王巖

(棗莊學院 光工程學院，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

(棗莊學院 光工程學院，山東 棗莊 277160)

為了在配電網(wǎng)上實現(xiàn)高速、可靠的通信，研究其信道的傳輸特性十分必要.通過對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，建立了配電網(wǎng)的等效信道模型.通過對信道中不同處的電壓的分布規(guī)律仿真分析，得出結論：在某一頻段，恰當?shù)鸟詈戏绞郊白罴训淖杩蛊ヅ淇梢詫崿F(xiàn)信號高速、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時，通信環(huán)境相當惡劣，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，信道衰減大；另外一方面由于電力線在結構設計上沒有考慮高頻載波通信技術的特殊要求，使得線路阻抗及變壓器在高頻下所呈現(xiàn)的狀態(tài)顯然也會不同[1].因此，在對配電網(wǎng)其信道特性進行研究與估算時，有必要對三相傳輸線的阻抗特性參數(shù)及變壓器進行分析與研究，從而建立合適的配電網(wǎng)載波通信信道模型.

本文針對配電網(wǎng)載波通信的特點，研究了三相傳輸線的分布參數(shù)特性，并根據(jù)對一實際配電網(wǎng)變壓器的離線測量，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，通過針對不同負載情況、耦合方式、載波信號頻率對配電網(wǎng)信號傳輸規(guī)律進行了分析，所得結論對載波通信系統(tǒng)的設計具有一定的指導意義.

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，取決于線的長度對外加頻率的波長的比值[2].若波長遠遠大于線的長度，實際電路可以作為集中參數(shù)電路(即普通電路)進行分析；當波長與線長相當時，實際電路才能作為分布參數(shù)電路進行分析.分布參數(shù)電路的特征是，線上任一點處得電壓、電流不僅是時間的函數(shù)而且是位置的函數(shù)[3].這樣的導線上的電壓、電流滿足的是波動方程，必須用等值分布參數(shù)理論來處理，才能反應電磁波沿線的傳播過程.單位長度元為dx的三相線等值電路如圖1所示.

圖1 單位長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、材料、頻率、大地電阻率以及線路的布線結構等密切相關，經(jīng)過實驗和理論計算[5]，在建模中選擇直徑d=1mm的漆包線， 信號頻率為f=100kHz時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)中重要的電氣設備，在研究如何提高中壓電力線通信質量的過程中，一般都需要建立變壓器高頻通信時的等效模型[6].因為變壓器模型在高頻與工頻下有很大不同，所以不可能簡單的挪用工頻下的模型，必須根據(jù)現(xiàn)有理論結合實際測量，建立變壓器高頻情況下的等效模型，以反映變壓器的真實特性.如圖2所示為常用的變壓器簡化模型.

圖2 變壓器簡化模型

圖3為用LCR測量儀離線測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.多次試驗結果表明，在50kHz-500kHz頻段內，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

應用MATLAB的Simulink建模時，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.線路長度L設為1.5km，即線路在100kHz下波長的一半.實驗中選取三相線等距離的八個點a，b，c，d，e，f，g，h為測量點，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.載波信號選用5V的交流電壓信號，左側是為信號耦合端.

圖4 仿真模型圖

3.1 耦合方式對傳輸特性的影響

3.1.1 單相耦合

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

圖5 單相耦合仿真結果圖

由圖中可以看出，當載波信號單獨耦合在A相時，無論在哪種頻率下，B、C兩相的各點電壓基本保持一致，當信號f為75kHz時，A、B、C三相電壓相差很小，變化規(guī)律基本一致；當信號在100khz時，三相電壓變化規(guī)律大致相同，都是約在傳輸長度中電附近取得最小值，即為100khz是波長的四分之一處，這與理論計算結果相同，此時，A相電壓總是略大于B、C兩相電壓；當信號為125kHz時，信號電壓會出現(xiàn)選擇性衰落.可見，信號沿三相傳輸線對載波信號頻率有選擇性且與傳輸線長度也有關.

3.1.2 相相耦合

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

圖6 相相耦合仿真結果圖

由圖6表明當頻率為75kHz時，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f=25kHz時，A、B、C三相電壓變化規(guī)律大致相同，且在整個傳輸線距離上，呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，而且A、C始終一致.當f=35khz時，A、C兩相始終保持一致，且在整個傳輸線距離上，A、B、C三相電壓均呈現(xiàn)W型變化規(guī)律.

由上圖可以總結得：信號同時耦合到三相時，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 不同負載下的電壓分布規(guī)律分析

實際配電網(wǎng)十分繁雜，傳輸線上會有各種各樣的電氣設備即負載，而且三相的負載值何有可能不同，三相線末端分別加電阻與電容時進行仿真，結果如圖7.

圖7 加不同負載時仿真結果圖

實驗結果表明，當配電網(wǎng)加設不同的負載時，對信號傳輸?shù)挠绊戄^大，所以在實際利用配電網(wǎng)進行通信時，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，通過仿真分析，得出結論：

(1)傳輸線的各相電壓的分布規(guī)律和通信信號的耦合方式有關，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在同一參數(shù)的三相分布參數(shù)模型上傳輸時，所測得的三相電壓分布規(guī)律也不相同，為了保證通信的效率，在實際配電網(wǎng)通信中應選擇適合的頻率段.

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

[1]謝志遠, 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]. 電力科學與工程, 2010, 26(7): 5-8.

[2]耿杰. 電力系統(tǒng)不對稱計算[M]. 北京：中國電力出版社, 2008.

[3]周佩白, 魯君偉, 傅正財. 電磁兼容問題的計算機模擬與仿真技術[M]. 北京：中國電力出版社, 2006.

[4]GUO Yihe, XIE Zhiyuan, WANG Yu. A model for 10kV overhead power line communication channel[C]. Proceedings of the Second Symposium International Computer Science and Computational Technology, Huangshan, P. R. China, 26-28, Dec. 2009:289-292.

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

[6]郭以賀, 謝志遠. 配電網(wǎng)載波通信信道的分析和建模[J].電力自動化設備, 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試與分析[J]. 電力自動化設備, 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，棗莊學院光電工程學院助教，工學碩士，主要從事電力系統(tǒng)通信方面的研究.

閆昕]