張秀秀

（長治學(xué)院電子信息與物理系，山西長治046011）

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基于電氣參數(shù)的電路仿真模型研究

張秀秀

（長治學(xué)院電子信息與物理系，山西長治046011）

低壓電力線路遍及范圍廣，以它作為通信信道經(jīng)濟實用，但缺點是載波頻率高，信號衰減嚴重。文章通過對實際電力線進行了理論模型仿真，得出了影響載波信號在電力線傳輸中的主要電氣參數(shù)。

電力線通信；載波通信；電氣參數(shù)

1　概述

低壓電力網(wǎng)絡(luò)信道是動態(tài)變化且非線性的，所以要確立一個絕對精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的?？紤]到這點，依據(jù)電路學(xué)里的電力線理論并考慮電力線網(wǎng)絡(luò)的實際具體情況，利用Multisim仿真軟件，在其環(huán)境下，根據(jù)鋪設(shè)電力線電路的理論電阻、電感和電容參數(shù)特點進行了模型仿真，分別改變電阻、電感和電容參數(shù)，仿真分析了信號在低壓電網(wǎng)上出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸失敗的原因。

2　低壓電網(wǎng)理論模型的模擬設(shè)計

圖1　低壓電網(wǎng)理論模型Fig 1 Low-voltage grid theoretical model

在圖1低壓電網(wǎng)理論模型設(shè)計中，導(dǎo)線材料用銅不用鋁，長度取一千米，銅線內(nèi)阻設(shè)為R1。使用電網(wǎng)實現(xiàn)抄表等通信技術(shù)，考慮電力線本身是導(dǎo)線，其電感參數(shù)和電容參數(shù)對抄表通信的影響應(yīng)該不一樣，低壓電網(wǎng)理論模型中，沒有給出電力線路的電容和電感。圖中C1和C2為高通濾波電容，其功能是濾除噪聲使信號順利通過，即阻止50 Hz的市電進入耦合變壓器，避免危險的發(fā)生。在實際的數(shù)據(jù)通信技術(shù)中，高頻載波頻率的要求是大于等于67 kHz，所以計算得出電容C1=C2=470nF。R3、R5為11兆歐，它連接在電力線的兩端，當(dāng)電容與電力線不連接，電容上的電能利用電阻R3、R5放完。圖1中V1是頻率為125 kHz，幅值為12 V的模擬發(fā)送信號，模擬發(fā)送信號V1的內(nèi)阻為R4。V2是市電信號，電壓為220 V，頻率為50 Hz，電源內(nèi)阻為R6，R6的大小對系統(tǒng)有一定的影響。T2為耦合變壓器，其作用是將抄表信號帶到電力線上，耦合變壓器原邊電感和副邊電感參數(shù)要取一致的參數(shù)，取9.4 μH。C3為LC諧振電容，在實際電路中，此電容值的大小必須由發(fā)送耦合變壓器和接收耦合變壓器的電感值計算出。耦合變壓器T1的作用是將電網(wǎng)上的高頻抄表信號過濾下來，原邊電感為9.4 μH，副邊電感為200 μH，在高頻抄表信號上達到諧振的頻率要求為125 kHz，電容須有：

3　分析照成高頻抄表通信質(zhì)量差的主要電氣參數(shù)

下面調(diào)整低壓電網(wǎng)理論模型中的電阻、電容和電感電氣參數(shù)，得出抄表通信難實現(xiàn)的因素。

圖2　接收信號在不同電阻值的仿真波形（a為R1=19Ω,b為R1=38Ω）Fig 2 The received signal simulation waveforms in different resistance values（a:R1=19Ω,b:R1=38Ω）

（1）改變導(dǎo)線電阻

從圖2可看出，接收端收到信號，波形沒有失真。所以，從電路仿真中可以得出：線阻不是電網(wǎng)實現(xiàn)抄表等通信的原因。

圖3　接收信號在不同電感值的仿真波形（a為L1=35μH,b為R1=150μH）Fig 3 The received signal simulation waveforms in different inductance values（a:L1=35μH,b:R1=150μH）

（2）改變導(dǎo)線電感

從圖3中的a和b可以分析出，信號在接收端時沒有失真，頻率沒變化，幅值也沒有很大的衰減。所以，從電路仿真中可以得出：導(dǎo)線的電感值變大,則信號在接收時，波形基本不失真，即幅度不減小。

（3）改變導(dǎo)線電容

圖4　接有電容C4的電力線理論模型Fig 4 capacitance C4theoretical model of the power line

上面的分析都沒有考慮導(dǎo)線間的電容效應(yīng)，下面分析一下。

圖4中，電力線理論模型的導(dǎo)線之間接有一個電容C4，它的參數(shù)值是根據(jù)電路理論計算得到。模擬長度取一千米左右，參數(shù)分別如下式所示：

比起市電頻率50 Hz，抄表信號的頻率很高，一般在125 kHz以上，電網(wǎng)上實現(xiàn)抄表通信考慮電阻、電感和電容參數(shù)和頻率的關(guān)系時，一般忽略電力電源的頻率50 Hz。設(shè)計好抄表信號的頻率后，通過仿真發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線間的電容效應(yīng)很大。由圖5仿真可以看出：電力線之間接個電容時，接收端耦合下來的信號會失真，而且失真很嚴重，主要是幅度減小很多，頻率變化不大，就這樣信號很難從噪聲中提取。所以，在電力線上通信，傳輸距離不是很理想，遠不到1 km。通過仿真可以看出：電容效應(yīng)的影響對數(shù)據(jù)在電網(wǎng)上的傳輸影響最大。

4　結(jié)論

低壓電網(wǎng)理論模型是在理論分析中建立，仿真也是在對信道無詳細測量及分析的情況下進行的，但是低壓電網(wǎng)理論模型可以很直觀的反應(yīng)信道的物理構(gòu)成?？傊?，通過仿真波形可以看出，電氣因素中，電阻基本不影響抄表通信，而電感參數(shù)對載波信號有一定的影響，信號頻率越高感炕效應(yīng)越大，即信號衰竭會增大。但是實際電網(wǎng)中的電感效應(yīng)一般很小，對抄表信號的傳輸影響不大，只有電容效應(yīng)會對信號的傳輸產(chǎn)生較大的影響，通過仿真，分析出分布電容的不斷增大，通信的距離會不段的減短。這個結(jié)論對在電力線上實現(xiàn)理想距離的通信具有一定的參考價值。

［1］張士文,韓正之.低壓電力線通信技術(shù)綜述［J］.華北電力技術(shù),2001,1(9):10-12.

［2］邱關(guān)源.電路(下)［M］.北京:高等教育出版社, 1990.

［3］鄭玉東.通信電纜［M］.北京:機械工業(yè)出版社,1982.

（責(zé)任編輯郝瑞宇）

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1673-2014（2016）02-0050-03

2015—10—26

張秀秀（1980—），女，山西長治人，講師，碩士，主要從事電子信息技術(shù)研究。