CN114745068B - 一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法 - Google Patents
一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114745068B CN114745068B CN202210379459.1A CN202210379459A CN114745068B CN 114745068 B CN114745068 B CN 114745068B CN 202210379459 A CN202210379459 A CN 202210379459A CN 114745068 B CN114745068 B CN 114745068B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cable
- zeta
- circuit
- node
- sub
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 38
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 26
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 23
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 10
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 9
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 5
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 3
- 108010074864 Factor XI Proteins 0.000 claims description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 208000032365 Electromagnetic interference Diseases 0.000 description 1
- 240000001973 Ficus microcarpa Species 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 230000000191 radiation effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B17/00—Monitoring; Testing
- H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
- H04B17/391—Modelling the propagation channel
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B3/00—Line transmission systems
- H04B3/54—Systems for transmission via power distribution lines
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
Abstract
本发明涉及一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法，属于电力通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：建立辐射损耗的改进参数模型；S2：建立室内电力线网络模型；S3：计算信道频率响应。本发明考虑了高频信号的辐射损耗和室内电网的拓扑以及线缆、电器负载、断路器等重要元素，与真实的室内电力线信道一致，能够还原实际信道的特征，可为PLC技术的评估以及先进PLC解决方案的开发提供支持。
Description
技术领域
本发明属于电力通信技术领域，涉及一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法。
背景技术
PLC技术利用现有配电网和输电设施作为通信介质，实现数据传输。因此，PLC技术具有不可比拟的优势：覆盖广、成本低，不可避免地成为智能电网的基础通信技术。依据运行的频段，电力线通信分为窄带电力线通信(NarrowbandPowerLineCommunication,NPLC)和宽带电力线通信(BroadbandPowerline Communications,BPLC)，NPLC工作在500KHz以下， BPLC则工作在1.8MHz以上。NPLC用于室外远距离通信，提供一些低速但具有高可靠性要求的服务。BPLC则提供因特网接入、高清视频传输等高速数据服务，在室内局域网中发挥重要的作用。随着需求的升级，“智能”的概念的层出不穷，智慧家庭也对BPLC提出更高的诉求，迫使BPLC在更高的频率运行。
