王岩

(枣庄学院 光工程学院，山东 枣庄 277160)

基于Simulink的配电网载波信道传输特性研究

王岩

(枣庄学院 光工程学院，山东 枣庄 277160)

为了在配电网上实现高速、可靠的通信，研究其信道的传输特性十分必要.通过对电力线路及变压器的阻抗特性研究，确定了电力线路的参数及变压器的等效模型，最后借助Simulink的PSB模块库，建立了配电网的等效信道模型.通过对信道中不同处的电压的分布规律仿真分析，得出结论：在某一频段，恰当的耦合方式及最佳的阻抗匹配可以实现信号高速、可靠地传输.

配电网；传输特性；耦合方式；信道①

0 引言

电力线在传输高频载波信号时，通信环境相当恶劣，一方面由于配电网的接线和元件参数非常繁杂，噪声干扰强，信道衰减大；另外一方面由于电力线在结构设计上没有考虑高频载波通信技术的特殊要求，使得线路阻抗及变压器在高频下所呈现的状态显然也会不同[1].因此，在对配电网其信道特性进行研究与估算时，有必要对三相传输线的阻抗特性参数及变压器进行分析与研究，从而建立合适的配电网载波通信信道模型.

本文针对配电网载波通信的特点，研究了三相传输线的分布参数特性，并根据对一实际配电网变压器的离线测量，确定了变压器的电容特性，在Simulink环境下，电力线采用三相分布参数模型，配电变压器采用等效电容模型，确定配电网等效信道模型，通过针对不同负载情况、耦合方式、载波信号频率对配电网信号传输规律进行了分析，所得结论对载波通信系统的设计具有一定的指导意义.

1 三相传输线的分布参数特性

一条线是否适合作为传输线，取决于线的长度对外加频率的波长的比值[2].若波长远远大于线的长度，实际电路可以作为集中参数电路(即普通电路)进行分析；当波长与线长相当时，实际电路才能作为分布参数电路进行分析.分布参数电路的特征是，线上任一点处得电压、电流不仅是时间的函数而且是位置的函数[3].这样的导线上的电压、电流满足的是波动方程，必须用等值分布参数理论来处理，才能反应电磁波沿线的传播过程.单位长度元为dx的三相线等值电路如图1所示.

图1 单位长度元的三相线等值电路

(1)

此外，三相线路的一次参数与所用线路型号、材料、频率、大地电阻率以及线路的布线结构等密切相关，经过实验和理论计算[5]，在建模中选择直径d=1mm的漆包线， 信号频率为f=100kHz时的作为三相线的分布参数值.

(2)

2 变压器等效模型

变压器是电力系统中重要的电气设备，在研究如何提高中压电力线通信质量的过程中，一般都需要建立变压器高频通信时的等效模型[6].因为变压器模型在高频与工频下有很大不同，所以不可能简单的挪用工频下的模型，必须根据现有理论结合实际测量，建立变压器高频情况下的等效模型，以反映变压器的真实特性.如图2所示为常用的变压器简化模型.

图2 变压器简化模型

图3为用LCR测量仪离线测量某配电线路上的一200KVA容量的变压器的电容值，C(AB),C(AC)和C(BC)是绕组间电容，C(AG) 和C(BG)是绕组与大地之间的电容.多次试验结果表明，在50kHz-500kHz频段内，一次绕组阻抗的相角都低于-70°，而且多数低于-80°， 所以阻抗呈容性[7].

图3 变压器电容

3 配电网载波信道模型建立及仿真分析

应用MATLAB的Simulink建模时，选用工具箱中提供的架空线路分布参数模型，并固定RLC参数值(已由第二节给出)，变压器采用电容代替.线路长度L设为1.5km，即线路在100kHz下波长的一半.实验中选取三相线等距离的八个点a，b，c，d，e，f，g，h为测量点，由上到下依次为A相、B相、C相与地线Ground.模型图如图4所示.载波信号选用5V的交流电压信号，左侧是为信号耦合端.

图4 仿真模型图

3.1 耦合方式对传输特性的影响

3.1.1 单相耦合

以信号单独耦合到A相为例，测量三个频率的载波信号沿A、B、C相电压随传输线长度的变化情况.载波信号频率分别是f=75kHz，f=100kHz，f=125kHz时，ABC三相电压沿传输线长度电分布规律如图5(a)、(b)、(c)所示.

图5 单相耦合仿真结果图

由图中可以看出，当载波信号单独耦合在A相时，无论在哪种频率下，B、C两相的各点电压基本保持一致，当信号f为75kHz时，A、B、C三相电压相差很小，变化规律基本一致；当信号在100khz时，三相电压变化规律大致相同，都是约在传输长度中电附近取得最小值，即为100khz是波长的四分之一处，这与理论计算结果相同，此时，A相电压总是略大于B、C两相电压；当信号为125kHz时，信号电压会出现选择性衰落.可见，信号沿三相传输线对载波信号频率有选择性且与传输线长度也有关.

3.1.2 相相耦合

相相耦合方式以载波信号同时耦合到A、B、C三相线为例，测量三个频率的载波信号沿A、B、C相电压随传输线长度的变化情况.载波信号频率分别是f=75kHz，f=100kHz，f=125kHz时，ABC三相电压沿传输线长度电分布规律如图6(a)、(b)、(c)所示.

图6 相相耦合仿真结果图

由图6表明当频率为75kHz时，A、B、C三相变化规律基本相同，均在传输线中间位置附近电压衰减不同的是A、C始终保持相同，且在传输线后半段A、C两相电压始终大于B相电压；当f=25kHz时，A、B、C三相电压变化规律大致相同，且在整个传输线距离上，呈现正弦变化规律，而且A、C始终一致.当f=35khz时，A、C两相始终保持一致，且在整个传输线距离上，A、B、C三相电压均呈现W型变化规律.

由上图可以总结得：信号同时耦合到三相时，三相电压略有不同，且在不同频率下，变化规律也不同，但AC两相始终保持一致，与B相有一定不同.

3.2 不同负载下的电压分布规律分析

实际配电网十分繁杂，传输线上会有各种各样的电气设备即负载，而且三相的负载值何有可能不同，三相线末端分别加电阻与电容时进行仿真，结果如图7.

图7 加不同负载时仿真结果图

实验结果表明，当配电网加设不同的负载时，对信号传输的影响较大，所以在实际利用配电网进行通信时，要想得到很好的传输效果，需要根据配电网阻抗特性接入最佳匹配阻抗.

4 结论

本文研究了配电网信道中的三相传输线与变压器的阻抗特性，并以三相分布参数模型为传输线模型建立了配电网信道等效模型，通过仿真分析，得出结论：

(1)传输线的各相电压的分布规律和通信信号的耦合方式有关，不同的耦合方式所得的各相电压值不同.

(2)不同频率的通信信号在同一参数的三相分布参数模型上传输时，所测得的三相电压分布规律也不相同，为了保证通信的效率，在实际配电网通信中应选择适合的频率段.

(3)三相始端和末端接不同的负载，传输特性也有不同，实际中应该选择匹配阻抗，以提高通信的传输效率.

[1]谢志远, 孙艳, 郭以贺.基于传输线理论的中压电力线信道建模和分析[J]. 电力科学与工程, 2010, 26(7): 5-8.

[2]耿杰. 电力系统不对称计算[M]. 北京：中国电力出版社, 2008.

[3]周佩白, 鲁君伟, 傅正财. 电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技术[M]. 北京：中国电力出版社, 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]谢志远, 刘倩, 郭以贺, 王岩.三相架空电力线上载波信号的传输规律[J].电力系统自动化，2012，36(5):36-42.

[6]郭以贺, 谢志远. 配电网载波通信信道的分析和建模[J].电力自动化设备, 2010, 30(3): 49-52.

[7]黄文焕, 戚佳金, 黄南, 李琰. 低压电力线载波通信传输线测试与分析[J]. 电力自动化设备, 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

王岩(1986-)，女，河北保定人，枣庄学院光电工程学院助教，工学硕士，主要从事电力系统通信方面的研究.

闫昕]