（通信与信息系统专业论文）10kv中压输电线通信信道特性分析与信道建模研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文重点研究了中压输电线通信信道的阻抗特性、噪声特性和衰减特性，并对 信道噪声和衰减做了建模研究。首先，分析了中压输电线的结构特点，在其基础上 给出了数据测量的实验方案。其次，在实验数据的基础上对中压信道的阻抗、噪声 和衰减特性做了详细的分析并总结他们各自的特点。然后，通过对两类中压线路信 道阻抗、噪声和衰减数据的分析，比较了两者的异同得到了一个中压线路上传输数 据的参考频率范围。最后，对中压信道的噪声和信道衰减做了建模研究：先对噪声 按分类进行建模，然后给出了一种基于马尔可夫过程的噪声模型；对信道衰减进行 了三种建模方法研究，并对它们做了比较，分析了它们的适用范围。 关键词：中压输电线通信，信道，阻抗，噪声，衰减，建模 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h ei m p e d a n c e ，n o i s e a n da t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f m i d d l e - v o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e la r er e s e a r c h e dc h i e f l y ，a n dt h e nt h en o i s ea n d a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rl i n ec h a n n e la r em o d e l e d f i r s t h a v ea n a l y z e d t h em i d d l e v o l t a g ep o w e rl i n eo fs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dg i v i n gt h ee x p e r i m e n t t h a tt h ed a t am e a s u r e s o u t s e c o n d ，i m p e d a n c e ，n o i s e a n da t t e n u a t i o n m i d d l e v o l t a g ep o w e rl i n ea r ea n a l y z e dd e t a i l e db a s e do nt h ee x p e r i m e n td a t a ，a n d s u m m i n gu pt h e i rc h a r a c t e r i s t i c t h i r d ，f r o mt h ea n a l y z e st ot h ei m p e d a n c e ，n o i s e a n da t t e n u a t i o no ft w ot y p e sm i d d l e v o l t a g ec h a n n e l g i v i n g s i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e so ft h e m ，a n do b t a i n e daf r e q u e n c yr a n g eo fd a t ac o m m u n i c a t i o n s f i n a l l y ， h a v i n gar e s e a r c ho nt h en o i s ea n da t t e n u a t i o nm o d e l i n go fm i d d l e v o l t a g ep o w e rl i n e c h a n n e l ：f i r s t ，b u i l d i n gan o i s em o d e la c c o r d i n gt oc l a s s i f y i n ga n dh a v i n gg i v e no n e k i n do fn o i s em o d e lb a s eo nm a r k o vp r o c e s s ；a n dt h e nt h r e ek i n d so fm o d e l i n g m e t h o do na t t e n u a t i o nh a v e b e e nr e s e a r c h e d ，a n dh a v ed o n e a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o nt ot h e m g u oz h o n g t a o ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f x i ez h i y u a n k e yw o r d ：m i d d l e - v o l t a g ep o w e r - l i n e - c o m m u n i c a t i o n ，c h a n n e l ，i m p e d a n c e ， n o i s e ，a t t e n u a t i o n ，m o d e l i n g 2 华北电力大学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 0 k v 中压输电线通信信道特性分 析与信道建模研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行研究工作所取得的研究成果。