然而，室内电力线网络的固有性质并不利于传输高频信号。高频信号的强衰减、各种电器引入的高噪声以及来自其他通信系统的干扰都降低传输信号质量。室内电网的大量分支使电力线信道呈现严重的频率选择性衰落。此外，电力线的非屏蔽性使得电磁能量极易辐射泄露，高频信号进一步损失。为开发具有针对性的解决方案，国内国外开展许多的电力线信道测量活动，并从各种角度提出不同的电力线信道模型，最著名的则是多径模型和基于传输线 (TransmissionLine,TL)理论的电力线信道模型。前者存一些问题：(1)路径数目过少，拟合精度无法保证；路径数目增加，则拟合参数过多，复杂度增大。(2)只适用于一个特定的测量实例。应用于不同的场景时，多径模型的参数需要根据新测量的数据进行修正。后者虽然要求知道电力线网络的先验信息，但用预设网络代替真实网络是可行的。只要设计的网络能够在极大的程度上表示实际网络，相应的模型也能模拟真实电力线信道，非常适合仿真。因此，本申请将略过多径模型，只对后者进行详细介绍。
因为电力线的横向尺寸较小，电磁波以(TransverseElectro-Magnetic,TEM)或准TEM模式在电力线上传输，所以在分析电力线信道时，电力线通常被近似为平行的TL。虽然电磁波的波长与电力线长度处于一个数量级，电压、电流的幅度相位会沿线变化，但是TL理论指出单位长度的均匀TL还是可以用图1所示集总参数电路代替。当绝缘体介质是均匀时，R、L、 G、C为：
其中，rw是导体半径；f是运行频率；μ0是真空磁导率，4π×10-7(H/m)；σ是导体电导率； s是导线的轴间距离；εr是绝缘体的相对介电常数；ε0是真空的绝对介电常数，8.854187817×10-12(F/m)；tanδ是介质损失正切值。
基于上述分析，电力线网络中任意一条长度为l的电力线可被简化为图2所示二端口网络。输入端电压Vi、电流Ii和输出端电压Vo、电流Io的关系可通过传输矩阵表示：
其中
传播常数γ和特征阻抗ZC为：
其中，α是衰减常数，β是相移常数。
假设输入端口的源阻抗为ZS，输出端口的负载阻抗为ZL，根据基尔霍夫定律，源端电压、电流和负载的电压、电流的关系满足：
VS＝IiZS+Vi (9)
VL＝Vo＝IoZL (10)
联立(5)、6)、(9)和(10)，则可求解端口电压比表征的信道传输函数(ChannelTransfer Function, CTF)：
如图3所示，电力线网络具有复杂的拓扑结构，发射端到接收端的主干被多个节点分成长度各异的小段，每个节点可能连接多个长度不同的分支，每个分支可能具有多级分支，最末端的分支连接着不同的负载。
发射端到接收端之间的连接可看作多个二端口网络级联，因此可以通过矩阵相乘的链式法则求解总体的传输矩阵：
式中
其中，T0是发射端串联源阻抗的传输矩阵；P是主干的分段数目；Tp是第p段电力线的传输矩阵；lp和γp分别是第p段电力线的特征阻抗、长度和传播常数。/>是连接到节点p 的所有分支的等效传输矩阵，Q是节点p上的分支数。第p个节点上第q个分支的等效阻抗为：
其中，和/>分别是节点p上分支q的特征阻抗、传播常数以及长度；/>是节点p 上分支q的端接阻抗。当/>仍是次级分支的等效阻抗时，则按式(16)继续求解。在已知拓扑的条件下，可利用上述方法求解任意电力线网络的CTF。
虽然此方法的计算非常复杂，但信道模型主要用于仿真，实时性要求较低，加上现代计算机的计算能力非常强大，复杂度并不是主要问题。然而，上诉方法存在一定的缺陷。在频率较低时，基于TL理论的自底向上法建立的模型非常精确，不过当频率提高到100MHz时，现有模型没有考虑电力线的辐射损耗，导致模型的衰减无法匹配测量值。此外，现有研究只是证明了自底向上法的可行性，其设置的网络过于简单，没有考虑室内电网的拓扑结构以及断路器、多样的负载等重要元素。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法，该方法包括以下步骤：
S1：建立辐射损耗的改进参数模型；
S2：建立室内电力线网络模型；
S3：计算信道频率响应。
可选的，所述S1具体为：
长度为l的平行双线TL被差模DM电流IDM激励时，产生的辐射功率为：
其中，是波阻抗，k是波数，I+和I-是前向和反向行波电流；电力线上的电流大都是DM电流，为比较电阻损耗和DM辐射的影响，电阻功率近似为：
为：
电力线的CM电流ICM激发的辐射功率为：
其中，设CM电流与总电流相同，/>为：
为获取包含辐射损耗的单位长度电阻模型，将辐射功率重定义为则等效辐射电阻为：
提出转换因子ξ来表征，即则改进单位长度电阻为：
仿真与测量使用标准单芯电缆，源阻抗和负载阻抗设置为50Ω；随l变化，一条电力线被分成多段，每段的/>用常数表示。
可选的，所述转换因子ξ满足：
线缆长度为1m时，2.5mm2线缆的ξ为0.0556；
线缆长度为2m时，2.5mm2线缆的ξ为0.1150；
线缆长度为3m时，2.5mm2线缆的ξ为0.1553；
线缆长度为4m时，2.5mm2线缆的ξ为0.1852；
线缆长度为5m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2030；
线缆长度为6m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2153；
线缆长度为8m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2350；
线缆长度为10m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2448；
线缆长度为12m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2510；
线缆长度为14m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2559；
线缆长度为16m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2597；
