謝志遠(yuǎn),孫 艷,郭以賀

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

基于傳輸線理論的中壓電力線信道建模和分析

謝志遠(yuǎn),孫 艷,郭以賀

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

從傳輸線的理論出發(fā),建立了山西某 535線路的一段仿真模型,基于該模型研究了 10 kV電力線信道的衰減特性,并將仿真所得的衰減頻點(diǎn)與實(shí)際線路中可以通信的頻點(diǎn)相對(duì)比,驗(yàn)證了模型的正確性。分析了在分支線路上增加電纜對(duì)信道的影響以及載波通道間的串音衰減。增加電纜后由于存在了波阻抗的不連續(xù)點(diǎn),行波在傳輸過程中發(fā)生反射和折射,產(chǎn)生了較大的衰耗。變電站內(nèi)電氣設(shè)備間和導(dǎo)線間的電磁耦合的存在,使得載波通道間產(chǎn)生串音衰減。

傳輸線;信道模型;衰減

0 引 言

電力線信道的傳輸特性是影響電力線通信可靠性的關(guān)鍵因素。10 kV電力線信道是總線結(jié)構(gòu),信道中各分支線反射所造成的多徑傳輸效應(yīng),電網(wǎng)用戶負(fù)荷的變化,以及網(wǎng)絡(luò)上的母線設(shè)備、其他的運(yùn)行饋線和配電變壓器的存在引起的分流衰耗等,諸多因素均可對(duì)信道的傳輸特性產(chǎn)生影響,使得電力線信道的研究較為復(fù)雜[1]。本文基于傳輸線的理論建立了山西某 535線路一段的仿真模型,基于該模型研究了 10 kV電力線信道的衰減特性,并將仿真所得的衰減頻點(diǎn)與實(shí)際線路中可以通信的頻點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的正確性。

中壓配電網(wǎng)單根電力線的長(zhǎng)度通常超過 3 km,而傳輸信號(hào)的頻率通常高于幾十 kHz,所以應(yīng)當(dāng)按照傳輸線理論分析信道特性。實(shí)際的電力線通常是由導(dǎo)體數(shù)大于 2的多導(dǎo)線構(gòu)成,各導(dǎo)線間存在著相互耦合效應(yīng),因此不能直接用平行雙線系統(tǒng)描述。一種常用的處理方法是采用模式變換以消除導(dǎo)體間的相互耦合。經(jīng)模式變換解耦后的各模分量仍然遵循傳輸線方程[1]。

1 傳輸線理論

1.1 傳輸線方程

高頻電流沿輸電導(dǎo)線傳播,可使用電報(bào)方程式來描述[2],因而,可以根據(jù)線路始端和末端的電流和電壓的大小確定每一導(dǎo)線任一點(diǎn)處的電流和電壓。單導(dǎo)線的線路是最簡(jiǎn)單的單波系統(tǒng),它的單元長(zhǎng)度等效電路如圖 1所示,這種系統(tǒng)可以傳輸常數(shù)和波阻抗 ZC來表示它的特性,可用方程(1)來確定線路各點(diǎn)的電流和電壓[3]：

圖1 單元長(zhǎng)度傳輸線的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of unit transm ission line

其中,線路的二次參數(shù) γ和 ZC與一次參數(shù)R,L,G和 C,即與線路單位長(zhǎng)度的電阻、電感、絕緣電導(dǎo)和電容有關(guān)[4],如下所示：

1.2 無損均勻傳輸線在 PSpice中的模型

傳輸線在長(zhǎng)度不大、工作頻率不高的情況下,可以認(rèn)為是無損耗的線。無損傳輸線可以用PSpice中的模型來仿真,在 PSpice中需要設(shè)置的元件特性參數(shù)及其含義分別為：F為模型中傳輸?shù)念l率;Z0為特性阻抗;無損均勻傳輸線的特性阻抗可以用式 (4)表示：

式中：L,C分別為線路單位長(zhǎng)度的電感和電容。L,C除與線路所用介質(zhì)材料、介電系數(shù)與磁導(dǎo)率有關(guān)外,還與線路芯片的截面積及芯線與外皮之間的距離有關(guān)。不同規(guī)格和種類的線路,其特性阻抗也不同,一般架空線路的特性阻抗為 300～500Ω,電纜線路的阻抗變化較大,一般為 10～100Ω。

NL為歸一化長(zhǎng)度,可以用式 (5)計(jì)算

式中：L為傳輸線的實(shí)際長(zhǎng)度;λ0為根據(jù)無損傳輸線參數(shù)確定的波長(zhǎng),λ0與電源頻率無關(guān),它由無損線模型參數(shù)里的頻率 F確定,λ0=ν/F;ν為電磁波在傳輸線中傳播的速度,電力線參數(shù)隨頻率變化,行波信號(hào)中不同頻率成分運(yùn)動(dòng)速度不一樣,但當(dāng)信號(hào)頻率在 1 kHz以上時(shí),在線路上傳播速度基本趨于一穩(wěn)定值。行波信號(hào)在架空線和電纜中的傳播速度不同,架空線路的波速度接近光速,而電纜線路的波速度約為光速的一半[5]。則歸一化長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度 L之間的關(guān)系是：

