CN105915303B

CN105915303B - 一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法

Info

Publication number: CN105915303B
Application number: CN201610242333.4A
Authority: CN
Inventors: 王艳; 王东; 赵洪山
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2036-04-18
Also published as: CN105915303A

Abstract

本发明公开了一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法，设配电网混联线路的信号输入节点连接载波信源支路、第一输电支路、第二输电支路，中间节点连接第一输电支路、第二输电支路、第三输电支路、第一负荷支路，信号接收节点连接第三输电支路、第二负荷支路；建立整个网络的PLC信道模型矩阵方程式，当配电网网络结构发生改变时在原矩阵方程基础上增减矩阵中的相关行与列即可得修改后的新矩阵方程。本发明的有益效果是该建模方法适用于辐射型网络、手拉手网络及环网等结构，当网络结构发生改变时，只需在原矩阵方程基础上，增减矩阵中的相关行与列即可得修改后的新矩阵方程，建模方法原理清晰，模型精确，计算速度快。

Description

一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法。

背景技术

配电通信网作为智能配电网建设的关键技术之一，可实现对分布式电源、微网、负荷的灵活控制，提高需求侧的供电可靠性和管理水平。配电网中压电力线载波通信的实现，对于完善更灵活、更简洁的智能配电网通信网络具有重要的实际应用价值。它有利于智能配电网各种功能(如配电网负荷控制、配电网线路设备监测、故障诊断以及配电自动化等)更加便捷的实现，是一种高效益的中压电力线通信方式，而且在智能配电网中应用广泛、便于推广。由于城市中压配电网拓扑结构复杂多变，沿线跨接多各配电变压器及分支线路，且输电线路多为架空线和电缆的混合线路，使得载波信号在配电网传输过程中极易出现折反射等现象，造成载波信号的频率出现选择性衰落。因此精确地建立有效的电力线载波通信信道模型，分析载波信号传输特性，对于新一代电力线载波通信技术的发展及应用具有重大的理论意义和实用价值。

目前电力线信道的建模方法分为自顶向下和自底向上两种。自顶向下法又分为两类：一类是将电力线信道看成一个整体，通过各种参数拟合算法得到所需的各种参数；另一类是将传输线系统看作一个二端口网络，通过求解传输矩阵来建立信道模型。自底向上方法的基本思想是按照网络的实际接线，考虑阻抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型。自顶向下方法的模型参数是通过测量拟合得到的，不能实现对信道特性的预测。自底向上方法是按照网络的实际接线，考虑阻抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型，该建模方法计算量大，对前行波处理时进行了很大的简化，所获得的结果存在一定误差；并且该方法只适用于辐射型网络，无法应用于手拉手网络及环形网络。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法，解决了目前电力线信道的建模方法获得的结果误差大，无法应用于手拉手网络及环形网络，当配电网网络结构发生改变时需要重新计算，计算量大的问题。

本发明根据配电网实际拓扑结构，利用支路追加法，逐一追加网络中的全部支路，形成整个网络信道模型矩阵方程。通过矩阵方程中各未知变量的比值关系，求解载波信号的传输函数，分析信道的传输特性。所采用的技术方案是设配电网混联线路的拓扑结构包括信号输入节点、中间节点、信号接收节点，信号输入节点连接载波信源支路、第一输电支路、第二输电支路，中间节点连接第一输电支路、第二输电支路、第三输电支路、第一负荷支路，信号接收节点连接第三输电支路、第二负荷支路；

整个网络的PLC信道模型矩阵方程式为：

其中U_S为载波信号的信源电压，Z_S为信源及耦合设备的等效阻抗，I_S为信源输入配网的电流，U₁、U₂、U₃分别为信号输入节点、中间节点、信号接收节点的电压，I₁₁、I₁₂为第一输电支路两侧电流，I₂₁、I₂₂为第二输电支路两侧电流，I₃₁、I₃₂为第三输电支路两侧电流，I_f1为第一负荷支路的电流、I_f2为第二负荷支路的电流，Z_T1、Z_T2分别为第一负荷支路和第二负荷支路的阻抗；a_i＝ch(r_il_i)，b_i＝-Z_C1sh(r_il_i)，c_i＝sh(r_il_i)/Z_C1，(i＝1、2、3…)为第i条输电线路的特性阻抗，为第i条输电线路的传播常数，l_i为第i条输电线路的长度，R_i、L_i、G_i、C_i分别为第i条输电线路单位长度的电阻、电感、电导和电容；

矩阵方程式对应AX＝B的非齐次线性方程组形式，矩阵A为该方程组的系数矩阵，矩阵X为该方程组的变量矩阵，矩阵B为常数矩阵表示载波信源的注入电压，系数矩阵A的行列式D＝|A|≠0，该非齐次线路方程组有唯一解，即：