线缆长度为18m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2632；
线缆长度为1m时，4mm2线缆的ξ为0.0539；
线缆长度为2m时，4mm2线缆的ξ为0.1121；
线缆长度为3m时，4mm2线缆的ξ为0.1521；
线缆长度为4m时，4mm2线缆的ξ为0.1817；
线缆长度为5m时，4mm2线缆的ξ为0.1991；
线缆长度为6m时，4mm2线缆的ξ为0.2107；
线缆长度为8m时，4mm2线缆的ξ为0.2292；
线缆长度为10m时，4mm2线缆的ξ为0.2382；
线缆长度为12m时，4mm2线缆的ξ为0.2436；
线缆长度为14m时，4mm2线缆的ξ为0.2473；
线缆长度为16m时，4mm2线缆的ξ为0.2503；
线缆长度为18m时，4mm2线缆的ξ为0.2529。
可选的，所述S2具体为：
将负载归为三类：并联谐振电路、串联谐振电路、由X-cap构成的串联谐振电路，前者的阻抗模型如式(24)所示，后两者的阻抗模型见式(25)；
其中，RP与RS分别是并联和联电路谐振时的纯阻值；QP与QS分别是并联和串联电路的品质因数；fP与fS分别是并联和串联电路的谐振频率；
从区间[0,7]采样的一个整数以模拟插座连接的负载个数NL，每个整数的出现概率相同；当NL＝0时，即为空插座；
对称的π型RLC等效电路模型的阻抗Z1和Z2为：
Z2＝R3+j2πfL3 (27)
断路器的传输矩阵Tbeaker为：
根据二叉树递归生成算法，生成插座子电路和照明子电路的网络拓扑；
为Type2-1型的插座子电路选择4mm2线缆，照明子电路选择2.5mm2线缆；然后根据线缆生成算法，为子电路中的每一个连接添加线缆；
将模拟负载添加到子电路的叶子节点上；
为每个子电路添加断路器；插座子电路从25A和32A的断路器中随机选取，照明子电路则从16A的断路器中随机选取；通过断路器，将所有的子电路连接在一起组成完整的Type2-1 型室内PLN。
可选的，所述S3具体为：
S31：参考树的后序遍历，从根节点出发，利用深度优先搜索遍历整个树；在返回的过程中，利用技术背景、考虑辐射损耗的改进参数模型等方法计算每个节点和其父节点间的传输矩阵，以及其父节点作为参考接入点时，节点所在分支的等效阻抗，并将计算结果记录在父节点，直到返回根节点；
S32：参考树的先序遍历，在向下遍历树的过程中，计算每个节点和其子节点间的传输矩阵，以及其子节点作为参考接入点时，节点所在分支的等效阻抗，并将计算结果保存在子节点；在遍历同时，在每个节点中保存该节点到根节点的路径；
S33：计算任意两个叶子节点之间的CFR：首先根据节点到根节点的路径，确定这两个节点的最近公共父节点；然后确定连接两个节点的主路径；最后求解总体传输矩阵，获取CFR。
本发明的有益效果在于：本发明考虑了高频信号的辐射损耗和室内电网的拓扑以及线缆、电器负载、断路器等重要元素，与真实的室内电力线信道一致，能够还原实际信道的特征，可为PLC技术的评估以及先进PLC解决方案的开发提供支持。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为单位长度传输线的集总参数模型；
图2为二端口网络；
图3为多节点电力线网络；
图4为差模辐射功率与电阻功率比值；图4(a)为2.5mm2线缆；图4(b)为4mm2线缆；
图5为共模辐射功率与电阻功率比值；图5(a)为2.5mm2线缆；图5(b)为4mm2线缆；
图6为测量和模型的信道频率响应幅度；图6(a)为2m线缆；图6(b)为10m线缆；
图7为典型室内电网结构；
图8为断路器的RLC等效电路模型；
图9为断路器的插入损耗；图9(a)为断路器的插入损耗的测量值；图9(b)为断路器的插入损耗的拟合值；
图10为测量的信道频率响应；图10(a)为幅度；图10(b)为相位；
图11为模型的信道频率响应；图11(a)为幅度；图11(b)为相位；
图12为生成的Type2-1型PLN；
图13为测试地点的平面视图以及插座位置。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
一种考虑电力线辐射效应的改进参数模型和适用于室内电网的室内电力线网络模型，以获取匹配实际信道的室内宽带电力线信道模型。下面将分为两部分进行阐述。
1.考虑辐射损耗的改进参数模型
长度为l的平行双线TL被差模(Differential Mode,DM)电流IDM激励时，产生的辐射功率为：
其中，是波阻抗，k是波数，I+和I-是前向和反向行波电流。电力线上的电流大都是DM电流，为比较电阻损耗和DM辐射的影响，电阻功率近似为：
联立式(1)、(17)和(18)，为：
图4是与频率f及电力线长度l的关系。仿真时，间距s设置为4rw，线缆直径d的2倍。图4(a)为2.5mm2线缆；图4(b)为4mm2线缆。从图4中可以看出，在100MHz 以下，/>比Pohm至少小1.5个数量级，且随着l增大，/>影响越小。这说明DM电流并不是引起电力线辐射的主要原因。
在BPLC系统中，由于耦合器的不对称性，电力线本身的不对称性，负载的不平衡，注入的DM电流不可避免地转换为共模(Common Mode,CM)电流。同样，CM电流也会转换为 DM电流，如外部辐射场的耦合。在印刷电路及集成电路中，CM电流是电磁干扰的主要来源，这表明CM电流也可能是造成电力线辐射的源头。
火线与零线的距离较近，两根线上的CM电流可近似在一根线上，与长线单线天线的条件吻合。电力线的CM电流ICM激发的辐射功率为：
其中，CM电流通常只是总电流的一部分，但为了分析CM电流辐射对信号衰减的影响，假设CM电流与总电流相同，/>为：
