10kV电力线载波通信结合滤波器方案重点Word下载.docx
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电力线载波通信技术出现于20世纪20年代初期,经过几十年的发展,目前已具备相当的规模和水平。
我国的电力线载波通信系统已经在35kV及以上电压等级的输电线路中得到了成功应用。
随着10kV配电网自动化建设的发展,希望有一种经济适用的通信方案,电力线载波通信技术由于其固有的一些特性而受到青睐[1]。
然而10kV配电网载波通信至今还没有一套成熟的系统出现,究其原因,与高电压等级的输电网相比,10kV配电网中通信信道更为复杂是其重要因素之一。
为了电力用户的需要,在电力线上往往引出一些T接分支线,这就为组织载波通道造成了复杂性。
在35kV及以上电压等级的输电线路中,为组织载波通道,往往在T接分支线两侧接入阻波器,隔离了分支线对高频信号分流的影响,如图1所示[2]。
然而配电自动化载波通信的理想模式是开放式的计算机网络通信,不允许在分支线两侧接入阻波器。
由于分支线不能隔离,使得线路上高频阻抗发生了很大的变化。
值得注意的是,目前市场上销售的10kV载波通信结合滤波器均沿用了高电压
图2 线路示意图
1)
1;
2—3——结合滤波器;
—载波机;
6——中间载波机
等级输电线路中结合滤波器的设计方案,设计时假定电力线路阻抗是一个几百欧姆的固定值(如4008),因此其工作性能不佳是可想而知的
。
1111 线路阻抗的理论分析
在载波通信频带内(40~500kHz),线路的长
度和波长可以比拟,此时考虑线路上某点的输入阻抗时要应用传输线阻抗公式[3]:
Zi=ZC
ZC+jZFtg(Βl)式中 Zi——线路上某点的输入阻抗;
ZC——线路的特性阻抗;
ZF——负载阻抗;
(1)
Β——传播常数;
l——从负载至观察点的线路长度
图2中,设干线线路总长L=5000m,线路特性阻抗ZC=4008,干线末端有一负载阻抗ZF=4008。
在离源端L1=4000m处有一分支线1,
华北电力技术 NORTHCHI20NAELECTRICPOWER No.2 2001
分支线长Lb1=600m,负载阻抗ZF1=4008。
在离源端L2=3300m处有一分支线2,分支线长Lb2=350m,负载阻抗ZF2=∞(开路)。
当不考虑两分支线时,源端输入阻抗显然为Zi
=4008。
当仅考虑第一条分支线Lb1时,用公式
(1)计算可得源端输入阻抗Zi,如图3(a)所示。
当考虑两条分支线时,源端输入阻抗Zi如图3(b)所示
图4 10kV线路中某两点的实测输入阻抗
电抗。
2 阻抗失配时引起的功率损失
211 阻抗失配时的功率损失
图3 图2中线路上某点输入阻抗
Zi随频率的变化
根据电路理论,当信号源的内阻抗ZS与负载阻抗ZF共轭匹配,即ZS=ZF时,负载阻抗上将获得最大功率Pmax,否则负载上获得的功率PF小于
Pmax。
[4]
—
由图可见,当分支线的影响不能被有效隔离时,线路上某一点的输入阻抗值在整个通信频带内将发生剧烈的变化,并且不再是一个纯电阻性阻抗,其电抗部分随着频率的变化时而呈现感性,时而呈现容性。
112 实际线路阻抗
在实际的10kV线路上测量了某两点的输入阻抗值,测量结果如图4所示。
由图4可以看出,在实际的10kV配电线路中:
(1)不同点的输入阻抗值一般是不同的;
(2)线路上每个点,其输入阻抗随着频率的改变而变化,并且变化的范围相当大,从几十欧到上千欧;
(3)阻抗往往为复数,
甚至某些点上接近纯
Pmax=Re(ZS)—
ZS+ZS2
PF=Re(ZF)—
ZS+ZF
(2)(3)
式中V表示信号源的电压,Re表示取阻抗的实部。
在电力线载波通信中的信号源内阻抗通常为纯阻抗,可用RS表示。
由此可定义由于负载与信号源内阻失配引起的功率损失为:
)=10lgA失配=10lg(PF4RSRe(ZF)
(4)
传统的结合滤波器是设想线路阻抗为某一个
固定值设计的,当线路阻抗不是固定值时,从结合滤波器的通信电缆端视入的阻抗将不与信号源匹配,故引起功率损失。
No.2 2001 华北电力技术 NORTHCHINAELECTRICPOWER 21
212 传统结合滤波器阻抗变换作用213 结合滤波器阻抗失配引起的功率损失
以某型号结合滤波器为例,如图5所示,其中CC为耦合电容。
图中元件参数值分别为CC=10000pF,C1=6633pF,C2=16440pF,L1=11563mH,L2=11916mH,n=215。
由以上参数,
