基于Simulink的配電網(wǎng)載波信道傳輸特性研究

王巖

(棗莊學(xué)院 光工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

基于Simulink的配電網(wǎng)載波信道傳輸特性研究

王巖

(棗莊學(xué)院 光工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

為了在配電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)高速、可靠的通信，研究其信道的傳輸特性十分必要.通過(guò)對(duì)電力線路及變壓器的阻抗特性研究，確定了電力線路的參數(shù)及變壓器的等效模型，最后借助Simulink的PSB模塊庫(kù)，建立了配電網(wǎng)的等效信道模型.通過(guò)對(duì)信道中不同處的電壓的分布規(guī)律仿真分析，得出結(jié)論：在某一頻段，恰當(dāng)?shù)鸟詈戏绞郊白罴训淖杩蛊ヅ淇梢詫?shí)現(xiàn)信號(hào)高速、可靠地傳輸.

配電網(wǎng)；傳輸特性；耦合方式；信道①

0 引言

電力線在傳輸高頻載波信號(hào)時(shí)，通信環(huán)境相當(dāng)惡劣，一方面由于配電網(wǎng)的接線和元件參數(shù)非常繁雜，噪聲干擾強(qiáng)，信道衰減大；另外一方面由于電力線在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮高頻載波通信技術(shù)的特殊要求，使得線路阻抗及變壓器在高頻下所呈現(xiàn)的狀態(tài)顯然也會(huì)不同[1].因此，在對(duì)配電網(wǎng)其信道特性進(jìn)行研究與估算時(shí)，有必要對(duì)三相傳輸線的阻抗特性參數(shù)及變壓器進(jìn)行分析與研究，從而建立合適的配電網(wǎng)載波通信信道模型.

本文針對(duì)配電網(wǎng)載波通信的特點(diǎn)，研究了三相傳輸線的分布參數(shù)特性，并根據(jù)對(duì)一實(shí)際配電網(wǎng)變壓器的離線測(cè)量，確定了變壓器的電容特性，在Simulink環(huán)境下，電力線采用三相分布參數(shù)模型，配電變壓器采用等效電容模型，確定配電網(wǎng)等效信道模型，通過(guò)針對(duì)不同負(fù)載情況、耦合方式、載波信號(hào)頻率對(duì)配電網(wǎng)信號(hào)傳輸規(guī)律進(jìn)行了分析，所得結(jié)論對(duì)載波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義.

1 三相傳輸線的分布參數(shù)特性

一條線是否適合作為傳輸線，取決于線的長(zhǎng)度對(duì)外加頻率的波長(zhǎng)的比值[2].若波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線的長(zhǎng)度，實(shí)際電路可以作為集中參數(shù)電路(即普通電路)進(jìn)行分析；當(dāng)波長(zhǎng)與線長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，實(shí)際電路才能作為分布參數(shù)電路進(jìn)行分析.分布參數(shù)電路的特征是，線上任一點(diǎn)處得電壓、電流不僅是時(shí)間的函數(shù)而且是位置的函數(shù)[3].這樣的導(dǎo)線上的電壓、電流滿足的是波動(dòng)方程，必須用等值分布參數(shù)理論來(lái)處理，才能反應(yīng)電磁波沿線的傳播過(guò)程.單位長(zhǎng)度元為dx的三相線等值電路如圖1所示.

圖1 單位長(zhǎng)度元的三相線等值電路

(1)

此外，三相線路的一次參數(shù)與所用線路型號(hào)、材料、頻率、大地電阻率以及線路的布線結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算[5]，在建模中選擇直徑d=1mm的漆包線， 信號(hào)頻率為f=100kHz時(shí)的作為三相線的分布參數(shù)值.

