电力线通信中传输线参数测试与应用.pdf

总第 4 9卷第 5 5 3期 2 0 1 2年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e nt a t i o n Vo i 4 9 NO 5 5 3 J a n 2 01 2 电力线通信中传输线参数测试与应用 谢志远， 王岩， 郭以贺， 刘倩 ( 华北电力大学 电气与电子工程 学院 河北 保定 0 7 1 0 0 3 ) 摘要： 为了研究电力线载波通信信道的特性， 有必要对电力线通信中传输线的电气参数进行实际测试干 l J分析。 本文基于耦合传输线理论 ， 模拟实际线路分布情况 ， 对某一具体长度 的电力线进行测试 ， 理论推导 出该长度的 传输线在不同频率的电气参数值。 通过对实际测量数据与仿真结果的比较， 验证了理论计算的正确性。 此外，基 于传输线模型建立了电力线通信中各分支线路的模型， P s p i c e 仿真结果基本和测试结果一致，为电力线信道模 型的建立及其特性的分析与研究奠定了基础。 关键词： 电气参数； 传输线理论； 二端口级联； 信道建模 中图分类号： T M2 4 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 5 2 0 5 M e a s u r e me n t a n d Ap p l i c a t i o n o f El e c t r i c a l P a r a me t e r s i n Po we r Li n e Co mmu n i c a t i o n X I E Z h i y u a n ， WA N G Y a n ， G U O Y i h e ， L I U Q i a n ( S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d El e c t r o n i c En g i n e e r i n g ， No r t h Ch i n a E l e c t r i c P o w e r Un i v e r s i t y ， Ba o d i n g 0 7 1 0 0 3， He b e i ， Ch i n a ) Ab s t r ac t ： I n o r d e r t o a na l y z e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f P LC c ha n n e l ，i t i S n e c e s s a r y t o r e s e a r c h t h e e l e c t r i c a l pa r a me t e r s o f t r a n s mi s s i o n l i n e s b y a c t u a l t e s t i n g Ba s e d o n c o u p l i n g t r a ns mi s s i o n l i n e t he o r y ， a s p e c i fic l e n g t h o f po we r l i n e i s t e s t e d b y s i mul a t i n g t h e r e a l l i n e d i s t r i b ut i o n ，a nd t h e e l e c t r i c a l p a r a me t e r s a t d i f f e r e nt f r e q ue n c i e s a r e i n t r o d u c e dI n c o mp a r i s o n wi t h t h e t e s t v a l ue o f t h e s i mul a t i o n r e s u l t s t h e a c c u r a c y o f t h e o r e t i c c a l c u l a t i o n i S v e r i fie dBe s i d e s ，we e s t a b l i s h t h e mo d e l o f v a r i o us b r a n c h l i n e s o f p o we r c o mmu ni c a t i o n n e t wo r k ba s e ( 1 t h e t r a n s mi s s i o n l i n e mo d e 1 The r e s u l t s o f Ps p i e e s i mu l a t i o n a r e i n c o n s i s t e n t w i t h t h e a c t u a l t e s t s w h i c h p r o v i d e s a u s e f u l t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e