CN105703859A - 一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法，将配电网络分成若干个级联的无分支线路、带负荷配变线路、带分支线路，并分别建立无分支线路的PLC信道电压传输模型、带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型、带分支线路的PLC信道电压传输模型；从配电网末端开始，将所有建立的模型依次级联至载波信源处，得到末端节点与信源节点间的整体PLC信道模型。末端节点与信源节点间的电压传输特性为整体PLC信道模型中的无分支线路的PLC信道电压传输模型、带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型、带分支线路的PLC信道电压传输模型的乘积。本发明的有益效果是能够分析各节点处载波信号的传输特性，并且模型精确度高。

Description

一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法。

背景技术

配电通信网作为智能配电网建设的关键技术之一，可实现对分布式电源、微网、负荷的灵活控制，提高需求侧的供电可靠性和管理水平。配电网中压电力线载波通信的实现，对于完善更灵活、更简洁的智能配电网通信网络具有重要的实际应用价值。它有利于智能配电网各种功能(如配电网负荷控制、配电网线路设备监测、故障诊断以及配电自动化等)更加便捷的实现，是一种高效益的中压电力线通信方式，而且在智能配电网中应用广泛、便于推广。由于城市中压配电网拓扑结构复杂多变，沿线跨接多各配电变压器及分支线路，且输电线路多为架空线和电缆的混合线路，使得载波信号在配电网传输过程中极易出现折反射等现象，造成载波信号的频率出现选择性衰落。因此精确地建立有效的电力线载波通信信道模型，分析载波信号传输特性，对于新一代电力线载波通信技术的发展及应用具有重大的理论意义和实用价值。

配电网中压电力线载波通信的实现，对于完善更灵活、更简洁的智能配电通信网络具有重要的实际应用价值，其应用广泛、便于推广。但城市中压配电网拓扑结构复杂多变，沿线跨接多各配电变压器及分支线路，且输电线路多为架空线和电缆的混合线路，使得载波信号在配电网传输过程中极易出现折反射等现象，造成载波信号的频率出现选择性衰落。因此精确地建立有效的电力线载波通信信道模型，分析载波信号传输特性，对于新一代电力线载波通信技术的发展及应用具有重大的理论意义和实用价值。目前电力线信道的建模方法分为自顶向下和自底向上两种。自顶向下方法的模型参数是通过测量拟合得到的，不能实现对信道特性的预测。自底向上方法按照网络的实际接线，考虑阻抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型，该建模方法计算量大，且在对前行波处理时进行了很大的简化，所获得的结果存在一定误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法，解决了目前电力线信道的建模方法存在不能实现对信道特性的预测、所获得的结果存在一定误差的问题。

本发明所采用的技术方案是将配电网络分成若干个级联的无分支线路、带负荷配变线路、带分支线路，并分别建立无分支线路的PLC信道电压传输模型、带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型、带分支线路的PLC信道电压传输模型；然后根据配电网实际拓扑结构，从配电网末端开始，将所有建立的模型依次级联至载波信源处，得到末端节点与信源节点间的整体PLC信道模型。

进一步，所述末端节点与信源节点间的电压传输特性为整体PLC信道模型中的无分支线路的PLC信道电压传输模型、带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型、带分支线路的PLC信道电压传输模型的乘积。

进一步，所述无分支线路的PLC信道电压传输模型为

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2)e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}};$

其中，E_s为载波信源，Z_s为信源等效内阻，Z_eq为等效负荷阻抗，节点1、节点2的电压分别为U₁、U₂，节点1、节点2间是长为l₁的传输线，其线路特性阻抗为传播常数为R、L、G和C分别为对应线路单位长度的电阻、电感、电导和电容，节点2处的电压反射系数电压折射系数T₂＝1＋Γ₂。

进一步，所述带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型为：

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2^{\′}{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′})e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}};$

