低压电力线窄带载波通信信道阻抗与衰减特性的现场测量及分析.pdf
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1、总第 4 8卷第 5 4 7期 2 0 1 1 年第 0 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r u m e nt a t i o n V0 1 4 8 No 5 4 7 J u 1 2 01 l 低压 电力线窄带载波通信信 道 阻抗 与衰减特性的 现 场 测 量及 分析 李丰 , 田海亭 , 王思彤 , 袁瑞铭 , 梁贵书 ( 1 华北电力大学, 河北 保定 0 7 1 0 0 3 ; 2 华北电力科学研 究院有限责任公司, 北京 1 0 0 0 4 5 ; 3 华北电网有限公司计量中心, 北京 1 0 0 0
2、 4 5 ) 摘要: 低压电力线载波通信已经成为智能电网建设中重要的本地通信手段, 但低压电力线通信环境恶劣, 影响 通信性能 , 因此必须测量并掌握低压电力线的信道特征。本文针对低压 电力线窄带载波通信应用于电力集抄 系统的现状 , 给出了现场测量阻抗和衰减特性所采用 的方法 , 并对有代表性 的台区进行 了现场测量 , 分析总结 了测量得到的不同类型低压电力线信道在 8 0 5 0 0 k H z 频段 内的阻抗和衰减特性 , 可为低压电力线载波通信现 场环境 的研究提供参考 。 关键词 : 低压 电力线载波通信; 测量 ; 阻抗特性 ; 衰减特性 中图分类号: T M 7 3 3 文献标
3、识码: A 文章编号 : 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 1 ) 0 70 0 9 00 7 Fi e l d M e a s u r e m e n t a n d An a l y s i s o f t h e I mp e d a nc e a n d At t e n ua t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f t h e Lo w v o l t a g e Po we r Li n e Na r r o wb a n d Ca r r i e r Ch a n n e l LI Fe n g ,TI AN Ha i t
4、i n g ,W ANG Si t o ng ,YUAN Ru i mi n g ,L I ANG Guis h u ( 1 N o a h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y , B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 , H e b e i , C h i n a 2 N o a h C h i n a E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e C o L t d , B e i j i n g 1 0 0 0 4 5 , C
5、 h i n a 3 N o A h C h i n a G ri d C o L t d C e n t e r o f M e t r o l o g y , B e i j i n g 1 0 0 0 4 5 , C h i n a ) Ab s t r a c t : L 0 wv o l t a g e p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n ( L VP L C) h a s b e c o me a n i mp o r t a n t me a n o f l o c a l c o mmu n i c a
6、t i o n i n t h e u n d e r g o i n g Chi naS s ma r t g rid s Bu t t h e p o o r e n v i r o n me n t o n t h e l o w v o l t a g e p o we r l i n e h a s a b a d e f f e c t o n t h e pe r f o r ma n c e s o f LV PL Cme a s u r i ng a n d un d e r s t a n d i n g o f t he po we r l i n e c ha n n
7、e l c ha r a c t e r i s t i c s b e c o me v i t a 1 I n v i e w o f t h e e x i s t i n g s i t u a t i o n o f t h e n a r r o w b a n d L V PLC wi d e l y b e i n g u s e d i n t h e r e mo t e p o we r me t e r r e a d i n g s y s t e m 。t h e p a p e r p r o v i d e s f i e l d me a s u r e me
8、 n t me t h o d s o f t he i mp e d a n c e a n d a t t e n u a t i o n c ha r a c t e ris t i c sa n d i mp l e me n t s a f i e l d me a s u r e me n t o n t h e s e l e c t i o n o f s o me t y p i c a l d i s t ribu t i o n n e t wo r k s,t h e n c o mp a r e s a nd s u mma r i z e s i mp e d a