2 電力線信道建模及分析

本文選擇的仿真線路是山西某 535線路的一段,選擇的配電站均是給工廠和附近居民供電的,線路負(fù)荷變化較大,干擾噪聲較強(qiáng),具有一定的代表性。該段線路上有 1個(gè)變壓器,9個(gè)配電站,如圖 2所示。

2.1 電力線信道的基本元件模型

本文在實(shí)際測(cè)量和參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)配電網(wǎng)常見的元件采用如下模型：對(duì)配電網(wǎng)載波信號(hào)而言,實(shí)際離線測(cè)量的結(jié)果表明電力變壓器在 50 kHz至 500 kHz的高頻情況下呈容性,這里采用 1 000pF的電容作為變壓器模型[6]。變電站降壓變壓器 10kV側(cè)等值電容 22 600 pF。架空線路采用無損耗傳輸線模型,特性阻抗取 400Ω,地埋電纜特性阻抗取 20Ω。

圖2 山西某線路 10 KV中壓電力線分布示意圖Fig.2 D istribution diagram of 10 kV medium voltage in Shanxi

2.2 無電纜的電力線信道模型

建立的模型中,在發(fā)送端,信號(hào)發(fā)生器發(fā)送功率的正弦波信號(hào),并串接一個(gè) 75Ω電阻;在接收端,并接一個(gè) 75Ω的電阻 (模擬頻譜分析儀的內(nèi)阻)測(cè)量接收的信號(hào)。其 PSpice建立模型的仿真波形如圖 3所示。

圖3 無電纜影響的傳輸衰耗Fig.3 Transm ission attenuation w ithout cab les

從圖中可以看出,傳輸衰耗曲線是隨著頻率產(chǎn)生了選擇性的衰落。在電力信道中,由于分支線的存在及阻抗不匹配等原因,依據(jù)模式傳輸理論,到達(dá)接收端的信號(hào)存在多種不同傳輸路徑的信號(hào),即多徑信號(hào)。多徑信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展可以導(dǎo)致頻率選擇性衰落,即針對(duì)信號(hào)中不同的頻率成分,電力線信道會(huì)呈現(xiàn)出不同程度的衰落。從仿真波形可以看出,信號(hào)在 82 kHz,130 kHz,170 kHz,280 kHz等幾個(gè)頻率點(diǎn)衰耗相對(duì)較小,而實(shí)際測(cè)量中可通信的頻點(diǎn)分別為 82 kHz,86 kHz,110 kHz,132 kHz。這說明仿真結(jié)果與實(shí)際通信的頻點(diǎn)類似。此種衰落效應(yīng)可以通過合理選擇載波頻率和調(diào)制方式,用不同的載波發(fā)送信號(hào),在接收端通過跳頻使之找到合適的能夠與主站進(jìn)行通信的頻點(diǎn)。

2.3 有電纜的電力線信道模型

圖4所示為考慮電纜影響的山西某 535線路一段的仿真波形。按照實(shí)際線路,在變電站和配電站 3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)之間的主干線上以及配電站8號(hào)的支線上各串接一段 60 m長(zhǎng)的電纜。

從仿真波形可以看出,傳輸衰耗曲線同樣呈現(xiàn)出選擇性衰落。與圖 3(無電纜影響)相比較,其衰耗的程度更大,頻率選擇性的頻點(diǎn)更多。這是由于架空線路和地下電纜兩者的特性阻抗不同,混合線路的連接處為波阻抗的不連續(xù)點(diǎn),行波在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)將發(fā)生折射和反射。故當(dāng)行波經(jīng)過一段混合線路時(shí),其初始行波的幅值將發(fā)生很大程度的衰減。從仿真波形可以看出,信號(hào)在82 kHz,120 kHz,-175 kHz,250 kHz等幾個(gè)頻率點(diǎn)衰耗相對(duì)較小,其和無電纜影響的頻率選擇特性大致相同。所以我們可以在實(shí)際工程中,可以先通過建立模型,大致了解信道在某些頻率點(diǎn)的衰減特性,從而可以更好更準(zhǔn)確的制定方案。

圖4 有電纜影響的傳輸衰耗Fig.4 Transm ission attenuation with cables

3 電力線載波通道間的串音衰減

電力線載波線路之間,由于變電站內(nèi)電氣設(shè)備間和導(dǎo)線間的電磁耦合,會(huì)產(chǎn)生各電路間信號(hào)的互串現(xiàn)象。在實(shí)際的配電網(wǎng)通信中,主要表現(xiàn)為接收到的誤碼。在 DL/T721-2000標(biāo)準(zhǔn)中,要求比特差錯(cuò)率不大于 10-5(信噪比 S/N不大于 17 dB,觀察時(shí)間大于 15 min)。通常,將產(chǎn)生串?dāng)_的通道成為主串通道,將受到串?dāng)_影響的通道成為被串通道。被串通道又分為近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_。其示意圖如圖 5所示。