(2)

2 變壓器等效模型

變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，在研究如何提高中壓電力線通信質(zhì)量的過(guò)程中，一般都需要建立變壓器高頻通信時(shí)的等效模型[6].因?yàn)樽儔浩髂Ｐ驮诟哳l與工頻下有很大不同，所以不可能簡(jiǎn)單的挪用工頻下的模型，必須根據(jù)現(xiàn)有理論結(jié)合實(shí)際測(cè)量，建立變壓器高頻情況下的等效模型，以反映變壓器的真實(shí)特性.如圖2所示為常用的變壓器簡(jiǎn)化模型.

圖2 變壓器簡(jiǎn)化模型

圖3為用LCR測(cè)量?jī)x離線測(cè)量某配電線路上的一200KVA容量的變壓器的電容值，C(AB),C(AC)和C(BC)是繞組間電容，C(AG) 和C(BG)是繞組與大地之間的電容.多次試驗(yàn)結(jié)果表明，在50kHz-500kHz頻段內(nèi)，一次繞組阻抗的相角都低于-70°，而且多數(shù)低于-80°， 所以阻抗呈容性[7].

圖3 變壓器電容

3 配電網(wǎng)載波信道模型建立及仿真分析

應(yīng)用MATLAB的Simulink建模時(shí)，選用工具箱中提供的架空線路分布參數(shù)模型，并固定RLC參數(shù)值(已由第二節(jié)給出)，變壓器采用電容代替.線路長(zhǎng)度L設(shè)為1.5km，即線路在100kHz下波長(zhǎng)的一半.實(shí)驗(yàn)中選取三相線等距離的八個(gè)點(diǎn)a，b，c，d，e，f，g，h為測(cè)量點(diǎn)，由上到下依次為A相、B相、C相與地線Ground.模型圖如圖4所示.載波信號(hào)選用5V的交流電壓信號(hào)，左側(cè)是為信號(hào)耦合端.

圖4 仿真模型圖

3.1 耦合方式對(duì)傳輸特性的影響

3.1.1 單相耦合

以信號(hào)單獨(dú)耦合到A相為例，測(cè)量三個(gè)頻率的載波信號(hào)沿A、B、C相電壓隨傳輸線長(zhǎng)度的變化情況.載波信號(hào)頻率分別是f=75kHz，f=100kHz，f=125kHz時(shí)，ABC三相電壓沿傳輸線長(zhǎng)度電分布規(guī)律如圖5(a)、(b)、(c)所示.

圖5 單相耦合仿真結(jié)果圖

由圖中可以看出，當(dāng)載波信號(hào)單獨(dú)耦合在A相時(shí)，無(wú)論在哪種頻率下，B、C兩相的各點(diǎn)電壓基本保持一致，當(dāng)信號(hào)f為75kHz時(shí)，A、B、C三相電壓相差很小，變化規(guī)律基本一致；當(dāng)信號(hào)在100khz時(shí)，三相電壓變化規(guī)律大致相同，都是約在傳輸長(zhǎng)度中電附近取得最小值，即為100khz是波長(zhǎng)的四分之一處，這與理論計(jì)算結(jié)果相同，此時(shí)，A相電壓總是略大于B、C兩相電壓；當(dāng)信號(hào)為125kHz時(shí)，信號(hào)電壓會(huì)出現(xiàn)選擇性衰落.可見(jiàn)，信號(hào)沿三相傳輸線對(duì)載波信號(hào)頻率有選擇性且與傳輸線長(zhǎng)度也有關(guān).

3.1.2 相相耦合

相相耦合方式以載波信號(hào)同時(shí)耦合到A、B、C三相線為例，測(cè)量三個(gè)頻率的載波信號(hào)沿A、B、C相電壓隨傳輸線長(zhǎng)度的變化情況.載波信號(hào)頻率分別是f=75kHz，f=100kHz，f=125kHz時(shí)，ABC三相電壓沿傳輸線長(zhǎng)度電分布規(guī)律如圖6(a)、(b)、(c)所示.