据本人所知，除文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：喜簿鳢 日 期：1 2 ：! ：竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：l 趣：盘 日期：业 导师签名：邋坌盈 华北电力大学硕士学位论文 1 1 本课题背景 第一章引言 电力网络线路具有良好的网络结构，不用增加辅助线路其本身即具备进行大规 模通信的条件，因此输电线通信作为通信的一种可选方案有自己的独特优势。而利 用中压输电线进行通信又有着广泛的应用范围和前景，中压输电线通信技术是一种 将传统中压电力网转换为高速数据通信传播介质的技术，它将中压电网转变为一个 高性能的骨干网来替代以往的光纤网络。适用于没有光缆到达或采用光缆成本太高 的有中压电线的地区、偏远山区等人口不密集的地方、电力机构需要较大带宽完成 电网管理、配网自动化的地区。不仅施工简单( 无需重新铺设线路) ，而且线路的 维护和管理都很方便。中压输电线通信技术一旦成熟，对于扩大电力线宽带通信的 覆盖范围、拓展电力线宽带通信应用、为电力系统自动化提供平台具有重要意义。 故具有较好的发展前景。 电力线载波在1 0 k v 线路上的应用国外自5 0 年代开始，主要应用在中压电网的 负荷控制领域，大多为单向数据传输、速率低( 有时小于1 0 b i t s 甚至更低) ，并没 有形成大规模的电力线载波通信服务产业。国内在八十年代后期多数是直接使用小 型化的集成电路农电载波机实现点对点通信，也有个别采用窄带调频载波机的，使 用范围很受限制。随着1 0 k v 线路通信需求的增长，到了九十年代末，出现了多种 载波通信设备( 这些设备可采用不同的线路耦合方式如：电容耦合、变压器耦合、 低压耦合、陶瓷电真空耦合及天线耦合等) ，调制方式也在原来的f s k 调制、p s k 调制、音频注入、工频调制、过零点检测等方式的基础上开发了先进的扩频调制方 式，( 如d s s 直接序列扩频，f h 跳频，t h 跳时、交叉混合扩频、c h i r p 宽带线性 调频，o f d m 正交频分多路复用等) 。目前在国内使用的1 0 k v 电力线数据传输设备 中，使用最多的还是窄带调制设备( 主要是多信道p s k 及f s k 调制) ，采用扩频方 式和o f d m 的设备也已开始崭露头角，随着市场的发展和技术的成熟，这两种设备 必将在电力线载波中压应用方面占有越来越重要的地位“儿“。 目前，中压p l c 在日本、德国、瑞士等国家已得到良好的应用。但我国配电系 统中线路复杂，设备众多，线路较短，干扰较大，中压配电载波尚未成熟地应用推 广。国内也有许多公司涉及了这方面的研究，也有一些产品推出，但由于国内线路 的复杂性，这些产品在不同的线路上表现出不同的性能。因此建立一个能适用于大 多数线路的信道模型就显得很重要，这就需要对信道的特性进行分析。但中压配电 网的网络结构比较复杂，加上分支线路处无法加装阻波器，因此当高频载波信号在 1 华北电力大学硕士学位论文 择性，在一些频率点或频率段上会出现深度衰减，加之中压配电线的噪声也比较复 杂，严重干扰宽带载波信号的传输。因此对中压输电线通信信道的噪声特性，衰减 特性以及频率响应等进行研究，并以此为基础建立合理的信道模型，对于设计可靠 的中压通信设备具有一定的参考的价值“1 。 1 1 1 电力线通信简介 电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r ，p l c ) 通信技术，是利用电力线线路传输高速 数据、话音、图像等多媒体业务信号的一种通信方式，已有几十年的历史，作为电 力系统专用通信网，主要用于电力系统内部的信息传送。该技术把载有信息的高频 信号加载于电流，然后用电力线传输，接受信息的调制解调器再把高频信号从电流 中分离出来，并传送到计算机或电话，以实现信息传递。已有几十年的历史，作为 电力系统专用通信网，主要用于电力系统内部的信息传送。而近几年来引起了人们 极大关注的电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) ，又称为宽带电力线 ( b r o a d b a n d p o w e r l i n e ，b p l ) 通信技术，是利用电力线信道的高频带进行通信， 实现高速数据传输的技术。利用电力线作为数据传输方案具有明显的优势：利用已 有的电力配电网络进行通信，不需要重新布线，且网络覆盖面广泛。1 。 