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PLC搶攻最後一哩
訊號品質待優化 PLC技術門檻難跨越
新通訊 200711 月號 81 期《 封面故事 》
文.蒲冠志
電力線通訊雖然傳輸速率不低,加上具布建優勢,理應成為當紅技術。然因技術瓶頸高,包括距離、電磁干擾、連結設備都可能影響訊號品質,因而受到不少阻礙。不過若能針對各項議題提出解答,電力線的起飛仍非神話。
隨著網路的普及,網際網路的應用已經是現代人日常生活的一部份。也因此,台灣政府從早期e台灣、M台灣到目前的「U」台灣,都希望提供無所不在的優質環境。而為了打造優質網路環境,電信業者致力推廣的光纖到府(FTTH),就是其中一項方式。

然而,FTTH的建設並非一蹴可及,而電力線通訊(PLC)晶片由於已經突破200Mbit/s傳輸速率大關,加上毋須佈線的優勢也讓人無法抗拒,因而被家電、通訊業者力拱進入家庭網路市場。

不過由於PLC陣營推展不同規格,使得供應商分散,不利於市場拓展;加上針對如雜訊干擾、距離衰減等因素,PLC的發展一直未如預期順利,因此業界咸認為唯有針對電力線通訊技術如雜訊干擾、衰減等問題加以探討,提升電力線通訊品質,才能進一步吸引更多用戶接受PLC步入數位家庭。

最後一哩競逐熱烈

隨著數位匯流時代的來臨,通訊網路的需求將更為迫切,雖然通訊技術的發達,各種通訊方式無論是有線或無線不斷被開發與應用,從早期的ISDN、ADSL、Cable Modem到目前的VDSL、WiMAX與FTTH,各業者無不絞盡腦汁想要提供用戶最佳的使用環境,然而以台灣客觀環境來說,目前行動通訊因為網路建置的困難度與政府的政策因素,為數家業者共同提供服務,在競爭之下各種服務品質相對較佳。然而以有線固網而言,由於目前各業者起跑點的不同,形成一大數小的局面,競爭不似行動通訊產業熱絡。

近來政府積極推動WiMAX,想要藉由此一技術來打破目前網路建置困難的僵局,尤其是「最後一哩」的問題。然而從目前各相關業者的心態與反應,不難發現政府的預期與現實落差,欲利用WiMAX來彌補目前「最後一哩」的困境、甚至取代的期望恐怕會落空,因為不論從技術上或應用上,有線網路仍有無可取代之處,因此大部分業者仍較認同FTTX的解決方案,將是提供數位匯流的較佳方式。

雖然有人提出以WiMAX來取代目前「最後一哩」的方案,雖然政府也大力鼓吹與宣導,但所幸政府並非盲目押注跟隨,仍積極推動FTTX的布建,所以政府相關單位除積極鼓勵業者投入網路基礎建設外,並投入新台幣300億元補助地方政府從事網路基礎建設。

國內漸次放寬電力法規限制

在此同時,行政院會鬆綁法規,開放台電可以運用既設剩餘的光纖網路跨足經營電信事業,同時允許台電依現有電信法規範,可將剩餘光纖網路出租予電信業者。希望藉此迫使中華電信開放電信線路出租,解決最後一哩障礙,並加速電信市場公平競爭,進而壓低消費者使用寬頻網路租用價格。

儘管台電在全省鋪設全島光纖系統,但礙於電業法現行四十八條規定,只能使用在電力調度專用電信上,且過去幾次修法也未放寬把全島光纖系統出租給電信業者,不過在政務委員何美玥全盤檢視後,取得國家通訊傳播委員會(NCC)同意,對台電光纖網路運用,配合電信服務業發展趨勢,一併大幅鬆綁,替台電找到新的獲利來源。

對此,雖然依現行法令,台電已可兼營,但台電仍在評估是否對外開放經營,此舉也引起電信業者不解。不過因電力線通訊晶片已突破200Mbit/s傳輸速率大關,甚至有研究單位聲稱已經開發1Gbit/s電力線通訊技術,加上毋須布線的優勢也讓人無法抗拒,因而被家電、通訊業者力拱進入家庭網路市場。然而,電力線通訊技術在國內並未獲得相關單位青睞,單靠一些業者自行摸索研發,大部分產品也都以外銷為主,因此諸如雜訊干擾、距離衰減、等因素並未正面加以探討,所以國內PLC的發展一直不算順利。加上現有電信人員對於電力線轉供電信訊號的心理障礙有待克服,新進固網業對是否借重台電解決最後一哩,也還在猶豫中,也間接拖累PLC的普及。