e s t a b l i s h me n t o f P L C n e t w o r k a n d t h e a n a l y s i s o f c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s K e y wor ds ： e l e c t r i c a l p a r a me t e r ， t r a n s mi s s i o n l i ne t h e o r y ， c a s c a d i n g o f t wo p o r t ne t wo r ks ， c ha n n e l mo de l i n g 0 引 言 电力线信道的传输特性是影响电力线通信可靠 性的关键因素。在进行信道估算时 ， 由于配电网的接 线和元件参数非常繁杂 ， 有架空线和电缆网， 干线上 接有许多长度 、 截面各不相 同的支线 ， 以及支线上 的 多次支接 ， 导致信号衰减十分严重 ， 传输效率低 。因 此 ， 有必要对电力线通信中传输线的阻抗特性参数进 行分析与研究。 传输线 的阻抗特性参数包括一次参数和二次参 数，参数的确定是电力线通信网络模型建立的基础。 南于传输线一次参数 与传输线本身的物理特性及传 输信号的频率有关，导致其理论推算公式十分繁琐， 在实际应用中不太现实。 本文采用传统的传输线电气 参数测试方法【】I， 即开路短路法对一具体长度电缆进 一 5 2一 行i 贝 0 试 ，计算 出其不同频率下对应 的电气参数值 ， 通 过对实际测量数据与仿真结果 的比较 ， 验证 了理论计 算的正确性， 并且基于传输线模型建立了电力线通信 中各分支线路的模型， 为电力线信道模型的建立及特 性的分析与研究奠定了基础。 1 传输线理论及阻抗测试方法 1 1 传 输 线方程 一 条线是否适合作为传输线， 取决于该线的长度 和外加电压的频率 ， 即取决于线的长度对外加频率 的 波长的比值。如果波长远远大于线的长度， 实际电路 可以作为普通电路进行分析 ；当波长与线长相当时， 实际电路才能作为分布参数电路进行分析。 设有一均匀传输线 ， 线 的左端与 电源相连 ， 成为 始端， 线的右端和负载连接， 成为终端。 在距离传输线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 3期 2 0 1 2年第 1期 电测与仪表 EI e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r um e n t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 5 3 J a n 2 0 1 2 始端 来线一 A B 终端 、 襄 回线一 D C 一 、 图1 均 匀传 输 线 F i g 1 U n i f o r m t r a n s m i s s i o n fi n e s 始端 处取一微分段c 来研究 ， 如图l 所示。 由于这一微分段极短， 可以忽略该段上电路参数 的分布性 ， 而用图2 所示 的集中参数电路作为其模型 ， 这样整个均匀传输线就相当于由无数多个这种微分 段级联 而成1 2 1 。 图2 单位长度传输线的等效电路 Fi g 2 The e q u i v a l e n t c i r c u i t o f un i t l e n g t h 图2 中， 表示位置， ( ) 和V ( x + d x ) 分别表示信 号在传输线 + 处的瞬时电压， I ( x ， ) 和， ( + ) 分别 表示瞬时电流。尺、 L 、 G 、 C分别表示传输线单位长 度的电阻、 电导 、 电容 、 电感 。 设一段传输线 的始端电压 电流分别为 。 、 ， 0 ， 则距 离始端 处有如下方程成立： i = 1 c h 一z J 1 s h y x 1= I lc h T x V 1 s h ( 1 【 c 式中 和 表示线路的二次参数，它们与一次参数 、 L 、 G 和c， 即与线路单位长度 的电阻 、 电感 、 绝缘电导 和电容有关 3 1 ， 如下两式所示 ： =、 ： ( 2 ) ： ( 3 ) V G + j w C 式中 为每公里衰耗； 为相移系数。 由传输线方程可以确定， 传输线上任一点输人阻 抗为 ： ( 4 ) 式中f 为传输线长度； 为传输线的终端负载阻抗。根 据传输线始端输入电压和电流与终端的关系， 可以进 图3测量 原理 图 Fi g 3 T he s c h e ma t i c d i a g r a m 一 步确定传输线负载电压， 原理图如图3 所示。 传输线的输入阻抗为 ，则输入电流 ： 五 = U s ( 尺 ) ，进而得到传输线始端输入电压 ： 一 。 那么末端负载 电压与始端输入 电压有如下 的关 系式成立 ： U = U m c o s h ( y 1 ) -Z J m s i n h ( y 1 ) ( 5 ) 负载电压的确定对传输线衰减的计算有重要作 用 。 