环网供电系统电力线载波通信信道特性分析_熊大凯.pdf

2023 1期环网供电系统电力线载波通信信道特性分析熊大凯，李勰，张选萍，乐健（国网江西省电力有限公司宜丰县供电分公司，江西 宜春 ；武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 ）摘要：为提高供电的可靠性，现代中压配电系统中将越来越多地出现环网拓扑结构。首先依据信息节点的信道建模方法，建立了具有环网的某实际配电网络的信道传输模型。然后在此基础上，对其信道传输特性进行了分析，利用仿真计算重点分析了各种因素对电力线载波通信模型的信道传输特性的影响规律。最后通过实验验证了所得结论的正确性和有效性。所使用的研究方法与总结出的相关规律对含有环网结构的配电系统的电力线载波通信调制具有重要意义。关键词：电力线载波通信；环网拓扑；信道传输特性；频率衰减中图分类号：，（，；，）：，：；收稿日期：作者简介：熊大凯（），从事配电网运行检修管理工作；李勰（），从事配电网运行检修工作；张选萍（），从事配电网运行检修工作；乐健（），副教授，从事智能电网运行控制技术研究工作。引言电力线载波通信，以电力线作为传播媒介，通过载波实现对数字信号与模拟信号的传输。电力线作为一种通信媒介，在国民生活中得到了广泛应用，引起了国内外学者的高度关注。现如今相关研究涵盖了通信信道建模、噪声干扰特性、组网技术 和阻抗匹配 等多个方面。为了提高供电的可靠性，配电系统中将出现越来越多的环网结构，以便在发生故障后能实现对故障区域的快速切除与对非故障区域的供电恢复。传统的信道建模方法可分为自顶向下法 和自底向上法。随着配电网络拓扑变得越来越复杂，传统方法的弊端日渐凸显。本文依据文献 提出的一种新型电力线信道建模方法，建立了某市地铁号线主变电站和 供电系统的电力线载波通信信道模型。在此基础上，通过仿真计算总结出了不同条件下的通信信道传输规律，重点分析了主干线路长度、分支线路长度、支路负载等不同因素对电力线信号衰减的影响。最后通过实验验证所得结论的正确性与有效性。实际环网拓扑及其等效某市地铁号线 供电系统接线如图所示。将各变电站及各供电点等效为一节点，并接入等效负载，得到的该供电系统含环网的拓扑结构如图所示。图中，两节点分别代表两地铁站。在图所示的拓扑中，主干线路由每个环网上下两条支路构成。每个环形网络，上下两条支路长度分别相等；、等为分支线路；为末端支路。为了便于问题的分析，在该拓扑中设定传输线的原参数相同，即单智能信通技术电工技术中国电工网图 1 实际电力网的拓扑图供电区 1110 kVA 主变电站33 kV牵引站 1牵引站 2牵引站 3110 kVB 主变电站33 kVABCDEZsVsFZL1ZL2ZL3ZL图 2 等效后的环网拓扑图GHI位长度电阻，单位长度电感 ，单位长度电容 ，不计单位长度电纳；信号发射源与信号接收源阻抗相等，；三条分支线路的负载阻抗也相等，。图为从信号发射源到接收点的电压传输的幅频特性，其衰减峰与衰减谷的位置如标志所示，信号传输频率范围为 。图 3 电压传输幅频特性不同影响因素对信号衰减的影响 改变主干长度在图所示的拓扑中，主干长度相等，改变主干长度，依次为、；支路长度均为；末端支路 的长度也为。在该拓扑结构中设定传输线的原参数相同，即单位长度电阻，单位长度电感 ，单位长度电容 ，不计单位长度电纳；信号发射源与信号接收源阻抗相等，；三条分支线路的负载阻抗也相等，。图为主干长度依次为、的幅频特性，信号传输频率范围为 。图 4 主干长度改变时的电压传输幅频特性（a）10 m（b）20 m（c）30 m（d）40 m由图可知，随着主干线路的增加，电压传输幅频特性的衰减峰与衰减谷的值基本无变化，但是衰减峰与衰减谷处的波形波动较大。改变分支长度在图所 示 的 拓 扑 中，主 干 长 度 相 等 且 均 等 于。改变分支长度，使其长度分别相等且依次等于、；末端支路的长度为。