棘手難題待解決

雖然輸電線路有鋪設密度高與分布廣的特性,利用輸電網路成為通訊網路可以達到不需額外的線路鋪設成本,然而傳統輸電線並非應用在通訊傳播,以輸電網路成為通訊網路時勢必有許多在高頻訊號傳播才可能發生的棘手問題伴隨而生,以下分別就輸電線路應用於低頻與高頻訊號的差異,及寬頻載波通訊應用於電力系統網路可能造成的問題加以敘述。

首先探討電力線載波於中壓電力系統(11.4/22.8kV)設備中可能造成的問題,分別包括電力線傳輸模式基本理論、實地量測電力設備高頻特性,如四路開關、亭置式變壓器與各電壓等級電纜、改善耦合器連接方式以提升載波耦合效能。

電力通訊運作複雜

PLC在三相輸電系統架構如圖1所示,使用中性線與單一相導體構成訊號傳輸回路,當PLC傳輸訊號在頻率100MHz以下時,傳輸模式可維持在較單純的橫向電磁波模式(Quasi-TEM),亦即電場與磁場方向正交,且與傳輸方向相互垂直,在此模式下其他的傳播模式與線路特性皆可簡化並忽略。
圖1 PLC應用於三相輸電系統之架構
傳統電力系統所使用低頻訊號,頻率範圍在50∼60Hz之間,波長大約為6,000∼8,000公里之間,波長長度遠大於線路長度,因此適用傳統電路分析所用的集總參數,其等效電路如圖2所示;然而在高頻(MHz)時,例如30MHz波長只剩下10公尺,集總元件分析理論不再適用,必須改以分散式元件來模擬電力系統傳輸特性(圖3)。分散式元件電路架構以傳輸線理論可將分散原件歸納成傳輸線電路模型(圖4)。
圖2 低頻電路之集總式參數

圖3 高頻電路之分散式參數
圖4 高頻電路傳輸模型

舉例來說,變壓器在低頻模態時,可視為一單純電感性元件,但在高頻下變壓器特性不再是一簡單電感架構可以表示,而變成複雜的電容與電感性混合架構(圖5)。另外,在高頻時許多低頻訊號傳輸所忽略的系統特性,如絕緣、諧振等都不再具有低頻特性,應用於高頻訊號傳輸時,勢必也要加以分析考慮,接下來對可能遭遇的問題進行詳述。

圖5 高頻變壓器等效模型
高頻電路分析挑戰大
傳統輸電線路應用在50/60Hz頻率範圍,電力訊號波長遠大於輸電線路長度,因此輸電線上各點的電壓、電流幾乎可視為定值,並不須要特別考慮訊號入射或反射效應(圖6),電力系統電路可以簡單電路學觀點加以探討,但高頻時隨著頻率的增加波長相對的減少,分析電路不能再以簡單的電路學觀點,必須使用傳高頻的輸線架構,考慮不連續特性阻抗切面所造成的穿透及反射現象,令行進波分化成前進波與反射波兩元素,再加上線路長度所形成的損失和相位差,增加分析上的困難度,其運算方法如下:


圖6 高頻訊號於輸電線路分析模型
集總式元件影響深遠
電力線通訊系統中,衰減特性與集總式元件所造成的影響是必須進行評估的問題,但訊號衰減的組成要素相當複雜,若以理想狀態來分析傳輸線雙線架構,便可得線路衰減常數;但是實際狀況下,線路對地之間所形成的強烈衰減效應不可忽視;另外,配電系統變壓器機組、電容器及分接開關箱等設備,可能造成傳輸的不連續性或特性阻抗的不匹配,令訊號反射與干擾使衰減量更加劇烈;傳統輸電線設計定位在低頻電力輸送,對於傳輸高頻PLC訊號也將造成難以預料的衰減發生。
歸納而言,PLC訊號在輸電線路上的衰減主要由三項構成,分別是線路配置、線材結構與系統所連接之設備。
值得一提的是,在高頻傳輸時訊號傳輸模式也會有變化,成為非橫向電磁波模式,這部分造成的影響也須加以考慮;由於傳輸線阻抗匹配問題的困難與複雜性,PLC訊號在輸電線路中會產生反覆的反射效果,造成延遲傳播(Delay Spread)干擾,訊號在傳輸線路中的反射效應如圖7。
圖7 訊號於輸電網路中之反射與透射傳播模式