其中：D为系数矩阵A的行列式；D_i是把系数矩阵行列式D中的第i列元素用方程组右端的常数矩阵B代替后得到的行列式；

对于电力线载波信号的传输而言，信号输入节点与信号接收节点间的电压传递函数H₃：

PLC信道的输入阻抗R₁：

进一步，在配电网混联线路中间节点处增加一条等效阻抗为Z_T3、电流为I_f3的第三负荷支路，此时，中间节点的KCL方程：I₁₂+I_f1+I₂₂+I₃₁+I_f3＝0；列写第三负荷支路的VAR方程：U₂＝Z_T3I_f3，矩阵方程变为：

在中间节点追加第三负荷支路后，使得原系数矩阵增加一行一列，原变量矩阵和常数矩阵分别增加一行。

进一步，在中间节点、信号接收节点之间追加第四输电支路，I₄₁、I₄₂为第四输电支路两侧电流，此时，修改中间节点、信号接收节点的KCL方程：I₁₂+I_f1+I₂₂+I₃₁+I₄₁＝0,I₃₂+I_f2+I₄₂＝0；列写第四输电支路的电压、电流电报方程：

U₃＝U₂ch(r₄l₄)-I₄₁Z_C4sh(r₄l₄)

I₄₂＝-I₄₁ch(r₄l₄)+U₂sh(r₄l₄)/Z_C4

矩阵方程变为：

中间节点、信号接收节点间增加一条传输线路后，使得原系数矩阵增加两行两列，原变量矩阵和常数矩阵分别增加两行。

进一步，在信号接收节点处追加第四输电支路，相当于在网络中增加了一个第四节点，第四节点电压U₄，I₄₁、I₄₂为第四输电支路两侧电流，此时，信号接收节点的KCL方程：I₃₂+I_f2+I₄₁＝0；后分别列写第四输电支路的电压、电流电报方程及第四节点的KLC方程：

U₄＝U₃ch(r₄l₄)-I₄₁Z_C4sh(r₄l₄)；

I₄₂＝-I₄₁ch(r₄l₄)+U₃sh(r₄l₄)/Z_C4

I₄₂＝0

矩阵方程变为：

信号接收节点处增加第四输电支路后，使得原系数矩阵增加三行三列，原变量矩阵和常数矩阵分别增加三行。

进一步，设网络中减少所述第二输电支路，第二输电支路包含的只与该输电线路有关的独立未知变量为I₂₁、I₂₂，网络减少了2个未知变量I₂₁、I₂₂，分别为变量矩阵中的第7个和第8个变量，故原矩阵方程分别删除第7、8行和7、8列，矩阵方程变为：

网络中减少一条支路，无论该支路是输电支路还是负荷支路，均需在原矩阵方程中删除只与该支路有关的独立变量，及其所对应的行与列，其余部分不变，矩阵阶数相应降低。

本发明的有益效果是该建模方法适用于辐射型网络、手拉手网络及环网等各种配电网拓扑结构，当配电网网络结构发生改变时，只需在原矩阵方程基础上，增减矩阵中的相关行与列即可得修改后的新矩阵方程，建模方法原理清晰，模型精确，计算速度快。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图；

图2(a)是本发明模型网络拓扑结构图；

图2(b)是本发明模型网络支路示意图；

图3是追加载波信源支路示意图；

图4是追加一条输电线路(增加新节点)示意图；

图5是在已有节点处追加一条负荷线路示意图；

图6是在两节点间追加一条输电线路示意图；

图7是配电网电压传输特性波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法流程如图1所示。

本发明以图2配电网络为例，阐述利用支路追加法建立配网PLC信道模型的过程。根据配电网实际拓扑结构，首先追加载波信源支路，然后分别逐一追加网络中其他的全部支路，形成整个网络信道模型矩阵方程。通过矩阵方程中各未知变量的比值关系，求解载波信号的传输函数，分析信道的传输特性。

图2为一简单配电网混联线路的拓扑结构图。图2中共有3个电压节点：①、②、③；6条支路：一条载波信源支路(支路1)，3条输电线路(支路2、支路4、支路5)，2条负荷支路(支路3、支路6)。其中U_S为载波信号的信源电压，已知；Z_S为信源及耦合设备的等效阻抗，已知；I_S为信源输入配网的电流，未知。U₁、U₂、U₃分别为网络各节点电压，未知；I₁₁、I₁₂为架空线1两侧电流，未知；I₂₁、I₂₂为架空线2两侧电流，未知；I₃₁、I₃₂为电缆线3两侧电流，未知；I_f1、I_f2为各负荷侧流入配变的电流，未知；Z_T1、Z_T2分别对应各配电变压器的高频等效阻抗，已知。图中除电源支路外，电流方向均为背离母线为正。1、追加载波信源支路

