（电机与电器专业论文）基于电力线载波通信的机车控制信号传输系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nu s e sp o w e rl i n ea sc o m m u n i c a t i o nm e d i af o rd a t a t r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g e w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h et e c h n o l o g i e s o fm o d u l a t i o n ，t r a n s m i s s i o na n ds i g n a lp r o c e s s i o n ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni s d e v e l o p i n ga l lt h ew a y ：m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o ns u b s t i t u t e sf o rs i n g l ec a r r i e r m o d u l a t i o na n dd a t ar a t ei n c r e a s e sf r o maf e wk i l o b i t st os e v e r a lm e g a b i t s a t p r e s e n t ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nc o m e si n t oa ne r ad e v e l o p i n gw i t hh i g hs p e e d b e c a u s ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nh a ss e v e r a la d v a n t a g e s s u c ha sn on e e do fn e w w i r ea n dl o wc o s t ，i th a sd r a w nal o to fa t t e n t i o n si nm a n yk i n d so ff i e l d s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sac r i t i c a lt e c h n o l o g yf o rt h e r e a l i z a t i o no fb r o a d b a n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n i ti sat y p eo fm u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o na n dat e c h n o l o g yo fm u l t i p l e x i n g o f d mu t i l i z e ss e v e r a ls u b - c a r d e r s w h i c ha r eo r t h o g o n a lw i t ho n ea n o t h e rt ot r a n s m i ti n f o r m a t i o n ，t h u s ，t h eu t i l i z a t i o n o ff r e q u e n c yb a n di se n h a n c e dg r e a t l ya n dt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n dt i m e v a r i a t i o ni np o w e rl i n ec h a n n e lc a nb eo v e r c o m ee f f e c t i v e l y t h er e l i a b l ed a t a c o m m u n i c a t i o nw i t hh i g hs p e e dh a sb e e nr e a l i z e d t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st or e a l i z et h et r a n s m i s s i o no fl o c o m o t i v ec o n t r 0 1 s i g n a lb yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n a si nt h el o c o m o t i v e l o - c o n t r o ls y s t e m d a t ao fc o n t r o ls i g n a lc a nb et r a n s m i t t e df r o mt h em a s t e rc o n t r o l l o c o m o t i v et ot h es u b l o c o m o t i v et h r o u g ht h eo v e r h e a dc o n t r a c ts y s t e m t h i st h e s i s a n a l y z e st h en o i s ee f f e c t o fm e d i u mv o l t a g e p o w e rl i n e ，a n di n t r o d u c e st h e e l e c t r o m a g n e t i ca f f e c t i o nt o w a r d sd a t ac o m m u n i c a t i o nt h a tc a u s e db yt h e2 5k i l o v o l t a g eo v e r h e a dc o n t r a c ts y s t e m t h e nt h r o u g ht h ec o m p a r i n go fs e v e r a lt r a d i t i o n a l m e t h o d so fm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h e0 f d mi sc h o s e nt ob et h eu s a b l et e c h n o l o g y i no r d e rt od e e p e nt h ec o m p r e h e n s i o no f0 f d m t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e o fo f d mb r i e f l y , a n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e st oa p p l yo f d mi n p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n a tl a s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e sas u i to fp o w e rl i n ed i g i t a l t r a n s c e i v e rm o d u l ek q - 10 0 k a n da l s om a d ea ne x p e r i m e n tt op r o v et h ef e a s i b l eo f t h i sp l a n t h ee x p e r i m e n tr e a l i z e dd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do n2 2 0v o l t a g e si no u r l a b i tw i l lc o n t r i b u t eal o tf o rf u t u r ed e v e l o p m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 fi 页 k e y w o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ；m o d u l a t ea n dd e m o d u l a t e ；o f d m ；t h em o d u l eo f k q - 1 0 0 k 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交 通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：砾 日期：功略年月e l 指导教师繇幸州 日期：亏年月5 b 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均己在文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 光纤通信和无线通信是比较成熟和常用的通信手段，而本课题要研究的 关键问题是，如何将电力线作为信号传输的媒介，并讨论电力线通信技术在 机车控制信号传输方面的应用，这也是本课题的创新性所在。 学位论文作者签名：j 羲妻泵 口期：z 伊、) 纷月石日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力线载波通信基本原理 p l c 的英文全称是p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，即电力线通信，是利用电 力线作为信息传输媒介，进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。它是将载 有信息的高频信号加载到电力线上，用电力线进行数据传输，再通过电力线调 制解调器将高频信号从电力线信道上分离出来，传送到终端设备。 卜阻波器2 一耦合电容器3 一结合滤波器4 一载波机 图卜1 电力线载波通信系统组成示意图 各种成熟的调制解调技术已经应用到电力线载波通信系统当中，主要包括 f s k 、q p s k 、扩频以及正交频分复用( o f d m ) 等。f s k 、q p s k 等常规调制解调 技术频带利用率不高，只适用于低速传输，而扩频技术在带宽受限的情况下， 最大数据传输速率也受到限制，因而这种技术很难应用到高速场合。为适应高 速率的传输要求，正交频分复用能解决传输频带利用率的有效方法，该技术目 前已经被广泛采用。 电力线载波通信技术在高、中、低压三个电压等级的应用技术、线路状况 和应用要求都有所不同，按照电压等级进行大类分类可分为三类：低压电力线 载波是指应用于3 8 0 v 、及以下电压等级的电力线载波通信设备。载波线路状况 极差，主要传输电线上网、用户抄表及家庭自动化的信息和数据。中压电力线 载波是指应用于l o k v 电压等级的电力线载波通信设备。载波线路状况较差，主 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 要传输配电网自动化、小水电和大用户抄表信息。高压电力线载波是指应用于 3 5 k v 及以上电压等级的载波通信设备。载波线路状况良好，主要传输调度电话、 远动、高频保护及其它监控系统的信息。用于特高压线路的电力线载波通信设 备亦属于此类。1 1 2 电力线载波通信的国内外历史与现状分析 电力线无处不在，利用它来进行信息的传输一直是人们的梦想。通过多年 的研究和发展，利用高压电力线来传输低速数据的技术已相当成熟。随着网络 技术及多媒体技术的发展，利用电力线来实现高速i n t e r n e t 接入及多媒体信息 传输是当前的研究热点，国外在相关研究和应用方面已取得了很大进展。n 踟 1 2 1 电力线载波通信的发展与现状 最早的p l c 实用技术是一种称之为“脉冲控制”的通信系统，该系统提供 速率极低的单向通信，发射机功率为数十千瓦，主要用于路灯及负荷控制。2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始研究电力线，主要为高压通道的高频特性，范围在 5 k h z 至5 0 0 k h z ，并在此基础上开发了电力系统调度通信及保护广泛使用的电力 线载波机。2 0 世纪9 0 年代国外开始研究电力线，主要为低压及中压的高频特 性范围在2 m h z 至8 0 m h z ，并在此基础上开发了实用的高速p l c 产品及系统。当 前已有多种高速p l c 产品及系统在家庭联网、高速i n t e r n e t 接入、智能家居等 方面得到了广泛应用。 许多国家的研究机构开展了高速p l c 的研究和开发，如美国的i n t e l l o n 、 i n a r i 公司，以色列的i t r a n 、m a i n n e t 公司，韩国的x e l i n e 公司，西班牙的 d s 2 ，法国的s p i d c o m 等公司开始了高速p l c 专用芯片及应用产品的研究开发， 产品包括用于家庭联网及高速接入两大类产品，传输速率从1 m b i t s 到 2 m b i t s 、1 4 m b i t s 、4 5 m b i t s 直至2 0 0 m b i t s 。 在我国，四十年代已有日本生产的载波机在东北运行，作为长距离调度的 通信手段。新中国成立以后，我国从苏联、捷克斯洛伐克、民主德国等东欧国 家相继引进了一批电力载波设备。同时，国内开展了对电力载波设备的研究工 作。直到六十年代，我国自己生产的电子管式的单边带载波机已经达到了相当 高的水平。自七十年代以来，由于电子器件的发展，我国陆续生产了z d d 系列 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 和z j 系列的晶体管载波设备。近年来，随着我国电力事业的发展，新的代电 力载波设备已经应运而生。据不完全统计，全国已有数以万计的电力线载波通 信设备投入电力系统，用于3 5 k v 、6 6 k v 、l o k v 、2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 等不同 电压等级的电力线路，逐步形成各省、大区( 跨省) 、以及地区的电力线载波 通信网络。 国内目前除了自动抄表方面的应用外，该技术在医疗监控和自动报警方面 都有很好的应用前景，将集成有电力线收发模块的仪器仪表插在电源插座上， 就可以方便的实现通信。现今国内外已经有不少的电力线产品，而且相应的标 准已经比较成熟，因此用电力线来进行水、煤、电等的自动抄表以及宽带 i n t e r n e t 的接入服务已成为现实。但这些都是基于2 2 0 v 的民用电网，中高压 电力线的载波通信的研究已经有相关部门科研人员在研究，但是尚未发展成熟， 可能实现起来有一定难度。而且，国内的电力线通信还没有形成规模，所以还 需要有关部门的科研人员的不断努力，开发出适合中国电网特性的电力线载波 芯片，确定可靠的电力线通信标准。 1 2 2 电力线载波通信优势与存在的问题 电力线无论在城市、乡村，还是偏远落后的地区到处都是，只要用电的地 方就会有电力线存在，不铺设额外的通信线路而直接利用已有的电力线资源进 行数据或话音信号的传输，将会大大降低通信成本，并且电力线通信有着它自 身的一些优势。采用电力线通信有以下几个方面的优点：n 7 ， 1 作为电力部门特有的通信资源，不管将来如何发展，电力线载波通信无 可比拟的优越性是不会被动摇的。它在电力生产中所发挥的强大而独特作用是 不可替代的，尤其在抵御台风、洪涝等自然灾害方面，由于它电路的传输线路 具有机械强度高、不易受外力破坏的特点，是其它通信手段所无可比拟的。 2 每种通信手段都有其适用的范围和环境。利用已有的配电网作为传输媒 介进行通信，可以大大节省敷设新的通信信道的投资，可带来较大的经济效益。 电力线载波适宜于县调、地调等信息需求量小的情形，以及在其它场合作为可 靠的备用通信手段。如在覆盖范围远而通道容量需求有限的情况下，电力线载 波比使用其它任何传输介质费用都要低。 3 载波通信调制解调等关键技术的发展突破，使得电力线载波通信一直不 断发展进步。新技术的应用使得载波机的通信性能得到很大的提升。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 经过多年的发展，国内外相关研究组织或个人在中低压电力线的信道特性 研究方面取得了一定成果，但是电力线载波通信因为有以下缺点，导致p l c 未 能大规模应用：心 1 信道容量有限。在当今通信业务已大大开拓的情况下，载波通道的信道 容量己成为制约其应用的“瓶颈 问题。如何实现更高速、多路的电力线载波 通信是进一步发展的主要课题。 2 可靠性和稳定性不高。电力载波机由于技术性能、工艺结构和电路的局 限，设备的稳定性差、故障率高，管理维护有待加强。国外载波机平均无故障 时间( m t b f ) 可达几十年，在这点国产机是根本无法相提并论的。 3 电力线存在本身的脉冲干扰。目前使用的交流电有5 0 h z 和6 0 h z ，则周 期为2 0 m s 和1 6 7 m s ，在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两 次脉冲干扰，即电力线上有固定的l o o h z 或1 2 0 h z 脉冲干扰，干扰时间约2 m s ， 因定干扰必须加以处理。有一种利用波形过0 点的短时间内进行数据传输的方 法，但由于过0 点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据 帧又比较长，所以难以应用。 4 电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达 1 欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对 点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。 1 3 电力线载波通信应用于机车控制的研究意义 本课题中用于载波通信的电力线，是单相交流接触网，2 7 5 k v - 2 5 k v 。对 于中压电力线网络，由于其业已存在的广泛分布，成为了在偏远地区实现高速 网络接入的理想媒介，以缩短和消除城市地区与农村地区，发达地区与不发达 地区之间的“数字鸿沟 。近年来，中压电力线宽带网络接入以其基础设施完 备、分布广泛、成本低廉的特点，正越来越受到关注，尤其是在偏远农村或者 人口稀少的地区，具有极强的实用价值。 本课题研究电力线载波通信的意义在于，将电力线应用于多机牵引时机车 控制信号的传输。控制信号的流向是这样的：本务机车通过电力线将控制信号 传输给补机，补机接收到控制信号后，进行同步控制。同时，执行完本务机车 的控制命令后补机将自身的状态信号通过电力线反馈回本务机车，从而给司机 的操纵驾驶提供参考。本文主要研究电力线载波通信这项技术，为实现电力线 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 通信应用于机车控制打下基础。 1 4 本文研究的主要内容与组织结构 我们知道，电力线上对数据信号的衰减和干扰非常严重，包括固有的高噪 声、多经效应和频率衰减等情况。而本课题的研究对象，我国电气化铁道单相 工频交流接触网，其不平衡供电回路在其周围空间产生电场和磁场，对附近通 信会产生电磁危险影响和杂音干扰影响。为克服这些干扰，目前普遍认可的是 采用o f d m 技术。 目前，低压领域的电力线载波通信已经通过实验证实比较容易实现。理论 上，本课题所研究的中压电力线远离市区人群，受到的实时性干扰不如低压电 力线强，但是由于它是靠受电弓接触单向交流接触网，受到一些特殊的局限， 使得在实际中实现起来有一定困难。本课题将采用循序渐进的手段，首先以实 验室的2 2 0 v 电力线为实验对象，实现两台电脑间的数据通信，证明所采用的实 验方案的可行性。通过实验，对低压模块的研究和应用来建立电力线载波通信 的概念，以此为模型，为2 5 k v 的单相交流接触网实现通信打下基础。 本文的主要研究任务如下： 1 研究电力线信道的基本特征，分析电力线作为数据传输媒介产生的干扰 和衰减，并且根据本文针对的研究对象，讨论接触网产生的电磁影响和干扰。 2 介绍o f d m 技术的基本原理，并对o f d m 技术在电力线载波通信领域的应 用进行分析。 3 分析系统的硬件组成。 4 以实验室的2 2 0 v 电力线为实验对象，采用k q 一1 0 0 k 电力线载波通信模块， 实现两台电脑间的数据传输。目的是为了建立电力线通信的概念，为从低压到 高压的过渡打下基础。 本文的组织结构安排如下： 第一章简介电力线载波通信的基本原理与分类等，分析国内外电力线载波 通信的发展历程和现状，以及电力线通信应用于机车控制信号的传输意义所在， 并对于存在的问题进行归纳，明确研究方向。 第二章着重分析中压电力线载波通信的信道特征，信道的衰减特性，并针 对我国电气化铁道采用的单相工频交流接触网，进行电磁影响分析，以选择最 佳的调制解调方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第三章介绍整个电力线载波模块应有的硬件组成部分。 第四章理论介绍了各种调制解调技术，并重点分析o f d m 调制解调技术的基 本原理，包括o f d m 的定义、数学表达、讨论o f d m 技术应用于电力线载波通信 的优势和不足。介绍系统结构和实现过程。 第五章采用四j i i 科强电子公司的电力线载波通信产品k q - i o o k 型模块，进 行试验，该试验主要实现试验室2 2 0 v 电力线的数据传输，目的是为了建立电力 线通信的概念，以此为模型，为2 5 k v 的单相交流接触网实现通信打下基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章电力线载波通信技术 我们知道，电力线是用来传送5 0 h z 6 0 h z 工频电能的，所以在电力线的结 构设计上，不可能考虑到高频通信技术的特殊要求。电力线上带高电平，不能 直接接触，线路上杂音电平也很高，给组织高频通道带来一定的困难。总体来 说，电力线信道环境比较复杂，线路阻抗小变化大，信号衰减强，干扰大而且 时变性大等。而本文的研究对象是2 5 k v 单相交流接触网，其电磁影响更加恶劣。 因此，为了实现电力线可靠数据传输，需要对其传输特性进行研究。本章着重 分析信道衰减、信道噪声的影响，并针对接触网产生的电磁感应影响作分析和 研究。 2 1 信道容量分析 在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量，用c 表示，单位为b i t s 。从信息论的观点来看，各种信道可概括为两大类：离散 信道和连续信道。所谓离散信道就是输入与输出信号都是取值离散的时间函数； 而连续信道是指输入和输出信号都是取值连续的。可以看出，前者就是广义信 道中的编码信道，后者则是调制信道。仅从说明概念的角度考虑，我们只讨论 连续信道的信道容量。【1 】 假设连续信道的加性高斯白噪声功率为n ( w ) ，信道的带宽为b ( h z ) ， 信号功率为s ( w ) ，则该信道的信道容量为 ， c 、 c = b l o g ，i1 + = l ( b s ) ( 2 1 ) l 这就是信息论中具有重要意义的仙农公式，它表明了当信号与作用在信道 上的起伏噪声的平均功率给定时，具有一定频带宽度口的信道上，理论上单位 时间内可能传输的信息量的极限数值。由于噪声功率与信道带宽口有关，故 若噪声单边功率谱密度为n 。( w h z ) ，则噪声功率n = n o b 。因此，仙农公式 的另一种表达方式为 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 c 圳( + 嘉 ( b s ， 浯2 ， 由此式可见，一个连续信道的信道容量受及、5 三个要素限制，只要 这三个要素确定，则信道容量也就随之确定。 仙农公式告诉我们如下重要结论： 1 在给定及影w 的情况下，信道的极限传输能力为c 而且此时能够做到 无差错传输( 即差错率为零) 。这就是说，如果信道的实际传输速率大于f 值， 则无差错传输在理论上是不可能的。因此，实际传输速率咫一般不能大于信道 容量g 除非允许存在一定的差错率。 2 提高信噪比影何( 通过减小n 。或增大d ，可提高信道容量特别是， 若一0 ，则伊，这意味着无干扰信道容量为无穷大。 3 增加信道带宽夙也可增加信道容量g 但做不到无限制地增加。这是因 为，如果文一定，有 l i mc ：s l 0 9 2e , 1 4 4 s (23)b- - a o n on o 4 维持同样大小的信道容量，可以通过调整信道的启及影佛来达到，即信 道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。例如，如果s n = 7 ， b = 4 0 0 0 h z ，则可得萨1 2 1 0 3 b s ；但是，如果髟舻1 5 ，b = 3 0 0 0 h z ，则可得同 样数值f 值。这就提示我们，为达到某个实际传输速率，在系统设计时可以利 用山农公式中的互换原理，确定合适的系统带宽和信噪比。 通常，把实现了极限信息速率传送( 即达到信道容量值) 且能做到任意小 差错率的通信系统，称为理想通信系统。仙农只证明了理想通信系统的“存在 性”，却没有指出具体的实现方法。但这并不影响仙农定理在通信系统理论分 析和工程实践中所起的重要指导作用。 依据香农定理，各种信号处理和调制方法不断出现，目的都是为了尽可能 接近传输速率极限。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 中压电力线的信道衰减特性 为了分析电力线载波通道的衰减特性，我们先来简单认识一下电力线载波 通道的组成。电力线载波通信系统的组成示意如图2 1 所示。由图可见，整个 系统主要由电力线载波机，电力线路和耦合装置组成。其中耦合装置包括线路 阻波器、耦合电容器、结合设备等组成。驯 电力线载波通道的衰减包括：线路衰减、耦合损失和桥路损失三部分。 线路衰减主要由这些参数决定：线路长度和导线排列、相导线的结构和材 料、地线的结构和材料、载波频率、耦合方式、大地电阻率、铁塔效应、天气 情况、线路的不均匀性( 换位分支插入电缆等) 。 耦合损失包括：经过结合设备和高频电缆的损失、由于阻波器和未阻塞相 泄漏引起的载波信号分流损失、其他损失( 例如因并联载波机引起的分流损失) 。 桥路损失是指载波信号在通道中经过高频桥路时的损失。 r j i 紊、 电窖i b 4 7 伪， 。一， 应用 图2 - 1 电力线载波系统国家标准示意图 鹊o i 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 1 线路衰减 在单边带电力线载波系统设计导则中，介绍了两种线路衰减的工程计算法， 这里，取电压为2 2 0 k v 以下，相地耦合方式的工程计算法2 来分析。可以用下面 经验公式( 2 4 ) 计算线路衰减： a = - k l f ( d b )( 2 - 4 ) 式中，卜与线路电压有关的衰减系数，见下表2 1 ； 卜线路长度，k m ； 卜工作频率，k h z 。 表2 1 系数k 与线路电压的关系 电压等级k v 3 51 1 02 2 0 k1 2 2x1 0 3 8 7 1 0 36 5x1 0 3 这个公式虽然实用，但其中系数k 只考虑了线路电压等级的因素，而对大地 导电率、导线型号、线路结构等完全没有考虑，因此也比较粗略。如考虑到以 上因素的影响，使计算结果更接近实际情况，可采用公式( 2 - 5 ) 计算线路衰减： a = k , 1 4 f + 如圹( d b ) ( 2 5 ) 式中，膏卜- 与导线型号有关的系数，见下表2 2 ； 詹卜与线路电压等级线路结构有关的系数，见下表2 3 ： 线路长度，k i n ； ，工作频率，k h z 。 表2 - 2 系数k ，与导线型号的关系 导线 型号 l g j 7 0l g j 。1 2 0 l g j 1 8 5l g j 。2 4 0l g j 3 0 0l g j q 3 0 0l g j q 4 0 0 6 3x4 7 3 7 3 3 3 0 k l 2 9x1 0 32 6x1 0 一： 1 0 - 31 0 - 31 0 11 0 。1 0 3 表2 - 3 系数煽线路电压及结构的关系 线路电压等级k v 3 51 l o2 2 0 三角形排列 9 o 1 0 11 2 0 1 0 12 5 1 0 1 水平排列 9 0 1 0 2 3 0 1 0 13 7 5 1 0 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 f双回路垂直i 1 6 0 1 0 12 5 0 1 0 1 i 另外，也不应忽略不良天气情况下的线路衰减。载波信号在线路上的传输 要受雨、雾、冰、雪等天气情况的影响。雨雾增加不了多少衰减，一般可以不 计。有时，在工厂区或海边下一次雨，可能将电力线绝缘子表面冲洗干净，衰 减反会减少。线路结冰情况不同，通道的传输衰减可增加到不能允许的程度， 设计人员必须考虑。当然架空线路全线范围都结冰的情况是很少出现的，线路 结冰时衰减的增加与以下因素有关： 1 电力线的排列； 2 导线冰层的厚度； 3 环境温度； 4 载波频率。 导线冰层厚度为0 5 m m 时，对于3 0 0 k h z 以上频率衰减系数增加到1 5 2 0 倍，频率愈高衰减愈大。结冰极端情况下受影响线段的衰减系数，可增加到好 天气的6 倍以上。分裂导线增加的倍数较少，因此，对于会结冰的线路建议选用 较低频率。 2 2 2 耦合损失 耦合损失包括以下三部分： 1 耦合装置和高频电缆的损失按照g b 7 3 2 9 规定，由结合设备及其所接的耦 合电容器组成的四端网络的综合损失( 工作衰减) ，在整个工作频带内应不大 于2 d b 。这部分损失包括耦合电容器介质损失在内，一般小于1 3 d b 。在4 0 k h z 至5 0 0 k h z 范围内，高频电缆的衰减一般为1 - 5 d b k m 。 2 分流损失按照g b 7 3 3 0 规定，阻波器的分流损失不应超过2 6 d b 。 3 附加损失几台电力线载波机的发送、接收部分并联，接往共同的耦合装 置时，每台载波机因并联分流会增加损失0 5 l d b ，设计时应当给这损失留有 裕度。 2 2 3 桥路损失 高压电网的结构常和通信网络的要求不是一致的，电力线载波通道的终端 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 不一定都是电网的终端。有时电力线载波通道要在有中间变电站的两段线路上 建立，有时电力线载波信号又要通过中间站继续传送。从费用和频率分配的观 点看来，全部装设载波机进行音频转接是不经济的，常用的方法是装设高频桥 路。高频桥路还可以防止带电一侧的线路的工作电压，传到不带电的一侧去。 高频桥路由两端带通滤波器式的耦合装置组成，其间用高频电缆连接，并按一 般方式装设阻波器，这种桥路的通带等于耦合装置的通带。其附加衰减包括结 合设备、线路匹配变量器、高频电缆引起的损失。在直通桥路情况下，损失的 典型值为4 - 8 d b ，桥路上并联本地载波机时为5 9 d b 。 在相地耦合情况下，信号通过中间站的桥路和通过未加工相导线而到达下 一段线路的输入端。由于通过这两条途径的信号电压间的相互作用，可能使桥 路损失在某些频率处增大。 一条已有的线路需丌接入一个新建变电站时常会出现线路平行情况，这时 两条平行的线路由原来线路的t r 接处引入新变电。站为了维持原有的通道，需 在新变电站增设高频桥路，而平行线路间的感应会形成载波信号传输的另一条 途径。与上述情况相似，桥路损失可能会在某些频率处增加。 改变结合设备中匹配变量器的极性方向，有时可以使上述桥路损失的增加 减少。 2 2 4 通道总衰减计算 电力线载波通道的总衰减，包括线路衰减、耦合损失和桥路损失三部分， 因此，总衰减为这三者的和。由于在计算中，各种损失都有一定的数值范围， 因而设计时往往不容易取值。在进行系统设计时，也可以采用下面的公式( 2 6 ) 计算通道总衰减： 4 肼= 彳+ 7 o n , + 3 5 2 + 0 9 3 + 如6 + 4 w ( 2 6 ) 式中，厶，电力线载波通道总衰减，d b ； 彳按式( 2 - 4 ) 或式( 2 - 5 ) 计算的线路衰减，d b ； l 通道中高频桥路数； 2 通道中中间载波机与无阻波器分支线数之和； 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 通道两端并联载波机与有阻波器分支线数之和； 厶。高频电缆的衰减，等于电缆每千米衰减值( d b k m ) 与其长度 ( k m ) 的乘积( d b ) ( 如电缆不长此衰减可忽略不计) ； 如终端衰减，取为5 7 d b ，其中发送终端衰减为3 5 d b ，接收 端因结合设备使信号和噪声同时衰减，不影响信噪比，所以不计结合设备的衰 减1 3 d b 。 通道总衰减的这种计算方法比较简单，误差一般在工程设计允许的范围内， 可以使用。 2 3 电力线载波系统的噪声分析 高频通道上的噪声是电力线载波通路的主要干扰源，它使得电力线有比明 线、电缆等其他类型通道高得多的噪声，而这些噪声主要来自电力线。电力线 上的噪声主要有随机噪声和脉冲噪声两种类型。它们对通道中信息传输的影响 各不相同。m 3 2 3 1 随机噪声的产生原因与特点 随机噪声，又称电晕噪声，是由于电力线在高压强电场作用下，对周围空 气产生游离放电的电晕，以及绝缘子表面及其内部局部放电所引起的。在标称 载波频段3 0 - - 一5 0 0 k h z 范围内，可将上述原因引起的噪声近似看成对频率均匀分 布的白噪声。但它和白噪声又有所不同，它的幅值随频率增高而减小，电晕噪 声的包络峰产生于线路工频正向电压峰值附近，负向电压时噪声电压大为降低， 而且受工频5 0 周调制，使其在实践上分布并不均匀。电晕噪声包络峰的个数和 幅度因耦合方式而异。 当随机噪声幅度很大时，可以把它近似看作是个矩形波。经过频谱分析， 在频率为3 0 - - - 5 0 0 k h z 频段内，随机噪声的频率是连续、均匀分布的，但噪声的 幅值却随频率的升高而有所下降。两个不同频率的噪声电压比墨与频率之间的 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 关系为 驴f u r n f ；时“啦 、_ ，2 ( 2 - 7 ) 式中“嘲和“啦分别是3 0 5 0 0 k h z 范围内任意两个频率的噪声，其中频率 z z 。鼬h 5 0 0 k h z 时的噪声电压与3 0 k h z 的噪声电压比值为 s ，：f 型14 一l ( 2 刮 l3 0 2 耳 5 0 0 k h z 处的噪声电压电平l 匕3 0 k h z 处的噪声电压电平 氐6 d b 。 另外，随机噪声电平还与许多外部因素有关，例如导线表面的污染、潮湿、 大气条件的变化及电压等级，特别是雨雾天气以及导线表面覆冰盖雪等，都能 导致线路上电晕增大，即加大随机噪声的强度。 总之，随机噪声在电力线载波通到的干扰噪声中所占的比重最大，持续存 在，主要影响着通信质量。 2 3 2 脉冲噪声的来源和特点 脉冲噪声来源于下列情况：线路上油开关和隔离刀闸的操作，大气过电压 造成避雷器动作，系统短路故障等。另外，架空地线与铁塔接触不良，架空地 线绝缘子放电间隙放电，线路绝缘子串局部破损引起放电等，也将产生脉冲噪 声。 一般说来，脉冲噪声对模拟量形式的电话信息和慢速数字信息的影响是有 限的。但是，对于事故状态下以毫秒计的高速传送的高频保护、远方跳闸及远 动信号来说是有很大影响的。许多现场试验结果证明，单个的干扰电压冲击是 以微妙计的，虽然幅值很大，但并不会引起高频保护装置误动作。在较短时间 间隔内发生的一个紧接着一个的多次电压脉冲会严重干扰机电保护、远动信息 的传输。 脉冲噪声经过滤波器之后，在滤波器输出端所反映的特性，与滤波器的通 频带宽度厂以及每秒脉冲的个数 有关。当每秒种内的脉冲个数少，且脉冲宽 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 度窄时，各个单脉冲所产生的过渡过程互不重叠，滤波器输出端的波形仍然为 脉冲特性。当植大且脉宽宽时，各个单脉冲的过渡过程将互相重叠，其幅度和 香味将互相重叠，形成类似电晕形成的白色噪声。通常以下式( 2 - 9 ) 表示的条 件来判别上述脉冲噪声在滤波器输出端的特性 _ ，z ( 6 l o ) a f ( 2 9 ) 式中每秒内滤波器输入脉冲的个数； 滤波器的通带宽度。 当该式子成立时，滤波器输出端上的噪声将具有类似白色噪声的特性。 在电力线高频通道上，除了随机噪声和脉冲噪声以外，还有无线电波的干 扰。