低压电网500kHz～10MHz频段噪声
特性研究及信道容量估算

刘海涛，张保会，谭伦农

（西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市710049）


STUDYONNOISECHARACTERISTICSOFLOWVOLTAGEPOWERNETWORKS
INFREQUENCYREGIONFROM500kHzTO10MHzANDESTIMATION
OFCHANNELCAPACITY

LIUHai-tao，ZHANGBao-hui，TANLun-nong

（DepartmentofElectricalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,ShaanxiProvince,China）　　ABSTRACT:Itisinterestedinthesolutionof“thelastmile”byuseoflowvoltagepowernetworkanditiswellknownthatforanycommunicationsystemthestudyonthenoisecharacteristicsofthechannelsisnecessaryandveryimportant.Theresultsofnoisecharacteristicsmeasuredinthreetypicallowvoltagepowernetworkswithinthebandwidthfrom500kHzto10MHzaregiven.Themeasuredresultsincludethebackgroundnoiseofpowertransmissionlines,thenoisefrompowerequipmentsandthenoisemeasuredduring24hourscontinuously.Thecharacteristicsofbackgroundnoiseandpulsenoisewhichaffectsthecommunicationsystemmostisemphaticallystudiedandsuchaconclusionisobtainedthatthenoiselevelwithinthebandwidthfrom500kHzto10Mhzismuchlowerthanthatwithinthebandwidthfrom10kHzto450kHz.Finally,aroughestimationofchannelcapacityispresented.
　　KEYWORDS:Powerlinetelecommunication;Lowvoltagepowernetworkchannel;Noisecharacteristics;Channelcapacity
　　摘　要：利用低压电网来解决“最后一公里”问题已经引起人们越来越多的兴趣。对于任何通信系统来说，信道的噪声特性研究是必不可少和十分重要的。作者给出了在3种典型低压电网中进行500kHz_~10MHz频带内噪声特性测量的结果，包括：电力线背景噪声，设备噪声和24小时的连续噪声测量。文章重点研究了对通信系统影响最大的背景噪声和脉冲噪声的特性。并得到了500kHz_~10MHz频段的噪声水平比10_~450kHz频段的噪声水平要低很多的结论。最后给出了信道容量的初步估算结果。
　　关键词：电力线通信；低压电网信道；噪声特性；信道容量

1引言
　　目前世界各国电力公司和相关设备制造厂商都在积极探索研究利用已有低压电力线路作为传输媒介，实现高速信息通信。其中包含2个大的分支，一个是面向配电网的，国外一般称为DLC（配电线路载波），它使用10kV或者220/380V线路，主要用于实现配网自动化、集中抄表和楼宇自动化等领域，所需要的通信速率不高，一般低于10kb/s；另一个是面向进户线路和户内线路的，在美国称为PLT（电力线路通信），利用220/380V线路的高速通信，可以实现居民家庭的Internet接入，智能家用电器控制等服务，对通信速率要求比较高，各大公司推出的产品速率都高于1Mb/s，最高的可达20Mb/s^[1]。本文主要研究PLT系统所遇到的低压电网噪声干扰问题。
　　图1给出了通信系统的一般模型^[2]，其中信道是指信号传输的通道，而噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示。信道是通信系统必不可少的组成部分，而信道中的噪声是不可避免的。因而，对信道和噪声的研究乃是研究通信问题的基础。
　　噪声特性是描述信道性质的一个重要参数。对于具体的通信系统要根据它所使用的通信频带来研究信道的噪声特性。现存的电力线通信技术是从20世纪20年代就已经发展起来的一项技术，是专为电力企业服务的。美国联邦通信委员会（FCC）规定的频率范围为：100_~450kHz；欧洲电气标准委员会（CENELEC）制定的EN50065-1协议规定可使用频率范围为：3_~148.5kHz。对于上面给出的频带，由信息论^[3]的知识可知，实现DLC要求的功能是完全足够的，但如果要实现PLT所要求的功能，尤其是Internet接入，则是远远不够的。为了实现真正的电力线高速通信，有必要在更宽的频带上研究电力线信道特性，包括噪声特性。目前国际上对高频段低压电网噪声特性的研究比较多，例如文献^[4]研究了美国几个居民家庭中1_~60MHz频率范围内的噪声特性。文献^[5]则给出了德国1_~20MHz内的噪声测量结果。而日本学者Tanaka于1988年对日本某大学的一座实验研究大楼配电线上10kHz_~100MHz频率范围内噪声功率谱进行了测量^[6]。仔细分析以上文献中的测量结果可以看到，低压电力线上的噪声强度在不同电网上是有区别的，并且具有时变性，例如文献^[7]报道，即使同一栋住宅公寓大楼，其平均噪声水平在24h内的变化也可高达6dB。
　　由于我国对低压电器电磁兼容性的控制不如欧美严格，低压电力网的电磁污染要比发达国家严重得多，许多在欧美成熟的电力线通信技术在我国的低压电力网上效果很不理想，甚至根本无法使用^[8]。这些技术一般使用的频段为1_~10MHz，为了探求这些技术失败的原因，发展适合我国的高速电力线通信技术，必须对我国低压电力网的噪声特性进行实际研究，但由于我国基础理论较差，起步晚，尚未获得喜人的成果，更没有关于高于500kHz频段噪声特性研究的公开报道，例如文献^[9]给出了100_~450kHz频段的噪声测量结果，文献^[10]则测量了小于100kHz频段的低压电网噪声，而文献^[11]更是只对0_~20kHz的狭窄频段进行了研究。
　　基于以上分析，为了获得高于1Mb/s的通信速率，本文选择了低压电网500kHz_~10MHz频带的噪声特性进行研究。