1 3 传输线参数的确定 由式( 4 ) 传输线上任一点输入阻抗为 ： Z ： ： Z Z l+ Z ： a n h y l 一 I z Zl t a n h T1 当 负 载 短 路 时 ， 即 为 零 时 ，短 路 阻 抗 为 =z i = Z ot a n h y l ； 当终端开路时， 即z l为无穷大时， 开路 阻抗为 = = Z ： a n h y l 。 传输线参数 的确定要以测试所得的开路短路 阻 抗为 已知条件 ， 然后依次计算z 。 和 ， 进而确定一次参 数 的值 ， ca = 得特性阻抗 ： Z ：R + j 。 = 、 ( 6 ) 由 ta n h y l= 、 象 得 传 播 常 数 ： = 咖h ( ) ( 7 ) 5 L ： = T = N ( R+ j o J L ) ( C + j wC ) - = a + j fl 则： R + j w L = Z T G + j w C = 告 从而可得 ： I尺 ： 积 一 ，L ： fl R c+ X c ； 1G ： C _ 【 R + 。 ( R。 + 。 ) 至此 ，传输线的一次参数R 、 L 、 G 、 C 及二次参数 一 53一 一 L _ 几 _ 一砷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 3期 2 0 1 2年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt& I n s t r ume n t a t i o n Vo 1 4 9 NO 5 5 3 Ja n 2 01 2 Z 、 可以全部计算 出来 。 2 传输线参数测试过程和结果分析 按照以上的理论推导， 本文对传输线的阻抗特性 参数进行 了实际测试 。 实验室选用电力电缆作为测试 对象。 根 据A ： 可 得： ， 当 0 1 时， 传输线长 入 c A 度可以与其波长相比拟时， 才能够看作传输线， 实验 中注入信号源的频率选取和电力线长度满足此条件。 2 1 测 试过 程 ( 1 ) 传输线开路 、 短路阻抗测试 实际测量中， 需要先根据公式测量传输线开短路 阻抗 ， 为保证测试结果的精确性 ， 实验室采用两种方 法i 贝 4 量。 第一种是采用F L U K E 公司的P M6 3 0 6 电桥 ， 可 以直接测得开路短路阻抗 的模值及偏移角 ， 从而进一 步得到阻抗实部和虚部值 ； 第二种方法采用振荡器和 选频表 ， 可直接测得阻抗模值 ， 通过在测试端 串接电 阻和电容的方法也能最终计算 f _ J 阻抗实部与虚部 ， 测 试原理 图如图4 所示。 设要测的阻抗为 + ， 始端串接电阻R 时测得 的阻抗模值为I l ， 不接R 时测得的为l l ， 可知： f l Z I l =I R, + R + j Xl l = l R + jX l 从而推得 ： ， ， ： 二 二堡 - ( 9 ) 2 RI 始端串接电感x 。肘测得的阻抗模值为f f ： f l l = l R + j ( X + X ) l l l Z I = l R + jXl 进而得到 ： X：一Z2- Z - X L ( 1 0 ) = 一 l U， 2 L 表1 给出在7 0 0 9 0 0 k H z 范围内几个频率下两种 方法所测得的阻抗值 。 5 4 一 i 1 厂 I 鼍 l _ 【 剿IJ-bt 1 l模 值 ； 1 L ll【 I I l l 图4原理 图 F i g 4 Th e s c h e ma t i c di a g r a m 其r _l 1 尺 ， 、 、 R 、 。 表示使H j R C L 桥测得的 传输线短路 、 开路阻抗值， 尺 、 ： 、 R ， 表示使用 振荡器和选频表测得的传输线短路、 开路阻抗值。经 过多次重复实验， 发现振荡器和选频表每次计 算的结 果均不 同， 误差较大 ， 主要是 为测量仪 器本身的测 量误差及计算公式引起的 差传播 ， 而使用R C L 电桥 直接测得的比较准确 ，冈此综合号虑选用P M6 3 0 6 电 桥测得的结果。 ( 2 ) 传输线电气参数推算 根据表1 列f 1 | 的传输线短路开路阻抗值 ，按照式 ( 6 ) 和( 7 ) 推出Z 和 ， 然后再 根据式 ( 8 ) 进 而求 I j R， G， L， C ， 即可得 I 不同频率下对应的二 次参数 ，一 次 参数。表2 列 P 7 0 09 0 0 k H z C E m巾几个频点 下对应 的数值 。 2 2 理 论结 果与 测试 结果对 比 与分析 理论上 ， 传输线的分布参数主要随电流的频率及 电缆结构尺寸D d 变化而变化 ，在此只需要考虑信号 频率的影响。 为了验证实验方法的准确性 ， 通过P s p i c e 仿真对实验所测得不同频率下的 一 次参数值训川， 传 输线使用有损传输线模型T L o o s y 替 ， 并设定线长及 一 次参数值 。 