下行信号的调制.doc

双向工频通信下行信号调制回路模型与频率特性的研究双向工频通信下行信号调制回路模型与频谱分析全玉生 刘赫 李文 李建歧 （华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京市，102206）（中国电科院通信所，北京市，100085）THE MODEL AND SPECTRUM ANALYSIS OF THE MOLULATION LOOP FOR THE TWO-WAY POWER FREQUENCY AUTOMATIC COMMUNICATION SYSTEM INBOUND SIGNALABSTRACT: The paper describes the principle of generating the Two-way Power Frequency Automatic Communication System (TWACS) inbound signals. According to the characteristic of distribution networks in china, the features of inbound modulation loop in china are analyzed. The physical model and mathematical model is established and first propose that the successful of modulation is decided by the zero-sequence parameters of the transformer in the substation. The simplified first-order circuit which is fit for our distribution networks is first proposed. The spectrum analysis of the inbound signal is first proposed. The relation between the spectrum and the zero-sequence parameters is given and presents feasible recommendations for signal detected.KEY WORDS: Two-way Power Frequency Automatic Communication System (TWACS); Distribution network; Inbound signal; Physical model; Mathematical model; Spectrum analysis.摘要：本文介绍了双向工频通信下行信号调制的基本原理，结合我国配电网自身的特点和要求，分析了我国下行调制回路的特点，建立了下行调制回路的物理与数学模型，提出了下行信号的调制回路主要取决于所用变压器的等效正序和零序参数,提出了适合我国配电网的下行调制回路的一阶简化等效电路,提出了适合我国配电网的下行调制信号的频谱解析式，给出了频谱与所用变等效正序和零序参数的关系, 针对我国配网的一般情况给出下行调制信号的频率范围和典型频谱。得出的下行调制信号的若干结论，为我国双向工频通信的实施中选取调控调制信号的频段、幅值和相移提供了重要的依据。关键词：双向工频通信 配电网 下行信号 物理模型 数学模型 频谱分析1. 引言双向工频通信系统(Two Way Power Frequency Automatic Communication System)是以配电网为媒质的通信系统，是一种近年来在国外出现的新型电力配电网双向数字通信技术1，它具有成本低廉，抗干扰能力强2，可以直接进行跨变压器台区通信3，这是传统电力载波通信无法比拟的4。而我国配电网与国外大为不同，噪声干扰大5-6、采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式等，妨碍了该技术在我国配网的实际应用。因此研究适合我国配电网特点的工频通信的物理模型和数学模型是十分必要的。2. 双向工频通信下行信号调制的基本原理图1为基于配电网的双向工频通信下行信号调制原理图，可控硅接在所用变二次侧，下行信号的调制采用电压过零调制，由变压器的知识可知，因为变压器的一、二次侧有一定的漏抗，当有电流流过变压器的二次侧时，就会在漏抗和阻抗上产生一定的压降如果有突变的负载电流，就会产生一个电压的畸变，此畸变电压信号可自动跨过用户配电变压器，为用户端接收。该电压信号被称为下行信号或出站信号7。下行信号的调制工作在变电站所用变的二次侧进行调制。通过控制可控硅，在电压过零前20-30导通，在所用变压器的一次侧产生电流 ，该电流将在一次侧引起一个电压降 ，当电流降到零时可控硅自动截止，调制电压叠加于电网电压波形上，从而完成一次调制过程8。图 1 配电网双向工频通信下行信号调制原理图Fig. 1 The principle of modulation for the Two-way Power Frequency Automatic Communication System inbound signals. 3. 下行信号调制回路模型3.1 下行调制回路的物理模型为了对调制电路进行分析处理，应用广义戴维南定理，从所用变二次侧的可控硅端口看进去，求取开路电压。