低压电力载波阻抗

低压电力载波阻抗（共8篇）

低压电力载波阻抗 篇1

1 DZ3载波阻抗测试装置

电力线网络分布广泛,其接入的负载复杂多样并具有时变性,载波信道的阻抗匹配与否严重影响着电力线载波的可靠、实时传输[1]。在电网处于工作状态时,人们会测量电网载波信道的阻抗值,通过这些数据来优化载波信号,保障载波通信和抄表的质量。DZ3载波阻抗测试装置正是用于测量低压电力线的载波信道阻抗,它主要由主站和终端两部分组成。

主站通过向测试终端发送统一格式的报文指令来控制终端的具体操作。主站负责接收、存储终端测试所得的数据,并对终端上传的数据进行相关处理。终端依据自由坐标轴阻抗测试原理,可测量80 k Hz~500 k Hz量程范围内的低压电力线载波信道阻抗的模值和相位[2,3]。每个终端都配有一个独一无二的ID号。当终端与主站连接成功时,主站管理软件的界面上会显示出在线终端设备的ID号,通过选中ID号来对相应的终端设备发送指令。使用主站管理软件设置测试频点、测量时间间隔等参数,终端可自动完成单一频点或是多个频点的载波阻抗测量,并保存测量数据。

通过主站设置相应的参数可使终端实现阻抗的自动化测试,主站与终端之间有三种通信方式:USB、GPRS及以太网通信方式,从而使阻抗测试更加方便。使用一根USB连接线直接把计算机与终端相连,主站便可读取终端中的测量数据,并向终端发送指令,但电脑的USB接口有限,一台PC机不能同时控制多台终端,且USB连接线长度有限只能近距离测试[4,5]。也可采用GPRS的通信方式,在终端的GPRS模块中安上客户识别模块SIM卡(Subscriber Identity Module),主站的通信设置项选择GPRS通信即可控制终端运行,但这种方式费用较高[2]。为了降低测试费用并实现对不同地点的多台终端的同时监控,新增了以太网的通信方式。以太网可封装任何协议的数据,具有标准化成熟、灵活性好、成本低、易于使用等优势,选用以太网通信方式,主站可同时监控在同一局域网内的多台终端设备[6,7]。

2 DZ3载波阻抗测试终端以太网通信方式调测

DZ3载波阻抗测试终端原有USB与GPRS两种通信方式,现在又添加了以太网的通信方式[8]。其实质是在终端硬件原有基础上增加了一个以太网转串口模块,并在终端的软件部分进行了串口接收数据的相关修改。该模块给每台终端设备都设置了一个IP号,可自动侦测10/100 Mb/s的网络环境,实现TCP/IP到TTL间的数据转换。为确保使用新的通信方式时,终端与主站间能正常地进行命令与数据的传输,且不影响其他所有模块正常工作,需要在使用前对其进行相应的测试。

2.1 终端部分程序的修改

以太网数据收发方式除04命令(主站向终端发送要求上传ID号的命令)外,其他所有命令与USB通信方式相同,数据处理方式也与USB一致,程序都进入USB_Poll()函数进行命令的处理,只是测量数据包的发送方式不同于USB,采用的是串口发送,再经串口转以太网接口模块,最后由以太网上传至主站。因此,终端的程序需增加判断终端连接上线的函数,并在串口接收数据及部分命令处理程序中进行修改。具体执行步骤如下:

(1)修改串口0接收中断函数void Int Uart0Rx(void)interrupt 4。原程序负责接收主站发送给终端的所有命令,将接收到的命令存入临时缓存中,再调用接收串比较函数来判定接收的命令标置位。现在程序中增加了以太网连接方式标记位,用于处理以太网连接方式的数据,再依据命令的第二位(命令的第二位数字表示当前接收命令的长度)来截取测试所需的有效位数。

(2)修改接收串比较函数GPRS_Rec String_Comp(Uart0_Re_buf)。该函数原用于比较GPRS通信方式时接收到的字符串,以便相应标志位的设置。现在终端新增了以太网与串口接口转换的通信模块,当终端与主站都上线并处于同一局域网时,为确认终端设备是否已经与主站连接成功,主站会向终端发送04命令,即ID号上传请求命令。此时,若终端已连接上线,终端的串口中断接收函数可接收到04命令,然后进入接收串比较函数。比较函数把接收到的命令与程序中记录的正确命令相比较,若接收的命令完全正确,终端会立即把ID号回复给主站,并把以太网通信方式标记位设置为1,表示终端与主站连接成功。否则表示终端与主站连接失败,主站无法使用以太网的方式向终端发送命令及接收终端上传的数据。

