【文章內容簡介】 化不可預測。圖2－8用對數(shù)圖繪出了參考文獻[13]中實測出的輸入阻抗與頻率的關系數(shù)據(jù)。圖2－8　輸入阻抗頻率關系圖 　從圖2－8中可以看出：電力線上的輸入阻抗隨著頻率的變化而劇烈變化，變化范圍超過了1000倍，而且，在實驗所測的頻率范圍內，輸入阻抗隨頻率的變化并不符合一般想象下的隨頻率的增大而增大的變化規(guī)律，甚至與之相反。為了解釋這一問題，可以將電力線看成是一根傳輸線，上面連接有各種復雜的負載。這些負載以及電力線本身組合成許多諧振回路，在諧振頻率及其附近頻率上形成低阻抗區(qū)，從而造成了在局部頻率段內阻抗隨著頻率增加而減小的現(xiàn)象。因此，在輸入阻抗—頻率圖上可以看到許多阻抗低谷區(qū)。這些低阻抗區(qū)組合起來，就形成圖2－8所示的圖形，并會在局部上違反電力線上阻抗隨負載增大而降低的一般規(guī)律。同時，正是由于負載會在電力線上隨機地連上或斷開，所以在不同時間，電力線的輸入阻抗也會發(fā)生較大幅度的改變。出于同樣的原因，電力線上不同位置的輸入阻抗也會不同。在由許多電阻、電容和電感組成的網(wǎng)絡中，從不同的點上看進去，輸入阻抗顯然是不同的。圖2－8的兩曲線就是在同一個低壓電力線網(wǎng)的不同地點測得的。可以看出，信號輸入點的不同對輸入阻抗的影響是非常大的。 由此可以看出，低壓電力線的阻抗變化特性很復雜，具有時變性。167。 干擾在低壓電力線上進行數(shù)據(jù)通信時另一個需要認真研究的重要問題是電力線上干擾的特殊性質。為了表示這種干擾的復雜特性并簡化分析，我們可以近似地將其分成4類：周期性的連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾、時不變的連續(xù)干擾和隨機產(chǎn)生的突發(fā)性干擾。通常情況下,前兩類干擾占主導地位。（1）干擾的周期性由于諧波噪聲以交流電頻率(f)的整數(shù)倍出現(xiàn)，因此這種高頻干擾具有周期性。消除這種干擾的困難有兩點:首先，由于無法對這種干擾的周期、寬度、強度和發(fā)生時間等做出準確的預測，而且這些參數(shù)的變化范圍可能很大，所以很難有針對性地采取措施抑制這種干擾；其次，由于這種干擾的頻譜非常寬，所以對接收端濾波器的靈敏度有很高的要求。另外，有許多大功率的用電設備，如電機等，會在電網(wǎng)上產(chǎn)生很多的高次諧波。這些高次諧波只存在于工頻的整數(shù)倍的頻率內，但是能量較大，且頻率有可能延伸到幾萬赫茲。如果信號頻率正好與它們重疊，則對通信的可靠性會產(chǎn)生很大的影響。在實際情況中，由于有大量的用電設備同時釋放出干擾，而這些干擾的瞬時功率、周期、相位等又變化很大，各不相同，因此最終會在電力線上產(chǎn)生時不變的連續(xù)干擾。 （2）干擾的隨機性除了上述的周期性和連續(xù)性的干擾外，電力線上還存在許多隨機發(fā)生的干擾。這種隨機干擾通常是由于高壓開關的操作、雷電、較大的負荷變化、電力線路上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脈沖干擾或脈沖干擾群，持續(xù)時間較短，但能量很集中，頻譜也很寬 。 另外，低壓電力線路上的各種大功率負載的突然開關、大功率電機的啟停過程、功率因數(shù)補償電容器的投切以及短路、故障切除和重合閘等都會引起電壓、電流的突變和諧波分量的增加。而在離接收機近距離的范圍內，某些中小功率的負載，如日光燈、計算機等的開關也會產(chǎn)生較大的突發(fā)脈沖干擾而影響通信。