基于传输线理论的中压电力线信道建模和分析

谢志远,孙 艳,郭以贺

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)

基于传输线理论的中压电力线信道建模和分析

谢志远,孙 艳,郭以贺

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003)

从传输线的理论出发,建立了山西某 535线路的一段仿真模型,基于该模型研究了 10 kV电力线信道的衰减特性,并将仿真所得的衰减频点与实际线路中可以通信的频点相对比,验证了模型的正确性。分析了在分支线路上增加电缆对信道的影响以及载波通道间的串音衰减。增加电缆后由于存在了波阻抗的不连续点,行波在传输过程中发生反射和折射,产生了较大的衰耗。变电站内电气设备间和导线间的电磁耦合的存在,使得载波通道间产生串音衰减。

传输线;信道模型;衰减

0 引 言

电力线信道的传输特性是影响电力线通信可靠性的关键因素。10 kV电力线信道是总线结构,信道中各分支线反射所造成的多径传输效应,电网用户负荷的变化,以及网络上的母线设备、其他的运行馈线和配电变压器的存在引起的分流衰耗等,诸多因素均可对信道的传输特性产生影响,使得电力线信道的研究较为复杂[1]。本文基于传输线的理论建立了山西某 535线路一段的仿真模型,基于该模型研究了 10 kV电力线信道的衰减特性,并将仿真所得的衰减频点与实际线路中可以通信的频点进行对比,验证了模型的正确性。

中压配电网单根电力线的长度通常超过 3 km,而传输信号的频率通常高于几十 kHz,所以应当按照传输线理论分析信道特性。实际的电力线通常是由导体数大于 2的多导线构成,各导线间存在着相互耦合效应,因此不能直接用平行双线系统描述。一种常用的处理方法是采用模式变换以消除导体间的相互耦合。经模式变换解耦后的各模分量仍然遵循传输线方程[1]。

1 传输线理论

1.1 传输线方程

高频电流沿输电导线传播,可使用电报方程式来描述[2],因而,可以根据线路始端和末端的电流和电压的大小确定每一导线任一点处的电流和电压。单导线的线路是最简单的单波系统,它的单元长度等效电路如图 1所示,这种系统可以传输常数和波阻抗 ZC来表示它的特性,可用方程(1)来确定线路各点的电流和电压[3]：

图1 单元长度传输线的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of unit transm ission line

其中,线路的二次参数 γ和 ZC与一次参数R,L,G和 C,即与线路单位长度的电阻、电感、绝缘电导和电容有关[4],如下所示：

1.2 无损均匀传输线在 PSpice中的模型

传输线在长度不大、工作频率不高的情况下,可以认为是无损耗的线。无损传输线可以用PSpice中的模型来仿真,在 PSpice中需要设置的元件特性参数及其含义分别为：F为模型中传输的频率;Z0为特性阻抗;无损均匀传输线的特性阻抗可以用式 (4)表示：

式中：L,C分别为线路单位长度的电感和电容。L,C除与线路所用介质材料、介电系数与磁导率有关外,还与线路芯片的截面积及芯线与外皮之间的距离有关。不同规格和种类的线路,其特性阻抗也不同,一般架空线路的特性阻抗为 300～500Ω,电缆线路的阻抗变化较大,一般为 10～100Ω。

NL为归一化长度,可以用式 (5)计算

式中：L为传输线的实际长度;λ0为根据无损传输线参数确定的波长,λ0与电源频率无关,它由无损线模型参数里的频率 F确定,λ0=ν/F;ν为电磁波在传输线中传播的速度,电力线参数随频率变化,行波信号中不同频率成分运动速度不一样,但当信号频率在 1 kHz以上时,在线路上传播速度基本趋于一稳定值。行波信号在架空线和电缆中的传播速度不同,架空线路的波速度接近光速,而电缆线路的波速度约为光速的一半[5]。则归一化长度与实际长度 L之间的关系是：

2 电力线信道建模及分析

本文选择的仿真线路是山西某 535线路的一段,选择的配电站均是给工厂和附近居民供电的,线路负荷变化较大,干扰噪声较强,具有一定的代表性。该段线路上有 1个变压器,9个配电站,如图 2所示。

2.1 电力线信道的基本元件模型

本文在实际测量和参考相关文献的基础上,对配电网常见的元件采用如下模型：对配电网载波信号而言,实际离线测量的结果表明电力变压器在 50 kHz至 500 kHz的高频情况下呈容性,这里采用 1 000pF的电容作为变压器模型[6]。变电站降压变压器 10kV侧等值电容 22 600 pF。架空线路采用无损耗传输线模型,特性阻抗取 400Ω,地埋电缆特性阻抗取 20Ω。

图2 山西某线路 10 KV中压电力线分布示意图Fig.2 D istribution diagram of 10 kV medium voltage in Shanxi

2.2 无电缆的电力线信道模型

建立的模型中,在发送端,信号发生器发送功率的正弦波信号,并串接一个 75Ω电阻;在接收端,并接一个 75Ω的电阻 (模拟频谱分析仪的内阻)测量接收的信号。其 PSpice建立模型的仿真波形如图 3所示。