图5是与频率f及电力线长度l的关系。图5(a)为2.5mm2线缆；图5(b)为4mm2线缆。在100MH以内，当l较小时，/>比Pohm至大几个数量级。虽然随着l增大，/>影响减小，但在10m以内，/>仍比Pohm大一个数量级。这表明很小的CM电流也能产生较大的辐射，这印证前面所述猜测。
为了获取包含辐射损耗的单位长度电阻模型，可将辐射功率重定义为则等效辐射电阻为：
由于CM电流大多是从DM电流转换而来，不能被直接加在式(1)上。因此，提出一个转换因子ξ来表征这种关系，即/>则改进单位长度电阻为：
ξ与电力线网络的物理结构、频率密切相关。因为真实场景的ξ难以获取，而精确的模型又依赖于ξ，所以本申请将通过测量和仿真分析ξ对信道频率响应的影响。仿真与测量使用标准单芯电缆，源阻抗和负载阻抗设置为50Ω。此外，因为随l变化，所以一条电力线被分成多段，每段的/>用一个常数表示。
图6是2.5mm2的标准单芯电力线的CFR的仿真和测量结果。图6(a)为2m线缆；图6(b)为10m线缆。在电力线长度较短，即2m时，不考虑CM辐射的CFR幅度能够较好地匹配测量值，但是当电力线长度增加至10m时，不考虑CM辐射的CFR幅度与测量值存在较大差异。另一方面，对于2m的线缆，当ξ＝0.125时，考虑CM辐射的CFR幅度非常接近测量值。当线缆增大至10m时，将ξ设置为0.25，考虑CM辐射的CFR幅度会更准确。当ξ＝1 时，CFR幅度的误差非常大。这说明通过为不同长度电缆的设置合适的ξ，模型的精度会更高。需要注意，因为CFR相位主要取决于单位长度电感和电容，所以考虑辐射和不考虑辐射的CFR相位非常接近。根据实测和仿真，表1给出了各种长度的2.5mm2和4mm2线缆的最佳转换因子。
表1不同长度线缆对应的转换因子ξ
2.室内电力线网络模型
电力线网络的规范与布线实践因国家、地区而异。然而，在室内PLN中，仍然存在较为规则和结构化的布线部署。在老式房屋中，室内PLN只存在一个断路器，所有电器都连接在该断路器下，线缆类型比较单一。然而，随着用电规范的进一步加强，室内PLN络被设计为多个子电路。根据设备功率，不同的子电路使用不同线缆，并配有对应标称电流的断路器，然后通过主断路器连接到户外。如图7所示，单相接入的220V PLN的结构就像一棵树，主断路器是根，次级断路器是子树(子电路)的根，网络中的终端负载则是叶子。
由于调制解调器通常位于插座，常见的室内PLN可分为两大类型：(1)Type1：具有单个子电路；(2)Type2：具有多个子电路。Type1中的照明设备和插座位于同一子电路，Type2中的照明设备和插座处于不同子电路。根据子电路数量，Type2可进一步细化，Type2-1：具有 2个子电路；Type2-2：具有3～4个子电路；Type2-3：具有5～7个子电路。由于具有7个或7 个以上的子电路的室内PLN的占比非常小，本文不考虑更多子电路的情况。在Type2-1中，所有插座位于同一子电路下，且需要覆盖整个室内区域，而Type2-2和Type2-3的插座子电路较多，
每个子电路只需覆盖部分区域，前者每个子电路的分支数量更多，后者分支数量相对较少。此外，根据连接设备的功率，Type2-2与Type2-3的插座子电路又可以分为大功率子电路和小功率子电路。虽然实际的室内PLN更为复杂，但上述类型足以覆盖大多数场景。表2给出了 Type2-2与Type2-3中每种子电路数目。
表2 Type2-2和Type2-3型室内电网的每种子电路的数目
在不考虑插座上的延长分支时，每个子电路就如同一棵二叉树。二叉树的每个节点可分为连接节点、终端叶子节点及次级断路器根节点。每个节点独占一个标识或索引Ind。树深度(给定子电路中串联分支的最大数量)的范围可用最小深度MinD和最大深度MaxD限制，以保证生成的子电路符合实际情况。因此，可用表3所述二叉树的递归生成算法生成子电路。
表3子电路生成算法
条件c3使树的深度在(MinD,MaxD)随机变化，其中U(a,b)返回在a和b之间均匀分布的随机变量。子电路的深度与PLN的类型，子电路类型相关，表4总结了每种PLN对应子电路的MinD和MaxD。根据以上步骤在获得所有子电路后，则可获得一个逼近真实的PLN拓扑。需要注意，子电路深度大也不一定意味主干线路更长。此外，在生成照明负载时，需生成一个与其相关联的开关分支。
表4子电路深度配置
室内PLN线缆类型有两种：(1)多芯线缆：零线和火线一起被包裹在聚氯乙烯(Poly-Vinyl Chloride,PVC)护套中，导线具有近似恒定的间距；(2)单芯线缆：零线和火线被松散地放置在塑料导管(直径20mm左右)中，导线的间距是不确定的。固定插座上扩展的带线多孔插座基本使用多芯线缆。为了简单，现有基于TL理论的信道模型通常也采用多芯线缆进行计算。然而，为了节约成本，室内电气装修多使用单芯线缆。为了更逼近真实的布线实践，本申请的模型也将采用单芯线缆。
因为单芯线缆的间距会沿着线路长度变化，而式(1)、(2)、(3)、(4)表明单位长度参数会随导体间距变化发生变化，所以本申请将单芯线缆分为多个小段，每一段的参数需单独计算。式(22)也进一步说明分段的必要性。另一方面，为了满足计算单位长度L、G、C要求的均匀介质条件，还需假设每一小段线缆的间距近似恒定。由于在不考虑扩展的带线多位插座时，每个子电路基本使用相同的线缆，子电路中每条线缆可用表5所示算法生成。
表5子电路生成算法
Gamma(κ,θ)返回均值为κθ，方差为κθ2的伽马分布随机变量。ρsm-1是单位长度线缆的分段数目，即分段密度，floor(·)是向上取整函数。虽然以上步骤保证生成线缆的真实性，但复杂度较高。在权衡真实性和复杂度后，本申请将ρs设置为10m-1。此外，开关分支长度相对较短，其长度可设置为l＝U(1.5,3.5)(m)。开关分支部署在火线，如果照明设备连接的主分支的段数为Ns，则开关分支在第i段和第i+1段之间接入，其中i是从区间[1,Ns-1]采样的一个整数，每个整数的出现概率相同。开关状态(闭合或断开)可用伯努利分布B(1,0.5)模拟。