圖5 通道間的串?dāng)_示意圖Fig.5 Diagram o f crosstalk between channels

串音衰減主要由電網(wǎng)和載波通道的自身結(jié)構(gòu),有關(guān)的電力設(shè)備的高頻特性等來決定。由于它們均具有頻率特性,所以串音衰減也和頻率有關(guān)。但是,各種電力設(shè)備和電網(wǎng)的頻率特性又不盡一致,因而,電力線載波通道間的串音衰減只能根據(jù)一般的實(shí)測(cè)值取平均值或者較為保守的數(shù)據(jù),作為通道設(shè)計(jì)和串音影響的依據(jù),而難以給出某種串音衰減的頻率特性曲線。

通常將載波通道間的串音衰減分為線路間近端串音衰減、線路間遠(yuǎn)端串音衰減、變電所近端串音衰減和變電所遠(yuǎn)端串音衰減。

線路間的串音衰減是指同一電力線路不同相之間或雙回路電力線不同通道之間由電磁耦合引起的串音電平和主串電平的差值。線路間的近端串音衰減 aIJ是主串通道的發(fā)送功率 P0與被串通道同站同側(cè)異相負(fù)載阻抗 R′fz上得到的串?dāng)_功率P2之比的常用對(duì)數(shù)的 10倍,即

線路間的遠(yuǎn)端串音衰減 aly是主串通道的接收負(fù)載Rfz上的功率 P1與被串通道異站異相負(fù)載阻抗 R″fz上得到的串?dāng)_功率P3直逼的常用對(duì)數(shù)的 10倍。即

變電站的串音衰減是指同一變電站不同方向出線上兩條電力線載波通道間,由于電磁耦合引起的串?dāng)_電平與主串信號(hào)電平的差值。變電站近端串音衰減 aBJ是主串通道的發(fā)送功率 P0與被串通道同站異側(cè)同相 (或異相)負(fù)載阻抗 R′fz上得到的串?dāng)_功率 P4之比的常用對(duì)數(shù)的 10倍。即

變電站遠(yuǎn)端串音衰減 aBy是主串通道的接收負(fù)載 Rfz上的功率 P1與被串通道異站外側(cè)同相 (或異相)負(fù)載阻抗 R″fz上得到的串?dāng)_功率 P5之比的常用對(duì)數(shù)的 10倍,即

線路間的串音衰減和變電站的串音衰減是有區(qū)別的,前者主要取決于導(dǎo)線的排列、換位等狀況,串?dāng)_功率是經(jīng)線間的電磁耦合形成的,而后者主要取決于變電站內(nèi)的各種電氣設(shè)備的載頻特性,串?dāng)_功率是經(jīng)變電站的電耦合形成的。為減小電路間的相互串?dāng)_影響,常對(duì)載波通道采取下述措施：在變電站側(cè)加裝阻波器,如果串?dāng)_影響大還得裝設(shè)載頻阻塞濾波器,對(duì)載波系統(tǒng)的頻譜進(jìn)行合理的分配。

4 結(jié) 論

本文基于傳輸線的理論對(duì) 10 kV中壓電力線信道進(jìn)行了建模和分析,討論了信道的選擇性衰落問題、有無電纜對(duì)信道的影響問題,以及載波通道間的串音衰減問題。10 kV中壓電力線信道呈現(xiàn)典型的頻率選擇性衰落,可以通過信道建模找到適合通信的頻點(diǎn),為做方案做好準(zhǔn)備。由于行波在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)將發(fā)生折射和反射,所以信道中增加電纜后信道的衰減程度更大。載波通道間存在串音衰減,因此對(duì)通信的誤碼率產(chǎn)生一定影響,提出了提高通信質(zhì)量的一些方法。

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Modeling and Analysisof Medium Voltage Power Line Channel Base on Transm ission Line Theory

Xie Zhiyuan,Sun Yan,Guo Yihe
(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

The attenuation characteristics over 10 kV medium voltage power line channels using the transmission line theory are analyzed.And the simu lation model of a section line of Shanxi 535 lines is established based on transmission line theory.In order to verify the correctness of the model,the results of simulation are compared to the actual line.The impact of channel when the cable is added to branch line and the crosstalk attenuation of the carrier channel are analyzed.There are non-consecutive points of the wave impedance when add the cable.So the traveling wavewill generate reflection and refraction in the transmission process resulting in greater attenuation.The existence of electromagnetic coupling between electrical equipments and the wires in the substations result in crosstalk attenuation between channels.

transmission line theory;channelmodel;attenuation

T M71

A

2010-04-07。

謝志遠(yuǎn) (1964-),男,教授,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信,E-mail：super_sunny qq@sina.com。