p l c 的调制方式的选择是p l c 研究中关键的问题。要在合适的频带上实现高速 电力线通信，如何根据电力线介质高频段的特性，采用合适的调制技术及相应的编 码、均衡、同步及自适应技术就显得非常重要。目前，国际上高速电力线通信采用 的调制技术主要有三类：单载波类、扩展频谱类和正交频分复用( 0 f d m ) 调制技 术。目前通过对这三种方式在不同速率下的仿真，已有下列一些结论： ( 1 ) f s k 方式只适用于低速通信，f s k 调制只能应用于低速率的电力线数据传输， 在较高速率下，不可能建立可靠的电力线通信。 ( 2 ) 由于扩频技术需要较高的扩展频谱增益，因此在所使用的频率范围内，扩 频技术不能满足传输更高速率的电力线通信的要求。扩频通信一般应用于1 0m b p s 以下的数据通信。在此速率下，扩频通信相对o f d m 而言，实现简单，成本较低。 如果假定o f d m 采用与扩频类似的简单通信协议，则扩频系统的性能要优于o f d m 。 ( 3 ) 由于o f d m 并不扩展频谱，而且可以采用具有较高频率利用率的调制技术， 因此适应于较高速率要求的电力线通信，特别是1 0m b p s 以上的数据传输。如果o f d m 采用信道自适应技术和较复杂的信道编码技术，则o f d m 技术具有无比优越的性能， 特别适应于像电力线这样具有信道失真的频率选择性信道使用“】【”。 1 1 2 中压输电线通信的前景及困难 配电网通信密切关系到配网自动化在国内的发展，实现配网自动化的技术难点 2 华北电力大学硕士学位论文 之一是用以传送配网自动化系统各种信息的通信问题。在各种通信方式中，光纤、 电力线载波、无线通信方式都比较适合配电网的特点。但无线通信可靠性差，不适 合在市区及多山地区使用。光纤可靠性高，但需要重新铺设线路，安装施工不便。 而l ok v 配电线路从变电所出发可以延伸到线路上的任一测、控点。从配电网的拓 扑分布特点和综合成本的角度考虑，电力线通信是实现配网自动化的最为理想通信 方式。 由于电力线的主要作用是实现电能的传输和分配，其采用总线型结构通过配电 变压器对低压用户进行供电。中压输电线在制造工艺和架设方法上并未考虑其对传 输载波信号的影响，因此和那些专用得通信线路相比电力线信道具有高噪声和高衰 减等不利于信号传播的特性。要利用电力线通信就要克服这些困难。 中压输电线通信信道和一些专用的通信线路相比，其信道环境极为恶劣。主要 表现在： ( 1 ) 配电线的传输距离较长，一般为几百米到几千米。过长的距离导致高频 信号衰减严重。虽然和低压线路相比较其拓扑结构较简单，但中压配电网中的某些 分支线路较低压线路长很多，这就导致了在一些中压线路进行高频信号传输时产生 由于信号折射和反射而产生的多径效应不容忽略，以及由此产生的频率选择性衰减 更加严重。 ( 2 ) 在广阔的范围上遇到干扰信号。无线广播信号、闪电、无功率补偿电容 器组以及配电变压器低压侧的噪声都会对信号产生影响。而接入电力线的某些重型 设备的开断，电路短路或电源切换等产生的剧烈脉冲更会对信号波形产生严重影 响。 ( 3 ) 配电线网络上的阻抗随负载的变化会有大幅度的变化，在不同的用电时 段之间变化较大，具有较强的时变性。 以前由于技术和设备的原因，中压输电线通信只能保持在较低的速率。但近年 来随着低压电力线高速数据通信技术的日益发展成熟，各种高速电力线通信技术有 从低压应用向中压应用过渡的趋势。这种变化也使中压输电线通信从低速数据传输 向高速数据传输发展。 1 2 本课题得主要工作及论文的组织结构 本课题的完成的工作主要包括以下几个方面：分析中压输电线的网络拓扑结构 并给出数据测量方法，通过和高压与低压线路的比较得出其在数据通信方面优缺 点；通过数据分析比较两类中压输电线( 架空线与地埋线) 信道特性，得到两者的 异同并给出一个适合中压输电线高速通信的频率范围；中压输电线信道阻抗、噪声 与衰减特性分析，建立中压输电线信道的噪声模型和信道衰减模型。 3 华北电力大学硕士学位论文 本论文的组织结构如下： 第二章介绍了中压输电线的网络结构和架设形式，比较了中压输电线通信与高 压和低压电力线通信的区别，分析了其优点和实现的主要困难。然后分别给出了中 压输电线信道阻抗特性、噪声特性和衰减特性数据的测量方法。 第三章根据中压输电线的两种架设方式( 架空与地埋) 的不同，分别对两种线 路的阻抗特性、噪声特性与衰减特性做了比较；分析了两者的差异和共同点及其差 异的产生原因，比较了他们的优缺点；最后通过分析得到了一个适合中压输电线通 信的频段。 第四章利用信号处理的方法对中压输电线信道的阻抗特性、噪声特性和衰减特 性做了详细的数据分析。分析了信道的输入阻抗随频率、时间等变化的规律；对中 压信道噪声进行了分类并对每类噪声做了详细的分析；分析了中压信道衰减特性的 变化规律及其影响因素。 第五章分别对中压输电线信道的噪声特性和衰减特性进行了建模研究。根据上 一章噪声的分类对三种噪声进行了分类建模，这里利用了噪声信号的时域波形包络 并采用的数字信号处理中的频谱分析和a r 滤波器等方法对噪声进行建模；利用三 种建模方法对中压信道的衰减特性进行建模研究，分析了他们的优缺点。