真实线测试采用示波器记录不同信 号频 率下的负载电压 ， 仿真 与真实线测试结果如图5 所示。 从图5 可以看 ，仿真结果和真实线路测试结果 在不同频率下的负载电压衰减情况的变化规律是基 本相 同的 ， 只是在 几个频点 的误差较大些 ， 其他点均 表1 两种方法测得的传输线短路 、 开路 阻抗 Ta b 1 Th e i mp e d a nc e o f o p e n -c i r c u i t a nd s ho r t c i r c u i t o f t wo me t h o d s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 3期 2 0 1 2年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e as u r e me nt& I n s t r u me n t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 5 3 J a n 2 0 1 2 保持在5 左右的误差 ，考虑到测试仪器本身的系统 误差和示波器读数时所产生的偶然误差 ， 该测试结果 可 以 F i g 5 T h e r e s u l t o f s i mu l a t i o n a n d t h e a c t u a l t e s t 3 传输线模型在电力线通信信道建模上的应用 实际的电力线通信网的线路和元件参数十分繁 杂， 有架空线和电缆网， 干线上接有许多长度、 截面各 不相同的支线 ， 以及支线上的多次支接， 其模型的建 立都要 以一次参数为基础。为了得到信道的模型 ， 可 以将一段均匀的电力线用一个二端口网络表示， 整个 电力线 网络可以看成是多个二端 口网络 的级联及各 种分支线路的并接， 从而得到整个电力线通信信道模 型 。 3 1 均 匀架 空线 ， 电缆及 分 支线路 模 型5 1 ( 1 ) 均匀架空线 ， 电缆模型 一 段均匀架空线或 电缆可以等效为一个典型的 二端 口网络 ， 如图6 所示 。 设 式 中 = ( )称 为 网 络 的 转 移 参 数 矩 阵 。 则将一段长度为f ， 传播常数为y 。 ， 特性阻抗为 的均匀电力线看作二端口网络， 其转移参数矩阵为： A B C D 图6二端 口网络模 型 Fi g 6 Mo d e l o f t wo p o r t n e t wo r k f c o s h ( y a l。 ) s in h ( y 。 ) sin h a)伽 。) I 2 l L a j ( 2 ) 分支线路模型 图7 为分支线路等效模型。 ( a ) 线路结构 ( b ) 等效电路 图7 分 支 线路 模 型 Fi g 7 Mo d e l o f b r a n c h l i n e 设分支线 的长度为f ， 特性 阻抗为 ， 传播 常数为 ，终端所接变压器的等效阻抗为z h ， 则分支的输入 阻抗为 ： 互 = Z i c面o s h ( T b l b ) + Z h s i n h ( Y b b ) ( 1 3 ) 分支线的影响可以归结为等效输入阻抗并联在 主干线上的作用， 输入阻抗的传输参数矩阵为： f 1 0 1 A h= 1 l 1 ( 1 4 ) 【 互 f ( 3 ) 信道整体模型 一 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 3期 2 0 1 2年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t I ns t r u me n t a t i o n 建模巾把参数相同的一段主干线路或分支线的输 入阻抗等效成一个二端 口网络 ， 把均匀电力线看成若干 个二端 口网络的级联 ， 网络级联模型如图8 所示。 A 1 A， 一 上 图9 P s p i c e 真模 型 Fi g 9 S i mu l a t i o n mo de l o f Ps p i c e RL 图1 O 计算和仿真的结果 F i g 1 0 T h e r e s u l t o f c a l c u l a t i o n a n d s i mu l a t i o n 4 结束语 本文基于传输线理论， 通过开短路方法实测出了 某一长度 电缆在不同频率的电气参数值 ，通过P s p i c e 仿真结果与真实线路的实际测试结果相对比， 验证了 一 56一 Vo i 4 9 NO 5 5 3 J a n 2(1 1 2 测量结果的准确性 此外 r-端【 l 网络和传输线模 ，进一步建立 r电 J 络I l t 的 电缆和分 支线路 模 ， 为配电网I f l 电力线建模 及信道衰减特性研究提 供 _r 彳 艮 好的思路 参 考 文 献 l 1 1 孙 ， 刘洪 ， 晓媛 传输线参数测 试 法 究 I J J I 乜 C 电 f数 