在该拓扑结构中设定 传 输 线 的 原 参 数 相 同，即 单 位 长 度 电 阻，单位 长 度 电 感 ，单 位 长 度 电 容 ，不计单位长度电纳；信号发射源与信号接收源阻抗相等，；三条分支线路的负载阻抗也相等，。图为分支长度依次为、的 幅 频 特 性，信 号 传 输 频 率 范 围 为 。图 5 分支长度改变时的电压传输幅频特性（a）10 m（b）20 m（c）30 m（d）40 m由图可知，随着分支线路的增加，电压传输幅频特性的衰减峰的值基本无变化，但随着分支长度的增加，衰减峰与衰减谷的个数增多。电工技术智能信通技术2023 1期 支路负载改变在图所示的拓扑中，主干长度分别相等且均等于；分支长度均等于；末端支路的长度为。在该拓扑结构中设定传输线的原参数相同，即单位长度电阻，单位长度电感 ，单位长度电容 ，不计单位长度电纳；信号发射源与信号接收源阻抗相等，；改变分支负载、和，使其分别为、。图为不同支路负载阻抗下的幅频特性，信号传输频率范围为 。图 6 支路负载阻抗改变时的电压传输幅频特性（a）0（b）5（c）10（d）20（e）30（f）50（g）100（h）200（i）500 由图可知，随着分支线路的增加，电压传输幅频特性的衰减峰的值先减小后增加，呈现开口向上的抛物线趋势；而衰减谷的值先增加后减小，呈现开头向下的抛物线趋势，衰减谷的变化比衰减峰更明显。在分支负载约等于特性阻抗时，衰减峰与衰减谷的峰谷差最小。末端支路改变在图所示的拓扑中，主干长度分别相等且均等于；分支长度均等于；改变末端支路 的长度，使其分别为、。在该拓扑结构中设定传输线的原参数相同，即单位长度电阻，单位长度电感 ，单位长度电容 ，不计单位长度电纳；信号发射源与信号接收源阻抗相等，；三条分支线路的负载阻抗也相等，。图为末端支路长度依次为、的幅频特性，信号传输频率范围为 。由图可知，在末端支路长度发生变化的情况下，电压传输幅频特性几乎保持不变。接收点负载改变在图所示的拓扑中，主干长度分别相等且均等于；分支长度均等于；末端支路长度也为。在该拓扑结构中设定传输线的原参数相同，即单位长度电阻图 7 末端支路改变时的电压传输幅频特性（a）10 m（b）20 m（c）30 m（d）40 m，单位长度电感 ，单位长度电容 ，不计单位长度电纳；信号发射源内阻为，支路负载均为，即、和 均为；改变接收 点 负 载，使 其 分 别 为、。图为不同信号接收源负载阻抗下的幅频特性，信号传输频率范围为 。图 8 改变接收点负载电压传输幅频特性（a）1（b）5（c）10（d）20（e）30（f）50（g）100（h）200（i）500 由图可知，随着接收点负载的增加，衰减峰与衰减谷都会增加，但衰减峰与衰减谷均有最大值，即衰减峰的最大值为，衰减谷的最大值约为 。四个环网分别开环在图所示的拓扑中，主干长度分别相等且均等于；分支长度均等于；末端支路长度也为。在该拓扑中设定传输线的原参数相同，即单位长度电阻，单位长 度 电 感 ，单 位 长 度 电 容 ，不计单位长度电纳；信号发射源与信号接收源阻抗相等，；三条分支线路的负载阻抗也相等，；改变四个主干环网的拓扑结构，使四个主干环网分别开环运行。图为四个主干环智能信通技术电工技术中国电工网网分别开环运行情况下的幅频特性，信号传输频率范围为 。图 9 四个环先后开环的电压传输幅频特性（a）环网一开环（b）环网二开环（c）环网三开环（d）环网四开环由图可知，四个主干环网分别开环运行时，电压传输幅频特性的波形基本不变。支路分别断开在图所示的拓扑中，主干长度分别相等且均等于；分支长度均等于；末端支路长度也为。在该拓扑中设定传输线的原参数相同，即单位长度电阻，单位长 度 电 感 ，单 位 长 度 电 容 ，不计单位长度电纳；信号发射源与信号接收源阻抗相等，；三条分支线路的负载阻抗也相等，；不断开支路和分别断开三条支路。图 为三条支路分别断开的幅频特性，信号传输频率范围为 。图 10 三条支路分别断开的幅频特性（a）不断开（b）断开 L1（c）断开 L2（d）断开 L3由图 可知，与不断开分支相比，分别断开三条分支，电压传输幅频特性的衰减峰的值几乎不变，而衰减谷的值略有增加；但分别断开三条分支时，其电压传输幅频特性几乎相同。