电力线载波通信元件阻抗模型研究综述-郑雪

第40卷第6期电力系统保护与控制Vol.40No.62012年3月16日PowerSystemProtectionandControlMar.16,2012电力线载波通信元件阻抗模型研究综述郑雪，乐健，蔡伟，靳超，黄楚鸿（武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072）摘要：电力线载波通信技术是电力系统中应用广泛的重要通信手段。建立网络中组成元件的阻抗模型是研究信道传输特性的关键和前提。对传统配电网中配电变压器及其低压侧负荷、架空线路和埋地电缆以及在线用电设备的阻抗模型进行了综述。介绍了各类元件模型的建模技术，详细分析了各类阻抗模型的优缺点和适用范围。结合智能电网的特点，讨论了中压智能电网应用电力载波通信技术时元件阻抗建模需要解决的新问题和关键技术。关键词：电力载波通信；特性阻抗；信道特性；智能电网；阻抗模型OverviewofthecomponentimpedancemodelingresearchofpowerlinecommunicationZHENGXue,LEJian,CAIWei,JINChao,HUANGChu-hong(SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:Powerlinecommunication(PLC)technologyisanimportantcommunicationmethodwhichhasbeenwidelyusedinpowersystem.Establishmentofthecomponentimpedancemodelinthenetworkisakeyissuefortheresearchofchanneltransmissioncharacteristic.Thispapergivesanoverviewoftheimpedancemodelingofdistributiontransformersanditslow-voltageloads,overheadlines/undergroundcables,andonlineelectricalequipmentsintraditionaldistributionnetwork.Theadvantagesanddisadvantagesofvariousimpedancemodelingtechnologiesandtheirapplicationscopesareanalyzedindetail.Finally,thecomponentimpedancemodelingissuesandtheassociatedkeytechnologiesthatneedtoberesolvedwhenapplyingthepowerlinecarriercommunicationtechnologyinmediumvoltagesmartgridarediscussedbasedonthecharacteristicsofsmartgrid.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51007065).Keywords:powerlinecommunication；characteristicimpedance；channelcharacteristic；smartgrid；impedancemodel中图分类号：TM73文献标识码：A文章编号：1674-3415(2012)06-0135-070引言电力线载波通信是以电力线为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种通信方式[1]。电力线遍及千家万户，其作为通信媒介具有应用的广泛性和经济性。人们对于电力载波通信技术的研究历史悠久，早在20世纪20年代就开始将其应用于10kV配电网线路的通信中。随着人们对各种通信需求的不断上升和相关技术的快速发展，电力载波通信日益成为国内外相关人员研究的热点。近十年来，在权威期刊和国际会议上，有大量基于电力载波通信技术的自动抄表系统[2-6]和家居自动化系统[7-10]等实际应用研究方面的文章出现。基金项目：国家自然科学基金（51007065）;中央高校基本科研业务费专项资金（2101008）在电力线载波通信技术中，一方面研究电力线传输特性需要网络中各组成元件准确的阻抗参数，而研究电力网络输入阻抗特性时也需要各组成元件适用的阻抗模型。另一方面配电网中元件数量繁多、运行特性差异很大、影响阻抗特性的因素众多，使得配电网的阻抗特性与传输特性和噪声特性相比更加复杂。因此，研究建立配电网中各组成元件准确适用的阻抗模型，并计算模型参数是电力线载波通信的关键技术和研究热点，也是研究的难点。随着智能电网研究和建设的不断推进，电力线载波通信技术必将成为解决智能电网通信问题的重要手段。在智能电网中将大量采用基于电力电子技术的新型设备，从而给研究元件阻抗模型提出了新的问题和挑战。本文将配电网络中的元件划分为配电变压器及其负荷、架空线和埋地电缆以及电网用电设备三类，-136-电力系统保护与控制对国内外近年来的元件阻抗模型的最新研究成果进行了综述。介绍了各类元件阻抗模型研究的发展历程，对各种模型建模方法的核心思想进行详细分析，分析了各种模型的优缺点和适用范围。最后分析了智能电网中进行阻抗模型研究时面临的新问题。本文的工作为在智能电网中压网络中应用电力线载波通信技术提供了有益的参考。1配电变压器及用户设备的阻抗模型配电系统中存在高频电力线载波信号时，系统中的主要元件如配电变压器、配电线路以及用户设备的阻抗特性将与工频信号下的不同。由于此类元件和设备数量众多，运行特性千差万别，建立它们相应的阻抗模型一直是电力线载波通信技术研究的重点。1.1配电变压器模型现有的变压器建模方法主要可分为两种：一种是基于内部结构分析的建模方法，即用多个RLC元件组成的电路来模拟变压器，而元件参数需要根据变压器具体的绕组接线方式、铁芯材料和内部结构等计算确定。