图3 无电缆影响的传输衰耗Fig.3 Transm ission attenuation w ithout cab les

从图中可以看出,传输衰耗曲线是随着频率产生了选择性的衰落。在电力信道中,由于分支线的存在及阻抗不匹配等原因,依据模式传输理论,到达接收端的信号存在多种不同传输路径的信号,即多径信号。多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落,即针对信号中不同的频率成分,电力线信道会呈现出不同程度的衰落。从仿真波形可以看出,信号在 82 kHz,130 kHz,170 kHz,280 kHz等几个频率点衰耗相对较小,而实际测量中可通信的频点分别为 82 kHz,86 kHz,110 kHz,132 kHz。这说明仿真结果与实际通信的频点类似。此种衰落效应可以通过合理选择载波频率和调制方式,用不同的载波发送信号,在接收端通过跳频使之找到合适的能够与主站进行通信的频点。

2.3 有电缆的电力线信道模型

图4所示为考虑电缆影响的山西某 535线路一段的仿真波形。按照实际线路,在变电站和配电站 3号、4号、5号之间的主干线上以及配电站8号的支线上各串接一段 60 m长的电缆。

从仿真波形可以看出,传输衰耗曲线同样呈现出选择性衰落。与图 3(无电缆影响)相比较,其衰耗的程度更大,频率选择性的频点更多。这是由于架空线路和地下电缆两者的特性阻抗不同,混合线路的连接处为波阻抗的不连续点,行波在波阻抗不连续点将发生折射和反射。故当行波经过一段混合线路时,其初始行波的幅值将发生很大程度的衰减。从仿真波形可以看出,信号在82 kHz,120 kHz,-175 kHz,250 kHz等几个频率点衰耗相对较小,其和无电缆影响的频率选择特性大致相同。所以我们可以在实际工程中,可以先通过建立模型,大致了解信道在某些频率点的衰减特性,从而可以更好更准确的制定方案。

图4 有电缆影响的传输衰耗Fig.4 Transm ission attenuation with cables

3 电力线载波通道间的串音衰减

电力线载波线路之间,由于变电站内电气设备间和导线间的电磁耦合,会产生各电路间信号的互串现象。在实际的配电网通信中,主要表现为接收到的误码。在 DL/T721-2000标准中,要求比特差错率不大于 10-5(信噪比 S/N不大于 17 dB,观察时间大于 15 min)。通常,将产生串扰的通道成为主串通道,将受到串扰影响的通道成为被串通道。被串通道又分为近端串扰和远端串扰。其示意图如图 5所示。

图5 通道间的串扰示意图Fig.5 Diagram o f crosstalk between channels

串音衰减主要由电网和载波通道的自身结构,有关的电力设备的高频特性等来决定。由于它们均具有频率特性,所以串音衰减也和频率有关。但是,各种电力设备和电网的频率特性又不尽一致,因而,电力线载波通道间的串音衰减只能根据一般的实测值取平均值或者较为保守的数据,作为通道设计和串音影响的依据,而难以给出某种串音衰减的频率特性曲线。

通常将载波通道间的串音衰减分为线路间近端串音衰减、线路间远端串音衰减、变电所近端串音衰减和变电所远端串音衰减。

线路间的串音衰减是指同一电力线路不同相之间或双回路电力线不同通道之间由电磁耦合引起的串音电平和主串电平的差值。线路间的近端串音衰减 aIJ是主串通道的发送功率 P0与被串通道同站同侧异相负载阻抗 R′fz上得到的串扰功率P2之比的常用对数的 10倍,即

线路间的远端串音衰减 aly是主串通道的接收负载Rfz上的功率 P1与被串通道异站异相负载阻抗 R″fz上得到的串扰功率P3直逼的常用对数的 10倍。即

变电站的串音衰减是指同一变电站不同方向出线上两条电力线载波通道间,由于电磁耦合引起的串扰电平与主串信号电平的差值。变电站近端串音衰减 aBJ是主串通道的发送功率 P0与被串通道同站异侧同相 (或异相)负载阻抗 R′fz上得到的串扰功率 P4之比的常用对数的 10倍。即

变电站远端串音衰减 aBy是主串通道的接收负载 Rfz上的功率 P1与被串通道异站外侧同相 (或异相)负载阻抗 R″fz上得到的串扰功率 P5之比的常用对数的 10倍,即

线路间的串音衰减和变电站的串音衰减是有区别的,前者主要取决于导线的排列、换位等状况,串扰功率是经线间的电磁耦合形成的,而后者主要取决于变电站内的各种电气设备的载频特性,串扰功率是经变电站的电耦合形成的。为减小电路间的相互串扰影响,常对载波通道采取下述措施：在变电站侧加装阻波器,如果串扰影响大还得装设载频阻塞滤波器,对载波系统的频谱进行合理的分配。

4 结 论

本文基于传输线的理论对 10 kV中压电力线信道进行了建模和分析,讨论了信道的选择性衰落问题、有无电缆对信道的影响问题,以及载波通道间的串音衰减问题。10 kV中压电力线信道呈现典型的频率选择性衰落,可以通过信道建模找到适合通信的频点,为做方案做好准备。由于行波在波阻抗不连续点将发生折射和反射,所以信道中增加电缆后信道的衰减程度更大。载波通道间存在串音衰减,因此对通信的误码率产生一定影响,提出了提高通信质量的一些方法。

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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。

谢志远 (1964-),男,教授,研究方向为电力系统通信,E-mail：super_sunny qq@sina.com。