孫利梅， 尹成群， 曹旺斌

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

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基于模塊化端口行為的無(wú)功補(bǔ)償器高頻建模

孫利梅， 尹成群， 曹旺斌

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

為了研究無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)電力線通信的影響，提出一種建立無(wú)功補(bǔ)償器端口網(wǎng)絡(luò)高頻模型的方法，利用該方法建立的無(wú)功補(bǔ)償器高頻模型可用于進(jìn)一步的理論分析計(jì)算和系統(tǒng)仿真，方便分析無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)電力線通信信道阻抗、噪聲、衰減等方面的影響。本方法把無(wú)功補(bǔ)償器的每一相等效成一個(gè)無(wú)源一端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量無(wú)功補(bǔ)償器在不同頻率下的阻抗幅度與阻抗角，借助1stOpt對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出網(wǎng)絡(luò)的阻抗函數(shù)，從而建立無(wú)功補(bǔ)償器的高頻模型。此方法避免了復(fù)雜的理論分析推導(dǎo)，模型計(jì)算值與測(cè)量值比較吻合，說(shuō)明建立的無(wú)功補(bǔ)償器高頻模型是有效合理的。

無(wú)功補(bǔ)償器； 電力線通信； 高頻建模； 數(shù)據(jù)擬合

0 引 言

電力線通信(Power Line Communication，PLC)是指利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中的電力線作為信號(hào)傳輸媒介，進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)囊环N通信方式，該技術(shù)以電力配電網(wǎng)為基礎(chǔ)，不需要鋪設(shè)專門(mén)的通信線路，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大，便于通信終端的建立和移動(dòng)[1-4]。PLC因節(jié)省資源和較高的性價(jià)比一直受到人們的廣泛關(guān)注，電力線不是專用的通信信道，輸入阻抗特性比專門(mén)的通信信道阻抗更加復(fù)雜，電網(wǎng)電力線輸入阻抗與電力線通信收發(fā)模塊輸出阻抗的匹配程度直接影響信號(hào)的耦合效率，電網(wǎng)輸入阻抗是電力線傳輸特性的重要參數(shù)[5-8]。

產(chǎn)生PLC信號(hào)衰減的主要原因是電力線上并聯(lián)的許多負(fù)載。無(wú)功補(bǔ)償裝置是主要的電氣設(shè)備，無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)PLC信號(hào)的影響有重要意義，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償器的研究，目前人們關(guān)注最多的是電網(wǎng)能量的轉(zhuǎn)換，很少研究無(wú)功補(bǔ)償器的高頻特性，為了解無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)PLC通信質(zhì)量的影響，建立無(wú)功補(bǔ)償器的高頻模型很有必要。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和曲線擬合，建立了無(wú)功補(bǔ)償器的高頻模型，為研究無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)PLC信號(hào)的影響提供幫助。

1 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電力系統(tǒng)有著重要意義。對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償可保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[9]。無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞揭螂姎庠牟煌煌械蛪号潆娋W(wǎng)中的電氣元件多為電磁性元件，因此常用并聯(lián)電容器的方式來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

近年來(lái)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展迅速，無(wú)功補(bǔ)償裝置也多種多樣，根據(jù)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償規(guī)劃和目的的不同，無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆桨敢膊煌?。常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置如圖1所示[9-11]。這些無(wú)功補(bǔ)償裝置性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前以SVC的應(yīng)用最為廣泛。SVC的多種形式中，TSC和TCR因成本低，控制方式靈活多樣，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償裝置類型

本文以河北沃邦電力公司生產(chǎn)的WBMJ(Z)型自愈式低壓并聯(lián)電容器為研究對(duì)象。自愈式低壓并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)如圖2所示，它屬于靜止無(wú)功補(bǔ)償器中的TSC型，它的三相電容器采用星形接法，每一相分別串聯(lián)一對(duì)反并聯(lián)晶閘管作為控制開(kāi)關(guān)。

圖2 自愈式低壓并聯(lián)電容器

這種無(wú)功補(bǔ)償器它的電容為固定值，在實(shí)際系統(tǒng)中，電容器組會(huì)分成若干小組，晶閘管作為投切電容器的開(kāi)關(guān)，根據(jù)負(fù)載感性無(wú)功功率的變化來(lái)切除或投入電容器組[12]。

2 無(wú)功補(bǔ)償器的阻抗測(cè)量

圖3為自愈式低壓并聯(lián)電容器的阻抗測(cè)量電路，由于無(wú)功補(bǔ)償器是用補(bǔ)償容量和額定電壓來(lái)表征的，測(cè)量前，根據(jù)下式計(jì)算出電容器的電容值，以便選擇合適的方法和量程來(lái)測(cè)量。

(1)

式中:Q為無(wú)功補(bǔ)償器的容量;U為額定電壓;f為工作頻率。令Q=10 kvar，U=250 V，f=50 Hz帶入式(1)得CY=169.77 μF。

圖3 阻抗測(cè)量電路圖

用RS-232串口連接線把PM6306測(cè)量?jī)x與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。分別測(cè)量了頻率在50 Hz～1 MHz之間連續(xù)變化時(shí)A相、B相、C相以及A相與B相之間、B相與C相之間、C相與A相之間的阻抗模值|ZA|、|ZB|、|ZC|、|ZAB|、|ZBC|、|ZCA|和阻抗角φA、φB、φC、φAB、φBC、φCA。阻抗測(cè)量結(jié)果曲線如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的阻抗幅頻特性和相頻特性曲線