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章中压输电线网络结构及数据测量 要对中压输电线通信信道特性进行分析首先要采集其信道的阻抗、噪声和衰减 等数据，要采集数据这就了解中压输电线的网络拓扑结构并根据中压输电线的结构 特点设计数据采集方案，并依此选择所需要的仪器设备。本章前半部分着重讲述中 压线路的网络拓扑结构和架设方式，后半部分列出数据测量所用的仪器设备并给出 数据测量方案。 2 1 中压输电线网络结构概述 要想利用中压输电线进行数据通信，首先要分析中压输电线的信道特性。典型 的电力线网络分为三个部分：高压输电网络( 2 2 0 k v ) ，中压输电网络( 1 0 k v 3 5 k v ) 以及低压配电网络( 2 2 0 v 3 8 0 v ) 。他们分别负责电厂到变电站，变电站到配电变压 器和配电变压器到一般用户的电能传输。 2 1 1 中压输电线的拓扑结构及其特点 图2 1 是一个典型电力线网络的拓扑结构图。其中中压输电线部分是用框图框 起来部分，也是本课题的主要研究对象。 图2 1 电力线网络的拓扑结构图 5 华北电力大学硕士学位论文 从图2 - 1 中可以观察出中压输电线路的网络拓扑是总线式结构的，连接配电变 压器的分支线路依次连接到主线路上。同时可以看到高压线路的拓扑结构也是总线 结构而低压线路则是树型的拓扑。 虽然中压线路和高压线路有着相同的网络拓扑结构，但是由于在利用高压线路 进行数据通信时在其分支线路出加有阻波器，这就阻止了信号向分支线路的传输同 时也避免了中压侧信号对高压信号的干扰。而反观中压输电网络，由于成本和网络 一体化无节点的要求，不可能在分支线路出安装阻波器。这就导致了分支线路对线 路上所传输的信号损耗，同时配电变压器二次侧的信号也将对中压线路上的信号进 行干扰。 低压电力线网络结构比中压线路复杂的多，其分支众多且无规律，这就使得其 上的信号衰减十分严重。并且用电器时直接连接在低压线路上的，导致低压线路上 噪声强度较高类型复杂。但低压电力线网络用于数据通信时多是作为接入网部分， 数据在其上的传输距离不长，相比中压输电线路上的数据传输距离动辄几百米甚至 上千米来说其信号衰减并不是很严重，在现有的技术和调制解调方法下可以实现数 据的高速传输。 总之，和高压与低压线路相比较中压线路用其优点，但其在传输数据方面信号 高衰减、噪声复杂与阻抗难于匹配等方面的问题还是很突出的。 2 1 2 中压线路的分类 中压输电线按照其架设方式可以分为两种类型，它们分别是：架空线和地埋线。 我国上世纪8 0 年代前中压线路基本上都是架空线，随着技术的发展和城市规划的 要求地埋线如今在城镇中已经成为主流，但两者的功能是一致的都是向配电变压器 传输电能。 现今的中压线路中地埋线多分布于城镇中，用于向居民、企业和一些公共设施 供电；架空中压输电线路多分布于郊区、乡村等地，用于向郊区、农村和边远地区 的供电。 虽然两者在电力传输上的功能是相同的，但是当利用中压输电线进行通信的时 候由于两者所处环境和用电设备的不同，对信号的传输有着不同的影响。其区别将 在下一章中具体分析。 2 2 中压输电线通信信道数据测量方法 要对中压输电线信道特性进行分析首先要通过实地测量取得信道的阻抗、噪声 和衰减的数据，下面给出了数据测量方案及耦合方法。 实验仪器包括：a g i l e n t4 3 9 5 a 型网络分析仪，x b 4 4 型标准信号发生器， 6 华北电力大学硕士学位论文 h p 5 4 6 4 5 d 存储式数字示波器，p c 机，磁环，电容，导线等。 2 2 1 阻抗数据的测量 这里考虑了两种方案： 1 ) 用信号发生器测量阻抗。1 频率范围：i 3 0 m h z 频率间隔：5 0 0 k h z ( 在阻抗变化剧烈频段将频率间隔放小) 电力线网络 祟耦合器 _ 吖2 1 信号发生器 图2 2 输入阻抗特性测量实验原理图1 实验步骤： 如上图接线； 高频信号发生器产生高频正弦电压信号，频率为l 3 0 m h z ，频率间隔为 5 0 0 k h z ，观察阻抗变化，在变化剧烈频段缩小频率间隔。用示波器读取v 1 、v 2 值， 并记录。 计算线路特性阻抗为：l z i - 胁l v 2 i v l i 。 2 ) 用网络分析仪测量阻抗特性 用a g i l e n t4 3 9 5 a 型网络分析仪的阻抗测量功能，可以很方便快捷地测量得到 网络的阻抗特性。测量连线如下图： 电力线网络 图2 3 输入阻抗特性测量实验原理图2 7 华北电力大学硕士学位论文 考虑到实验方案的难易程度和可操作性，在实际的阻抗特性数据测量中才用了 第二种方案，也就是利用网络分析仪的阻抗测量功能直接获得中压信道的输入阻 抗。这里测量了同一时间输入阻抗随频率的变化，不同时间输入阻抗的变化和不同 线路输入阻抗的变化等数据。测量频率范围：1 3 0 m h z 。 2 2 2 噪声数据的测量 1 ) 频率范围：1 0 0 k h z - - 3 0 m h z 数字示波器采样频率：1 0 0 懈i z ( 即示波器采样速率设置为每秒采样1 0 0 1 d 个) 采样点数：2 0 0 0 2 ) 原理图如下： 电力线网络 图2 - 4 噪声特性测量实验原理图 3 ) 实验步骤 利用数字示波器，获得噪声的时域数据，通过对时域数据的进一步分析，可以 得到噪声的频域特性。实验步骤如下： 示波器与耦合器连接，调整刻度。 