该方法建模精度高，但存在所需参数多、计算量大的缺点。第二种建模方式则将变压器视为一个二端口网络，仅关注其两端口处的电气关系而无需分析其具体内部结构。尽管存在所建立模型物理概念不明晰的缺点，该建模方式因其简单适用而得到了更广泛的应用。文献[7]所提出的三相变压器高频信号下的单相二端口等效模型如图1所示。N:1RLsZsIsVpVCpIP图1配电变压器的高频二端口模型Fig.1TwoportsHFmodelofdistributiontransformer图中电容C为变压器一二次侧对地杂散电容之和，R为绕组电阻，L为漏电感。图1所示模型可用式(1)表示。2Cssppppssssss11111ZNZNZIVYMVIVMYVNZZ⎡⎤+−⎢⎥−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⋅=⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦−⎢⎥⎣⎦(1)由此传输矩阵，可得到如图2所示的变压器在PLC载波频率下的等效二端口模型。pVpYM−pIsYM−sVsIM图2配电变压器等效电路Fig.2Equivalentcircuitofdistributiontransformer该模型中仅考虑了绕组对地杂散电容，并认为R和L均为常数。实际上参数R会随着频率的升高而变化。文献[8]指出电阻R会由于趋肤效应而与频率呈指数增大关系。同时在高频条件下，绕组间的电容以及变压器铁芯的磁滞和磁饱和特性不能忽略。文献[9]提出了建立变压器高频模型时必须考虑的几个因素：1）绕组对地和绕组之间的杂散电容；2）变压器绕组的趋肤效应；3）绕组电感与杂散电容之间多种谐振现象；4）铁芯饱和与磁滞现象。据此，文献[10]提出了基于理想变压器的RLC等效电路模型，并给出了其参数测量方法。这种模型仅对于1MHz以下的信号有效。文献[11]提出了更精确的能够适应更宽频率范围（几Hz~10MHz）的中频模型和高频模型。在信号频率低于1MHz时，使用如图3所示的含有理想变压器的中频模型；而在信号频率大于1MHz时，则采用如图4所示的忽略理想变压器的高频模型。A1CBCabcn12_1aC12_1bC12_1cC12_2aC12_2cC1_aZm_aZ1_bZm_bZ1_cZm_cZ1C1C12_2bC2C图3变压器中频响应模型Fig.3MFmodelofpowertransformer郑雪，等电力线载波通信元件阻抗模型研究综述-137-ABC1C12_1aC12_2aC12_1bC12_2bC12_1cC12_2cCabcnfZ2C1C1CfZfZ图4变压器高频响应模型Fig.4HFmodelofpowertransformer由以上分析可知，与工频变压器模型不同，随着信号频率的增加，绕组杂散电容、趋肤效应、铁芯磁滞和磁饱和等因素对变压器参数的影响将不能忽略。现有的各种变压器高频等效模型适用的频率范围不同，在变压器建模时必须根据具体的信号频率区间加以选择。1.2用户设备模型用户负荷大致可分为30多种，图5所示为10k～450kHz频段一些典型的居民家用电器设备的阻抗特性曲线[6]。11010010001000010110210310410510空调白炽灯TV1TV2暖脚器电磁炉频率/kHz阻抗/Ω图5用电设备阻抗特性曲线Fig.5Impedancecurveofelectricalequipment根据图5所示的阻抗特性曲线，可建立各电器相应的RLC元件模型如图6所示。从上述等效模型可看出，在高频条件下不同电器设备都可用RLC元件的并联、串联或混合联接方式的集中参数模型进行等效。在建立综合负荷的等效模型时，若对每一种电气设备均采用不同的模型将大大增加综合等效模型的复杂程度。综合负荷的建模方法大致可以归纳为两大类，文献[12]给出了一种统计综合建模方法，其基本思想是将负荷看成个别用户的集合，先将这些用户的24.8nF29.8μH80Ω23.5nF62.2nF19.5μH4kΩSW1SW223.5μH1.11nF11.0kΩ5μH27Ω185Ω(a)白炽灯(b)暖气器(c)空调(d)电视图6几种典型电器设备的阻抗模型图Fig.6Equivalentimpedancemodelsofseveralresidentialelectricalequipments电器分类，并确定各种类型电器的平均特性，然后统计出各类电器所占的比重，最后综合得出总的负荷模型。但使用这种方法需事先统计成千上万个用户的负荷组成及参数，比较耗时费力，难以统计准确，并且无法适应负荷特性的时变性。文献[13]给出了另一种总体测辨法，其基本思想是将电力线负荷看作一个整体，先从现场采集测量数据，然后确定负荷模型的结构，最后根据现场采集的数据辨识出模型参数，这种方法无需知道各个用户的负荷组成及参数，在负荷母线处长期装设测量装置，可以根据各个时刻的测量数据得到相应的负荷特性参数，从而解决了负荷特性的时变性问题。1.3电机模型配电系统中数量最多的负荷是电动机，建立高频条件下电动机的模型也是电力载波通信的重要研究内容[14]。1.3.1电机瞬态分析模型电机学中多以交流电动机磁链方程和转动方程为基础来建立电机的瞬态分析模型。此模型可描述电机所有内部机电量的瞬时变化情况，进而掌握电机的暂态运行特性。但此模型是以电机控制为目标，在高频条件下的特性体现较少，且磁链方程模型过于复杂而不适用于电力载波通信条件下的电动机阻抗特性分析。1.3.2单相高频等效模型多个文献[15-20]从阻抗等效的角度提出了电动机-138-电力系统保护与控制的单相高频等效模型，从而避免了考虑电机内部结构对瞬变参数的复杂影响。文献[15]计及电机绕组对地杂散电容引起的漏电流的影响，在简单电机RL等效电路的两端增加对地电容Cg和表示漏电流损耗Rg的串联支路，形成π型等效电路。文献[18]同时在RL支路上并联一个电阻Rwk1表示铁芯损耗，所得模型如图7所示。wkCwk1Rwk2RwkLgCgCgRgR图7单相π型等效模型Fig