2噪声测量
　　低压电网是一个复杂的系统，与其连接的各种电器设备在运行时都向低压电网注入噪声，配电变压器原边的噪声也会通过变压器进入低压电网，另外还有通过耦合进入电网的无线电波干扰。为了使测量信号能真实地反映实际220/380V系统中的噪声特性，实际测量是在不同地点、不同环境的低压电网中进行的。本次测量选取了三个典型低压电网来进行，第一个是西安交通大学电力系统及其自动化教研室，文中称为大学办公室；第二个是西安供电局居民楼，这是一个老住宅区，各种情况比较稳定，文中称为老居民区；第三个是西安阳光小区的居民楼，这是一个新兴的居民小区，用户正在陆续入住，还有不少人家正在进行装修，情况比较复杂，文中称为新居民区。
　　为了把高频信号耦合到电力线上，或者从低压电网上接收高频信号，需要在接收装置和低压电网之间加装一个耦合器。耦合器在电路中有两个作用：①内部的高通滤波器保证高频信号顺利通过，而电网的工频信号被完全阻断；②实现强电侧和弱电侧的物理分离。实验所采用耦合器的下界截止频率为500kHz。
　　测量电路如图2所示，低压电网的噪声信号通过耦合电路直接进入Tektronix3026频谱分析仪，而一台计算机通过GPIB卡控制频谱分析仪进行自动测量。3噪声特性分析
3.1概述
　　由国内外大量的研究文献可知^[4-7,9]，低压电网上的噪声主要包括以下几种：背景噪声、线谱噪声、窄带噪声和突发性脉冲噪声。其中背景噪声和在频域内很宽的突发性脉冲噪声对电力线通信影响最大。线谱噪声和窄带噪声^[13,14]则比较容易克服。对于突发性脉冲噪声，也可采用交织的方法来加以解决，因而对于一个通信信道来说，关键是它的背景噪声。下文重点讨论所研究频段内的背景噪声水平和由通用式电动机所产生的突发性脉冲噪声。
3.2背景噪声
　　背景噪声是接入低压电网的各种用电设备产生的噪声、从配电变压器原边进入副边的噪声和无线电干扰等的综合作用结果，它覆盖整个通信频带，是决定通信质量和信道容量的关键参数之一。
　　为了了解500kHz_~10MHz频带内噪声功率随时间的变化，笔者在三种环境里都进行了24小时连续测量。下面先详细研究大学办公室的背景噪声特性，然后对比了三种不同环境里的噪声分布情况。
　　（1）图3给出了大学办公室的24小时噪声特性变化规律。办公室里主要接有PC机，日光灯，电扇，热水器等各种电器设备。从图中可以看到如下特点：[1][2][3]下一页