基于信道傳輸?shù)呐潆娋W(wǎng)阻抗模型綜述

0國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電子束載波通信是通過(guò)電子束信息傳輸手段實(shí)現(xiàn)聲音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。電力線(xiàn)遍及千家萬(wàn)戶(hù),其作為通信媒介具有應(yīng)用的廣泛性和經(jīng)濟(jì)性。人們對(duì)于電力載波通信技術(shù)的研究歷史悠久,早在20世紀(jì)20年代就開(kāi)始將其應(yīng)用于10kV配電網(wǎng)線(xiàn)路的通信中。隨著人們對(duì)各種通信需求的不斷上升和相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,電力載波通信日益成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員研究的熱點(diǎn)。近十年來(lái),在權(quán)威期刊和國(guó)際會(huì)議上,有大量基于電力載波通信技術(shù)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)和家居自動(dòng)化系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用研究方面的文章出現(xiàn)。在電力線(xiàn)載波通信技術(shù)中,一方面研究電力線(xiàn)傳輸特性需要網(wǎng)絡(luò)中各組成元件準(zhǔn)確的阻抗參數(shù),而研究電力網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗特性時(shí)也需要各組成元件適用的阻抗模型。另一方面配電網(wǎng)中元件數(shù)量繁多、運(yùn)行特性差異很大、影響阻抗特性的因素眾多,使得配電網(wǎng)的阻抗特性與傳輸特性和噪聲特性相比更加復(fù)雜。因此,研究建立配電網(wǎng)中各組成元件準(zhǔn)確適用的阻抗模型,并計(jì)算模型參數(shù)是電力線(xiàn)載波通信的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn),也是研究的難點(diǎn)。隨著智能電網(wǎng)研究和建設(shè)的不斷推進(jìn),電力線(xiàn)載波通信技術(shù)必將成為解決智能電網(wǎng)通信問(wèn)題的重要手段。在智能電網(wǎng)中將大量采用基于電力電子技術(shù)的新型設(shè)備,從而給研究元件阻抗模型提出了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。本文將配電網(wǎng)絡(luò)中的元件劃分為配電變壓器及其負(fù)荷、架空線(xiàn)和埋地電纜以及電網(wǎng)用電設(shè)備三類(lèi),對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的元件阻抗模型的最新研究成果進(jìn)行了綜述。介紹了各類(lèi)元件阻抗模型研究的發(fā)展歷程,對(duì)各種模型建模方法的核心思想進(jìn)行詳細(xì)分析,分析了各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。最后分析了智能電網(wǎng)中進(jìn)行阻抗模型研究時(shí)面臨的新問(wèn)題。本文的工作為在智能電網(wǎng)中壓網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用電力線(xiàn)載波通信技術(shù)提供了有益的參考。1工頻信號(hào)下的配電線(xiàn)路特性配電系統(tǒng)中存在高頻電力線(xiàn)載波信號(hào)時(shí),系統(tǒng)中的主要元件如配電變壓器、配電線(xiàn)路以及用戶(hù)設(shè)備的阻抗特性將與工頻信號(hào)下的不同。由于此類(lèi)元件和設(shè)備數(shù)量眾多,運(yùn)行特性千差萬(wàn)別,建立它們相應(yīng)的阻抗模型一直是電力線(xiàn)載波通信技術(shù)研究的重點(diǎn)。