用电数据的采集的需求，后者用于视频、语音传输及互联网接入。

PLC信号主要有频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）和正交频分复用（Orthogonal Frenquency Division Multiplexing，OFDM）两种调制方式。其中，FSK是上一代PLC调制技术，采用单载波调制，抗干扰能力差，传输速度慢，具有一定抗衰减性，OFDM采用多载波调制，充分利用频谱，抗噪声干扰，鲁棒性强[6]。

对PLC信道分析有许多建模方法，主要分为确定和随机模型两类[7]。在时域内使用电报微分方程能很好地描述PLC信号在电力线上的传播特性，单位电力传输线模型如图2所示。

图2 单位传输模型

所使用的电报微分方程为：

式中，x为电力线长度，R′、L′、G′、C′分别为单位电阻、电抗、电导以及电容。

求解上述偏微分方程，可以得到特征阻抗Zc和传播常数γ为：

根据传输线理论，得到传输线理论模型如图3所示。

图3 传输线理论模型

图中，线路长度为L、末端阻抗为ZL、线路特征阻抗为ZC、传播常数为γ的电力传输线，首端等效输入阻抗Zin为：

2 贯通线仿真建模

在向车站及沿线非牵引负荷供电的配电系统中，变电所与配电所之间设置的两回10 kV电力线称为贯通线[8]。贯通线向铁路沿线信号、通信负荷及其他各种设备负荷提供电能。

电缆线具有节约地面空间和受外界环境干扰小等优点，国内贯通线主要选用电缆线，对铁路贯通线中型号为YJV22-8.7/10-3*70的三芯电缆进行建模，仿真参数设置如表1中所示[9]。

表1 YJV22-8.7/10-3*70型电缆参数

由于PLC信号为高频信号，因此需考虑单位电阻、电感、电容随频率的变化。通常情况下，单位电感、电容受频率影响较小，在载波通信频段下可认为是定值[10]。受线损影响，单位电阻与频率的关系可用二次线性函数描述为：

式中，二次系数AR为-0.03 mΩ/(kHz2)，一次系数BR为39 mΩ/(kHz)，电阻常数CR为2330 mΩ。

在MATLAB/Simulink中建立载波信号在10 kV贯通线上传输的仿真模型，如图4所示。

图4 10kV贯通线仿真模型

PLC发射端的信号电压幅值为U0，经耦合装置在10 kV贯通线上传播，到线路末端接收处信号电压幅值衰减为U1，则衰减幅值为：

分别仿真50～100 kHz频率下载波信号在100～4000 m贯通线上的传播，衰减特性如图5所示。

图5 10 kV贯通线衰减

由仿真结果可知，载波信号在贯通线上传播的衰减并不是随距离增大而增大，而是沿线出现波峰波谷。因此选择合适的通信距离，可以提升电力线载波传输能力。

3 高速铁路电力载波实验

在已经安装基于PLC技术自动抄表装置的江苏省新沂站及高铁维修工区内，测试传输信道内噪声特性及PLC信号的衰减特性。

3.1 噪声特性测试

使用示波器测量变电站内220 V单相电压波形，经快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）变换后，可得到0～200 kHz噪声频谱，横轴为频率，纵轴为分贝数，分贝数越大，此频率下的噪声强度越大。如图6所示。由噪声频谱显示30 kHz以下噪声较强，频率大于30 kHz后噪声最大强度相差不大。

图6 变电站内噪声特性

为更加直观地比较不同频率下PLC信号地相对强度，测试ST7540和LME2980两款载波芯片在高铁维修工区内发射信号强度与噪声强度的比值，即信噪比，结果如图7所示。

图7 不同频率下信噪比

3.2 衰减特性测试

为研究PLC信号在高铁维修工区电力线上传播的衰减情况，在变电站房内使用集中器，对食堂、宿舍、办公楼及轨道车棚内安装的智能电表进行抄表，使用示波器测试集中器接收信号强度，根据式（7）计算衰减幅值，结果如图8所示。

图8 不同距离下衰减特性

4 高速直通车的噪声干扰

近年来，我国电气化铁路采用基于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术的交直交型电力机车，其具有牵引功率大、产生低次谐波的含量小等优点[11]。但交直交型机车使用的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等全控型器件，在IGBT开关频率附近产生对电力线载波通信具有干扰的高频噪声。

列车通过车站的供电区间时，具有速度快、时间短的特点，车内开关元器件频繁动作，对牵引供电形成冲击负荷，产生高次谐波，干扰站内电力线载波信号的传输[12]。在新沂站内测量直通车经过时照明回路中噪声分布，结果表明噪声主要集中于13 kHz附近。

5 结 论

PLC技术在高速铁路中主要应用于用电信息采集系统，可满足铁路自动抄表通信需求。基于传输线理论，对电力线载波信号在铁路10 kV贯通线传输的仿真表明，载波信号在电力线上的衰减呈波峰波谷效应，因此选择合适通信距离可最大化发挥载波传输能力。对高铁客站载波传输信道内噪声测试，结果表明30 kHz频率以下噪声强度较高，在铁路采用PLC技术进行通信时，应避开30 kHz以下频段，减小噪声干扰。