可见，电压传输幅频特性只于分支的个数有关，而与分支的位置无关。改变接收点位置在图所示的拓扑中，主干长度分别相等且均等于；分支长度均等于；末端支路长度也为。在该拓扑中设定传输线的原参数相同，即单位长度电阻，单位长 度 电 感 ，单 位 长 度 电 容 ，不计单位长度电纳；信号发射源与信号接收源阻抗相等，；三条分支线路的负载阻抗也是一样的，；改变信号接收点分别在、。图 为不同接收点位置下的幅频特性，信号传输频率范围为 。图 11 改变接收点位置的电压传输幅频特性（a）接收点 E（b）接收点 D（c）接收点 C（d）接收点 B由图 可知，改变接收点位置，即把接收点前移，衰减峰的位置几乎不变，而衰减谷的值逐渐增加。结语本文建立了一种实际配电网的信道传输模型，并基于此进行仿真计算，总结了不同因素对该模型信号通道传输特性影响的规律，可概括为以下几点。主干长度与分支长度对电压传输幅频特性衰减峰与衰减谷的值影响很小，但主干长度的增加会使衰减峰与衰减古波动增大，分支长度的增加会使衰减峰与衰减谷的数目增多。随着支路负载的增加，电压传输幅频特性的衰减峰先减小后增加，呈现开口向上的抛物线趋势；而衰减谷先增加后减小，呈现开头向下的抛物线趋势。衰减峰与衰减谷的峰谷差在负载与特性阻抗相等时达到最小值。末端支路长度的改变对电压传输幅频特性几乎没有影响，但末端阻抗的增加将使电压传输幅频特性的波形整体增大。四个环网分别开环与支路分别断开对电压传输幅频特性的影响都很小；信号接收点位置改变，即把接收点前移，衰减峰的位置几乎不变，而衰减谷的值逐渐增加。参考文献 赵洪山，张伟韬 基于 方程的中压电力线载波通信信道电工技术智能信通技术2023 1期建模 电力系统自动化，（）：黄银龙，乐健，王东旭，等环网下电力线载波通信信道特性的影响因素分析 电力系统保护与控制，（）：王艳，王阳，赵洪山，等 中压配电网电力线载波通信信道建模 电力系统保护与控制，（）：黄银龙，蔡伟，毛涛，等具有格状网的电力线载波通信信道特性的分析 电力系统保护与控制，（）：，（）：，（）：蔡伟，乐健，刘开培，等 基于信息节点的智能配电网中压电力线载波通信信道建模方法中国电机工程学报，（）：胡正伟，贺冬梅，谢志远基于 算法的电力线通信 信 号 分 离 方 法 电 力 自 动 化 备，（）：王艳，陈浩，赵洪山，等 网络模式下配电物联网载波通信匹配组网方法电力自动化设备，（）：，（）：李蕊，丁宁，史鹏博，等 低压配电网电力线载波通信脉冲噪声过滤系统微型电脑应用，（）：，佘蕊，张宁池，王艳茹，等 面向配电网大规模接入的 电 力 线 载 波 通 信 系 统 的 研 究 供 用 电，（）：，（）：张建根广州地铁供电系统 环网接线方式的思考城市轨道交通研究，（）：（上接第 页）行情况，也有利于 过程中的汽温调节。参考文献 邵家林，刘桂生，王兴，等 亚临界机组节能降耗综合提效技术研究及应用锅炉技术，（）：陈剑，杜文娟，王海风采用深度迁移学习定位含直驱风机次同步振荡源机组的方法电工技术学报，（）：毛庆汉储能联合火电机组参与调频辅助服务市场的工程应用电气技术，（）：程胜杰，李娟，焦邵华传递矩阵法验证发电机轴系扭振特性电气技术，（）：陈厚涛，王锡辉，朱晓星，等 超临界机组辅机故障减负荷功能控制优化与应用科学技术与工程，（）：谈林涛，李军良，任昺，等 基于 算法的智能电网调度 控 制 系 统 健 康 度 评 价 模 型 电 力 自 动 化 设 备，（）：贾志军，李飞，宿云山，等 亚临界机组省煤器热水再循环宽负荷脱硝改造分析内蒙古电力技术，（）：宋文雷，何翔，赵春荣，等基于 亚临界供热机组灵活性深度调峰的研究应用电站系统工程，（）：刘超，贾东卓，赵洪亮，等 型燃气发生器可调进口导 向 叶 片 控 制 系 统 改 造 油 气 储 运，（）：赵志宏，黄利明，李焕君，等 亚临界机组锅炉后屏过热器泄漏原因分析与