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  重庆邮电大学学报(自然科学版)  2020, Vol. 32 Issue (3): 411-418  DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2020.03.010
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引用本文 

王毅, 贾睿, 梁星, 郑可, 叶君, 李松浓. 电器对低压电力线载波通信信道特性的影响[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2020, 32(3): 411-418.   DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2020.03.010.
WANG Yi, JIA Rui, LIANG Xing, ZHENG Ke, YE Jun, LI Songnong. Influence of electrical appliance on the channel characteristics of low voltage power line carrier communication[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications (Natural Science Edition), 2020, 32(3): 411-418.   DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2020.03.010.

基金项目

中国博士后科学基金(2015T80961);重庆市科委自然科学基金(cstc2016jcyjA0214)

Foundation item

The China Postdoctoral Science Foundation Funded Project (2015T80961);The Natural Science Foundation of Chongqing Science and Technology Commission (cstc2016jcyjA0214)

作者简介

王毅(1981-), 男, 重庆人, 副教授, 博士后, 研究方向为电力线通信技术。E-mail:wangyi81@cqupt.edu.cn; 贾睿(1994-), 男, 重庆人, 硕士研究生, 研究方向为电力线载波通信。E-mail:291601161@qq.com

通讯作者

王毅  wangyi81@cqupt.edu.cn.

文章历史

收稿日期: 2018-11-14
修订日期: 2020-05-18
电器对低压电力线载波通信信道特性的影响
王毅1,2,3, 贾睿1, 梁星2, 郑可2, 叶君2, 李松浓2     
1. 重庆邮电大学 通信与信息工程学院, 重庆 400065;
2. 国网重庆市电力公司电力科学研究院, 重庆 400014;
3. 国网重庆市电力公司博士后科研工作站, 重庆 400014
摘要: 为了深入分析和研究各类电器的负载阻抗特性及其对低压电力线载波通信信道特性的影响, 提出一种基于矢量网络分析仪的时频2维电器阻抗测量方法, 并通过该方法对各类电器在不同工作状态下的阻抗特性进行了测量, 结合自下而上的电力线信道建模方法对接入不同类型电器负载的典型电力线信道场景的信道特性进行了理论分析。根据测量可得, 相同的电器负载在不同空间位置分布对电力线信道特性造成的影响不同, 不同的电器负载在同一位置对电力线信道特性造成的影响不同, 且时变负载会导致接入该负载的电力线信道也呈现出时变特性。理论分析与测试结果表明, 时频变的电器负载阻抗是影响低压电力线载波通信信道特性的关键因素之一。
关键词: 电力线载波通信    电器    负载阻抗    阻抗测量    信道特性    
Influence of electrical appliance on the channel characteristics of low voltage power line carrier communication
WANG Yi1,2,3 , JIA Rui1 , LIANG Xing2 , ZHENG Ke2 , YE Jun2 , LI Songnong2     
1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P. R. China;
2. Chongqing Electric Power Research Institute, Chongqing 400014, P. R. China;
3. Postdoctoral Workstation of the Chongqing Electric Power Corporation, Chongqing 400014, P. R. China
Abstract: In order to study the impact of electrical appliance on the characteristics of low-voltage power line channel, this paper presents the two-dimensional time and frequency electrical appliance impedance measurement method based on a vector network analyzer. Through this method, the impedance characteristics of all kinds of electrical appliance are measured under different working conditions. Then, the channel characteristics of a typical power line channel scenario connecting to different types of electrical appliance loads are theoretically analyzed in combination with bottom-up power line channel modeling. According to the measurement, the same load of electrical appliance in different spatial locations affect the power line channels differently. The influence of different electrical appliance on the characteristics of power line channels is different when the load of electrical appliance is connected to the same load node. In addition, the time-varying load causes the power line channels accessing the load to present time-varying characteristics. Theoretical analysis and test results show that load impedance of electrical appliance with time-frequency changes is one of the key factors that affect the channel characteristics of low-voltage power line carrier communication.
Keywords: power line carrier communication    electrical appliance    load impedance    impedance measurement    channel characteristics    
0 引言