從測(cè)量結(jié)果看出，A相與B相之間、B相與C相之間、C相與A相之間基本上沒(méi)有相互影響。A、B、C三相的自諧振頻率都在19～23 kHz，在自諧振頻率之前，阻抗呈容性，阻抗幅值隨頻率的增加而減小，在自諧振頻率之后，阻抗就呈感性，阻抗幅值隨頻率的增加而增加。

3 模塊化端口行為高頻模型的建立

本方法把無(wú)功補(bǔ)償器的每一相都等效成一個(gè)無(wú)源一端口網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖5)，然后借助數(shù)據(jù)分析軟件1stOpt和實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)曲線擬合推導(dǎo)出一端口網(wǎng)絡(luò)策動(dòng)點(diǎn)函數(shù)，下面以A相為例建立模型。

圖5 無(wú)源一端口網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)阻抗是復(fù)數(shù)，需要對(duì)阻抗的實(shí)部和虛部分別進(jìn)行擬合，為了得到比較理想的擬合結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)阻抗函數(shù)，根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償器在高頻時(shí)的電氣特性先假設(shè)實(shí)部(Re)和虛部(Im)與頻率(f)之間的關(guān)系式為式(2)和式(3)，然后利用1stOpt軟件進(jìn)行曲線擬合求出式(2)和式(3)中的參數(shù)。

(2)

(3)

1stOpt是七維高科有限公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)優(yōu)化分析軟件包。1stOpt在非線性回歸，曲線擬合，參數(shù)估算等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其在線性擬合方面有明顯的優(yōu)勢(shì)[13-14]。

通用全局優(yōu)化算法(Universal Global Optimization，UGO)是1stOpt的核心算法，它克服了使用迭代法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算必須給出合適初值的難題，通過(guò)特定的計(jì)算原則給出初始值，經(jīng)UGO算法最終找出最優(yōu)解[15,16]。

把測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，使阻抗模值和阻抗角變成對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗實(shí)部值和虛部值。在不同的頻率點(diǎn)，使假設(shè)的網(wǎng)絡(luò)阻抗與測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的阻抗實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)相等。把式(2)和式(3)作為擬合的目標(biāo)曲線，選用UGO算法，編寫(xiě)1stOpt程序代碼，把A相的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，分別得出式(2)和式(3)中的參數(shù)a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2的值，得到A相等效網(wǎng)絡(luò)的策動(dòng)點(diǎn)阻抗表達(dá)式:

(4)

把式(4)變換成Z(jω)的形式得到A相等效一端口網(wǎng)絡(luò)復(fù)頻域的網(wǎng)絡(luò)阻抗函數(shù)：

(5)

復(fù)頻域的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納函數(shù)為：

(6)

若令s=jω，得到s域的網(wǎng)絡(luò)阻抗函數(shù)Z(s)和導(dǎo)納函數(shù)Y(s)。

用同樣的方法可得到B相和C相的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，這里不再一一論述，式(7)和式(8)分別為B相和C相復(fù)頻域的網(wǎng)絡(luò)阻抗函數(shù)。

(7)

(8)

圖6分別給出了A、B、C三相阻抗的測(cè)量值與計(jì)算值的比較。從圖中可以看出，三相的阻抗模值和阻抗角的測(cè)量值與模型計(jì)算值都是比較吻合的。

圖6 模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種建立無(wú)功補(bǔ)償器高頻模型的方法，該方法把無(wú)功補(bǔ)償器的每一相等效成一個(gè)無(wú)源一端口網(wǎng)絡(luò)，借助實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析軟件1stOpt，得出了復(fù)頻域和s域中一端口網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)阻抗函數(shù)，最終建立了無(wú)功補(bǔ)償器的端口網(wǎng)絡(luò)高頻模型。無(wú)功補(bǔ)償器中電容器在高頻時(shí)的特性比較復(fù)雜，很難直接通過(guò)理論推導(dǎo)出阻抗與頻率之間的關(guān)系式，本方法避免了復(fù)雜的理論分析計(jì)算過(guò)程。

模型計(jì)算值與測(cè)量值的比較結(jié)果表明，無(wú)功補(bǔ)償器端口網(wǎng)絡(luò)高頻模型的建立是正確的，為分析電力線通信信道阻抗特性提供了條件，便于進(jìn)一步研究無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)電力線通信的影響。

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·名人名言·

追求真理比占有真理更加難能可貴。

——愛(ài)因斯坦

The High Frequency Modeling of Reactive Power Compensator Based on Modular Port Behavior

SUNLi-mei,YINCheng-qun,CAOWang-bin

(North China Electric Power University, Baoding 071000, China)

In order to easily analyze the influences of reactive power compensation on power line communication, this paper proposes a high frequency modular port model by reactive power compensator modeling method. The model can be put into the power line communication simulation system, and then the influences of reactive power compensation on impedance, noise and signal attenuation of power line communication channel can be analyzed. Each phase of the reactive power compensator is transformed into a passive one-port network. The impedance of the reactive power compensator in the high frequency is measured, including its amplitude and angle, and then the test data are fit through 1stOpt to get the network impedance. The calculation results by using the model fit well with the test data and then the validation of the model is proved. The method is convenient and efficient.

reactive power compensator; power line communication; high frequency modeling; data fitting

2015-11-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2014XS78)

孫利梅(1988-)，女，河南洛陽(yáng)人，碩士生，研究方向：電力線通信。Tel.：15733227809；E-mail:slmlucky@163.com

尹成群(1953-)，男，河北保定人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：信號(hào)與信息處理技術(shù)，信息安全。

Tel.：13503322386；E-mail: ycq@ncepu.edu.cn

TN 913.6

A

1006-7167(2016)04-0043-04