(3)修改void USB_Poll(unsigned char*n)函数。该函数原是USB通信方式的命令处理函数,由于以太网通信方式的命令处理同USB一致(04命令除外),只有处理后的数据包发送方法不同,因此,在原函数中调用了串口发送程序。当以太网通信方式标记位的值为1时,终端的数据包采用串口发送至串口转以太网模块,经以太网传至主站。

2.2 终端以太网通信方式的命令收发测试

测前需先确定DZ3载波阻抗测试终端的硬件无故障,程序修改完编译无错误后即可载入芯片中开始具体的测试。测试方法是先使用网络调试助手发指令给终端,若终端能辨识出接收的指令正确与否,同时正确回复所有接收正确的指令,则表示终端软、硬件均无误,可与主站连接正常工作。终端回复的数据包中数据格式多样,有些为十六进制数据,有些则为BCD码,还有些为WORD型数据。

主要测试的几条常用指令如下:

(1)ID号的上传

主站开机,若选择以太网通信方式,主站向终端发送“04 04 FF 00”命令,要求终端上传ID号,终端中断接收函数(void Int Uart0Rx(void)interrupt 4,串口0接收中断函数)接到04命令后,进入GPRS_Rec String_Comp函数,对接收到的串比较,判断接收到的串中与04命令匹配后,对相应的标志置位设置为1,表示终端连接上网络了。又返回中断接收函数。后进入USB_Poll()函数,若Comcode=0x04,用串口发送ID给主站。具体测试如下:

主站发:04 04 FF 00

终端回复:相应终端设备的ID号,如84 00 00 0C0C 05 00 01 03 03 80 00。

终端回复的数据串表示接收数据的长度为12位(终端回复主站的命令的第3位与第4位表示报文长度,000C是十六进制数据,转为十进制数值为12),该测试终端的ID号的流水号为:000133。

若终端无回复,则需先检查网络调试助手与终端是否已建立连接,确定连接后,逐步调试程序,查看程序的串口接收函数中有无指令接收到,如此逐步查询直至找到具体故障点。若终端回复的位数不对或是回复的数据有误,则需先查看接收到的指令是否正确,若正确则进入相应指令的数据处理函数,辨别是终端数据处理不当还是数据包发送时发生了掉包故障,亦或是主站接收程序的故障。

(2)状态读回

主站发要求读回当前测试状态的08命令给终端,终端接收到命令,进入USB_Poll()函数,先解析命令,得知是08命令后(即Comcode=0x08),进入08命令的处理程序,数据处理后需上传给主站的数据包使用串口发送给主站。测试如下:

主站发:08 04 F3 00

终端回复:终端设备的当前具体状态,如88 00 0012 05 02 A0 8C 20 11 07 07 17 16 34 19 55 00。

从接收数据串的第3位和第4位可知主站接收到的这串数据长度为18位(00 12十进制为18),05表示测试的组间时间间隔为5 min,02表示频点时间间隔为2 min,当前测试频点为110 k Hz(A08C十进制为41 100,41 100-40 000=1100,1 100/10=110),20 11 07 07 17 1634 19则表示当前的时间状态:2011年、周六、7月、17日、16时、34分、19秒。

其他所有指令的发送与接收都是在确定ID号上传正确后才可进行,此时可确定串口的收发程序无误,直接调测命令解析与数据处理部分的程序。

(3)阻抗实时测量

主站发03命令给终端,终端接收到命令,进入USB_Poll()函数,解析得知是03命令后(即Comcode=0x03),进入03命令的处理程序,在实时测量结束后,把测量所得的数据通过串口发送当前状态给主站。阻抗实时测量的测试过程如下:

主站发:03 04 F8 00

终端回复:终端当前测量的频率点、阻抗模值及相位等数据。如83 00 00 21 11 07 15 2B 5C 16 09 0031 FF F8 52 6C 16 09 00 66 FF FD 79 7C 16 09 00CC FF FD 91 00。

终端答复主站的这串数据的长度为33位(00 21十进制为33),11 07 15表示11年7月15日,2B 5C表示测试频率点为110(2B 5C十进制为11 100,11 100-10 000=1 100,1 100/10=110),16 09表示16时9分,阻抗模值为20.4(00 CC十进制为204,204/10=20.4),FF FD分别为相位高低位的计算参数,91为校验位,00表示最后的结束符。终端实时测量的具体回复数据会依据当前主站设置测量的参数值而变化。

若终端回复的数据与主站设置的参数不一致,需要查看03命令的解析程序解析结果是否正确,若命令解析无误则应逐步调试阻抗测量部分的程序,观察几条关键程序执行后得到的结果与理论值是否相近。