電力系統中包含了相當多的電力元件,諸如電容器、電感器、變壓器、調相機、發電機、電動機等不同性質的端點設備,再依據電路中的連接方式不同,造成的干擾反射程度也不相同;例如並聯電容器,當在高頻時阻抗值遠小於輸電線特性阻抗,因此將造成訊號反射量增加,而使得PLC訊號衰減量提高;若為串聯電容器時,因為高頻使阻抗值降低,對訊號造成的影響較小,電力系統內的電感與電容也可能在高頻時發生難以預料的諧振效應,將會造成訊號不可預期的衰減,增加分析上的複雜度。
輸電線路阻抗不匹配之訊號傳播衰減特性
電力系統輸電網路錯綜複雜,在線路連接位置由於不完美的連接方式,以及所連接的線路兩端阻抗特性不同,造成訊號傳播時產生反射現象,將額外增加訊號衰減量,以圖8為例,左右兩端傳輸線特性阻抗分別為Z01、Z02,傳播常數分別為γ1、γ2皆不相同,兩端電壓分別如下:

而在不連續切面所形成穿透量的衰減式則為:

另外輸電系統線路的分岐也會使訊號傳播時產生分流現象,造成有效傳播至接收端的訊號量減少;因此,愈是錯綜複雜的線路連接,愈會造成訊號衰減量的提高,整體架構如圖9。
圖8 輸電線路接續位置之反射與透射傳播模型

圖9 高頻訊號於輸電線路之分流傳播模型

特殊安裝方式有助傳輸效果提升
圖10 電纜損失之量測架構

為了解上述特性,圖10所示為量測電纜損失與特性阻抗的實驗架構,其中使用向量網路分析儀測量電纜線兩端的插入損失(Insertion Loss, S21)與反射損失(Return Loss, S11 & S22)來計算所測電纜的損失與特性阻抗。

實測時乃以時間閘取(Time Gating)技術擷取,由向量網路分析儀Port1發出並直接經此同軸電纜傳播至Port2之訊號,將待測物頻率響應轉換至時域,然後選取直接波成分,再使用反傅立葉轉換回頻域,即可不含多次反射之直接S21參數,並且測量電纜輸入端僅含單次反射之S11與S22參數,如此可得下列關係式:

其中Pin及Pout分別為向量網路分析儀Port1發出與Port2接收到之功率,而 為待測電纜之功率衰減量。因此,電纜損失計算式如下:

其中l與α分別為待測電纜的長度和衰減常數(Attenuation Constant)。

至於特性阻抗則可使用向量網路分析儀中測量輸入阻抗之功能來獲得,其中乃先應用時間閘取測得待測電纜輸入端僅含單次反射之反射損失S11,再由向量網路分析儀計算所測電纜的特性阻抗,在此實驗測試電纜以20.8公尺的AWG#1與2.43公尺的500MCM分別進行量測。

由電力電纜量測所得之特性阻抗值,AWG#1高頻特性阻抗值約為40歐姆,而MCM500高頻特性阻抗值約為24歐姆,與先前利用公式推導之理論值相近;當兩物體連接面特性不連續亦形成反射效應,一般為了防止特性阻抗不匹配所造成的訊號反射,會統一規範使其正規化,所以主幹線與支線連接處會使訊號衰減的原因在此。另外依據相同架構測得PLC模組訊號連接線之特性,量測結果其特性阻抗值相近於50歐姆,所形成的反射量並不大,但建議盡量將佈線長度縮短以減少載波訊號的衰減和輻射性的干擾。

傳播常數為衰減常數與相位常數兩者所組成,是運算線路衰減特性的重要因子,圖11為兩種25kV等級電纜高頻衰減特性曲線,結果可以看出當載波在電力電纜中傳送時,線路會造成訊號一定的影響,如AWG#1載波於10MHz時,每公尺即有0.1dB/m的衰減量,1公里便有100dB的訊號衰減,這就是目前無法遠距離傳遞的問題點,所以必須於適當的位置裝設中繼器(Repeater)將訊號重生再放大增加訊號傳送的距離。
圖11 500MCM與AWG#1之衰減特性曲線

由四路開關、變壓器、耦合器連接方式的實驗結果可得知,當中壓端以目前電容性耦合器耦合訊號方式,改變現有設備商所提供耦合器安裝法,變換成連接於接地線處,且增加接地線與訊號線纏繞圈數;或以目前設備商建議安裝法再增加接地線與訊號線纏繞圈數,此兩種安裝法訊號傳輸效果最為理想,且訊號線必須展開至最大以減少線間干擾,唯一須注意的是,於繞圈時,避免匝與匝之間互相短接觸形成短迴路(By Pass)現象。