电力线通信(power line communication, PLC)是指以电力线作为传输媒介进行数据传输的一种通信技术。由于电力线网络无处不在,是一种分布最广的物理网络,通过电力线对数据进行传输具有重大的经济效益和广阔的应用前景[1-3]。电力线通信技术目前已经在自动抄表、物联网和宽带接入等领域有了广泛的应用,同时该技术也是未来实现能源互联网的核心技术之一[4-5]。然而,电力线设计之初并非用于信号传输,电力线载波通信存在信道环境恶劣、噪声干扰严重和负载复杂多变等问题,这严重阻碍了电力线载波通信技术的发展[3]

为了实现高速、安全可靠的电力线通信,必须对电力线信道特性有充分了解。迄今为止国内外对于电力线信道传输特性的研究大多是基于实地测量,然后通过自上而下[6-8]或自下而上[9-14]的电力线信道建模方法对电力线信道进行建模。自上而下的信道建模方法将整个电力线网络当作一个“黑盒子”,通过参数辨识方法获取模型所需参数,该方法需要通过实际测量结果来获取模型所需参数,建模准确性受测量精度影响较大,且不能预测性建模。自下而上的信道建模方法是通过传输线理论和电力线网络拓扑结构对电力线信道传输函数进行求解,该方法能预测性建模,但计算方法更为复杂。

针对影响电力线信道传输特性的因素,目前国内外的研究主要包括电力线网络主干线长度、分支线长度、分支线位置、线缆特性、噪声干扰及负载阻抗等对电力线信道传输特性的影响[15-19]。其中针对负载阻抗对电力线信道特性的影响研究并不充分,仅仅只是研究了固定负载阻抗对电力线信道传输特性的影响。但在实际的电力线网络中,负载多为各类电器,其负载阻抗并非固定不变,而是呈现出时频变特性[20-21]。负载阻抗的时频变会导致电力线信道的整体输入阻抗也呈现出时频变特性,从而影响电力线输入端的信号耦合效率,对电力线通信造成影响。因此,研究电器的时频变负载阻抗对电力线信道特性的影响具有非常重要的意义。

为了深入分析和研究各类电器的负载阻抗特性及其对低压电力线信道特性的影响,本文提出一种基于矢量网络分析仪的时频2维电器阻抗测量方法,并通过该方法对各类电器的负载阻抗进行测量,然后再结合自下而上的电力线信道建模方法对接入不同类型负载的典型电力线信道场景的信道特性进行理论分析。

1 电力线信道特性分析 1.1 衰减特性

电力线信道的衰减特性主要包括耦合衰减和线缆衰减。耦合衰减是指信号发送端的输出阻抗与电力线网络的输入阻抗不匹配导致信号在耦合过程中出现的衰减,而线缆衰减则是指电力线信号在电力线上进行传输时的能量损耗。在电力线载波通信中,高频载波信号主要以横电磁波(transverse electromagnetic wave, TEM)的形式在电力线中传输。当载波频率增加时,其波长减小且能与电力传输线中电网分立元件的几何尺寸相比拟,此时传输线中的电压与电流将随着空间位置的改变而改变,需要用电报方程式来对其进行描述。这使得高频载波信号在电力传输线上进行传输时呈现出衰减特性,且会在阻抗不匹配的节点产生多径效应。由电报方程式[13]可定义电力传输线的2次参量线缆特性阻抗Zc与复传播常数γ

$ {Z_c} = \sqrt {\frac{{R + {\rm{j}}\omega L}}{{G + {\rm{j}}\omega C}}} $ (1)
$ \gamma = \sqrt {(R + {\rm{j}}\omega L)(G + {\rm{j}}\omega C)} = \alpha + {\rm{j}}\beta $ (2)