学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 8 - 2 3 SUN I i s h a nJ I 1 J Ho n g - h e n W ANG Xi a o - y u a n F e s l i n g Me t l n If l R e s e a r c h O f T r a n s mis s i o n L i n e R a r a m e t e ! s E l e e l r i e al a n d E l e e l r o n i e F e a e h i n g J o u r n a l ， 2 0 0 8 ， 3 ( ) ( 5 ) ： l 8 - 2 3 2 1 梁贵书 ， 董华英 电路理论基础f M J 北京 ： t Nt t 力m版利一 ， 2 0 0 5 3 谢志远， 孙艳， 郭以馈 基于传输线 论的中 电力线信道建模和分 析l J 1_ 电力科学 与 ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 7 ) ： 5 - 8 XI E Zh i y u a n ， S 1 J N Ya n ， GUO Yi -h e Mo d e l i n g a n d An a l y s i s o f Me d i u m V o h a g e P o w e r L i n e C h a n n e l B a s e O i l r r a r ts m i s s i o n L i n e T h e o r y【 J l E l e c tr i c P o w e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 ( 1 0 ， 2 6 ( 7 ) ： 5 - 8 【 4 】 黄 文焕， 戚件 金， 黄南， 李琰 低 电力线载波通信传输线测试 j 分 析l J 】 _ 电力自动化设备， 2 0 1 1 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 4 1 4 4 HU A NG We n - h n a n ， Q I J i a i n ， HI A N ( N a n ， L i Y a n E x 1 ) e r ime n 1 a n d An a l y s i s o f T r a n s mi s s i o n Li n e P a r a n l e t e r s f o r Ca n i e ,r W a v e C o r a mu n ie a fi o n o v e r L o w v o h a g e P o w e r I Ji I l e P o w e r A u lo n m i i ( m E q u i p me n t ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 4 l 一 4 4 5 1 郭以贺， 谢忠远 配电网载波通 k - t k 道的分析和建模【 J 1 电力 J 动化 没备 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 3 ) ： 4 9 5 2 ( U0 Yi h e XI E Zh i - y u a n An aly s i s a n t i Mo t l e l i n g o f Di s l r i b u l i o n I , i n e C a r r i e r C o m mu n i c a t io n C h a n n e l O P o w e r A u to ma t i o n E q u i p me n t ， 2 0 1 0， 3 0r 3 1 ： 4 9 5 2 ( 6 有线传输原理 M 北京： 人民邮电 版 ， 1 9 7 9 7 8 8 O 作者简介： 志远( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ，【 学 博 华北 电力人学教授 ， 研 究 向为配电网 动化和信号 L lj 信息处理。 岩( 1 9 8 6 一 ) ， 女 ， 华北 电力大学侦 卅究生 ， 研究 ， J 向 电力系统通信。 以贺( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 研究 ， 华北 电力 夫学 ； t ： O i li ， 研 厅向为电力系统通信和配电网 动化 。 倩( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 华 匕 电力大学硕 ： 研究生 ， 研 究方阳为 力 系统通信 。 收稿 期 ： 2 0 1 1 -0 7 -2 7 ( 田存 m编发 ) 工 _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m