另外封閉式開關箱內架構為三相平行匯流排,雖然整體耦合效能提升,但PLC模組輸出功率調制最大時,實際傳送資料量成效並非最佳,判斷應為匯流排架構造成資料傳送時產生ISI的問題,必須再做輸出功率的細部調整。

增加線圈匝數是利用變壓器鐵心原理ψ=NI,增加耦合器上的磁通量亦可抑制高頻雜訊,但須提防耦合器飽和與高頻雜散電容的效應,因此必須慎選耦合器於PLC工作頻段下之耦合效能;另一方面還須視耦合器裝設地點的設備整體結構、周遭背景雜訊準位、接地線的長短及電力線通訊模組輸出功率大小和載波工作頻帶再做細部調整。

建議可於HE輸出端加裝功率放大器來提升訊號準位,並於閘道(Gateway)前端接收端加裝低雜訊放大器,來提高訊號雜訊比值增加傳送距離,其中,也許可配置專線或加裝濾波器,來滿足電力線通訊之需求並降低電磁干擾效應。

電力線載波電磁干擾須克服

隨著電子產品數位化的普及,各國也紛紛對電磁干擾(EMI)的問題加以重視,現在各製造商於電子產品銷售至市場前,都被嚴格要求通過相關測試規範。電磁干擾主要的成分包括發生的源頭、媒介與受影響者。干擾源可能來自系統本體和外界因素,細分為自然雜訊與人為雜訊,其干擾的嚴重性是不可忽視的,輕微會造成設備的失誤,嚴重者甚至損壞設備。

外界干擾訊號可藉由感應、傳導和輻射的傳送形態,其中在傳導性電磁干擾中,有兩個主要的成分,分別是以相同振幅及相位的形式流經L、G及N、G的雜訊電流,亦稱為非對稱型式的雜訊電流或共模干擾,與以相同振幅但相位相差180度的形式流經L、N而不經接地線的雜訊電流,亦稱為對稱型式的雜訊電流或差模干擾,而輻射性干擾則為設備之線路或元件產生之電磁波藉由空氣散布在空間中,進而影響其他周邊設備儀器的誤動作。

一般進行量測電磁干擾時,訊號可分為寬頻(Broadband)和窄頻(Narrowband)兩種,當訊號頻寬大於參考頻寬,和脈衝回復頻率(Pulse Repetition Frequency, PRF)小於參考頻寬時,通常用準峰值模式(Quasi-peak Mode)檢波器測量、至於訊號頻寬小於參考頻寬,和PRF大於參考頻寬,通常用平均模式(Average Mode)檢波器測量。

以下將探討電力線載波可能造成電磁干擾問題,分別包括負載設備之傳導性干擾對PLC載波的影響以及載波訊號對電器設備傳導性干擾的影響。

電器設備傳導性干擾影響PLC載波

一般的家庭電器設備內的交換電源供應器(Switch Power Supply)、電子安定器或開關的切換都會產生相當程度的傳導性干擾,這些干擾訊號可能影響線路上的載波訊號,以下將選擇常見的電器設備,經由實驗了解其產生之電磁干擾的程度,電器設備包括:調光燈、電子安定器檯燈、電視機、電風扇、桌上型電腦及吹風機等。

圖12 電器設備傳導性EMI的測量實驗架構示意圖
如圖12所示,線路前端及後端各連接一部LISN,前端LISN主要在高頻中提供一明確的電阻,阻隔來自電源端上的射頻(RF)訊號至待測物,亦可擷取待測物線路上欲得的射頻訊號,而後端的LISN則是提供一個阻抗匹配的負載,線路總長度為10公尺,實驗待測電器距離電源端2公尺,以頻譜分析儀連接前端LISN擷取傳導性電磁干擾的訊號(9k∼30MHz),如圖13。
圖13 以頻譜分析儀與LISN測量出傳導性EMI之示意圖

另外量測模擬PLC訊號饋入使用戶實際架構。以一般家庭配線必須經由單相三線電錶與無熔絲保護開關下之使用狀況,其架構如圖14與圖15所示,PLC訊號由住戶大樓變壓器二次側低壓端開關(圖14左開關)注入,經由電錶後連接至用戶室內端開關箱內(圖14右開關),探討PLC資料傳輸負載可能對載波的影響,在此家電負載以重負載冷氣與較常用的燈具為例。
圖14 模擬家庭配線架構實體圖

圖15 模擬家庭配線架構負載線路圖

表1與表2為實驗數據,從實驗中觀察出負載電器由於已經過產品電磁干擾規範認證可抑制本身高頻雜訊,所以在正常工作下所產生的傳導性電磁干擾,除了在開關切換瞬間有能量較高的突波產生,其他皆落於限制規範值之內。