(1)—(2)式中:ω为传输信号角频率;RLCG分别表示该电力线传输线在单位长度上的电阻、电感、电容和电导;α为衰减常数,α=Re(γ);β为波相速,β=Im(γ)。为便于工程上对电力传输线建模,能够通过下面的参数模型对复传播常数进行描述为

$ {\alpha (f) = ({a_0} + {a_1}{f^K})} $ (3)
$ {\beta (f) = \frac{{2\pi f}}{{{V_p}}}} $ (4)

(3)—(4)式中:a0a1K为常量;Vp为信号在电力传输线传播速度,与导线间绝缘材料介电常数有关;f为传输信号频率。

1.2 阻抗特性

低压电力线信道的阻抗特性主要包括线缆特征阻抗和负载阻抗2部分。其中线缆的特征阻抗由电力线线缆长度和材质决定,负载阻抗由负载决定。低压电力线网络的输入阻抗由电力线网络拓扑结构、电力线线缆特征阻抗和负载阻抗共同决定。在不同的环境下,电力线网络的拓扑结构和线缆材质不尽相同,接入电网的负载也复杂多变,即便在相同的环境下,接入电网的负载种类、数量和负载的工作状态也不尽相同,从而导致电力线网络的输入阻抗发生变化,使得信号发送端的输出阻抗难以与电力线网络的输入阻抗保持匹配,这对电力线信道的传输特性造成了严重的影响。其中,各类电器负载的随机接入接出和工作状态的变化是造成特定场景下的电力线网络输入阻抗发生变化的主要原因。

2 自下而上的信道建模方法

自下而上的电力线信道建模方法是依据实际的电力线网络拓扑结构对收发节点之间的信道传输函数进行求解。通常在求解的过程中将电力线网络分解为一系列的电力传输线、并联负载和并联分支线路,然后将其看作一系列的二端口网络并分别求出其参量矩阵,最后通过对参量矩阵进行级联相乘即可求出收发节点之间的级联参量矩阵,进而对其信道传输函数进行求解[9]

在射频电路中,端口网络可由多种参量矩阵对其进行描述,如:Z参量、Y参量、h参量、S参量以及ABCD参量。各类参量矩阵都能对端口网络的电压电流特性进行表征,且均有其各自适应的场景。由于电力传输网络多为各类线缆级联与分支构成的多端口网络,所以适宜通过参量矩阵(级联矩阵)对其进行描述[9]

图 1为二端口网络模型,据射频电路定义有

图 1 二端口网络模型 Fig.1 Two-port network model
$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{U_1}}\\ {{I_1}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} A&B\\ C&D \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{U_2}}\\ {{I_2}} \end{array}} \right] $ (5)

(5) 式中复系数ABCD为频率f的函数,表征了二端口网络的电气特性。ABCD可以表示为

$ \begin{array}{l} A = \frac{{{U_1}}}{{{U_2}}}|({I_2} = 0){\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} B = \frac{{{U_1}}}{{{I_2}}}|({U_2} = 0)\\ C = \frac{{{I_1}}}{{{U_2}}}|({I_2} = 0){\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} D = \frac{{{I_1}}}{{{I_2}}}|({U_2} = 0) \end{array} $ (6)

由(5)式及基尔霍夫定律可得1端输入阻抗Zin(f)与信道频率响应H(f)分别为

$ {Z_{{\rm{in}}}}(f) = \frac{{A{Z_l} + B}}{{C{Z_l} + D}} $ (7)
$ H(f) = \frac{{{U_2}}}{{{U_s}}} = \frac{{{Z_l}}}{{A{Z_l} + B + C{Z_s}{Z_l} + D{Z_s}}} $ (8)

低压电力线网络往往复杂多变,一般将其看作是由电力传输线、并联负载与并联分支[9, 14]3种特定网络组合而成,这3种特定网路的参量矩阵均可由上述的二端口网络模型求取。