9、n c e a n d a t t e n u a t i o n c h a r a c t e ris t i c s me a s u r e d i n t h e f r e q u e nc y r a n g e o f 8 0 5 0 0 k Hz A p r a c t i c a l r e f e r e n c e i s p r o v i d e d f o r t h e s t u d y o f r e a l e n v i r o n me n t s o f t h e L V PLC i n t h i s p a pe r Ke y wo r d s
10、: l o w v o l t a g e p o we r l i n e c a r r i e r c o mmun i c a t i o n,me a s u r e me n t ,i mp e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c,a t t e n u a t i o n c ha r a e t e ris t i e 0引 言 低压 电力线载波通信 ( L VP L C ) 凭借其利用覆 盖范围最广的低压配电网进行通信, 不需要另外投资 通信线路建设, 低压电力线通信线路牢固可靠等优势 已经成为智能用 电重要的本地通信手段 。但低压 电
11、 力线信道环境恶劣, 阻抗和衰减特性是影响低压电力 一 9 0 一 线通信可靠性的两个主要因素, 通常表现为阻抗匹配 性差, 信号衰减强烈, 并随着通信频段和低压配网环 境的改变而改变。因此 , 为提高低压载波通信技术 的 性能与可靠性, 除了不断提高载波通信产品的技术含 量 , 还需要对低 压载波通信信道 的特性进行深入研 究。现场测量是对低压电力线载波通信信道特性进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 7期 2 0 1 1 年第 O 7期 电测与仪表 El e c t r i c a I M e a s u r e me n t& I
12、n s t r u m e nt at i o n V0 1 4 8 No54 7 J u 1 2 01 1 行研究的第一步 。 综合分析国内外针对低压电力线阻抗与衰减特 性进行的现场测量工作 J , 不难发 现 : ( 1 ) 多数研 究侧重于各种频率范围内信道特性的测量 , 而没有体 现不 同类型低压配网的载波信道特性情况 ; ( 2 ) 一部 分研究着眼于未来室内高速载波通信的研究 , 测量主 要集中于室 内; ( 3 ) 由于国外低 压配 网结构 , 负载影 响与国内相比有很大不同, 因此 国外测量得到的信道 特性不完全适用于国内。因此 , 有必要针对我国低压 配网的特点 , 并结合现
13、阶段推行 的低压集抄系统窄带 载波通信的技术要求 , 对具有典型特征的不同类型低 压电力线信道进行测量。 1测量方法介绍 1 1 阻抗测量方法介绍 采用矢量伏安法测量 阻抗 , 将一个标准 阻抗 与被测阻抗 Z 串联 , 如 图 1所示 , 分别测出 z 和 两端的电压相量, 便可通过相量计算得到待测阻 抗 , 有 : z = 瓷 z 。 ( 1 ) 图 1 矢量伏 安 法测 量原理 Fi g 1 Me a s u r e p rin c i p l e o f v e c t o r v o ha mme t r y 通常采用固定轴法 和 自由轴法进行相量的除法 运算 。固定轴法如图 2(
14、a ) 所示 , 要 求相敏检波器 的 相位参考基准( 即 , Y坐标轴 ) 严格地与式 ( 1 ) 分母 位置上的测量相量一致 , 使相量除法简化为两个标量 除法运算 , 但这种方法很难保证两个相量相位严格一 图 2 固定轴 法 与 自由轴 法 比较 图 F i g 2 C o mp a ri s o n o f t h e f i x e d a x i s me t h o d a n d t h e 致 , 使硬件电路复杂 , 调试 困难 , 可靠性低 。 自由轴法( 如 图 2 ( b ) 所示 ) , 相敏检波器 的相位 参考基准可 以任意选择 , 并且通过软件可以产生并保 证两个
15、坐标轴的准确正交性 , 硬件 电路大大简化 , 还 消除了固定 轴法难 以克服的 同相误差 , 提 高了精 确 度。参考电压可 以不与任何 一个被测 电压 的方 向相 同, 但参考电压与被测 电压之一在测量过程中的相位 关系要求相对稳定 , 由此可得 : 磋 器 , 7Ux xUs x+ Ux y Us Y Ux y Us xUx xUs Y、 ( +J _ ) ( 2 ) 1 2衰减测量方法介绍 信道衰减特性 的测量方法采用频 点电压 比较测 量法进行测量。测量仪器包括正弦信号发生器、 功率 放大器、 耦合单元、 去耦单元、 示波器或频谱分析仪。 结构框图如图 3所示。 图 3 信 道 衰减
16、测 量 系统 结构框 图 Fi g 3 S t r uc t u r e o f t h e c h a n n e l a t t e n u a t i o n me a s u r e me nt s y s t e m 测量过程中 , 正弦信号发生器不断产生单频点信 号, 经过功率放大器的放大作用后由耦合单元馈入低 压配电网信道。保证单频点信号的输出和功率放大 器的使用都是为了减小低压电力线上宽频噪声对测 量的干扰 。信号在接收端由去耦模块将 2 2 0 V工频分 量隔离后 , 再输入到存储示波器或频谱分析仪 中进行 信号采集 , 通过 比较确定波形 经过信道后 发生 的变 化, 可以
17、反推出信号在信道传输过程中的衰减情况。 2 测量安排 。 2 1 典型台区的选择 为避免重复性工作, 应选择具有典型特征并具代 表性的几类 台区进行测量 。本次测量工作 , 选择了华 北地区的城区商住两用高层楼房、 城乡结合部、 农村 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 7期 2 0 1 1 年第 0 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e n t a t i on V0 1 4 8 No 5 4 7 J u1 20 1 1 表 1三类台区情况对比 T