其中节点2处跨接一个等效阻抗为Z_T1的负荷配变，其中Z_in1表示从节点1处看进去的等效阻抗，Z_in2表示节点2处看进去的负荷配变线路的等效输入阻抗，Z_in2＝Z_T1，节点2处电压反射系数电压折射系数T′₂＝1＋Γ'₂。

进一步，所述带分支线路的PLC信道电压传输模型为：

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2^{\′\′}{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′})e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}};$

其中节点2处跨接一长为l₂、特性阻抗为Z_C2、传播常数为γ₂的分支线路，分支末端接等效阻抗为Z_T1的负荷配变，节点2处反射系数：电压折射系数T₂”＝1+Γ₂”。

本发明的有益效果是能够分析各节点处载波信号的传输特性，并且模型精确度高。

附图说明

图1是无分支线路拓扑图；

图2是带负荷配变线路拓扑图；

图3是带分支线路拓扑图；

图4是典型配电网拓扑结构图；

图5是典型配电网电压传输特性波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

对于任一实际的配电网络而言，都是由多个无分支线路、带负荷配变线路、带分支线路相应级联而成的。本发明首先根据配电网拓扑结构，分别搭建基于电力线传输理论及局部反射理论的无分支线路、带负荷配变线路、带分支线路的PLC信道电压传输数学模型。本发明方法分别搭建中压配电网无分支线路、带分支线路及带负荷配变线路的PLC信道数学模型。然后根据中压配电网拓扑结构，从配电网末端将所搭模型依次级联至载波信源处，得到末端节点与信源节点间的PLC信道模型，进而分析各节点处载波信号的传输特性。

1、无分支线路的PLC信道数学模型

如图1所示，E_s为载波信源，Z_s为信源等效内阻，Z_eq为等效负荷阻抗；节点1、2的电压为U₁、U₂；1、2节点间是长为l₁的传输线，其线路特性阻抗为传播常数为R、L、G和C分别为对应线路单位长度的电阻、电感、电导和电容。节点2处的电压反射系数电压折射系数T₂＝1+Γ₂。

无分支线路的PLC信道电压传输模型为：

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2)e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}$

2、带负荷配变线路的PLC信道数学模型

如图2所示，在图1的节点2处跨接一个等效阻抗为Z_T1的负荷配变。其中Z_in1表示从节点1处看进去的等效阻抗，Z_in2表示节点2处看进去的负荷配变线路的等效输入阻抗，Z_in2＝Z_T1；则节点2处电压反射系数电压折射系数T′₂＝1+Γ'₂。

带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型为：

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2^{\′}{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′})e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}$

3、带分支线路PLC信道数学模型

如图3所示，在图1的节点2处跨接一长为l₂、特性阻抗为Z_C2、传播常数为γ₂的分支线路，分支末端接等效阻抗为Z_T1的负荷配变。则节点2处反射系数：电压折射系数T₂”＝1+Γ₂”

带分支线路的PLC信道电压传输模型为：

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2^{\′\′}{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′})e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}$

4、总体建模

对于任一实际的配电网络而言，均是由多个无分支线路、带负荷配变线路、带分支线路相应级联而成。如图4所示，从线路末端到信源侧，依次由节点3、4间的无分支线路、节点2、3间的带分支线路和节点1、2间的带负荷配变线路三者级联而成。

图4中，l_i(i＝1…4)为各段线路长度；Z_ci(i＝1…4)为各段线路特性阻抗；γ_i(i＝1…4)为各段线路传输常数；Z_ini(i＝1…5)表示从各对应端口看进去的输入阻抗；Z_T1、Z_T2、Z_T3为变压器等效阻抗；U_i(i＝1…5)为各节点的电压；Γ_i(i＝1…4)为各节点电压反射系数。