表1 靜態無熔絲開關與負載對訊號傳送的影響
Link2 無負載下開關on 無負載下開關off 全負載下開關on 全負載下開關off
Tx(Mbps) 27.42 27.1 27.3 25.7
Rx(Mbps) 11.7 10.4 6.5 3.58

表2 負載對訊號傳送的影響
負載狀態 無負載時 唯獨冷氣啟動 冷氣與燈具啟動後
工作頻帶 Tx Rx Tx Rx Tx Rx
Link1(Mbps) 27.42 8.75 27.41 14.04 27.42

×

Link2(Mbps) 27.42 10 27.4 13.27 22.15 7.088
Link3(Mbps) 27.08 8.1 26.02 11.54 20.83 6.98
Link4(Mbps) 27.25 8.71 26 10.847 27.25 ×

因負載端可能連接負載種類過於繁多,有些種類啟動前後高頻特性值並不盡相同,內部由複雜的電容電感性混和而成增加分析難度,在此可證實不同的負載特性會有一定程度的影響PLC訊號傳遞,可再進一步分析多種電器特性並加以歸類。一般用戶迴路皆會經由電錶與無熔絲開關再接至負載,作為計費與保護作用,開關及電錶所造成的損失相當小,且無熔絲開關啟動與否對於PLC訊號而言,雖有衰減但不至於斷訊,可介於高頻電容效應跨越,但須視PLC設備本身載波模態而定。

用戶端訊號一般皆利用電容性耦合方式將訊號饋入L與N相之間,不過舊式住宅未必有地線(Ground)連接,L相大多為已知且明確的線路,而N相便因就近連接設備接地造成龐大且未知的迴路,令訊號能量形成無謂的分噬。因此訊號傳送至用戶端主要以線路耗損為主,再者為周邊設備影響所致,應盡量避免PLC接收設備與其他設備於同一饋線或同一插座上。

載波訊號影響電器設備傳導性電磁干擾

由於PLC的架構是將載波訊號直接加入市電中,所以當一般家電接入市電後,有可能會因負載的電路特性,而產生不同的傳導性電磁干擾的型態,亦可能因為負載加入線路中,而造成原本的載波衰減,以下將討論使用不同的負載及不同的單頻載波訊號,觀察線路上傳導性電磁干擾的狀況。

當線路上載入高頻載波訊號時,可以看出線路上會出現明顯的諧波效應,以奇次諧波為最大。從傳導性電磁干擾的觀點看來,由於實驗時並沒有切動開關,所以在載波時並沒有出現較高的傳導性電磁干擾,也就是說在單頻載波與沒有加入載波時,負載傳導性電磁干擾並沒有出現很明顯的變化。若只單純的觀察單頻的載波訊號,當負載加入時,線路末端的載波訊號會依負載的不同而有5∼10dBm的衰減,判斷應為線路損耗所致。

PLC欲起仍待跨越門檻

從電力線通訊之傳輸特性,可得知正交多頻分工(OFDM)技術在傳輸與穩定度效能方面都優於他種調變技術。

此外,各國電力線通訊系統已陸續建置或規畫,目前所擬使用的電力線通訊系統之工作頻帶涵蓋1M∼40MHz,為符合國內頻譜應用管制的要求以及減少相互間電磁干擾問題,建立電力線通訊電磁干擾規範實為必需。

針對公司可能影響電力線通訊品質之硬體設備,如四路開關、亭置式變壓器、電纜等,分析其高頻特性並建立配電系統載波頻率模型,其中考慮高頻傳輸線模型與分布參數概念,建立分析配電系統載波頻率傳播模型,並由電腦模擬結果來分析載波訊號的衰減特性與阻抗匹配問題。

而根據多次現場實驗與實驗室量測結果顯示:電力電纜接地線長度、電力設備結構、連接方式會影響電力線通訊傳輸品質。而透過電力線通訊耦合器裝置之連接方法,可改善訊號耦合至中壓電力電纜的效果,以提高於中壓電力電纜中之有效傳輸距離。

現實中,傳導性電磁干擾雜訊特性可能影響電力線通訊品質,尤以負載效應降低通訊品質更顯著,因此有必要提出改善。

至於電力線通訊訊號距離衰減問題,因低壓系統為主的室內距離不會太遠,所以衰減不大。以200Mbit/s電力線通訊設備而言,經衰減後仍足以應用於各種數位內容的傳輸,因此不足為慮。而PLC訊號亦不會被電表與開關阻擋而無法通訊,也有助於PLC之發揚。

(本文作者任職於台灣電力公司綜合研究所)

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