任何复杂的电力线网络均可分解为多个简单的特定电力线网络,然后通过计算这些简单电力线网络的参量矩阵并级联相乘即可得到整个电力线网络的级联参量矩阵[14],从而得到信号收发节点之间的信道传输函数。

令信号收发节点之间的级联参量矩阵为$ {{\boldsymbol{T}}_{s,t}} = [_{{C_{s,t}}}^{{A_{s,t}}}\;_{{D_{s,t}}}^{{B_{s,t}}}]$,则发送端s与接收端t之间的信道频率响应Hs, t可表示为

$ {H_{s, t}}(f) = \frac{{{U_t}}}{{{U_s}}} = \frac{{{Z_t}}}{{{A_{s, t}}{Z_t} + {B_{s, t}} + {C_{s, t}}{Z_s}{Z_t} + {D_{s, t}}{Z_s}}} $ (9)

(9) 式中:Zs为发送端源阻抗;Zt为接收端负载阻抗。

3 电器负载阻抗特性 3.1 测量方法

由于电器多为有源带电设备,在对其阻抗特性进行测量时必须对其供电电源的噪声进行隔离。本文所采用的测量方法如图 2,该方法通过Visual Basic语言编写程序调用虚拟仪器软件结构(virtual instrument software architecture, VISA)库控制矢量网络分析仪对电器的阻抗特性进行测量。使用的矢量网络分析仪型号为R&S ZNB4,内阻为50 Ω。矢量网络分析仪通过射频线缆与耦合器相连。耦合器为ADI公司设计的低压宽带电感式耦合器,主要用于对强电进行隔离,从而确保仪器和人身安全。待测设备与线性阻抗稳定网络(line impedance stabilization network, LISN)并联之后接入插线板,LISN主要用于给待测设备提供稳定且无干扰的供电电源。

图 2 电器阻抗测量框图 Fig.2 Electrical appliances impedance measurement block diagram

记网络分析仪的内阻为Z0,测得耦合器与被测端的反射系数为r2,则有

$ {Z_2} = \frac{{1 + {r_2}}}{{1 - {r_2}}} \cdot {Z_0} $ (10)

(10) 式中,Z2为耦合器与被测端结点处的输入阻抗。用耦合器与测量端的反射系数r1表示r2时(s为耦合器的散射参数)得到

$ {r_2} = \frac{{{r_1} - {s_{11}}}}{{{s_{12}} \cdot {s_{21}} + {s_{22}} \cdot ({r_1} - {s_{12}})}} $ (11)

则待测端的阻抗值可以表示为

$ {Z_L} = \frac{{[(1 + {r_1}) \cdot {Z_0} - (1 - {r_1}) \cdot {Z_2}] \cdot {Z_0}}}{{(1 - {r_2}) \cdot ({Z_0} + {Z_2}) - (1 + {r_2}) \cdot {Z_2}}} $ (12)

对待测设备的阻抗进行测量时,首先插线板不接待测设备,测量LISN的阻抗值记为ZLISN,然后再将待测设备接至插线板,测量LISN和待测设备的并联阻抗记为Zparallel,则待测设备的阻抗值ZLoad

$ {Z_{{\rm{Load}}}} = \frac{{{Z_{{\rm{LISN}}}}{Z_{{\rm{parallel}}}}}}{{{Z_{{\rm{LISN}}}} - {Z_{{\rm{parallel}}}}}} $ (13)
3.2 测量内容

采用本文3.1中的测量方法对多种常见电器的阻抗特性进行测量,测量频率为2~30 MHz,每组采样点数为544,每组采样之间的间隔为0.001 000 3 s,每次循环测200组数据。为消除外界环境对测量结果的干扰,本文所有的测试均在屏蔽暗室内进行。