在实际布线中，不同功能的子电路使用不同的线缆类型，大功率子电路的导线的横截面积Sline更大，小功率子电路的导线的Sline相对较小。根据室内电气装修规范，线缆横截面积的设置如下：(1)室内入户线、主断路器与次级断路器之间通常使用6mm2线缆。(2)Type1的子电路和Type2-1的插座子电路都存在大功率用电器，两者与单独的大功率插座子电路均使用 4mm2线缆。(3)照明子电路固定使用2.5mm2线缆。(4)小功率插座子电路的线缆Sline根据深度确定，Depth≤4时，取2.5mm2；否则，取4mm2。表6给出了三种线缆的参数6。
表6标准线缆参数
注意，PVC护套的εr≈3，空气的εr≈1，而式子(2)、(3)、(4)需要满足绝缘体介质是均匀的，因此，单位长度参数的计算采用了等效介电常数。
测量研究表明：家用电器的阻抗具有时变性(阻抗跟随市电周期性改变)和频率依赖性。然而，现代电器的电源安装的电磁干扰(Electro-Magnetic Interference,EMI)滤波器极大地减弱了这种时变性，具有时变阻抗的电器的占比很小。另一方面，电器中没有装置或器件限制阻抗的频率依赖性。根据电器的类型及所处状态，电器阻抗会呈现出谐振的性质(并联或串联)，部分电器的阻抗由EMI滤波器的X-cap电容及接线寄生电感决定，呈现出低阻抗值。基于以上事实，将负载归为三类：并联谐振电路、串联谐振电路、由X-cap构成的串联谐振电路，前者的阻抗模型如式(24)所示，后两者的阻抗模型见式(25)。
其中，RP与RS分别是并联和联电路谐振时的纯阻值；QP与QS分别是并联和串联电路的品质因数；fP与fS分别是并联和串联电路的谐振频率。表7给出了特征参数采样分布。
因为每种负载的出现频次未知，所以本文将以相同的概率将3种负载添加到生成拓扑的终端节点。插座子电路可能存在多个电器同时连接在一个多孔插座的情况，因此本申请从区间[0,7]采样的一个整数以模拟插座连接的负载个数NL，每个整数的出现概率相同。当NL＝0 时，即为空插座。
表7负载模型的特征参数的采样分布
在高达100MHz的频率范围，作为室内PLN的重要组成部分的断路器会带来不可忽视的衰减。为了利用矩阵相乘的链式法则，断路器也被当作一个二端口网络，并被建模为图8所示对称的π型RLC等效电路模型。阻抗Z1和Z2为：
Z2＝R3+j2πfL3 (27)
断路器的传输矩阵Tbeaker为：
室内PLN存在不同标称电流的断路器(与总负载功率对应)，而断路器的衰减特性又取决于标称电流。为了完善建模所需断路器的信息，本申请测试国内厂商德力西(DELIXI)和上海人民电气(RMSCSH)生产的断路器(包括接地故障断路器(Ground FaultCircuit Interrupter， GFCI))的频率响应，并利用粒子群优化(Particle SwarmOptimization，PSO)算法拟合RLC等效电路模型参数。测试结果见图9(a)，拟合参数以及拟合效果分别见表8和图9(b)。
表8断路器的RLC等效电路模型参数
因为线缆的粗细与子电路功率相关，所以在生成室内PLN时，可将断路器的标称电流与线缆的横截面积的间接联系(4mm2对应25A或32A；2.5mm2对应16A或20A)作为限制条件，从表8中随机选择一个断路器添加到电力线网络模型中。照明子电路可固定选择16A断路器。
具体实施例：Type2-1型室内电力线网络及相应的电力线信道模型
1.选择子电路数目，确定生成电网类型。
为了简单，后续将以Type2-1型PLN为例进行描述。其他类型的PLN可通过相同步骤生成。
2.生成Type2-1型PLN
(1)根据表3所述的二叉树递归生成算法，生成插座子电路和照明子电路的网络拓扑。子电路的最大深度和最小深度见表4。
(2)为Type2-1型的插座子电路选择4mm2线缆，照明子电路选择2.5mm2线缆。然后根据表5所述算法，为子电路中的每一个连接添加线缆。
(3)将模拟负载添加到子电路的叶子节点上。模拟负载的参数见表7。
(4)为每个子电路添加断路器。插座子电路从25A和32A的断路器中随机选取，照明子电路则从16A的断路器中随机选取，参数见表8。通过断路器，将所有的子电路连接在一起组成完整的Type2-1型室内PLN。
3.计算信道频率响应
(1)参考树的后序遍历，从根节点出发，利用深度优先搜索遍历整个树。在返回的过程中，利用技术背景、考虑辐射损耗的改进参数模型等方法计算每个节点和其父节点间的传输矩阵，以及其父节点作为参考接入点时，节点所在分支的等效阻抗，并将计算结果记录在父节点，直到返回根节点。
(2)参考树的先序遍历，在向下遍历树的过程中，计算每个节点和其子节点间的传输矩阵，以及其子节点作为参考接入点时，节点所在分支的等效阻抗，并将计算结果保存在子节点。另一方面，在遍历同时，在每个节点中保存该节点到根节点的路径。
(3)计算任意两个叶子节点之间的CFR：首先根据节点到根节点的路径，确定这两个节点的最近公共父节点。然后确定连接两个节点的主路径。最后根据技术背景介绍的方法求解总体传输矩阵，获取CFR。
图10为测量的信道频率响应；图10(a)为幅度；图10(b)为相位；图11为模型的信道频率响应；图11(a)为幅度；图11(b)为相位。图10中的编号对应图13所示居民公寓的空开1的插座号，也是信号发射点。信号接收点被限制为空开1的插座3。图11中的编号是信号发射点，对应图12所示插座节点号。信号接收点被限制为节点19。因为模型是尽最大可能还原室内PLN(如图13所示居民公寓也属于Type2-1型)，所以模型与测量的信道频率响应非常相似。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：建立辐射损耗的改进参数模型；
