低压电力线载波通信传输特性

崔静静

（日海恒联通信技术有限公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

随着电力系统的发展和智能电网的建设，低压电力线载波通信作为一种经济、高效的通信方式受到广泛关注。低压电力线载波通信利用电力线路作为传输介质，在高频范围内进行数据传输，具有传输距离长、建设成本低以及覆盖范围广等优势。因此，了解低压电力线载波通信的传输特性对于优化通信系统的设计和运行具有重要意义。文章旨在研究低压电力线载波通信的传输特性，深入探究其工作原理和性能特点，并提出优化设计建议。一方面，介绍电力线载波通信的基本原理和系统组成，包括控制中心、传输电网以及接收端。另一方面，对低压电力线的常用参数、输入阻抗、信号衰减特性以及干扰特性进行详细分析，揭示其对通信系统性能的影响机制。本研究对于推动智能电网的建设和电力系统的发展具有重要意义。

1 电力线载波通信的基本原理及系统组成

1.1 电力线载波通信的基本原理

电力线载波通信技术是一种利用电力线作为传输介质进行数据通信的技术。其基本原理是通过向电力线注入高频载波信号，在电力线上传输数据信息。首先需要产生载波信号[1]。信号发生器生成高频载波信号，并通过调制解调器将需要传输的数据信号调制到载波信号上。其次利用接收端的装置接收和解调电力线上的载波信号。最后解调器将接收的载波信号解调还原为原始的数据信号，并交给通信终端进行处理和显示。利用电力线作为传输介质，电力线载波通信系统可以实现电力线自身的双重功能，既能提供电力供应，又能进行数据通信。这种通信方式具有成本低、覆盖范围广以及设备部署方便等特点，因此广泛应用于住宅小区、商业区域及工业用电等场景。

1.2 电力线载波通信的系统组成

电力线载波通信系统主要包括信号阻波器、载波机、耦合电容器以及结合滤波器等组成部分，如图1所示[2]。

图1 电力线载波通信的系统组成

2 低压电力线载波通信信道传输特性分析

2.1 传输线上常用的一次参数

传输线上常用的一次参数包括电阻、电感、电容以及电导等。

2.1.1 电 阻

电阻是一种用来控制电路中电流流动的元件。它可以限制电流的大小，避免电流过大损坏电路[3]。此外，电阻还可以用于分压、电流限制、保护电子元件以及产生热量等。

传输线中的直流电阻为

式中：ρ、l、s分别为导线的电阻系数、长度及截面积。

明线双线回路每千米的直流电阻为

式中：d为导线的直径，mm。

当传输导线中传输的是交流信号时，其双线回路每千米的交流电阻计算公式为

式中：R为双线回路每千米交流电阻；K1为由于集肤效应而使电阻增大的系数。

2.1.2 电 容

电容是一种用来储存电荷的元件，在电路中起到储存和释放电能的作用。其双线回路每千米的电容量计算公式为

式中：εr为导线间介质的相对介电常数；a为两导线的中心间距；r为导线半径；L为双线回路每公里的电感量；n为通过交流信号时介质中的损耗系数。

2.1.3 电 感

电感是一种储存电磁能量的元件，也称为电感器或电感线圈。导线的电感由内外两部分组成，其中外电感是导线外部磁链与线内流通电流之比。双线回路每千米的电感量为

式中：μr为导线材料的相对导磁系数；Kr为由于集肤效应而使电感减小的系数。

2.1.4 电 导

电导主要是描述物质对电流传导能力的物理量，体现物质导电性。双线回路每千米的绝缘电导为

式中：G0为通直流时的绝缘电导；f为传输频率；n为通过交流信号时介质中的损耗系数。

2.2 低压电力线信道高频信号衰减特性的研究

研究低压电力线信道的高频信号衰减特性，对于了解信号传输过程中的衰减情况和通信系统的性能评估至关重要。低压电力线作为一种传输介质，会对高频信号的传输造成衰减和失真[4]。研究低压电力线信道的高频信号衰减特性需要考虑多个因素，如电力线的物理特性、传输线路的长度和拓扑结构、信号频率以及环境噪声等。这些因素会影响信号的传输损耗和衰减程度。