3.3 测量结果及分析

在对各类电器的阻抗特性进行测量之前,首先将标准的50 Ω校准件作为待测设备进行测量,图 3为50 Ω校准件的阻抗测量结果,其测量误差不超过1 Ω,验证了本文所使用的阻抗测量方法的有效性和准确性。

图 3 50 Ω校准件的阻抗测量结果 Fig.3 Impedance measurement of 50 ohm calibration

本文对各类常见电器的阻抗特性进行了测量。图 4为部分电器阻抗特性测量的现场照片。通过对大量测量结果的分析和研究,发现许多电器的负载阻抗特性具有相似性,主要可以分为时变阻抗特性和时不变阻抗特性2类,其中每大类还能够分为若干小类。由于文章篇幅限制,本文仅给出4组具有代表性的测量结果。

图 4 电器阻抗测量的现场照片 Fig.4 Live photo of electrical appliances impedance measurement

图 5a为烧水壶不工作时的阻抗测量结果,其阻抗值随着频率的增加而逐渐减小。在低频段时,其阻抗值高达到上千欧,但随着频率的增加,其阻抗值急剧下降。

图 5 电器阻抗测量结果 Fig.5 Electrical appliances impedance measurement results

图 5b为烧水壶在工作状态下的阻抗测量结果,其阻抗值随着频率的增加先增加再减小,在12 MHz附近达到最大值,且该频率附近的阻抗值会随着时间的变化发生轻微的变化。通过对比图 5a图 5b可以发现,烧水壶在不同的工作状态下具有不同的阻抗特性。

图 5c为电风扇工作在1档的状态下的阻抗测量结果,其阻抗值随着频率的增加而不断发生变化,但相较于烧水壶,其阻抗值的变化幅度稍小。通过对比图 5a, 5b5c可以发现,不同的电器,其呈现出的阻抗特性不同。

图 5d为某品牌手机充电器在工作状态下的阻抗测量结果,其阻抗值会随频率的变化而变化,且呈现出明显的周期时变特性。

分析不同电器具有不同阻抗特性且部分电器具有相似阻抗特性的原因,文献[21]指出,电器呈现出不同的阻抗特性主要与其电源单元有关,目前主要有纯电阻、整流二极管或可控硅半波整流电路、二极管全波整流电路等。其中纯电阻类型的电器多呈现出时不变阻抗特性,而含有整流电路的电器则会呈现出时变阻抗特性。

4 电器对PLC信道特性的影响 4.1 理论分析方法

为了深入研究电器负载阻抗对低压电力线信道特性的影响,本文采用自下而上的电力线信道建模方法进行分析,通过结合实测得到的电器阻抗数据计算得到不同场景下的低压电力线信道传输函数,然后再进行对比分析。

在进行分析之前,本文首先对该分析方法进行了验证。如图 6,建立一个典型的电力线网络场景,从发送节点A到接收节点D的电力线总长为10 m,FB,GE和HC分别是长为4,2和2 m的分支线路。发送端阻抗ZS及接收端阻抗ZL均为50 Ω,并利用待测单根线缆通过开短路法[19]获取开短路输入阻抗,然后通过(3)式、(4)式进行参数估计得到本次实验所用电力传输线缆的二次参量a0=0.006,a1=2E-9,K=1,Vp=1.69E8。

图 6 测试场景 Fig.6 Test scenario

负载节点E处接入不工作的烧水壶时,通过理论计算得到A与D之间的电力线信道传输函数如图 8a,此时代入计算的阻抗数据为电器负载和LISN的并联阻抗,其中LISN的阻抗测量结果如图 7。同时,本文对该场景下的电力线信道传输函数进行了实际测量,测量方法与3.1节中的阻抗测量方式类似,测量的是收发节点之间的S21参数,测量结果如图 8b。为了更加直观地对实测电力线信道传输响应与理论计算值进行对比,图 8c给出理论计算值与实测值之间的差值。由图 8c可知,理论计算值与实际测量的差值较小,整体均在4 dB以内,误差主要来源于耦合器的耦合衰减和测量误差。这说明将实测阻抗数据与自下而上的电力线信道建模方法相结合从而对电力线信道的传输函数进行求取的方法是可行的,通过该方法求解得到的电力线信道传输函数能够准确地对真实场景进行表述。