1.1變壓器高頻模型現(xiàn)有的變壓器建模方法主要可分為兩種:一種是基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析的建模方法,即用多個(gè)RLC元件組成的電路來(lái)模擬變壓器,而元件參數(shù)需要根據(jù)變壓器具體的繞組接線(xiàn)方式、鐵芯材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等計(jì)算確定。該方法建模精度高,但存在所需參數(shù)多、計(jì)算量大的缺點(diǎn)。第二種建模方式則將變壓器視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),僅關(guān)注其兩端口處的電氣關(guān)系而無(wú)需分析其具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。盡管存在所建立模型物理概念不明晰的缺點(diǎn),該建模方式因其簡(jiǎn)單適用而得到了更廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)所提出的三相變壓器高頻信號(hào)下的單相二端口等效模型如圖1所示。圖中電容C為變壓器一二次側(cè)對(duì)地雜散電容之和,R為繞組電阻,L為漏電感。圖1所示模型可用式(1)表示。由此傳輸矩陣,可得到如圖2所示的變壓器在PLC載波頻率下的等效二端口模型。該模型中僅考慮了繞組對(duì)地雜散電容,并認(rèn)為R和L均為常數(shù)。實(shí)際上參數(shù)R會(huì)隨著頻率的升高而變化。文獻(xiàn)指出電阻R會(huì)由于趨膚效應(yīng)而與頻率呈指數(shù)增大關(guān)系。同時(shí)在高頻條件下,繞組間的電容以及變壓器鐵芯的磁滯和磁飽和特性不能忽略。文獻(xiàn)提出了建立變壓器高頻模型時(shí)必須考慮的幾個(gè)因素:1)繞組對(duì)地和繞組之間的雜散電容;2)變壓器繞組的趨膚效應(yīng);3)繞組電感與雜散電容之間多種諧振現(xiàn)象;4)鐵芯飽和與磁滯現(xiàn)象。據(jù)此,文獻(xiàn)提出了基于理想變壓器的RLC等效電路模型,并給出了其參數(shù)測(cè)量方法。這種模型僅對(duì)于1MHz以下的信號(hào)有效。文獻(xiàn)提出了更精確的能夠適應(yīng)更寬頻率范圍(幾Hz~10MHz)的中頻模型和高頻模型。在信號(hào)頻率低于1MHz時(shí),使用如圖3所示的含有理想變壓器的中頻模型;而在信號(hào)頻率大于1MHz時(shí),則采用如圖4所示的忽略理想變壓器的高頻模型。由以上分析可知,與工頻變壓器模型不同,隨著信號(hào)頻率的增加,繞組雜散電容、趨膚效應(yīng)、鐵芯磁滯和磁飽和等因素對(duì)變壓器參數(shù)的影響將不能忽略。現(xiàn)有的各種變壓器高頻等效模型適用的頻率范圍不同,在變壓器建模時(shí)必須根據(jù)具體的信號(hào)頻率區(qū)間加以選擇。1.2計(jì)算綜合負(fù)荷的等效模型用戶(hù)負(fù)荷大致可分為30多種,圖5所示為10k~450kHz頻段一些典型的居民家用電器設(shè)備的阻抗特性曲線(xiàn)。根據(jù)圖5所示的阻抗特性曲線(xiàn),可建立各電器相應(yīng)的RLC元件模型如圖6所示。從上述等效模型可看出,在高頻條件下不同電器設(shè)備都可用RLC元件的并聯(lián)、串聯(lián)或混合聯(lián)接方式的集中參數(shù)模型進(jìn)行等效。在建立綜合負(fù)荷的等效模型時(shí),若對(duì)每一種電氣設(shè)備均采用不同的模型將大大增加綜合等效模型的復(fù)雜程度。綜合負(fù)荷的建模方法大致可以歸納為兩大類(lèi),文獻(xiàn)給出了一種統(tǒng)計(jì)綜合建模方法,其基本思想是將負(fù)荷看成個(gè)別用戶(hù)的集合,先將這些用戶(hù)的電器分類(lèi),并確定各種類(lèi)型電器的平均特性,然后統(tǒng)計(jì)出各類(lèi)電器所占的比重,最后綜合得出總的負(fù)荷模型。但使用這種方法需事先統(tǒng)計(jì)成千上萬(wàn)個(gè)用戶(hù)的負(fù)荷組成及參數(shù),比較耗時(shí)費(fèi)力,難以統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確,并且無(wú)法適應(yīng)負(fù)荷特性的時(shí)變性。