S2：建立室内电力线网络模型；
S3：计算信道频率响应；
所述S1具体为：
长度为l的平行双线TL被差模DM电流IDM激励时，产生的辐射功率为：
其中，是波阻抗，k是波数，I+和I-是前向和反向行波电流，ε0表示真空的绝对介电常数，εr表示绝缘体的相对介电常数；电力线上的电流大都是DM电流，为比较电阻损耗和DM辐射的影响，电阻功率近似为：
为：
s表示导线的轴间距离，rw表示导体半径，μ0表示真空磁导率，σ表示导体电导率，f表示运行频率；
电力线的CM电流ICM激发的辐射功率为：
其中，设CM电流与总电流相同，/>为：
为获取包含辐射损耗的单位长度电阻模型，将辐射功率重定义为则等效辐射电阻为：
提出转换因子ξ来表征，即则改进单位长度电阻为：
仿真与测量使用标准单芯电缆，源阻抗和负载阻抗设置为50Ω；随l变化，一条电力线被分成多段，每段的/>用常数表示；
所述转换因子ξ满足：
线缆长度为1m时，2.5mm2线缆的ξ为0.0556；
线缆长度为2m时，2.5mm2线缆的ξ为0.1150；
线缆长度为3m时，2.5mm2线缆的ξ为0.1553；
线缆长度为4m时，2.5mm2线缆的ξ为0.1852；
线缆长度为5m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2030；
线缆长度为6m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2153；
线缆长度为8m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2350；
线缆长度为10m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2448；
线缆长度为12m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2510；
线缆长度为14m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2559；
线缆长度为16m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2597；
线缆长度为18m时，2.5mm2线缆的ξ为0.2632；
线缆长度为1m时，4mm2线缆的ξ为0.0539；
线缆长度为2m时，4mm2线缆的ξ为0.1121；
线缆长度为3m时，4mm2线缆的ξ为0.1521；
线缆长度为4m时，4mm2线缆的ξ为0.1817；
线缆长度为5m时，4mm2线缆的ξ为0.1991；
线缆长度为6m时，4mm2线缆的ξ为0.2107；
线缆长度为8m时，4mm2线缆的ξ为0.2292；
线缆长度为10m时，4mm2线缆的ξ为0.2382；
线缆长度为12m时，4mm2线缆的ξ为0.2436；
线缆长度为14m时，4mm2线缆的ξ为0.2473；
线缆长度为16m时，4mm2线缆的ξ为0.2503；
线缆长度为18m时，4mm2线缆的ξ为0.2529；
所述S2具体为：
将负载归为三类：并联谐振电路、串联谐振电路、由X-cap构成的串联谐振电路，前者的阻抗模型如式(24)所示，后两者的阻抗模型见式(25)；
其中，RP与RS分别是并联和联电路谐振时的纯阻值；QP与QS分别是并联和串联电路的品质因数；fP与fS分别是并联和串联电路的谐振频率；
从区间[0,7]采样的一个整数以模拟插座连接的负载个数NL，每个整数的出现概率相同；当NL＝0时，即为空插座；
对称的π型RLC等效电路模型的阻抗Z1和Z2为：
Z2＝R3+j2πfL3 (27)
断路器的传输矩阵Tbeaker为：
根据二叉树递归生成算法，生成插座子电路和照明子电路的网络拓扑；
为Type2-1型的插座子电路选择4mm2线缆，照明子电路选择2.5mm2线缆；然后根据线缆生成算法，为子电路中的每一个连接添加线缆；
将模拟负载添加到子电路的叶子节点上；
为每个子电路添加断路器；插座子电路从25A和32A的断路器中随机选取，照明子电路则从16A的断路器中随机选取；通过断路器，将所有的子电路连接在一起组成完整的Type2-1型室内电力线网络(Power Line Network,PLN)；
所述S3具体为：
S31：参考树的后序遍历，从根节点出发，利用深度优先搜索遍历整个树；在返回的过程中，计算每个节点和其父节点间的传输矩阵，以及其父节点作为参考接入点时，节点所在分支的等效阻抗，并将计算结果记录在父节点，直到返回根节点；
S32：参考树的先序遍历，在向下遍历树的过程中，计算每个节点和其子节点间的传输矩阵，以及其子节点作为参考接入点时，节点所在分支的等效阻抗，并将计算结果保存在子节点；在遍历同时，在每个节点中保存该节点到根节点的路径；
S33：计算任意两个叶子节点之间的信道频率响应(Channel Frequency Response,CFR)：首先根据节点到根节点的路径，确定这两个节点的最近公共父节点；然后确定连接两个节点的主路径；最后求解总体传输矩阵，获取CFR。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210379459.1A CN114745068B (zh) | 2022-04-12 | 2022-04-12 | 一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210379459.1A CN114745068B (zh) | 2022-04-12 | 2022-04-12 | 一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114745068A CN114745068A (zh) | 2022-07-12 |