在配电网载波通信中,信号源内阻RS与通信电缆特性阻抗应是匹配的,通常均为758,故此时负载失配引起的功率损失与通信电缆的长度无关[6],因而可将通信电缆侧输入阻抗Zicable直接看作信号源的负载ZF。
当线路阻抗Zline=4008时,仍以图5中所示
(6),计的结合滤波器器件参数为例,代入式(5)、
算出通信电缆侧的输入阻抗Zicable,再由式(4)计算出功率损失,结果表明在整个通信频带内的功
可以写出其传输矩阵T[5]:
T=
(jΞC2)1n11
・・0
01
(jΞC1111
・・
(jΞL2)101
(jΞCC111
・
(jΞL1)101
(5)
给定10kV电力线侧阻抗Zline后,可以通过
传输矩阵计算出在通信电缆侧的输入阻抗。
(6)Zicable=
T21
×
Zline+T22
率损失均小于015dB,可见当线路阻抗稳定为4008时,该型号结合设备工作性能很好。
当线路阻抗发生变化时,若仍使用图5中的结
(b)所合设备,此时的功率损失将增大,由图4(a
)、7中。
图5b5中电以图4()(6),电力线路侧输,
、
抗示于图6中。
图7 阻抗不匹配引起的功率损失
由图7可以看出,在线路阻抗匹配条件下工作性能良好的结合设备,在线路阻抗改变时其性能将恶化,造成系统功率损失明显增大,在某些频率上,甚至高达615dB。
因此沿用这样的结合滤波器势必造成在某些频率上的通信性能极度恶化,增加了整个通信系统实现的难度。
因而对原有的结合滤波器必须进行改进,使其适应于10kV配电网。
3 结合滤波器的改进方案
311 改进前提
改进的结合滤波器设计方案是根据以下条件确定的:
(1)线路上不同点的输入阻抗不尽相同;
(2)在整个通信频带内各点的阻抗值随频率变化剧烈;
(3)阻抗不再是一个纯阻抗,而且有时候电抗部分很大;
(4)具体到某一个通信机,其工作频带不是很宽(在扩频载波通信中,一般为几十kHz);
图6 通信电缆侧的输入阻抗
华北电力技术 NORTHCHI22NAELECTRICPOWER No.2 2001
(5)在几十kHz的频带内,线路阻抗的变化
表1 改进后阻抗失配引起的功率损失
项目
50
不是很剧烈。
第
(1)至第(3)条决定了结合滤波器必须有可调装置,以适应不同地点不同频段的不同阻抗情况。
第(4)、(5)条使得结合滤波结构不必太复杂。
312 改进方案
综合以上考虑对结合滤波器的设计提出了如图8所示的改进方案
频率kHz
60014
70016
80118
功率损失dB211
从表1可以看出,改进后的结合滤波器可以
显著改善工作频带内的阻抗匹配状况,减小功率损失,提高通信系统的性能
图9 改进的结合滤波器电路图
图8 结合滤波器改进方案示意图
4 结论
10kV,分,,,证实了其功率损失的明显增大,给通信系统的实现增加了难度。
为此,结合实际提出了改进的结合滤波器设计方案。
通过计算表明,改进后的结合滤波器可以明显减小功率损失,提高通信系统的性能。
参考文献
[1]焦邵华,刘万顺.配电网载波通信的衰耗分析.电力系
图8中结合滤波器分为三部分,工频隔离部分、电抗抵消部分和电阻变换部分。
工频隔离部分由耦合电容CC和泄漏工频电流的排流线圈Ld构成。
电抗抵消部分由可调电容电感网络构成图8在补,,得到对工作频率的最小阻抗和最低衰耗。
而在改进设计的结合滤波器中,可调电容电感网络与耦合电容器和排流线圈一起用来抵消线路阻抗的电抗部分,使得经过该网络变换后,变压器的接入阻抗近于纯阻抗。
313 改进电路
以图4(a)中线路上A点的输入阻抗为例,在50~80kHz频段,由图7可见,原有的结合滤波
统自动化,2000,24(8).
[2]陈维千.电力线载波通道.北京:
水利电力出版社,1983.
[3]P.格里维.黄鹤松译.高频传输线的物理基础.上海:
器使得带内的阻抗失配引起的功率损失均大于6dB,在这阻抗失配最为严重的频段上,改进的结合滤波器电路图如图9所示。
当取耦合电容CC=10000pF,排流线圈Ld=116mH时,可以选择电抗抵消网络与电阻变换部分电路参数为C1=1ΛF,L1=1100ΛH,L2=710ΛH,n=215。
此时的功率损失经计算如表1所示。
上海科学技术出版社,1984.
[4]陈惠开[美].徐守义,李国祥译.无源与有源滤波器.
北京:
人民邮电出版社,1989.
[5]陈崇源,颜秋容.电路理论——端口网络与均匀传输
线.武汉:
华中理工大学出版社,1999.
[6]李宗谦,佘京兆.微波工程基础.南京:
东南大学出版
社,1996.
(收稿日期:
2000211227)(改回日期:
2000212204)
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