圖6 相相耦合仿真結(jié)果圖

由圖6表明當(dāng)頻率為75kHz時(shí)，A、B、C三相變化規(guī)律基本相同，均在傳輸線中間位置附近電壓衰減不同的是A、C始終保持相同，且在傳輸線后半段A、C兩相電壓始終大于B相電壓；當(dāng)f=25kHz時(shí)，A、B、C三相電壓變化規(guī)律大致相同，且在整個(gè)傳輸線距離上，呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，而且A、C始終一致.當(dāng)f=35khz時(shí)，A、C兩相始終保持一致，且在整個(gè)傳輸線距離上，A、B、C三相電壓均呈現(xiàn)W型變化規(guī)律.

由上圖可以總結(jié)得：信號(hào)同時(shí)耦合到三相時(shí)，三相電壓略有不同，且在不同頻率下，變化規(guī)律也不同，但AC兩相始終保持一致，與B相有一定不同.

3.2 不同負(fù)載下的電壓分布規(guī)律分析

實(shí)際配電網(wǎng)十分繁雜，傳輸線上會(huì)有各種各樣的電氣設(shè)備即負(fù)載，而且三相的負(fù)載值何有可能不同，三相線末端分別加電阻與電容時(shí)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7.

圖7 加不同負(fù)載時(shí)仿真結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)配電網(wǎng)加設(shè)不同的負(fù)載時(shí)，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戄^大，所以在實(shí)際利用配電網(wǎng)進(jìn)行通信時(shí)，要想得到很好的傳輸效果，需要根據(jù)配電網(wǎng)阻抗特性接入最佳匹配阻抗.

4 結(jié)論

本文研究了配電網(wǎng)信道中的三相傳輸線與變壓器的阻抗特性，并以三相分布參數(shù)模型為傳輸線模型建立了配電網(wǎng)信道等效模型，通過(guò)仿真分析，得出結(jié)論：

(1)傳輸線的各相電壓的分布規(guī)律和通信信號(hào)的耦合方式有關(guān)，不同的耦合方式所得的各相電壓值不同.

(2)不同頻率的通信信號(hào)在同一參數(shù)的三相分布參數(shù)模型上傳輸時(shí)，所測(cè)得的三相電壓分布規(guī)律也不相同，為了保證通信的效率，在實(shí)際配電網(wǎng)通信中應(yīng)選擇適合的頻率段.

(3)三相始端和末端接不同的負(fù)載，傳輸特性也有不同，實(shí)際中應(yīng)該選擇匹配阻抗，以提高通信的傳輸效率.

[1]謝志遠(yuǎn), 孫艷, 郭以賀.基于傳輸線理論的中壓電力線信道建模和分析[J]. 電力科學(xué)與工程, 2010, 26(7): 5-8.

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[3]周佩白, 魯君偉, 傅正財(cái). 電磁兼容問(wèn)題的計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社, 2006.

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[5]謝志遠(yuǎn), 劉倩, 郭以賀, 王巖.三相架空電力線上載波信號(hào)的傳輸規(guī)律[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(5):36-42.

[6]郭以賀, 謝志遠(yuǎn). 配電網(wǎng)載波通信信道的分析和建模[J].電力自動(dòng)化設(shè)備, 2010, 30(3): 49-52.

[7]黃文煥, 戚佳金, 黃南, 李琰. 低壓電力線載波通信傳輸線測(cè)試與分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008, 28(4): 41-44.

ResearchonTransmissionCharacteristicsofDistributionLineCarrierChannelBasedonSimulink

WANG Yan

(School of Opt-Electronic Engineering Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

In order to achieve high-speed, reliable communication, research on channel transmission characteristics is necessary. The paper gives the parameters of the power line and transformer equivalent model by a series of experiments on impedance characteristics of power lines and transformers, and finally with the Simulink PSB module library, provides a equivalent channel model of distribution network. Through Simulation and analysis of the voltage distribution on transmission, the results show that In a certain frequency range, an appropriate coupling and impedance matching we can achieve the best and reliable transmission.

distribution network; transmission characteristics; coupling; channel

TN913.31

A

1004-7077(2013)02-0134-06

2013-01-03

王巖(1986-)，女，河北保定人，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院助教，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)通信方面的研究.

閆昕]