文獻(xiàn)給出了另一種總體測(cè)辨法,其基本思想是將電力線(xiàn)負(fù)荷看作一個(gè)整體,先從現(xiàn)場(chǎng)采集測(cè)量數(shù)據(jù),然后確定負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu),最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)辨識(shí)出模型參數(shù),這種方法無(wú)需知道各個(gè)用戶(hù)的負(fù)荷組成及參數(shù),在負(fù)荷母線(xiàn)處長(zhǎng)期裝設(shè)測(cè)量裝置,可以根據(jù)各個(gè)時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的負(fù)荷特性參數(shù),從而解決了負(fù)荷特性的時(shí)變性問(wèn)題。1.3電機(jī)模型配電系統(tǒng)中數(shù)量最多的負(fù)荷是電動(dòng)機(jī),建立高頻條件下電動(dòng)機(jī)的模型也是電力載波通信的重要研究?jī)?nèi)容。1.3.1電機(jī)暫態(tài)模型電機(jī)學(xué)中多以交流電動(dòng)機(jī)磁鏈方程和轉(zhuǎn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)來(lái)建立電機(jī)的瞬態(tài)分析模型。此模型可描述電機(jī)所有內(nèi)部機(jī)電量的瞬時(shí)變化情況,進(jìn)而掌握電機(jī)的暫態(tài)運(yùn)行特性。但此模型是以電機(jī)控制為目標(biāo),在高頻條件下的特性體現(xiàn)較少,且磁鏈方程模型過(guò)于復(fù)雜而不適用于電力載波通信條件下的電動(dòng)機(jī)阻抗特性分析。1.3.2電機(jī)等效模型多個(gè)文獻(xiàn)[15,16,17,18,19,20]從阻抗等效的角度提出了電動(dòng)機(jī)的單相高頻等效模型,從而避免了考慮電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)瞬變參數(shù)的復(fù)雜影響。文獻(xiàn)計(jì)及電機(jī)繞組對(duì)地雜散電容引起的漏電流的影響,在簡(jiǎn)單電機(jī)RL等效電路的兩端增加對(duì)地電容Cg和表示漏電流損耗Rg的串聯(lián)支路,形成π型等效電路。文獻(xiàn)同時(shí)在RL支路上并聯(lián)一個(gè)電阻Rwk1表示鐵芯損耗,所得模型如圖7所示。圖8為文獻(xiàn)在以上幾種模型的基礎(chǔ)上提出的更復(fù)雜的集中參數(shù)高頻電機(jī)模型。圖中R為定子和轉(zhuǎn)子的繞組電阻;Ld為繞組漏電感;Re表示鐵芯和外殼中的渦流損耗;Ct為匝間分布耦合電容;Cg為繞組對(duì)地分布耦合電容;Rse和Lse的串聯(lián)支路表示了趨膚效應(yīng)對(duì)定子繞組電阻和漏電感的影響。文中還通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出了幾種交流電機(jī)相對(duì)地和相對(duì)中性點(diǎn)的阻抗在信號(hào)頻率1kHz~1MHz范圍內(nèi)的變化曲線(xiàn)。文獻(xiàn)提出了整個(gè)電機(jī)繞組的階梯型等效模型如圖9所示。以此模型為基礎(chǔ),文中還通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)某一750W電機(jī)的阻抗進(jìn)行了測(cè)量。同時(shí)模型的建立考慮了實(shí)驗(yàn)環(huán)境,包括電力線(xiàn)、電機(jī)、濾波器,以及變壓器線(xiàn)圈的趨膚效應(yīng)的影響。但此模型參數(shù)比較復(fù)雜,不利于參數(shù)估計(jì)。2信號(hào)輸入阻抗特性在高頻信號(hào)下,電力傳輸線(xiàn)路的電阻、電感以及對(duì)地電容不能采用集中參數(shù)模型,而必須采用分布參數(shù)模型。電力傳輸線(xiàn)的分布式參數(shù)模型如圖10所示。