| CN114745068B true CN114745068B (zh) | 2023-11-03 |
Family
ID=82281812
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210379459.1A Active CN114745068B (zh) | 2022-04-12 | 2022-04-12 | 一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114745068B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6887339B1 (en) * | 2000-09-20 | 2005-05-03 | Applied Science And Technology, Inc. | RF power supply with integrated matching network |
| CN101507074A (zh) * | 2006-08-11 | 2009-08-12 | Abb研究有限公司 | 电力线热模型的参数估计 |
| CN104410508A (zh) * | 2014-08-28 | 2015-03-11 | 清华大学 | 基于电力线通信的电力线网络拓扑感知方法及装置 |
| CN105933035A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-09-07 | 重庆电力高等专科学校 | 一种基于网络参数的电力线信道特性分析方法 |
| CN113378358A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-09-10 | 同济大学 | 一种直流有刷电机传导和辐射干扰的建模仿真方法 |
-
2022
- 2022-04-12 CN CN202210379459.1A patent/CN114745068B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6887339B1 (en) * | 2000-09-20 | 2005-05-03 | Applied Science And Technology, Inc. | RF power supply with integrated matching network |
| CN101507074A (zh) * | 2006-08-11 | 2009-08-12 | Abb研究有限公司 | 电力线热模型的参数估计 |
| CN104410508A (zh) * | 2014-08-28 | 2015-03-11 | 清华大学 | 基于电力线通信的电力线网络拓扑感知方法及装置 |
| CN105933035A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-09-07 | 重庆电力高等专科学校 | 一种基于网络参数的电力线信道特性分析方法 |
| CN113378358A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-09-10 | 同济大学 | 一种直流有刷电机传导和辐射干扰的建模仿真方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Modeling and Analysis of Common-Mode Current Propagation in Broadband Power-Line Communication Networks;T. S. Pang等;《IEEE Transactions on Power Delivery》;第23卷(第1期);171-179 * |
| 宽带电力线信道建模方法研究;邓维;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (信息科技辑)》;章节2、4 * |
| 电力载波通讯中辐射噪声的分析与抑制;赵阳等;《中国矿业大学学报》(第1期);152-156 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114745068A (zh) | 2022-07-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Meng et al. | Modeling of transfer characteristics for the broadband power line communication channel | |
| Zhu et al. | State-of-art power line communications channel modelling | |
| Lazaropoulos et al. | Transmission characteristics of overhead medium-voltage power-line communication channels | |