如图3所示，以大地为参考点，列写信源支路1的VAR方程：U_S＝I_SZ_S+U₁，KCL方程：I_S＝0。

得此时网络矩阵方程式如下：

令：则式(1)可写成：

A₀X₀＝B₀ (2)

式(2)为一非齐次线性方程组，矩阵A₀为该方程组的系数矩阵，已知；矩阵X₀为该方程组的变量矩阵，未知；矩阵B₀为常数矩阵，本文中表示载波信源的注入电压。

2、在一节点处追加一条输电线路(增加新节点)

如图4所示，在节点①处追加一条传输线，相当于在网络中增加了一个新节点(节点②)和一条新支路(支路2)。此时，修改节点①的KCL方程：I_S-I₁₁＝0；后分别列写传输线1的电压、电流电报方程及节点②的KLC方程：

U₂＝U₁ch(r₁l₁)-I₁₁Z_C1sh(r₁l₁)；

I₁₂＝-I₁₁ch(r₁l₁)+U₁sh(r₁l₁)/Z_C1

I₁₂＝0

网络增加了3个独立方程3个未知变量，修改式(2)的矩阵方程，修改后的矩阵方程如下：

其中：矩阵

令：则式(3)可写成：

A₁X₁＝B₁ (4)

一节点处增加一条传输线路(增加新节点)后，使得原系数矩阵增加三行三列，原变量矩阵和常数矩阵分别增加三行。

3、在一节点处追加一条负荷支路

如图5所示，在节点②处增加一条负荷支路，相当于在网络中增加了一条新支路(支路3)。此时，修改节点②的KCL方程：I₁₂+I_f1＝0；列写负荷支路3的VAR方程：U₂＝Z_T1I_f1。

网络增加了1个独立方程1个未知变量，故修改式(4)矩阵方程如下：

其中：矩阵C＝[0 0 0 0 1]^T,D＝[0 0 -1 0 0],E＝[Z_T1],F＝[I_f1]，J＝[0]。

令：则式(5)可写成：

A₂X₂＝B₂ (6)

在一节点处追加一条负荷支路后，使得原系数矩阵增加一行一列，原变量矩阵和常数矩阵分别增加一行。

4、在两节点间追加一条输电线路

如图6所示，在节点①和节点②之间追加一条输电线路2，相当于在网络中增加了一条新支路(支路4)。此时，分别修改节点①和节点②的KCL方程：I_S-I₁₁-I₂₁＝0,I₁₂+I_f1+I₂₂＝0；列写传输线2的电压、电流电报方程：

U₂＝U₁ch(r₂l₂)-I₂₁ZC₂sh(r₂l₂)

I₂₂＝-I₂₁ch(r₂l₂)+U₁sh(r₂l₂)/Z_C2

网络增加了2个独立方程2个未知变量，修改式(6)矩阵方程如下：

其中：矩阵

令：则式(7)可写成：

A₃X₃＝B₃ (8)

两节点间增加一条传输线路后，使得原系数矩阵增加两行两列，原变量矩阵和常数矩阵分别增加两行。

依据配电网拓扑结构图，按照上述方法，逐一追加网络中的全部支路，即可形成整个网络信道模型矩阵方程。

5、减少一条支路

若网络中减少某条支路，无论该支路是传输线路还是负荷支路，只需在原矩阵方程中删除该支路包含的独立变量，及变量所对应的行与列，其余部分不变，矩阵阶数相应降低。

6、载波信道传输特性的求取

综上所述，图2中共有未知变量12个，根据支路追加法建立的整个网络的PLC信道模型矩阵方程如式(9)所示：

矩阵方程式(9)对应AX＝B的非齐次线性方程组形式。由于该方程组系数矩阵A是由网络所有独立方程得到的，故系数矩阵A的行列式D＝|A|≠0,该非齐次线路方程组有唯一解，即：

其中：D为系数矩阵A的行列式；D_i是把系数矩阵行列式D中的第i列元素用方程组右端的常数矩阵B代替后得到的行列式。

由此，可求出图2网络中各未知变量间的比值关系。对于电力线载波信号的传输而言，我们关心的的是信号接收节点③与信号输入节点①间的电压传递函数H₃，以及PLC信道的输入阻抗R₁，则由上述方法很容易计算得到：