3 低压电力线载波通信传输特性的实验与结果分析

3.1 低压电力线载波通信传输特性的实验

3.1.1 办公实验楼内的传输(衰减)特性

在办公实验楼内进行实验，研究低压电力线载波通信传输特性的衰减情况。通过测量信号在不同距离和环境条件下的衰减情况，得出实验数据，如图2所示。曲线1为用户较多时测得，曲线2为用户较少时测得。

图2 楼内电力线传输特性曲线

3.1.2 低压电力线上存在的噪声

低压电力线上存在很多噪声（见图3），这些噪声对电力线载波通信系统的性能和可靠性具有重要影响。了解和分析低压电力线上存在的噪声是优化通信系统和提高数据传输质量的关键一步。

图3 低压电力线上的噪声

3.1.3 阻抗特性

研究低压电力线载波通信传输特性中的阻抗特性时，可以通过一系列实验来获取相关数据。

（1）测量电流-电压响应。通过在低压电力线上注入不同频率和振幅的信号，测量接收端的电流-电压响应。通过连接信号源和接收器进行实验，根据输入信号和输出响应，计算得到阻抗大小和相位角。

（2）引入负载变化。改变低压电力线上的负载条件，如连接或者断开电器设备，测量电压和电流的变化。根据这些变化，计算电力线的动态阻抗特性，并了解阻抗响应在不同负载条件下的变化情况。

（3）频率扫描。使用信号发生器输入一系列不同频率的信号，并测量低压电力线上的电压和电流。根据测量数据绘制频率响应曲线，并从中获取阻抗特性，包括阻抗大小和相位角。

（4）变换阻抗测量。使用适当的测量设备，对低压电力线进行变换阻抗测量，得到不同频率下电力线的复杂阻抗。

通过这些实验，获得低压电力线的阻抗特性数据，进而分析和评估电力线载波通信系统的传输性能，为系统设计和优化提供实验依据。

3.2 实验结果分析

3.2.1 传输特性

在研究低压电力线载波通信传输特性时开展一系列实验，获得以下实验结果。

（1）频率响应。通过测量电流-电压响应，得到低压电力线的频率响应曲线。实验结果显示，低频信号的传输衰减较小，而高频信号呈现更明显的衰减。同时，相位角随频率的变化而变化[5]。

（2）信号失真。通过比较输入信号和接收信号的波形数据，观察到一定程度的信号失真现象。失真可能包括幅度衰减、频率失真以及相位失真等。失真程度的大小取决于具体的传输环境和系统参数。

（3）噪声干扰。实验结果显示低压电力线存在不同程度的噪声干扰。这些干扰可能来自电力线本身的噪声、周围环境的电磁干扰以及其他电器设备的影响。

3.2.2 噪声的功率谱

在低压电力线载波通信传输特性的实验中，进行噪声功率谱的测量和分析，并对干扰进行进一步分析。楼内噪声功率谱如图4所示。

图4 楼内噪声功率谱

由于通常使用的电力线载波通信设备的工作频率都在10 kHz以上，噪声干扰必然会对通信设备的正常工作产生较大影响。通过实验测得低压电力线上的噪声功率谱曲线，可描述噪声在不同频率范围内的能量分布情况。

3.2.3 阻抗特性

根据实验结果分析低压电力线的阻抗特性，研究其变化规律和对通信系统的影响。通过实验测量得到低压电力线的阻抗频率响应曲线。通过深入分析实验结果，可以了解传输系统与电力线之间的阻抗特性，进一步优化信号传输，提高系统性能和传输质量。

4 结 论

通过对低压电力线载波通信传输特性的研究，可以更好地理解和掌握电力线通信系统的工作原理与性能特点。研究结果对于优化通信系统设计、提高传输质量和抗干扰能力具有重要意义。相关技术人员可以进一步探索不同工作条件下的传输特性和改进措施，以满足不断增长的通信需求。