| Papadopoulos et al. | Narrowband power line communication: Medium voltage cable modeling and laboratory experimental results | |
| Barmada et al. | A wavelet based method for the analysis of impulsive noise due to switch commutations in power line communication (PLC) systems | |
| Cataliotti et al. | Simulation and laboratory experimental tests of a line to shield medium-voltage power-line communication system | |
| Cataliotti et al. | Measurement issues for the characterization of medium voltage grids communications | |
| Anatory et al. | Broadband power-line communications: The channel capacity analysis | |
| Khalil et al. | An MIMO random channel generator for indoor power-line communication | |
| Righini et al. | Modeling transmission and radiation effects when exploiting power line networks for communication | |
| Cataliotti et al. | Simulation of a power line communication system in medium and low voltage distribution networks | |
| van Rensburg et al. | Coupler winding ratio selection for effective narrowband power-line communications | |
| Guezgouz et al. | SPICE Model for the PLC Propagation Channel in the High frequency range | |
| CN114745068B (zh) | 一种建立室内电网宽带电力线信道模型的方法 | |
| Gianaroli et al. | A novel approach to power-line channel modeling | |
| Souissi et al. | Bottom-up approach for narrowband powerline channel modeling | |
| Rasool et al. | Impedance characterization of power line communication networks | |
| CN106685483B (zh) | 一种配电台区宽带电力线载波零线耦合的系统 | |
| Pang et al. | Modeling and analysis of common-mode current propagation in broadband power-line communication networks | |
| Lazaropoulos | Designing Broadband over Power Lines Networks Using the Techno-Economic Pedagogical (TEP) Method –Part II: Overhead Low-Voltage and Medium-Voltage Channels and Their Modal Transmission Characteristics | |
| Varma et al. | A comprehensive study on channel modeling of broadband communication over low voltage power line | |
| Songnong et al. | Modeling of high-frequency low voltage power line carrier communication channel | |
| Elfeki et al. | Estimation of PLC transmission line and crosstalk for LV outdoor electrical cables | |
| Wang et al. | Transfer characteristics modeling of four-conductor cables in power-line communications | |
| Mosalaosi | Power line communication (PLC) channel measurements and characterization. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |