宽带电力线载波通信信道特性研究与建模

宽带电力线载波通信信道特性研究与建模

刘海洋

国网新疆电力有限公司电力科学研究院830000

摘要：为提高低压电力线信道传输性能，拓宽信道带宽和降低高频信号在低压电力线中传输误码率，基于G3－PLC标准建立了一个高频载波通信信道模型，并应用于低压电网络。采集多组电力线噪声数据，在通信频段为100kHz～3MHz的情况下，进行时域和频域二维空间仿真，并在PSpice中验证了模型的可靠性。实验结果直观展示了电力线的噪声干扰、阻抗和衰减特性，对深入理解和推进宽带电力线通信发展具有积极意义，为预测低压电网络中PLC信号传输特性提供了一种分析方式。

关键词：电力线载波通信；信道特征；传输性能

1宽带电力线信道特性分析

1.1输入阻抗特性

电力线载波通信(PLC)的输入阻抗等效电路如图1所示，即信号发送端与接收端电网络中的等效电阻，由于负载频繁的接入和切出电网络，使得低压电网络中阻抗大小不断发生变化，最后测量电阻上的电压U0和插座上的电压U1，到输入阻抗Z，k为比例系数。

1.2噪声干扰特性

电力线中含有两种明显的噪声信号:一种噪声是周期性脉冲信号;另一种噪声是随机脉冲信号，它可能是由于低压配电网络中负载的接入和切出以及开关操作引起的。

周期新噪声脉冲会随着PLC信号频率的提升而降低，PLC信息传输影响较大的是随机噪声，会突发性导致信号传输误码率提升。

1.3信道衰减特性由于PLC传输系统使用的是模拟信号在电力线中进行传输，所以由于电力传输长度不一导致信号衰减不断变化。电力线中的高频信号是通过耦合变压器T耦合得到的，所以同样会带来不同的衰减。

2宽带电力线信道建模

根据宽带电力线传输特性构建了如图2所示的电力线载波通信PLC模型的简化模型。将PLC信道作为一个整体，通过软件OriginPro9．1进行线性拟合，得到所需参数。由于电力线和负载不同，信道的测量结果也会不同，在实际应用中需要不断调制模型参数。

若将PLC信道看作多径模型，如图3所示，A为发送端，C为接收端，D为开路，B为分支节点，A到B的距离和B到C的距离不相等，采用传输矩阵建立模型得到信道模型的频率响应Ｒ(t)为Ｒ(t)=p1S(t－f1)+p2S(t－f2)+N(t)式中:S(t)表示来自发送端的已调信号，Ｒ(t)表示接收端频率响应，p1、p2为参数，N(t)表示低压PLC电网络中噪声总和。

为了分析宽带PLC信道模型，采集了3组数据，对应3种不同的信道环境。在频率为100kHz～3MHz的情况下，通过测量供电端电压和恒定电阻上的电压得到输入阻抗;为了获得信号衰减参数，在信号接收端和发送端使用两个完全相同的耦合变压器进行同步测量;采用数字存储示波器对低压电力线上噪声进行测量和采集。最后将采集的数据通过模型计算以及线性拟合，得到如图4所示的不同环境下幅频特性响应和如图5所示的信道幅频特性在多径效应下的影响。

图75径和15径电力线幅频特性

图4表明，不同信道环境下信号随频率的不断变化呈现不同的衰减趋势，在信号频率为500kHz左右时，信号衰减最小，通信质量最佳。图5表明，在同一信道环境下，随多径数量的增加，频率选择性衰落特性越大，在多径数为1时，信道延时最短衰落最小，通信可靠性较大。

通过Matlab软件仿真得到如图6所示的宽带PLC系统中随机噪声的幅频特性，图7所示为5径、15径电力线的幅频特性。

仿真中5径PLC信道模型长度参数为:100，130，160，190，300。衰减参数为:0.6，－0.08，0.08，－0.08，0.15。15径PLC信道模型长度参数为:90，102，113，143，148，200，260，322，411，490，567，740，960，1130，1250。衰减参数为:0.029，0.043，0.103，－0.058，－0.045，－0.040，0.038，－0.038，0.071，－0.035…0.065，－0.055，0.042，－0.059，0.049。仿真结果表明，随着信号频率的提高，噪声衰减变大，抗干扰能力变强，同时15径电力线比5径电力线频率选择性衰落特性更大，与实验结果相同，符合实际情况。

结束语：

分析了宽带电力线载波通信(PLC)信道特性，建立了宽带PLC信道模型。在信号频率为100kHz～3MHz的情况下，得到了3种不同低压电网络环境中的幅频特性和多径效应影响下的幅频特性。通过对比Matlab软件仿真结果得到相同结论，结果表明该模型符合G3—PLC标准，在频率为500kHz左右、多径数量1时，拥有较为可靠的通信质量，为深入研究低压宽带PLC系统提供了有效信息。

参考文献:

[1]张小平，李佳宁，付灏．全球能源互联网对话工业4.0[J].电网技术，2016，40(6):1607－1611．

[2]胡江溢，祝恩国，杜新纲，等．用电信息采集系统应用现状及发展趋势[J].电力系统自动化，2014，38(2):131－135．

[3]马钊，周孝信，尚宇炜，等．能源互联网概念、关键技术及发展模式探索[J].电网技术，2015，39(11):3014－3022．