將傳輸線(xiàn)視為雙端口網(wǎng)絡(luò),其穩(wěn)態(tài)形式的傳輸參數(shù)端口方程為其中:Z0為線(xiàn)路特性阻抗;γ為傳播常數(shù)。由此可見(jiàn)特性阻抗和傳播常數(shù)均與線(xiàn)路的分布參數(shù)和信號(hào)頻率有關(guān)。獲取線(xiàn)路特性阻抗Z0是研究線(xiàn)路阻抗模型的基礎(chǔ)。線(xiàn)路的輸入阻抗不僅與線(xiàn)路特性阻抗有關(guān),還與線(xiàn)路長(zhǎng)度以及線(xiàn)路末端接入的負(fù)荷阻抗有關(guān)。當(dāng)傳輸線(xiàn)路末端接入的終端阻抗為ZL時(shí),線(xiàn)路始端的輸入阻抗可以由式(3)計(jì)算。文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)測(cè)方法給出了10kV中壓網(wǎng)絡(luò)頻率在40k~2MHz范圍內(nèi)的輸入阻抗特性,其測(cè)量結(jié)果顯示中壓網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗約為幾百歐。文獻(xiàn)在信號(hào)頻率更高時(shí)(2M~40MHz),考慮線(xiàn)路的趨膚電阻并用鏡像理論計(jì)算中壓架空線(xiàn)路的分布參數(shù),進(jìn)而得出了線(xiàn)路的特性阻抗和傳播常數(shù)?，F(xiàn)有的線(xiàn)路參數(shù)多以架空線(xiàn)路為研究對(duì)象,對(duì)埋地電纜的高頻分布參數(shù)模型研究較少,文獻(xiàn)根據(jù)信號(hào)注入方式的不同將埋地電纜劃分為線(xiàn)—地結(jié)構(gòu)和線(xiàn)—線(xiàn)結(jié)構(gòu),并給出了線(xiàn)—地結(jié)構(gòu)埋地電纜分布式參數(shù)的計(jì)算方法。對(duì)于線(xiàn)—線(xiàn)結(jié)構(gòu),由于兩線(xiàn)之間存在絕緣層和屏蔽層等,不能視為均勻介質(zhì),故不能采用傳統(tǒng)的雙回傳輸線(xiàn)的模型計(jì)算其分布參數(shù),其模型參數(shù)只能用實(shí)驗(yàn)方法得到。當(dāng)載波信號(hào)頻率范圍在2k~2MHz之間時(shí),單位長(zhǎng)度架空線(xiàn)路的波阻抗在200~400?之間,而埋地電纜的波阻抗在400~600?之間。對(duì)于既有架空線(xiàn)路又有埋地電纜的混合線(xiàn)路,可根據(jù)架空線(xiàn)路與埋地電纜所占的長(zhǎng)度比,采用加權(quán)平均的方式獲取其等效均勻傳輸線(xiàn)模型參數(shù)。3高頻電容器串并聯(lián)等效電路傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的主要用電設(shè)備是用于無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娙萜?。文獻(xiàn)提出了電容器模型,為R、L、C三個(gè)元件串聯(lián),其中L表示電容的雜散電感,R表示電容損耗,該模型適用于工頻條件且電容器雜散電感高的場(chǎng)合。文獻(xiàn)得出的結(jié)論是:當(dāng)信號(hào)頻率高于電容器的自諧振頻率時(shí),電容器的實(shí)測(cè)阻抗將大于該模型的計(jì)算阻抗,因此該串聯(lián)模型直接應(yīng)用到高頻條件下存在較大誤差。文獻(xiàn)以三種不同結(jié)構(gòu)的卷繞式鍍金屬電容器為對(duì)象,在對(duì)其中的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,計(jì)及高頻條件下電容器內(nèi)部可能存在的串并聯(lián)諧振所導(dǎo)致的電容器的額外損耗,提出了單個(gè)電容器的串并聯(lián)等效電路如圖11所示。這種等效電路采用集中參數(shù)元件的模型來(lái)描述電容器的高頻特性,非常適合于電路仿真。4電力電子技術(shù)設(shè)備在電力載波通信中的應(yīng)用在將電力線(xiàn)載波通信應(yīng)用于智能配電網(wǎng)中壓網(wǎng)絡(luò)時(shí),就網(wǎng)絡(luò)中的元件阻抗模型研究而言將出現(xiàn)兩個(gè)新的變化:首先是各種分布式電源的引入使負(fù)荷特性發(fā)生一定的變化。