7、模型仿真分析验证

根据城市实际配电网线路型号及参数，搭建了图2所示配电网络的实验室RLC电路测试模型及本发明提出的基于支路追加法的配电网PLC数学模型。图2中，架空线1、2型号为JKLYJ-10kV-240mm2，架空线路1长0.5km，架空线路2长1.5km；电缆线路3型号为YJV22-10kV-240mm2，长1km。信源内阻Z_S＝50Ω，配变阻抗为固定值Z_T1＝Z_T2＝500Ω。载波信源位于节点①处，接收点位于节点③处。

图7中实线为利用本发明所述建模方法得到的接收节点③与信号输入节点①间的电压传输特性波形，图7中虚线为利用实验室RLC电路测试模型得到的接收节点③与信号输入节点①间的电压传输特性波形，两者具有较好的一致性。结果表明，本发明所述建模方法能够建立有效的电力载波通信信道传输模型，为新一代电力载波通信技术的发展和应用提供依据。

本发明的优点还在于：根据配电网实际拓扑结构，利用支路追加法，逐一追加网络中的全部支路，形成整个网络信道模型矩阵方程。通过矩阵方程中各未知变量的比值关系，求解载波信号的传输函数，分析信道的传输特性。建模方法原理清晰，模型精确，计算速度快。当配电网网络结构发生改变时，只需在原矩阵方程基础上，增减矩阵中的相关行与列即可得修改后的新矩阵方程，可移植性强。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法，其特征在于：

设配电网混联线路的拓扑结构包括信号输入节点、中间节点、信号接收节点，信号输入节点连接载波信源支路、第一输电支路、第二输电支路，中间节点连接第一输电支路、第二输电支路、第三输电支路、第一负荷支路，信号接收节点连接第三输电支路、第二负荷支路；

整个网络的PLC信道模型矩阵方程式为：

其中U_S为载波信号的信源电压，Z_S为信源及耦合设备的等效阻抗，I_S为信源输入配网的电流，U₁、U₂、U₃分别为信号输入节点、中间节点、信号接收节点的电压，I₁₁、I₁₂为第一输电支路两侧电流，I₂₁、I₂₂为第二输电支路两侧电流，I₃₁、I₃₂为第三输电支路两侧电流，I_f1为第一负荷支路的电流、I_f2为第二负荷支路的电流，Z_T1、Z_T2分别为第一负荷支路和第二负荷支路的阻抗；a_i＝ch(r_il_i)，b_i＝-Z_C1sh(r_il_i)，c_i＝sh(r_il_i)/Z_C1，

为第i条输电线路的特性阻抗，

为第i条输电线路的传播常数，l_i为第i条输电线路的长度，R_i、L_i、G_i、C_i分别为第i条输电线路单位长度的电阻、电感、电导和电容；

PLC信道的输入阻抗R₁：

2.按照权利要求1所述一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法，其特征在于：在所述配电网混联线路中间节点处增加一条等效阻抗为Z_T3、电流为I_f3的第三负荷支路，此时，中间节点的KCL方程：I₁₂+I_f1+I₂₂+I₃₁+I_f3＝0；列写第三负荷支路的VAR方程：U₂＝Z_T3I_f3，矩阵方程变为：

3.按照权利要求1所述一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法，其特征在于：在所述中间节点、信号接收节点之间追加第四输电支路，I₄₁、I₄₂为第四输电支路两侧电流，此时，修改中间节点、信号接收节点的KCL方程：I₁₂+I_f1+I₂₂+I₃₁+I₄₁＝0,I₃₂+I_f2+I₄₂＝0；列写第四输电支路的电压、电流电报方程：

U₃＝U₂ch(r₄l₄)-I₄₁Z_C4sh(r₄l₄)

I₄₂＝-I₄₁ch(r₄l₄)+U₂sh(r₄l₄)/Z_C4

矩阵方程变为：

4.按照权利要求1所述一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法，其特征在于：在所述信号接收节点处追加第四输电支路，第四节点电压U₄，I₄₁、I₄₂为第四输电支路两侧电流，此时，信号接收节点的KCL方程：I₃₂+I_f2+I₄₁＝0；后分别列写第四输电支路的电压、电流电报方程及第四节点的KLC方程：

U₄＝U₃ch(r₄l₄)-I₄₁Z_C4sh(r₄l₄)；

I₄₂＝-I₄₁ch(r₄l₄)+U₃sh(r₄l₄)/Z_C4

I₄₂＝0

矩阵方程变为：

5.按照权利要求1所述一种基于支路追加法的配电网电力线载波通信信道建模法，其特征在于：设网络中减少所述第二输电支路，第二输电支路包含独立未知变量为I₂₁、I₂₂，网络减少了2个未知变量I₂₁、I₂₂，分别为变量矩阵中的第7个和第8个变量，故原矩阵方程分别删除第7、8行和7、8列，矩阵方程变为：