上述這些干擾的持續(xù)時間較短，從幾十微秒到幾秒不等，強度大小也不等，出現(xiàn)時間也是隨機的，具有很大的不可預測性。如果它們正好發(fā)生在數(shù)據(jù)通信過程中，由于其高能量、寬頻譜的特性，通常會使所傳數(shù)據(jù)的若干個位甚至整個數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生錯誤。在一個完善的低壓電力線載波通信系統(tǒng)中，可以通過前向糾錯碼、自動重發(fā)機制、數(shù)據(jù)預取機制等措施加以克服。（3）干擾的多變性這種多變性表現(xiàn)在2個方面。首先是因時而變，即在不同時刻，干擾的頻率、強度都各不相同。其次是因地而變，即在不同的低壓電網(wǎng)之間，干擾情況各不相同；而在同一個低壓電網(wǎng)之內，不同地點的干擾情況也不相同。前者是因為在不同的電網(wǎng)之間，連接的負載、線路情況、電網(wǎng)結構等都不同，導致電網(wǎng)內的各種參數(shù)都不同，則必然會影響干擾的分布。后者是因為干擾在電力線上的傳播也要遵循高頻信號在電力線上的傳播特性，會受到電力線上衰減特性的影響，因而對距離、負載分布等也很敏感。167。 信號的衰減及其變化低壓電力線是傳輸50Ｈｚ或60Ｈｚ電能，而不是為通信專門設計的。其本身的阻抗很?。ㄒ晫Ь€的電導率和截面積不同而不同）。對不同頻率的信號，其阻抗略有變化且相對穩(wěn)定。因此，電力線本身的阻抗并不是產(chǎn)生衰減的主要原因。對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，它的分支線很多，各種不同性質的負載在這根線的任意位置隨機地連接或斷開。因此，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。顯然，這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關系。總的來說，信號傳輸?shù)木嚯x越遠，信號衰減就越厲害。但是，由于電力線是非均勻不平衡的傳輸線，接在上面的負載的阻抗也不匹配，所以信號會遇到反射、駐波等復雜現(xiàn)象。這些復雜現(xiàn)象的組合，使信號的衰減隨距離的變化關系變得非常復雜，有可能出現(xiàn)近距離點的衰減比遠距離點還大的現(xiàn)象。另外，當跨相傳輸時和同相傳輸時衰減也是不同的。跨相傳播時,衰減一般比同相傳播時衰減大10dB。對于民用電網(wǎng)，其三相電源所接的負載大小和性質都不相同，所以同樣強度的信號在三相上的衰減也不同。這種現(xiàn)象有時就表現(xiàn)為接收機和發(fā)送機的位置不變，接在不同相上，通信的誤碼率不同。信號頻率與信號衰減有著直接的關系，信號頻率越高衰減的幅度越大。另外，電容器對低壓電力線載波通信系統(tǒng)有重大影響。由于電容器高頻的阻抗比較小，所以會使高頻信號有比較大的衰減?？傮w來說，電力線的衰減隨頻率的增加而增加, 但在某些頻率上，由于共振現(xiàn)象和傳輸線效應的影響，會使衰減突然地迅速增加。此外，高頻信號在低壓電力線上傳輸時，其衰減隨工頻電源的相位而變化。隨著工頻交流電的變化，高頻信號的衰減會出現(xiàn)周期性的變化。在不同的時間段和不同的地點，衰減幅度也不同，有時變化會很大。從以上分析可知，低壓電力網(wǎng)的衰減特性是極其復雜的。對不同建筑物或相同建筑物電力網(wǎng)中不同的節(jié)點間，甚至同一對節(jié)點在不同的時間，其衰減值都相差很大。