在不同测量点和不同时间段对信道进行多次测量，分别测多组数据并存储。 实验结束后利用信号出来的方法分析得到噪声频谱。 2 2 3 衰减数据的测量 1 ) 频率范围：l m 1 5 m h z 测量频率间隔：2 0 0 k h z 2 ) 实验原理图 8 华北电力大学硕士学位论文 电力线网络 i 高频信号 i发生器 耦合器 i 网络分析仪 发送端接收端 图2 - 5 衰减特性测量实验原理图 耦合器 3 ) 实验步骤： 选定两个测试点( p 0 、p 1 ) ，一个为发送端，另一个为接收端。如上图连接实 验仪器。 高频信号发生器依次发出i m 1 5 m h z 的正弦波电压信号，间隔为2 0 0 k h z ， 在发端和收端分别用数字示波器和a g i l e n t4 3 9 5 a 型网络分析仪的频谱分析仪功能 读取电压有效值并记录。 2 3 耦合方案 耦合的主要作用有两个：一是通高频阻低频，即能够将高频通信信号耦合到电 力线上，阻隔5 0 h z 的低频信号：二是实现弱电和强电的物理隔离，使工频信号不 会干扰弱电通信信号。 由于中压1 0 k v 配电线的网络结构比较复杂，线路阻抗受频率、位置及分支线 路等多种因素的影响，因而在设计宽带数字通信设备时要实现阻抗匹配是很困难 的。 这样就需要采用耦合技术去克服阻抗不匹配的问题。因此耦合技术对载波信号 在中压电网中的传输至关重要。在没有阻波器的电力线上，阻抗匹配的要求难以实 现，耦合技术将采用牺牲匹配性能，适合线路侧宽范围阻抗。中压耦合技术分为电 容耦合和电感耦合”1 。 电容耦合既可采用相地耦合方式( 图3 - 6 a ) ，也可采用相相耦合方式( 图3 6 b ) t 后者成本较高，但相相耦合方式的可靠性更高。当发生单相接地故障时，相相耦合 方式可以退化为相地耦合方式继续工作。一般建议相地耦合方式用于监测，而相相 耦合方式用于控制。同样，电容耦合方式也可以应用于电缆系统，只是电缆的特性 9 华北电力大学硕士学位论文 阻抗很低，在结合滤波器的匹配方面需要有特殊的措施。 ( a ) 相地电窖藕合 三三王 上上 圉 图2 6 电容耦合方式 电感耦合方式一改原有的在工频功率通道上传输高频通信信号的做法，利用电 缆线路固有的屏蔽层进行载波高频信号的传输，并获得成功。该耦合方案具有以下 突出的优点： 1 高频通信信号与工频电气量传输通道分离； 2 通道无高压； 3 通信设备维护的安全性大大提高； 4 耦合设备的成本降低； 5 可以与电容耦合相结合改善电缆与架空线路的混合传输； 6 安装非常方便。 电感耦合器一般安装在地下电缆沟内，如变电站的电缆出线处、电缆的分接箱 内、箱式配电变压器内、开闭所内等等。按照安装方法，电感耦合又分为串入式耦 合和套入式耦合两种。前者是将电感耦合器串接在电缆屏蔽层的接地线中，后者是 将电感耦合器套在电缆上“1 。 考虑到本实验是以数据采集为目的，不需要考虑其长期运行的可靠性；同时考 虑到设备的架设安装和实验成本等因素，在实验的实际过程中采用了相地电容耦合 这一耦合方式。 2 3 小结 本章给出了中压输电线的网络拓扑图，分析了利用中压线路进行数据通信的优 点。同时对比高压和低压线路指出了其在实现高速数据通信的困难和技术难点，给 出了对中压输电线信道阻抗特性、噪声特性和衰减特性数据的测量方案及耦合方 案。对测量所得数据的具体分析将在下一章中详细论述。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章中压输电线信道特眭分析 中压输电线本身设计是用来传输5 0 h z 或6 0 h z 的交流电的，并不是用来进行数 据通信，要想采用适当的技术应用于中压输电线通信中，首先要分析中压输电线的 信道特性，但是由于中压输电线路的复杂性，在测量分析过程中会出现如下问题： 每条中压输电线都有不同的长度和自己的分支结构，不易找出有代表性的线路进行 测量；中压输电线周边环境不同，造成不同地区的衰减特性均不相同；每个网络节 点的电气特性都会随时间发生变化，从而造成网络传输特性的变化；不同负载的随 机操作会造成随机噪声，干扰通信信号传输。基于以上几点原因，到目前为止，很 难建立中压输电线信道的统一模型。但是，可以对主要的干扰特性进行分析。本节 对信道的输入阻抗特性、信道衰减特性、噪声干扰特性进行了详细分析。上一章中 给出了中压输电线信道数据的测量方案，本章中将对某具体线路所测得的数据进行 详细分析，得出中压信道特点。 实验选择了两条线路进行测量。其中一条线路为北京地区某小区的一条地埋中 压配电线，其线路的测试环境如下图所示： 图3 1 中压线路的测试环境1 实验选择的另一条线路为阜平某山区的一条架空中压配电线，其线路的测试环 境如下图所示： 华北电力大学硕士学位论文 节点1 2 1 3 m 5 3 3 m1 0 8 3 m1 8 0 4 m4 8 2 m1 3 2 0 m 分支l舰髑髑 节点7 图3 2中压线路的测试环境2 实验分别选取两条中压输电线上的一段线路进行了信道特性数据的测量工作。 采用前述的实验方案，利用网络分析仪、存储式数字滤波器、p c 和高频信号发生器 等，在不同的时间段对线路进行了反复多次详细的测量。对数据所作的主要分析如 下： 中压输电线信道输入阻抗特性分析：主要分析中压信道输入阻抗随频率、时 间的变化规律和分支线路对传输信号的影响等。 