图 7 LISN的阻抗测量结果 Fig.7 Impedance measurement of LISN
图 8 理论计算值与实测数据的对比 Fig.8 Comparison between theoretical calculation and measured data
4.2 负载空间位置分布的影响

为了分析电器负载空间位置分布对PLC信道特性的影响,本文对图 6的电力线信道场景进行了分析。当A为信号发送端,D为信号接收端,分别在B,E和C处接入不工作的烧水壶时,其电力线信道传输函数如图 9

图 9 相同负载接入不同位置时的电力线信道传输函数 Fig.9 Power line channel transfer function when the same load is connected to different positions

图 9a是B,E和C处均不接入负载时的电力线信道传输函数,图 9b图 9c图 9d分别表示将不工作的烧水壶接入到B,E和C处时的电力线信道传输函数。通过对比图 9可知,对于同一电力线信道场景,电器负载的接入会对电力线信道的传输函数造成影响,且电器负载接入到不同的负载节点时对电力线信道传输特性造成的影响不同。这主要是由于当电器负载在接入至不同负载节点之后,导致了电力线网络中阻抗不匹配节点发生变化,使得电力线信道的多经效应发生了改变,最终导致电力线信道的传输特性发生了变化。

4.3 不同电器负载的影响

为了分析和研究不同电器对电力线信道传输特性的影响,图 10给出了图 6中当A为信号发送端,D为信号接收端,在E处接入各种不同类型的电器负载时的电力线信道传输函数。

图 10 接入不同负载时电力线信道传输函数 Fig.10 Power line channel transfer functions for different loads

图 10a是负载为不工作的烧水壶时的电力线信道传输函数,图 10b是负载为工作状态下的烧水壶时的电力线信道传输函数,图 10c是负载为工作在1档的电风扇时的电力线信道传输函数,图 10d是负载为某品牌手机充电器时的电力线信道传输函数。

通过对比图 10可知,上述4种场景下的电力线信道传输函数区别较大,这主要是由于电器负载阻抗特性不同导致。当接入不同的电器负载后,电力传输线的分布式电容、电感、电阻和电导将会和负载阻抗一起形成不同的谐振电路,使得电力线网络的输入阻抗发生变化。而输入阻抗的变化将直接影响电力线载波信号的耦合效率,从而对电力线信道特性造成影响。此外,当负载阻抗发生变化时,该负载节点的反射系数也会发生变化,从而对电力线信道的多经效应造成影响,进而影响电力线载波通信的信道特性。图 10d中的电力线信道传输函数还呈现出周期时变特性。这说明了具有周期时变特性的负载会导致接入了该负载的电力线信道的信道传输函数也呈现出周期时变特性。

5 结语

针对影响电力线信道传输特性的因素,目前国内外已经进行了许多研究,但其中针对负载阻抗对电力线信道特性的影响研究并不充分,目前的电力线信道建模方法均将负载简化成开路或其他固定阻抗值的负载。但是常见的接入至低压配电网中的电器的负载阻抗并非恒定不变,而是随着频率或时间的变化而发生变化。本文的理论分析与测试结果表明,时频变的电器负载阻抗是影响低压电力线载波通信信道特性的关键因素之一,这就要求我们在进行电力线信道建模时不能忽略负载的影响。为了进一步对自下而上的电力线信道模型进行优化,在后续的研究中需要对接入至电力线网络的各种负载进行测量和分析,并总结出阻抗模型,这样才能使得自下而上的电力线信道模型能够更加真实地对实际的电力线信道场景进行模拟。这也是本文的后续研究内容之一。

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