设所用变的等效正序阻抗为，则开路电压： （3-1）其中为10kV所有回线的等效阻抗，为系统电源。负序等效阻抗和正序用相同方法处理，可以得到相应的和，将正序和负序阻抗折算到所用变二次侧，设所用变变比为n，我国现场所用变的联接组别为Y，yn，则折算后的下行调制回路序网等效电路如图2： 图2 下行调制回路物理模型Fig. 2 The physical model of modulation loop for inbound signals其中与为所用变负荷的正序和负序阻抗，与分别为一次侧和二次侧漏电抗，为零序励磁电抗。由于一次侧为不接地星型接线，二次侧为接地星形接线，电路中只有二次侧有零序电流通路。 我国配电网为多分支结构，一般110kv或220kv变电站的10kv母线有十几回或几十回的出线，而每回出线为多分支的树形结构。设10kv母线的任意一回出线最多有个分支，其中对线路采用型等效电路替代，如图3所示： 图3 回线等效电路Fig. 3 The equivalent circuit of feeders为便于分析处理，假设各分支架设高度与线径相同，每回线上的负荷大致相同。把系统负荷分为峰、腰、谷三种类型。1 峰腰负荷取负荷功率因数（感性），10kV系统的峰负荷取为： (3-2)腰负荷取为取为峰负荷的一半 (3-3) 这时取 ： (3-4)对母线端，每回线可化简为图 4 所示的等效网络：图4 一回线简化图Fig. 4 The simplified of one feeder设母线的负荷率为90%，设总出线数为N，定义运行的回线数为Nm，即为0.9N的最小整数。设母线端第一个分支电容后的输入阻抗为： (3-5)设每回线第一个分支电容后的正序输入阻抗的为： (3-6)则输入阻抗的平均值为： (3-7)其中 代表峰负荷; 代表腰负荷 谷负荷情况谷负荷时大部分负荷电流较小（夜班工矿除外），为分析方便，各负荷的配变设为开路，如图5所示，图5 谷负荷情况下回线等效图Fig. 5 The equivalent circuit of feeders under valley loads设每回路最多有个分支，则图5所示的网络的正序输入阻抗为： (3-8) (3-9) (3-10)由于配电网多分支段较短，每回出线的正序等效电路可以简化为如图6所示图6 一回线正序等效电路Fig. 6 The positive sequence equivalent circuit of one feeder (3-11) (3-12)其中，一般30km,设母线出线总数为N，负荷率为90，运行回路数为,则：查阅资料可以估算出： (3-13)取 ，工程实际中数值约为十几到几十，所以 变电站主变的影响设主变二次侧正序输出阻抗为， 系统峰腰负荷情况，其中峰，腰负荷 (3-14)我国配电网的典型值约为： (3-15)所以 ，则 系统谷负荷的情况 (3-16)中国配电网的典型值如(3-15)，而，因此，则下行信号的调制回路可以简化为图7下行调制回路简化物理模型Fig. 7 The simplified physical model of modulation loop for inbound signals其中，为折算到二次侧的等效正序电阻和电感，为折算到二次侧的等效负序电阻和电感， (3-17) 其中为母线处的补偿电容，一般不大可以忽略。 (3-18)为回出线从母线开始第一个分支折算到所用变二次侧的等效电容，为所用变的零序电阻和电感。3.2 下行信号调制回路数学模型的建立选取图 ，为状态变量，列出状态方程： (3-19) 一般对民、商、工负荷，可以取正序阻抗与负序阻抗相等，则合并图7中的正负序网图得： 图8 合并正负序电路的调制回路物理模型Fig. 8 The physical model of modulation loop for inbound signals under merging the negative sequence into the positive sequence为书写方便，令，在图8中选取，u为状态变量，列写状态方程： (3-20)确定各状态变量的初始条件，取，与母线电压同相位，取，滞后母线电压（），选取 为参考向量则： (3-21) (3-22)把初始条件代入得到相应的曲线：图9 的仿真图图10 的仿真图图11 的仿真图由前述分析讨论表明，下行调制回路可以简化为如图12所示的一阶网络，图12 一阶下行调制回路物理模型Fig. 12 The first-order physical model of inbound modulation loop 其中：， 当系统负荷开路时， ，；当系统负荷分别为峰谷腰时， ，。图12网络的电路方程为： (3-23)方程的解为： (3-24)取，则，令 (3-25) (3-26) (3-27)其中 ，则 (3-28)设回路中串入一个电阻，令：，则： (3-29) (3-40) (3-41) (3-42)用表示对R求一阶导数，令，整理得： (3-43)t的持续时间很短，取，整理得 (3-44)因为单位为mL，所以，所以可以在调制电流与上升速度之间调节，以获得更好的调制效果。4. 下行调制回路频谱分析前面的分析表明，在我国的配电网中，下行信号调制回路最终取决于所用变压器的零序参数。其表达式为： (3-45)其中 ，则： （3-46） 上式中的第一项为自由分量，第二相为强迫分量，其调制信息由自由分量携带。， （3-47）其中，通常的典型值约为 0.4，的典型值约为0.2mH，则截止频率为320Hz，幅频特性下降到20%点的频率约为1600Hz。