中压输电线信道噪声特性分析：按测量噪声的时域和频域特点把中压信道分 为三类进行分析；对每种噪声的时域波形和功率谱波形做详细比较，得出其特点并 分析其产生原因。 中压输电线信道衰减特性分析：通过测量数据绘出信道衰减特性变化图；分 析其特点及其产生原因；分析影响信道衰减的主要因素。 7 3 2 中压输电线信道的阻抗特性分析 3 2 1 输入阻抗随输入信号频率的变化特性 用电力线进行数据传输时通常把电力线看作为均匀传输线。根据传输线的电阻 理论：任何导体都存在一定的电阻，在导线中流过直流或低频电流时电荷在导线横 截面上是均匀分布的。当导线中流过高频电流时，由于高频集肤效应，导线中的电 流主要集中在导体的表面，而导线中心几乎没有电流，因此导线的交流电阻将大于 直流电阻，且交流电阻与频率的二分之一次方成正比。在电力线中进行高频信号传 输时其输入电阻是随着传输信号频率的增加而增大的。而实际测量的结果却与之不 符，图3 3 是位于北京的中压线路某一时刻通过网络分析仪获得的信道输入阻抗随 输入信号频率变化的数据。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 3 北京中压线路输入阻抗频率变化图形l 中压信道输入阻抗可用下式来表达： 1 z = r + j ( c o l 一七) 巩 图3 - 3 中上半部是输入阻抗的绝对值变化曲线，下半部分是容抗和感抗共同作 用后相位的变化曲线。 从图3 3 中可以观察出中压输电线的输入阻抗随信号频率的变化是一个呈现 起伏变化的过程。下面的图3 - 4 展示是同一条中压线路在不同时刻的输入阻抗一信 号频率的变化图形。 图3 - 4 北京中压线路输入阻抗一频率变化图形2 从图3 - 4 中可以观察出和图3 3 中相类似的变化，可以看出随着频率的增加输 入阻抗的绝对值呈减小趋势，并随着频率呈现起伏的波动变化。他们的区别只是起 伏数量的不同。 1 3 耄蓍 艘椎 帆 耋喜 一 !et ! 镊惟 氍疆 懈 掰 船 华北电力大学硕士学位论文 同样的变化还可以从不同的中压线路上表现出来，图3 - 5 是通过对阜平某中压 输电线路的输入阻抗进行测量后的结果。图中起伏较小的曲线是是输入阻抗的绝对 值变化曲线，起伏较大的曲线是容抗和感抗共同作用后相位的变化曲线。其输入阻 抗绝对值随着频率的增加呈减小趋势，并随着频率呈现起伏的波动变化。 科 ，瑶 图3 5 阜平中压线路输入阻抗一频率变化图形 从上述两条线路的测量结果中可以得出中压输电线信道的输入阻抗随传输信 号频率的增加是一个波动起伏的变化过程，其总体的变化趋势是随频率的增加而减 小的。 根据分析造成这种情况的主要原因如下： ( 1 ) 线路参数中分布电感和分布电容的存在，这二者对线路输入阻抗的影响 是输随着频率的增大而减小。 ( 2 ) 实际电力线上存在着许多负载，而且其接入和断开及其阻抗特性都是不 定的。这些负载和电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率上会形成低阻抗区。 ( 3 ) 中压线路上整流等器件对输入阻抗的影响 ( 4 ) 线路本身的电阻相对其他的影响因素太小，对线路输入阻抗的总体变化 趋势影响不大。 正是由于上述原因和其他一些原因使得中压线路的输入阻抗呈现出了波动变 化并随输入信号频率增加而变小的整体趋势。 3 2 2 中压信道输入阻抗的时变特性 对比图3 3 和图3 4 可以发现虽然两者是中压线路上同一点的输入阻抗，但是 两者图形有很大的区别。包括输入阻抗绝对值最高值的位置、波峰的数量、相邻波 1 4 华北电力大学硕士学位论文 峰之间的距离以及相位的变化等。 造成这种区别的原因是由于电力线网络由于其自身的特点，每个接入的用电负 载都是按不同的规律联入电网的，虽然短时间内接入电力线网络的负载变化量不大 是缓慢变化的，但相隔较长时间的两个时间却会发生很明显的变化。正因为这个原 因理想的中压输电线的耦合装置应该是具有自我调节功能的。 3 3 中压输电线信道的噪声特性分析 中压输电线的传输环境不同于其它专用通信信道，它的网络结构分支较多，连 接的负载众多且经常发生变化，所以作用于它的噪声不能简单归结为加性高斯白噪 声( a w g n ) 。而是应该根据不同的噪声源进行具体分析，目前，已经有多篇文献对 噪声进行了分析，本文将从噪声的分类，噪声的定量分析对电力线背景下的噪声进 行具体的阐述。 本章对噪声主要从时域波形特性和频域特性两个方面进行研究。噪声时域波形 可以由存储式数字示波器直接获得，其功率谱也可以由时域数据计算出来。在本课 题中主要采用了w e l c h 法来计算数据的功率谱，下面简单介绍一下它的原理“”。 w e l c h 法来源于对经典功率谱估计的直接法的改进，是一种目前应用较广泛的 方法。这里先介绍一下直接法：直接法又称周期图法，它是把随机信号x ( n ) 的n 点 观察数据x 。( 珂) 视为一能量有限信号，直接取工。( 聘) 的傅立叶变换，得x 。( p 归) ，然后 再取其幅值得平方，并除以n ，作为对x ( 盯) 真实得功率谱p ( e ”) 得估计，以( p ”) 表示用周期图法估计出的功率谱，则 1， ( = 陋，( ) i v 周期图这一概念是由s c h u s t e r 于1 8 9 9 年首先提出的。