在实际载波通信中，主要关心的是载波信号收发节点间的电压传输特性，即图4中的根据局部反射理论知：

$\frac{U_4}{U_1}=\frac{U_4}{U_3}\×\frac{U_3}{U_2}\×\frac{U_2}{U_1}$

其中：

各端口的反射系数：

各端口阻抗为： Z_in2＝Z_T1，

5、模型仿真分析验证

根据城市实际配电网线路型号及参数，搭建了图4所示配电网络的实验室RLC电路测试模型及本发明所述的配电网数学模型。图4中，Z_s＝50Ω；Z_T1＝Z_T2＝Z_T3＝500Ω；线路l₁，l₂，l₃均采用型号为JKLYJ-120mm²绝缘架空线，长度均为1km，其单位长度L＝96.1μH/m，单位长度C＝12.7pF/m；线路l₄采用型号为YJV22-70mm²的绝缘电缆，长0.5km；其单位长度L＝19.4μH/m，单位长度C＝131pF/m。

图5中实线为利用本发明所述建模方法得到的线路末端电压U₄与首端电压U₁间的电压传输特性波形，图5中虚线为利用实验室RLC电路测试模型得到的U₄与U₁间的电压传输特性波形，两者具有较好的一致性。结果表明，本发明所述建模方法能够建立有效的电力载波通信信道传输模型，为新一代电力载波通信技术的发展和应用提供依据。

本发明的优点还在于：

(1)针对配电网拓扑结构，将配电网划分为若干个无分支线路、带负荷配变线路、带分支线路，基于电力线传输理论及局部反射理论，分别搭建三者PLC信道电压传输模型，模型精准。

(2)根据配电网实际拓扑结构，从网络末端到信源侧，依次将线路模型级联，求取配网PLC信道电压传输整体模型，计算速度快。

(3)配电网拓扑结构发生改变时，只需对改变部分的线路模型进行增减调整，可移植性强。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法，其特征在于：

将配电网络分成若干个级联的无分支线路、带负荷配变线路、带分支线路，并分别建立无分支线路的PLC信道电压传输模型、带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型、带分支线路的PLC信道电压传输模型；

然后根据配电网实际拓扑结构，从配电网末端开始，将所有建立的模型依次级联至载波信源处，得到末端节点与信源节点间的整体PLC信道模型。

2.按照权利要求1所述一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法，其特征在于：所述末端节点与信源节点间的电压传输特性为整体PLC信道模型中的无分支线路的PLC信道电压传输模型、带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型、带分支线路的PLC信道电压传输模型的乘积。

3.按照权利要求1所述一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法，其特征在于：所述无分支线路的PLC信道电压传输模型为

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2)e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}};$

其中，E_s为载波信源，Z_s为信源等效内阻，Z_eq为等效负荷阻抗，节点1、节点2的电压分别为U₁、U₂，节点1、节点2间是长为l₁的传输线，其线路特性阻抗为传播常数为R、L、G和C分别为对应线路单位长度的电阻、电感、电导和电容，节点2处的电压反射系数电压折射系数T₂＝1+Γ₂。

4.按照权利要求1所述一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法，其特征在于：所述带负荷配变线路的PLC信道电压传输模型为：

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2^{\′}{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′})e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}};$

其中节点2处跨接一个等效阻抗为Z_T1的负荷配变，其中Z_in1表示从节点1处看进去的等效阻抗，Z_in2表示节点2处看进去的负荷配变线路的等效输入阻抗，Z_in2＝Z_T1，节点2处电压反射系数电压折射系数T′₂＝1+Γ′₂。

5.按照权利要求1所述一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法，其特征在于：所述带分支线路的PLC信道电压传输模型为：

$\frac{U_2}{U_1}=\frac{T_2^{\′\′}{e}^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}=\frac{(1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′})e^{-{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}}{1+{\mathrm{\Γ}}_2^{\′\′}{e}^{-2\·{\mathrm{\γ}}_1\·l_1}};$

其中节点2处跨接一长为l₂、特性阻抗为Z_C2、传播常数为γ₂的分支线路，分支末端接等效阻抗为Z_T1的负荷配变，节点2处反射系数：电压折射系数T₂”＝1+Γ₂”。