文獻(xiàn)提出一種用于小干擾穩(wěn)定分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用該建模方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入無(wú)窮大系統(tǒng)和接入三機(jī)系統(tǒng)的兩種情況進(jìn)行了計(jì)算。文獻(xiàn)對(duì)幾種典型的分布式電源的運(yùn)行方式和控制特性進(jìn)行了研究,建立了各自在潮流計(jì)算中所需的數(shù)學(xué)模型。這些模型與傳統(tǒng)負(fù)荷模型存在一定的差異。另外,為提高智能電網(wǎng)的可控性、可靠性和穩(wěn)定性,網(wǎng)絡(luò)中將出現(xiàn)大量基于電力電子技術(shù)的新設(shè)備:例如實(shí)現(xiàn)分布式電源接入的背靠背交直交變換裝置和柔性直流輸電線(xiàn)路;在用戶(hù)側(cè),為提高用戶(hù)負(fù)荷的能源利用效率,各種基于開(kāi)關(guān)技術(shù)的大容量用電設(shè)備的應(yīng)用也將更加廣泛,例如高壓變頻裝置等。此外,為增加對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的可控性、提高配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,各種基于開(kāi)關(guān)技術(shù)的控制設(shè)備也將廣泛應(yīng)用,例如配電靜止無(wú)功發(fā)生器(DSTATCOM),短路電流抑制器(SCL)等。目前對(duì)于此類(lèi)基于電力電子技術(shù)的設(shè)備在電力載波通信應(yīng)用中的阻抗模型研究很少。根據(jù)對(duì)研究現(xiàn)狀的分析,各種基于電力電子技術(shù)的用電設(shè)備及負(fù)荷的出現(xiàn)必然使得網(wǎng)絡(luò)組成元件的阻抗特性發(fā)生較大變化,從而影響到信道傳輸特性。這些設(shè)備工作模式有限,模式切換速率高,屬于高速變動(dòng)的嚴(yán)重非線(xiàn)性系統(tǒng)?？梢圆捎美碚撗芯拷Y(jié)合仿真分析的方法研究各種基于電力電子技術(shù)的新設(shè)備適用于電力載波通信的阻抗模型。首先將此類(lèi)設(shè)備從功能上按照整流器和逆變器進(jìn)行劃分,其控制方式按照斬控式和相控式劃分。其次根據(jù)這些設(shè)備有限數(shù)目的工作模式,應(yīng)用離散時(shí)域仿真方法,分別列出系統(tǒng)的分段線(xiàn)性狀態(tài)微分方程,求解狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,由此導(dǎo)出非線(xiàn)性差分方程。非線(xiàn)性差分方程的時(shí)域解即可作為裝置在大輸入信號(hào)下的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)控制策略來(lái)確定各開(kāi)關(guān)的切換時(shí)刻,作為各個(gè)分段線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的邊界條件。求出每一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和截止的準(zhǔn)確時(shí)刻,以確定何時(shí)采用何段線(xiàn)性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)微分方程。進(jìn)而利用數(shù)值擬合方法建立阻抗模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式,也可直接將此響應(yīng)特性應(yīng)用于后續(xù)仿真計(jì)算中。5高頻負(fù)載模型材料研究在電力線(xiàn)載波通信中,建立信道傳輸模型的一個(gè)前提是獲取網(wǎng)絡(luò)組成元件的阻抗模型及其參數(shù)。本文對(duì)近期國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行了詳細(xì)的