基于多导体传输线的中压电力线通信信道建模

基于多导体传输线的中压电力线通信信道建模

朱红川

中邮通建设咨询有限公司江苏省南京市210000

摘要：作为电力系统特有的通信方一式，电力线通信可以充分利用现成的物理网络进行通信，具有投资小、灵活性强、网络可靠性高等优点。中压配电网电力线信道不同于传统通信信道，具有信号衰减大、噪声高、阻抗变化范围大等不利因素，为了满足智能电网对配电网电力线通信高速率、高可靠性的要求，有必要对中压电力线信道特性进行研究。

关键词：中压配电网；电力线通信；多导体传输线

引言

电力线网络己经成为现代社会分布最为广泛的网络之一，它遍布社会的每个角落，具有良好的网络结构，不用增加辅助线路，本身就具备进行大规模通信的条件。电力线载波通信（}PLC}技术将电源线和信号线合二为一，利用已有的电力线网络实现数据传输，不需要另外架设数据传输线路，非常经济、便捷。通过与用电设备直接相连的电力线配电网传输信息是实现配电网自动化和负载监控等最直接、最有效的手段。

1中压电力线高频通道的特点

（1）配电网的网络架构和输电线不同，它不是点对点的系统，而是一个开放式的网络。如从一个配电点通过低压线路与由它供电的所有低压用户之间的通信；一个变电站对它所有配电线路上配电点之间的通信，是使用“广播”方式传送，按地址接收来通信的。利用配电线通信时一般不加设阻波器，因此要求信号覆盖本通信区域全部通信对象。（2）衰减特性配电网的接线和元件参数非常繁杂，有架空线和地埋电缆，干线上T接许多长度、截面各不相同的支线，以及支线上的多次支接，并且网络结构和运行方式的改动也比较频繁。配电网中高频信号的衰耗较大，可能出现的衰耗有以下几部分：通信节点的终端衰耗，变电站的介入衰耗、配电变压器的泄漏衰耗，分支线路的分支衰耗，线路衰耗，不同传输介质的折射衰耗[（}l。由于分支线的影响，会产生多路径的信号反射，引起信号的频率选择性衰落和码间串扰。随着网络结构的变动如分段开关、联络开关、分支开关的动作和负载的变动，信号的衰减也会随之发生变化。（3）噪声特性中压配电网中存在多种噪声源，如空间电磁干扰、电器操作以及配电设备引起的噪声，风、雨、雷电等自然因素也会对电力线信道造成噪声干扰，影响通信质量，这就要求通信系统具有良好的抗噪声性能。通过实际测量和研究表明，中压电力线信道中的噪声并不呈现高斯白噪声（AWGN）特性。在中压配电网通信的频带范围内，噪声大致可分为3种：背景噪声、周期性噪声和突发性噪声。（4）阻杭特性中压配电网的阻抗在不同的用电时间之间变化较大，具有较强的时变性。随负载的变化会有大幅度的变化。配电网上的分支线路以及负载都会引起线路阻抗的变化，其阻抗变化范围大，可造成阻抗零点。由于配电网的接入负载是动态的，很难与线路的特性阻抗匹配，从而引起驻波效应，有时还会在某些位置形成通信盲点，给信号接收带来困难。这就需要采用藕合技术来克服阻抗不匹配的问题。

2改善措施

（1）为了满足配电网载波通信距离的要求，在设计一PLC通信系统时，必须选择合理的通信频段，这样可以防1.}：信号在传输过程中的频率选择性深度衰落。为了保证传输距离的要求，中压电力线载波通信系统的载波频率不宜过高，一般选择40kHz}500kHz频段。（2）中压配电网的覆盖范围广，从变电站1OkV母线到各个配电变压器、柱上开关等设备，距离通常在几km到数十km。为了满足上述要求，保证可靠性的前提下，可以适当增加中继单元，但不宜过多。（3）电力线上存在大量噪声，其干扰是不可避免的。可以通过发送较大功率电平来提高信噪比，减少噪声干扰的影响，但这会浪费大量的人力物力。因此有必要对中压电力线信道噪声特性进行分析，采取合理的调制方式，有效地较小噪声带来的影响。利用低压电力线和室内用户线进行高速数据通信，在国内外都己经获得重大突破。与低压电力线网络相比，中压配电网网络结构相对简单，分支线路少，用电负荷不直接与配电线相连，信道的特性阻抗高，噪声干扰的总体水平相对较低，信号反射和多径效应有所改善，从总体上来说，中压配电网的传输特性优于低压网。但中压配电网的覆盖范围比较大，线路衰耗将比较突出，可能因较远的分支线路木端产生反射而导致较大的多径时延。

3中压电力线信道建模方法

总体来说，电力线信道模型中包含两个重要的要素：模型参数和模型算法。这两个要素决定了模型的可靠性和准确性。从获得模型参数的方法来看，电力线信道的建模方法分为自上向下（Top-down）和自底向上（Bottom-up）两种。Top-down建模方法是基于测量的，这种方法计算量小并且易于实现，但是建立的信道模型受测量误差影响较大。M.Zimmermann和K.Dostert采用该方法在传输函数测量的基础上建立了电力线信道反射波模型H.Philips在阻抗测量的基础上建立了电力线信道谐振电路模型oBottom-up建模方法是通过理论计算获得模型参数的。虽然计算量较大但这种方法能够清楚地描述模型参数与信道特性之间的关系。由于采用Bottom-up方法建立的信道模型的所有特征参数都是以数学公式的方式描述的，因而这种建模方法具有很好的通用性和灵活性，易于在电力线信道拓扑结构发生变化时有效预测信道转移特性的变化。从采用的模型算法来肴，电力线信道的建模方法可以分为时域建模方法和频域建模方法。时域建模方法中，电力线信道通常被看作多径传输环境，用一个反射模型来表征信道的物理特征。在Top-down放法中模型易于实现，但在Bottom-up方法它忽略了阻抗不匹配反射系数的影响，并且当主干线上有许多分支时，反射模型会变得比常复杂。频域建模方法通常把整个电力线网络石作是多个络的级联，整个网络的传输特性可以用各个小网络的散射矩阵或转移矩阵来描述。频域建模方法的主要优点是考虑了复杂网络中因阻抗不匹配而引起的所有信号反射的影响。配电网电力线的长度通常超过数公里，高于数十kHz的通信信号在配电网电力线上的传输满足传输线理论。其特征是，线上任一点处的电压、电流不仅是时间的函数而且是位置的函数。这样导线上的电压、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。本文采用自底向上的方法，使用尽量少的参数，应用传输线理论建立配电网电力线路信道传输模型，分析通信信号在具有多分支电力线信道上的传输特性。

结语

本章首先介绍了中压电力线网络的基本结构和特点，比较了架空线和地理电缆两类信道的传输特性。计算了三相输电线路的分布参数，并通过实际测量验证了方法的准确性。基于多导体传输线理论，完成了均匀输电线、分支线路、变压器的建模，应用网络级联原理建立了中压电力线网络的总体模型，通过与实际测量结果进行对比验证了模型的准确性。本章最后，对中压电力线网络的传输特性进行了总体分析，为实际通信系统的设计提供指导。

参考文献

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