因此，在设计电力线载波上限频率是，通常取5 0 0 k h z 一下，以避免电力线 载波与广播和无线电通信间的相互干扰。h 3 1 2 4 单相交流接触网特点与问题所在 我国电气化铁道采用单相工频交流制供电，接触网额定工作电压为2 5 k v 。 同时，电力牵引的供电回路采用接触网钢轨( 大地) 方式，属于不平衡供 电系统。这种不平衡供电回路在其周围空间产生电场和磁场，对附近通信、广 播线路和其他电气设备，会产生电磁危险影响和杂音干扰影响，对地中金属管 道，也会产生感应电压和电流。通过接触网实现通信，干扰情况更是十分恶劣， 为了更有把握地进行调制解调，我们首先要来分析一下，干扰源的系统组成以 及干扰影响。阳3 2 4 1 牵引供电系统的组成 在电气化铁道上运行的电力机车，是一种非自己性机车，它所取用的电能， 是由一套专设的供电装置供给，这套供电装置统称为牵引供电系统，它主要由 牵引变电所和接触网两大部分组成。1 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 2 牵引供电系统图 图中卜高压输电线： 2 一牵引变电所； 3 一馈电线； 4 一接触网； 5 一电力机车； 6 一钢轨； 7 一回流线。 牵引变电所如何将工业电网中送来的三相电流，改变成单相方式输送给接 触网呢? 它是通过牵引变压器的电气接线而达到的。我国电气化铁路牵引变电 所的牵引变压器类型有三相式和单相式两种。新建电气化铁路多采用单相式。 单相变压器的一次侧( 高压侧) 额定电压是1l o k v ，二次侧( 低压侧) 的额定 电压是2 5 k v ，一般采用v v 接线，由两台单相变压器联成开口形接线( 图2 2 ) 。 其优点是牵引变电所的结构比较简单，单相变压器容量的利用率较高。缺点是 三相负荷不够平衡，自用电和区域用电所需要的三相电源不够可靠。 馈电线、接触网、钢轨和回流线组成一个双导线供电系统，并经由电力机 车形成一个电回路。而接触网、钢轨、馈电线和回流线组成牵引网，其中以接 触网和钢轨为主体。在上述牵引供电回路中流通的电流称牵引电流。由于钢轨 与大地之间存在着电导，因此，牵引电流在流经电力机车后，有一部分电流通 过钢轨漏泄入地，这部分电流以大地作为导体，然后经牵引变电所的接地网流 回牵引变电所的母线。通常，由大地流回牵引变电所的电流为地中回流，这部 分电流是对通信、广播线路和地中金属管道等设备产生电磁感应影响的主要原 因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 4 2 噪音干扰的影响 电力机车受电系统噪声一般由机车受电弓和接触网导线摩擦产生滑动噪 声、受电弓及其附件的空气动力噪声、以及受电弓离线导致的电弧噪声。高速 列车运行中需要由地面供电系统通过接触网经受电弓获得电能，牵引列车运行。 这种受流方式只能依靠受电弓在接触网导线上滑动获得电流，因此，保持受电 弓与接触网导线良好的接触，以使列车能够连续获得电流是至关重要的。由于 接触网的不平顺或受电弓的振动，会使得受电弓与接触网导线瞬时离开，这种 现象一般用离线率，即受电弓离线时间与整个运行时间的比来表示受流的质量。 受电弓与接触网导线离线不仅恶化受流质量，还会便受电弓与接触网导线间产 生电弧、增加噪声、电蚀接触网导线和受电弓滑板，从而降低接触网导线使用 寿命。 另外，通信线路因受交流电气化铁道接触网谐波电压和电流的感应影响而 产生的电压和电流，在通信回路中引起噪声，降低传输质量；使数据信号失真 而降低其清晰度等等。交流电气化铁道对通信线路的噪声干扰影响，主要是磁 干扰影响。 交流电气化铁道对通信线路的磁干扰影响，主要与电力机车牵引电流的波 形有关。牵引电流5 0 h z 基波上叠加的高次谐波分量，是造成音频范围内噪声干 扰的原因。而交流电气化铁道接触网谐波电压和电流产生的过程可以这样来解 释：电力机车主变压器在整流换相过程中，5 0 h z 的基波电流和电压产生衰减振 荡。 由于电力机车采用的整流元件不同，其整流过程中产生的衰减振荡波形也 不同，故每一种机车运行时，牵引电流的谐波成分也不同，因而对通信线造成 的噪声干扰影响程度也不一样。从理论上分析，牵引电流中各次谐波分量应当 随着谐波次数的增高而减小，但实际情况并非如此，其主要原因是牵引变电所、 接触网和电力机车组成了一个具有固有谐振频率的回路。当产生衰减振荡的 5 0 h z 基波电流和电压通过接触网传输时，与接触网分布电容和电感等参数产生 谐振而形成分布参数、供电臂长度、变电所和机车主变压器的特性及大地电导 率等因素有关。实测表明，该谐振频率为基波5 0 h z 的奇数倍，主要分布在1 3 到2 7 次谐波频率范围内，且当谐振频率接近“牵引变电所、接触网和电力机车” 系统得固有振荡频率时，谐波振幅明显增长。用实验的方法可以证明，对于复 线电气化铁道，该谐振频率位于第1 9 至2 1 次谐频之间；而对单线电气化铁道， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 则位于第2 3 至2 5 次谐频之间。这些谐波频率均处在人耳最为敏感的音频频段， 因此，若在音频电话回路中容易产生噪声干扰。 本章详细分析了中压电力线载波通道的信道特点。首先，从理论上对信道 容量进行了分析；对于信道的衰减，学习并介绍了一种工程计算方法，并得出 这样的结论，电力线信道的衰减在高频一侧比较大，而传输线路的距离增大， 会师的这种衰落的