該情況主要是由于電力網(wǎng)負載的變化所致。根據(jù)文獻提供的測量結果,可總結出低壓電力網(wǎng)衰減的一般特性:，即使收發(fā)信機同相，信號衰減仍可高達20ｄＢ或以上。，但在一些頻率點上有所例外。，信號衰減隨之增大，但這種變化并不是單調的。，有可能發(fā)生窄帶衰減。f .低壓電力線通信信號的衰減特性很難建立準確的數(shù)學模型，也不能用簡單的數(shù)學公式來表達，它適合用統(tǒng)計的方法分析。167。 電力線傳輸理論作為載波信號的傳輸介質，電力線的衰耗分析對研究載波信號有很重要的意義。 167。 均勻傳輸線的基本方程 所謂的均勻傳輸線就是構成材料、幾何尺寸、相對位置及周圍介質沿導線都無變化的傳輸線。1876年，亥維塞導出包含的傳輸線電壓、電流方程，這就是經(jīng)典電報員方程，它是一對偏微分方程： 式中是u、x是沿x軸放置的平行導線的電壓、電流，即u（x，t）、i（x，t）， R、C、L、G為單位長線電阻、電容、電感、漏導。將式（24）對時間t求偏導數(shù)，將式（25）對空間坐標x求偏導數(shù)，可得＝LC＋（R C＋GL）＋RGi （26）同理，可得 ＝LC＋（R C＋GL） ＋RGu （27） 由于 R、C、L和G都是沿線分布的參數(shù)，所以式（24）和式（25）通常又稱為分布參數(shù)電路的基本方程組。二線均勻傳輸線以分布參數(shù)表示的等值電路如圖2－9所示。本方程組對同軸電纜也適用。設施于傳輸線上的電壓、電流為正弦交流電壓、電流，則式（26）和式（27）可表示如下iCdxGdxi+LdxRdxu+dxdxxu圖2－9 ＝[－ωLC＋jω（RC＋GL）＋RG]I(x) ＝（R＋jωL）（G＋jωC）I（x）=I（x） (28)＝（R＋jωL）（G＋jωC）U（x）＝ U（x）(29)式中＝ ＝α＋jβ，稱為傳播常數(shù)，其中α是波幅衰減的快慢；β描述相位的改變率，故稱為相位常數(shù)。Z＝R＋jωL，是單位長度的線阻抗， Y＝G＋jωC是單位長度的線導納。式（29）的通解為U（x）＝Ue＋Ue (210)式中U、U，由邊界條件決定的常數(shù)。式（29）的通解為，進一步推導可得I（x）＝Ie＋Ie＝e＋e ( 211)式中Z＝，稱為特性阻抗。 式子（210）、（211）稱為均勻傳輸線的解析穩(wěn)態(tài)解。167。 載波信號在電力線上的反射在均勻傳輸線中，當電壓和電流行波傳播到不均勻處時，要發(fā)生反射和透射。傳輸線的反射系數(shù)可以用電壓比和電流比來定義，其中電壓反射系數(shù)最常用。設特性阻抗為Z的傳輸線終端接有阻抗等于Z的負載，如圖2－10所示。以線路終端為坐標原點，則它的反射系數(shù)為ZxIIx＝－lUUZ圖2－10 ρ＝ 兩對特性阻抗不同的傳輸線，研究它們的電壓和電流，如圖2－11所示的第二對傳輸線上，沿線的電壓、電流表達式為U（x）＝Ue （212）I（x）＝e (213) x 0 IU(I)U(I)UU(I)U( I)Z Z圖2－11 式中U和 I(＝U/ Z)是它在連接處的電壓和電流，x為正。根據(jù)邊界均勻傳輸線地邊界條件，最后可得 U＝，從而得透射系數(shù)為 τ＝= (214)把U＝ρU和U＝τU代入式(210)和式（212）及（213），得第一對線上的電壓和電流為 U（x）＝U（e＋ρe）＝Ue（1＋ρe） （215）I（x）＝（e－ρe）＝e（1－ρe） （216）第二對線上的電壓和電流為U（x）＝τUeI（x）＝τe線路各處的入端阻抗為Z（x）＝U（x）/I（x）把式子（215）和（216）代入上式，得第一對傳輸線上任意點的入端阻抗為Z（x）＝Z (217)IZEUZ圖2－12因此要分析不同阻抗特性的傳輸線、不同匹配的衰耗時，可以利用傳輸線輸入端的入端阻抗Z等值替代該傳輸線，如圖2－12所示。