18、 a b 1 Co mp a ris o n o f t h r e e t y p e s o f d i s t r i b u t i o n n e t wo r k 三类不 同的台区进行现场实地测量 ( 参见 表 1 ) 。考 虑的因素 : ( 1 ) 城乡建设存在差别 , 很 大程 度上决 定 了配电网的结构 ; ( 2 )城乡用户用 电负载的差别影响 了配网的信道特性 。 2 2具体 测量 ( 1 ) 测量时间: 测量安排在一天 中主要 的用电时 段进行 。 ( 2 ) 测量地点 : 台区内, 低压载 波集抄 系统集 中 器安装位 ( 一 般位于 台变附近 ) 、 入户 电表进线
19、端 。 ( 注 : 农村台区和位于城乡结合部 的平房台区的测试 地点视现场情况而定) ( 3 ) 测量 频段: 8 05 0 0 k H z , 属于窄带 载波通信 频段。 ( 4 ) 测量内容: 集中器端和用户表端的输入阻抗特 性; 集中器端到用户表端不同频率信号的衰减情况 ; 任 意两处用户表端之间不同频率信号的衰减情况。 3 阻抗和衰减特性测量结果及分析 由于测量结果太多 , 不可能一一列举。在此只对 其中能代表台区特性的结果加以对比分析。 3 1 农 村低压 配 电 台区 农村台区现场配电情况, 如图4所示。用电单位 较为分散, 通常多个表箱集中在一个线杆上, 走线主 要为架空线路。
20、台变 ( 台无 功补偿 ) +一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 图 4 农村 台区现 场 示意 图 F i g 4 I l l u s t r a t i o n o f r u r a l po we r d i s t rib u t i o n n e t wo r k 3 1 1 阻抗特性 图5 、 图6分别为在农村台区集中器位和表位测 量得到的阻抗一频率特性 图。 如图 5所示 , 其三相阻抗频率特性非 常接近。由 于本次测量所在 的农村台区台变位开启 了无功补偿 装置, 因此 , 集 中器位 阻抗随着频率 的升高而明显 降 低 , 阻抗变化范围是
21、( 0 4 0 Q ) , 没有明显的峰谷 。 图 6所示 为农 村 台 区某 一单 相表 位 的输 入 阻 抗一频率特性 曲线 。由该图可以看出 , 表位的输入阻 抗随频率升高有上升趋势 ( 平均从 5 3 0 Q左右 变 化) , 但是在频率变化过程中会出现阻抗低谷区, 呈现 剧烈变化的波动现象。 图5 集中器位三相 阻抗 一频率特性 图( 1 5 : 3 0 ) F i g 5 Di a g r a m o f t h r e ep ha s e i mp e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c o n t h e c o n c e n t r
22、a t o r s i t e( 1 5 : 3 0 ) 图6单相表位阻抗 一 频率特性图( 1 6 : O 0 ) Fi g 6 Di a g r a m o f i mp e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c o n t he s i n g l e p h a s e e l e c t ri c me t e r s i t e( 1 6 : 0 0 ) 闹 一 l 寻 一 一 一 j 昌 一 = 一剖 一 一 一 一 J 一 、 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 7期 2 0 1 1
23、 年第 0 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r um e n t a t i o n Vo I 4 8 NO 5 4 7 Ju 1 2 01 1 3 1 2衰减特性 在集 中器位和表位间进行衰减特性 的测量 , 发射 点位于集 中器位 , 接受点位 于 1号线杆用户表 位 , 间 隔距离为 5 0 m, 中间无分叉线路 , 测量不 同频率点信 号从发射点 到接收点 的衰减情 况。测量结果如 图 7 所示 。 从图7中, 我们可 以看 出, 整体上信号的衰减随频 率的增加有增大的趋势( 平均 2 5 3 0 d
24、B ) , 频率较小时略 有波动, 在接近 3 3 0 k H z的情况下突然出现大幅度衰减, 然后随着频率增加, 衰减量趋于稳定。另外, 比较图6和 图7 , 可以发现在 3 3 0 k H z这个频点上 , 衰减量和表位输 入阻抗都出现 了很 明显的转折变化, 分析原 因不难得 出, 在该频点上可能引起谐振 , 阻抗发生突变, 信号在此 产生强烈反射, 造成衰减量增大。 图7 衰减频率特性图( 1 6: 0 0 ) F i g 7 D i a g r a m o f a t t e n u a t i o n c h a r a c t e r i s t i c( 1 6: 0 0 )
25、3 2 城 乡结合 部低 压 配电 台 区 城乡结合部台区现场配电情 况 , 如 图 8所示 , 主 要 以平房为主 , 相比农村 , 各房屋之间排列较为紧密 , 各户电表挂在房屋外侧 。 图 8城 乡结合部 台区现场示意图 Fi g 8 I l l u s t r a t i o n o f r u r a lu r b a n f r i n g e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k 3 2 1 阻抗特性 图9为城乡结合部低压配电台区内任意两处平 房表位测量得到的阻抗一频率特性图。 两处表位阻抗特性比较相似, 中间频段( 3 0 0 3 5 0 k
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