因为它是直接由傅立叶交换得 到的，所以人们习惯上称之为直接法。在f f t 问世之前，由于该方法的计算量过大 而无法运用。自1 9 6 5 年f f t 出现后，此方法就变成了谱估计中的一个常用的方法。 将口在单位圆上等间隔取值，得 11 ( k ) = 亡l ( ) r v 由于x 。( ) 可以用f f t 快速计算，所以( e p ) 也可以方便地求出。其谱估计地方 法包含了下述假设及步骤： 把平稳随机信号x ( n ) 视为各态遍历的，用其一个样本z ( n ) 来代替x ( n ) ，并 且仅利用x ( n ) 的n 个观察值h ( n ) 来估计x ( n ) 的功率谱p ( c o ) 。 从记录到的一个连续信号工( f ) 到估计出( _ i ) ，还包括了对x ( t ) 的离散化， 必要的预处理( 如除去均值、除去信号的趋势项、滤波) 等。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 由于直接法估计出的谱( 国) 性能不好，当数据长度n 太大时，谱曲线起伏 加剧，n 太小时，谱的分辨率又不好。因此需要加以改进，此处所说的改进，主要 时改进其方差特性。间接法是对直接法的一种改进，又称之为周期图的平滑。对其 改进的另一种办法是所谓平均法，它的指导思想是把一长度为n 的数据h ( 聆) 分成 l 段，分别求每一段的功率谱，然后加以平均，以达到所希望的目的。在实际应用 时，有时还把平滑和平均结合起来使用。w e l c h 法便是对直接法的改进方法之一。 改进之一，对h ( 行) 进行分段，每段长度为m ；改进之二，时在对h ( 珂) 分段时， 可允许每一段的数据有部分的交叠。例如，若每一段数据重合一半时，这时的段数 l ：= n - m 2 m 2 式中的m 是每段的长度；改进之三是每一段的数据窗口可以不是矩形窗口，例如汉 宁窗或哈明窗，记之为畋( 行) 。这样可以改善由于矩形窗边瓣较大所产生的谱失真。 然后分别计算每一段的功率谱，记之为昂。( ) ，即 ( 班而1 i m 去- i x ( n ) d 2 ( n ) e - j i ： 式中 u ：上掣露( ”) m 智 是归一化因子，使用它是为了保证所得到的谱是渐进无偏估计。把 ) 对应相加， 再取平均，便得到平均周期图k ( 甜) ，即 蘼r c r o ) = ( ) oj ；l 其中l 为分段数。 由于本方法中各段允许交叠，因而段数l 增大，这样方差可得到更大的改善。 但是数据的交叠又减小了每一段的不相关性，使方差的减小不会到达理论计算的程 度。总的来说w e l c h 法兼顾了谱的分辨率和平滑度。 3 3 1 中压输电线信道噪声的分类 根据对中压信道噪声数据时域和频域数据的分析，这里把配电线的噪声分成三 类，他们分别是：背景噪声、突发性脉冲噪声和周期性脉冲噪声。 背景噪声：背景噪声由有色背景噪声和窄带噪声构成。这是种始终存在于 电力线上的噪声并覆盖整个频域。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 有色背景噪声：由中压输电线上各种噪声源产生的组合干扰。这种噪声随频率 发生变化，具有相对低的功率谱密度( p s d ) 。它主要是由各种低功率的噪声源产生 的。它的功率谱密度随时间的变化而缓慢发生变化。 窄带噪声：主要是由短波广播信号在频域上的串扰产生的，这是一种频带很窄 的噪声，随时间的变化其强度变化不定。一般情况下，由于电离层的反射，夜间的 干扰比较严重，而白天的干扰却较小。 突发性脉冲噪声：其时域波形表现为衰减的正弦波或叠加衰减的正弦波。脉 冲噪声主要是由大功率用电设备的周期性开闭、重型设备的开断、电路短路或雷击 等引起的。每个脉冲噪声都会影响很宽的频带。它的到达时间是随机的，持续时间 从几微秒到几毫秒。 周期性脉冲噪声：这类噪声一部分来源于电力线上的一些开关电源，还有 一部分是由开关设备、可控硅整流器和一些特定的电源供电设备产生，脉冲宽度 较窄。 3 3 2 背景噪声分析 背景噪声是一种始终存在于电力线上的噪声，它由有色背景噪声和窄带噪声构 成，覆盖整个频域。由于噪声源的多样性导致不同地点，不同时间电力线上噪声是 变化的，但从噪声测量的结果来看其中还是有一定规律的。图3 - 6 是一个典型的背 景噪声的时域波形。 图3 - 6 背景噪声时域波形 这是一种幅度较小在零点附近无规律波动的噪声。图3 7 是对北京某地配电线 上测量得到的噪声频谱，上面的噪声频谱是上午1 0 点测得的，下面的噪声频谱是 下午3 点测得的。通过对比两图可以观察到配电线上的噪声是随时间变化的，但其 在频域上表现出大致相同的变化趋势。如在i m h z 以下存在大功率噪声，在频率1 2 m 、 1 3 5 m 、1 5 1 6 m 、1 7 5 1 8 m 、2 2 m h z 左右存在明显的窄带干扰，噪声功率随频率增 加呈逐渐减小的变化趋势。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图3 7 两个时刻背景噪声功率谱 从上面数据中可以看出中压线路上的背景噪声在不同时刻是有很大区别的。下面将 通过清晨、下午和晚上所采集到数据对中压线路背景噪声的规律进行分析。 