圖中E代表信號源的電勢，Z表示信號源的內阻抗。對如圖2－13所示的電力線路，可求得各段線上的電壓、電流。其中E 、Z為信號源的電勢和內阻抗計算A－A處的電壓、電流時，可將A－A右邊的三對傳輸線及兩個負載Z 、Z的作用用A－A處的入端阻抗Z表示（如圖2－DAAZIDBBZ ICClZ Z ZlIZE 圖2－13 14）；B－B右邊的兩對接有負載的傳輸線又可用處的入端阻抗（Z和Z并聯(lián)）表示（如圖2－15）。為了能應用同一個計算公式，在計算在計算Z和Z時，坐標原點分別選在C－C及 D－D處，而在計算Z時，坐標原點選在B－B處。ZE A A Z圖2－14ZE A AZ圖2－15 B B Z Z 于是可得Z＝Z Z＝Z＝ ＝同理可求得Z＝Z ＝Z＝Z//Z 第一對傳輸線始端的電壓電流為：I=， U＝IZ由始段邊界條件，經(jīng)過整理得第一對傳輸線中任意點x處的電壓、電流分別為： U（x）＝Ucosh（l＋x）－IZsinh（l＋x） I（x）x＝－ cosh（l＋x）－Isinh（l＋x）上式中坐標原點在B－B處，其中coshx＝，sinhx＝信號的衰耗為a=10lgU(x)*I(x)/P，這樣可以用以上公式來計算實際電力線路中信號衰耗，為驗證理論值和實測值提供了有效的依據(jù)。167。 線路測量我們選取了青州海岱線及城東線作為測量，對象并對其進行了通道衰耗測量和載波通信試驗。167。 測試線路情況東壩變電站的海岱線的第一套耦合設備安裝在出口的第一個電桿上，信號經(jīng)由300米高頻同軸電纜送至變電站控制室。海岱線第一個開關在49桿處。云門山變電站的第一套耦合設備安裝在線路出口的第一個電桿上，信號經(jīng)由250米高頻同軸電纜送至變電站。城東線第一個開關在25桿處。城東線上的三里支線開關在41桿，距25，距城東線與海岱線的聯(lián)絡開關（鐵塔）。，如圖2－16。東壩站1＃49＃鐵塔云門山1＃25＃41＃圖2－16通信簡圖 167。 測量數(shù)據(jù)（1）阻抗特性：在運行情況下，線路的阻抗在60Ω至100Ω的范圍內（在東壩站變電站測得為70Ω，云門山變電站測得為75Ω，城東41桿至鐵塔為100Ω）。結合濾波器L1 震蕩器匹配電阻L2電平表匹配電阻12圖2－17結合濾波器（2）測試接線示意圖： （3）線路衰耗: 運用下式計算通道工作衰耗 aef=L1L26(dB)見表2－2結論：中壓載波通信（DLC）系統(tǒng)能夠在通道衰耗低于50dB條件下正常工作，不丟數(shù)據(jù)包，在通道衰耗達55dB時丟包率為20%。上述測量結果在系統(tǒng)要求范圍之內，經(jīng)用載波通訊單元SDC進行試驗，能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)。表2－2 試驗線路測量記錄 頻率(KHz)信號發(fā)出信號接收衰耗(dB)備注位置輸入阻抗(Ω)信號大小(dB)位置輸入阻抗(Ω)信號大小(dB)東壩站內1000海岱49100停電狀態(tài)東壩站內750海岱497531115東壩站內1000海岱4910028東壩站內750海岱497530正常運行狀態(tài)東壩站內600海岱496037115東壩站內750海岱49753024115東壩站內