基于电气参数的电路仿真模型研究

张秀秀

（长治学院电子信息与物理系，山西长治046011）



基于电气参数的电路仿真模型研究

张秀秀

（长治学院电子信息与物理系，山西长治046011）

低压电力线路遍及范围广，以它作为通信信道经济实用，但缺点是载波频率高，信号衰减严重。文章通过对实际电力线进行了理论模型仿真，得出了影响载波信号在电力线传输中的主要电气参数。

电力线通信；载波通信；电气参数

1　概述

低压电力网络信道是动态变化且非线性的，所以要确立一个绝对精确的数学模型是很困难的。考虑到这点，依据电路学里的电力线理论并考虑电力线网络的实际具体情况，利用Multisim仿真软件，在其环境下，根据铺设电力线电路的理论电阻、电感和电容参数特点进行了模型仿真，分别改变电阻、电感和电容参数，仿真分析了信号在低压电网上出现数据传输失败的原因。

2　低压电网理论模型的模拟设计

图1　低压电网理论模型Fig 1 Low-voltage grid theoretical model

在图1低压电网理论模型设计中，导线材料用铜不用铝，长度取一千米，铜线内阻设为R1。使用电网实现抄表等通信技术，考虑电力线本身是导线，其电感参数和电容参数对抄表通信的影响应该不一样，低压电网理论模型中，没有给出电力线路的电容和电感。图中C1和C2为高通滤波电容，其功能是滤除噪声使信号顺利通过，即阻止50 Hz的市电进入耦合变压器，避免危险的发生。在实际的数据通信技术中，高频载波频率的要求是大于等于67 kHz，所以计算得出电容C1=C2=470nF。R3、R5为11兆欧，它连接在电力线的两端，当电容与电力线不连接，电容上的电能利用电阻R3、R5放完。图1中V1是频率为125 kHz，幅值为12 V的模拟发送信号，模拟发送信号V1的内阻为R4。V2是市电信号，电压为220 V，频率为50 Hz，电源内阻为R6，R6的大小对系统有一定的影响。T2为耦合变压器，其作用是将抄表信号带到电力线上，耦合变压器原边电感和副边电感参数要取一致的参数，取9.4 μH。C3为LC谐振电容，在实际电路中，此电容值的大小必须由发送耦合变压器和接收耦合变压器的电感值计算出。耦合变压器T1的作用是将电网上的高频抄表信号过滤下来，原边电感为9.4 μH，副边电感为200 μH，在高频抄表信号上达到谐振的频率要求为125 kHz，电容须有：

3　分析照成高频抄表通信质量差的主要电气参数

下面调整低压电网理论模型中的电阻、电容和电感电气参数，得出抄表通信难实现的因素。

图2　接收信号在不同电阻值的仿真波形（a为R1=19Ω,b为R1=38Ω）Fig 2 The received signal simulation waveforms in different resistance values（a:R1=19Ω,b:R1=38Ω）

（1）改变导线电阻

从图2可看出，接收端收到信号，波形没有失真。所以，从电路仿真中可以得出：线阻不是电网实现抄表等通信的原因。

图3　接收信号在不同电感值的仿真波形（a为L1=35μH,b为R1=150μH）Fig 3 The received signal simulation waveforms in different inductance values（a:L1=35μH,b:R1=150μH）

（2）改变导线电感

从图3中的a和b可以分析出，信号在接收端时没有失真，频率没变化，幅值也没有很大的衰减。所以，从电路仿真中可以得出：导线的电感值变大,则信号在接收时，波形基本不失真，即幅度不减小。

（3）改变导线电容

图4　接有电容C4的电力线理论模型Fig 4 capacitance C4theoretical model of the power line

上面的分析都没有考虑导线间的电容效应，下面分析一下。

图4中，电力线理论模型的导线之间接有一个电容C4，它的参数值是根据电路理论计算得到。模拟长度取一千米左右，参数分别如下式所示：

比起市电频率50 Hz，抄表信号的频率很高，一般在125 kHz以上，电网上实现抄表通信考虑电阻、电感和电容参数和频率的关系时，一般忽略电力电源的频率50 Hz。设计好抄表信号的频率后，通过仿真发现导线间的电容效应很大。由图5仿真可以看出：电力线之间接个电容时，接收端耦合下来的信号会失真，而且失真很严重，主要是幅度减小很多，频率变化不大，就这样信号很难从噪声中提取。所以，在电力线上通信，传输距离不是很理想，远不到1 km。通过仿真可以看出：电容效应的影响对数据在电网上的传输影响最大。

4　结论

低压电网理论模型是在理论分析中建立，仿真也是在对信道无详细测量及分析的情况下进行的，但是低压电网理论模型可以很直观的反应信道的物理构成。总之，通过仿真波形可以看出，电气因素中，电阻基本不影响抄表通信，而电感参数对载波信号有一定的影响，信号频率越高感炕效应越大，即信号衰竭会增大。但是实际电网中的电感效应一般很小，对抄表信号的传输影响不大，只有电容效应会对信号的传输产生较大的影响，通过仿真，分析出分布电容的不断增大，通信的距离会不段的减短。这个结论对在电力线上实现理想距离的通信具有一定的参考价值。

［1］张士文,韩正之.低压电力线通信技术综述［J］.华北电力技术,2001,1(9):10-12.

［2］邱关源.电路(下)［M］.北京:高等教育出版社, 1990.

［3］郑玉东.通信电缆［M］.北京:机械工业出版社,1982.

（责任编辑郝瑞宇）

TN911

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1673-2014（2016）02-0050-03

2015—10—26

张秀秀（1980—），女，山西长治人，讲师，硕士，主要从事电子信息技术研究。