图3 8 是通过存储式数字示波器分别在清晨、下午和晚上三个时刻采集的典型 的背景噪声时域波形，从上到下依次对应为清晨、下午和晚上。 图3 - 8 清晨、下午和晚上背景噪声的时域波形 1 8 华北电力大学硕士学位论文 从时域波形可以看出早上的噪声幅度明显的要比下午和晚上的噪声幅度小的 多，同时考虑到清晨用电量较小，下午为生产和工业用电高峰，晚上为生活用电高 峰，可见接入电网的负载越多用电量越大，则背景噪声的幅度越高，这也和背景噪 声的产生的原因相吻合。 对三个时刻的背景噪声用w e l c h 法( 2 0 0 0 点数据，取分段数据长度8 0 0 ，重叠 点数2 0 0 ，共三段) 做功率谱分析，得到如图3 - 9 所示功率谱图形。从上到下依次 对应为清晨、下午和晚上的功率谱。 图3 - 9 清晨、下午和晚上背景噪声的功率谱 从功率谱的图中可以看出清晨的功率谱密度最低，约比下午低1 0 1 5 d b ，且可 以看到几处明显的窄带干扰；晚上比下午稍低，且功率谱比下午平稳，有两处较明 显的窄带干扰；下午最高，不能观察到明显的窄带干扰，这是由于下午的背景噪声 功率谱较高，且此时的窄带噪声最低，几乎已经被有色背景噪声淹没。 可见背景噪声的时域和频域特性在不同的时间段有着较明显的区别，这是一种 随着时间的推移而逐渐变化的噪声。通过对数据的分析，这种变化产生的主要原因 是由于接入电力线的负载变化。当接入电力线的负载较多时，背景噪声的幅度较高 且功率谱大，反之，当接入电力线的负载较少时，背景噪声的幅度较低且功率谱小。 但由于负载接入电力线是随机的，不可能产生突然的大规模变化，所以背景噪声的 变化过程可以看作一个缓慢变化的过程。图3 1 0 为对同一测试点在以5 分钟的时间 间隔测得1 0 组背景噪声p s d 的变化图。 从图中可以观察出这段时间内噪声p s d 变化不大，这是由于电力线自身的特点 决定短时间内接入的负载不会发生较大的变化，其背景噪声是慢时变的甚至可以认 为是暂时稳定的。对高速通信来说，可以认为电力线信道的背景噪声在短时间内是 保持稳定的。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 0 背景噪声慢时变特性p s d 示意图 3 3 3 周期性脉冲噪声分析 1 咖 周期性脉冲噪声：这类噪声一部分来源于电力线上的一些开关电源，还有一部分是 由开关设备、可控硅整流器和一些特定的电源供电设备产生。其时域表现为多个连续的 脉冲噪声，脉冲宽度较窄，一般不超过5ps ，通常为1 - 4us ，脉冲峰值大多在0 0 2 o 1 v 之间。图3 1 1 是一个典型的周期性脉冲噪声的时域波形“”。 图3 1 l 脉冲噪声时域波形 图3 1 2 是一个周期性脉冲噪声功率谱密度，从图中可以观察到其中有六处明显 的突起，可以认为他们对应的频率值为该周期性噪声的主要频率分量的值。其最高 的分量位3 0 0 k h z 以下较低的频段，其p s d 比背景噪声高出约2 0 d b 。同时随着频率 的增高，其频率分量的p s d 呈逐渐变小的趋势。 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 2 周期性脉冲噪声功率谱 3 3 4 突发性脉冲噪声分析 突发性脉冲噪声：这种噪声表现为剧烈的幅度波动，持续时间从几us 到几m s ， 幅度最高可达到几伏。其时域波形表现为衰减的正弦波或叠加衰减的正弦波。脉冲 噪声主要是由大功率用电设备的周期性开闭、重型设备的开断、电路短路或雷击等 引起的“”。图3 1 3 所示是一个典型的突发性脉冲噪声的时域波形。 图3 1 3 突发性脉冲噪声时域波形 脉冲噪声时域波形表现为短时间、高强度的剧烈振动，其对传输信号的影响是很大 的，是引起数据传输错误的主要原因。这点也可以从其功率谱密度的图形上表现出 来。图3 1 4 是一突发性脉冲噪声的p s d 图形。 从图3 1 4 中可以观察出其主要峰值分布在7 5 m h z 、1 2 m h z 和1 7 m h z 处。从图 中可以看出其峰值比背景噪声高出了约4 5 d b ，比周期性脉冲p s d 的峰值也高出了 约2 0 d b ，可见其对信道的影响很大。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 1 4 突发性脉冲噪声的p s d 图形 从对中压信道噪声观察和分析的结果中可以看出背景噪声是始终存在于中压 信道之中的，其强度随这时间的变化而改变，一般来说用电高峰期其强度较高，但 短时间内背景噪声可以认为是稳定的。周期性脉冲噪声和突发性脉冲噪声是随机出 现的，他们的强度比背景噪声高出许多，是引起传输错误的主要原因之一。如何减 小其对信号的干扰是目前电力线通信调制方法面对的主要问题之一“”。 3 4 中压输电线信道的衰减特性分析 高频信号在配电线上传输时，多种原因会造成信号的衰减。包括：通道两端通 信节点的耦合衰减，配电线路自身的线路衰减，配电变压器带来的泄漏衰耗，线路 故障时的故障附加衰耗，冰雪霜气候条件下的天气附加衰耗等。所以，分析电力线 的信道衰减应从多方面来考虑。其中耦合衰减是由发射端和接收端与电力线的阻抗 不匹配造成的。线路衰减的产生原因是多方面的：电力线网络复杂，接入节点众 多，信