本文的分析研究表明，调制回路的频率是可调和可控的，如果不加调节控制，其频谱大致范围为200Hz1000Hz，其可控制截止频率为，当然R也应与与综合考虑选取。图13 自由分量的相频特性图14 自由分量的幅频特性5. 结语（1） 本文针对我国配电网的结构特点，首次提出了配电网工频通信调制回路的二次侧等效电路，二次侧等效的方法达到了即简化调制系统又突出主要特征的目的。这种二次侧等效的方法对工频通信的研究具有十分重要的意义和作用，它是本文在一定的条件下舍去时变负载和时变电容影响的基础。（2） 首次提出了适合我国配电网的下行调制信号的频谱解析式，给出了下行调制信号截止频率和频谱与所用变正、零序参数、负载和负载系数的关系 ，为选取调控调制信号的频段、幅值和相移提供了重要的理论依据。（3） 根据我国典型配电网的结构和典型参数的分析研究，首次提出了下行信号的调制回路主要取决于所用变压器的等效正序和零序参数；当所用负载电流小于160A时，下行调制信号的截止频率和频谱主要取决与所用变正、零序参数，受负载的影响很小。（4） 首次提出了适合我国配电网的下调制回路的一阶简化等效电路，使信号调制行回路的分析处理和控制十分简单方便，具有很强的可操控性。本项目针对我国配电网的结构特点，研究了工频双向通信调制回路的物理模型和数学模型，研究了工频双向通信传输信道的物理模型和数学模型，研究了工频双向通信信中的主要干扰源及其作用机理等内容。总结本项目的研究工作，有以下主要结论。1. 针对我国配电网的结构特点，首次提出了配电网工频通信调制回路的二次侧等效电路，二次侧等效的方法达到了既简化调制系统又突出主要特征的目的。这种二次侧等效的方法对本项目的研究具有十分重要的意义和作用，它是本项目在一定的条件下舍去时变的负载和时变电容影响的基础。2. 根据我国典型配电网的结构和典型参数的分析研究，首次提出了适合我国配电网的下、上行调制信号的频谱解析式，给出了下行调制信号截止频率和频谱与所用变正、零序参数、负载和负载系数的关系，下、上行调制信号的频谱解析式形式相同。3. 根据我国典型配电网的结构和典型参数的分析研究，首次提出了下行信号的调制回路主要取决于所用变压器的等效正序和零序参数；首次提出了近配变处上行信号调制回路主要取决于配电变压器的等效正序和零序参数零；首次提出了远配变处上行信号调制回路主要取决于配电电缆的主要取决配电电缆的横截面积。当所用负载电流小于160A时，下行调制信号的截止频率和频谱主要取决与所用变正、零序参数，受负载的影响很小；当上行调制回路的位置距配变较近（0.3km）时, 上行调制信号的截止频率和频谱与配变正、零序参数、配电电缆的横截面积和负载系数有关，当配电电缆电流小于300A时（大冲击负荷除外），上行调制信号的截止频率和频谱主要取决配电电缆的横截面积，几乎不受负载的影响。针对我国配网的一般情况给出下、上行调制信号的频率范围和典型频谱；得出的下、上行调制信号这些结论对于工频双向通信的实施具有重要的指导意义，它为选取调控调制信号的频段、幅值和相移提供了重要的理论依据。4. 首次提出了适合我国配电网的下、上行调制回路的一阶简化等效电路，使信号调制回路的分析处理和控制十分简单方便，具有很强的可操控性。5. 提出了按系统负荷的峰腰谷分别讨论调制和传输通道特性的分析方法，既简化了分析，又把信号控制在最大最小值间的范围之内，简捷实用。6. 推导了配变传输特性的相关公式，提出了配变传输特性的试验方案，进行配变传输特性的实验研究，为进一步进行配变传输特性的实验研究提供了理论依据。（加入试验结果的分析！）7. 根据双向工频通信的信号检测原理，指出了短时冲击负荷与间谐波对信号检测有很大影响，是配电网工频通信最大的干扰源；提出并推导出了间谐波对通信信号的作用机理公式，研究了间谐波特别是配电网很容易发生的分频谐振产生的误差范围，指出了在线监测间谐波特别是分频谐振对双向工频通信信号检测与接收具有十分重要的意义。参考文献1 MakS TPower frequency communication on long feeders and high levels of harmonic distortion JIEEE Trans on Power Delivery， 1995，10(4)：173117362周世炜, 张绍卿(Zhou Shiwei，Zhang Shaoqing)配电网络双向工频通信的原理与实现(Realization of two way fundamental frequency Communication for power distribution network)J电网技术(Power system technology)，1999，23(10)：37-38.3 MakS T. TWACS, a Power Line Communication Technology for Power Distribution Network Control and Monitoring. IEEE Transactions on Power Delivery .1986, 1(1):66 -714 MakS TPower delivery infrastructure differences and their impact on different types of power line communications for automatic meter read inA 16th Inter-national Conference a