(4)读终端上报数据

当测试人员想查看前一天的测试数据时,测试人员可登入主站管理软件,用主站发02命令给终端,02命令可使终端把所有的测试数据上传给主站。终端接收到命令,进入USB_Poll()函数,解析得知是02命令后(即Comcode=0x02),进入02命令处理的那段程序,除中间的7次循环发送0这一点上存在区别(以太网通信方式不发而USB发)外,其他数据都由串口发送给主站。02命令的回复数据包含了前一天或是前几天的测试数据(DZ3阻抗测试终端最多可记忆8天的测量数据),因此其回复的数据包长度是所有报文指令中最长的。具体测试结果如下:

主站发:02 04 F9 00

终端回复:终端内存储的所有阻抗测量数据。如8200 00 27 12 04 05 31 9C 00 01 09 00 00 CB FF FC58 AC 00 01 09 00 02 0A FF FB 7F BC 00 01 09 0005 ED FF FC F4 00,具体回复的数据依据终端测量所得的数据而定。

终端回复的82报文内容可分为三部分:数据头、数据段及结束段。数据头含命令类型、回复命令的状态、数据包的长度及时间四点。如上面回复报文中的前几位82 00 00 27 12 04 05表示终端回复的是82命令,00表示命令状态正常,00 27说明数据包长度为39位,发送时间为12年4月5日。数据段由多个阻抗测试数据块组成,解析数据块可得知测试的频率点、此频率点下测试所得的数据长度、测试该点的时间、测得的阻抗模值及相位。例子中的第一个数据块31 9C 00 01 09 0000 CB FF FC即表示测试频点为270 k Hz(31 9C十进制为12 700,(12 700-10 000)/10=270),00 01是WORD型数据表示该数据块的长度,09 00说明测试时间在9点整,00 CB用于计算阻抗模值,FF FC则用于相位的计算。终端回复的数据包的最后两位数据F4 00是结束段,F4为校验位,00是结束符。

一台终端用于测试的时间越长,内部存储的数据会随之增多(每台终端最多可存储8天的测量数据)。终端传给主站的上报数据越多,主站接收数据包的过程中就有可能发生数据掉包或数据错误等故障,这时可用网络调试助手发送02命令给终端,若网络调试助手接收到终端回复的数据包完整,则表示故障点在主站的接收或解析数据包程序中,否则表示终端有故障。

(5)错误命令

由于传输过程中的各种干扰,终端接收到的命令有可能发生错误,终端在接收到错误的命令后会回复主站并要求其重发。测试过程如下:

主站发:16 04 ED 00(该命令不存在)

终端回复:CC 00 00 07 16 22 00

CC表示终端接收到的命令是不在协议规定的范围内的异常命令码,00 07说明该回复数据有7位(00 07为十进制7),16是指接收到的错误命令码(以16H开头的命令),22是校验位,00为结束符。

(6)其他命令

主站发命令给终端,终端接收到命令,进入USB_Poll()函数,解析得到Comcode后,依据Comcode的具体数值判断得知主站发给终端的是哪一条命令,随后进入这条命令相应的命令处理程序,最后把需要发送的数据通过串口传到终端的串口转以太网工作模块,通过以太网把数据包传给主站。

2.3 测试结果分析

按上述的命令收发测试方法调测后,确定主站与终端间的所有命令的收发都正确时,终端可以用于阻抗测试。把终端与一个标准阻抗盒相接,阻抗盒的A相接入20Ω电阻、B相接入50Ω电阻、C相接入150Ω电阻。主站在阻抗检测设置中选择三相测试,并设置了121 kHz、132 kHz、270 kHz、412 kHz、310 kHz这5个常用频点作为一组测试频点进行循环测试,每隔30min测试一组,通过查看主站读回的阻抗测量数据来验证终端测试的结果。主站读回的数据将自动保存到Excel表格中,测试所得数据的部分截图如图1,读表可知每个频点的具体测试时间、测得的阻抗值等数据。主站读回的3个相位的阻抗值均与标准阻抗盒设置的阻抗值相近,并在误差允许的范围内,验证了终端阻抗测试的正确性。

采用Ethernet通信方式的低压电力载波阻抗自动检测系统,使得测试更加方便,加强了主站对多台终端设备的同时监控能力,为加入这种通信方式,终端的部分程序进行了适当的增加与修改。测试过程得到了满意的结果。

参考文献

[1]曾凌峰.基于电力载波的电器设备管理智能系统[J].煤炭技术,2010,29(5):40-42.

[2]朱铮涛,曾江翔.SIM卡及其初始信息写入方法研究与实现[J].微计算机信息,2009,25(8-3):111-113.

[3]吴少勇,甘玉玺,张翰之.以太网的环路检测技术[J].中兴通讯技术,2012(1):40-43.

[4]齐传凤,王学伟,韩东,等.低压电力线载波信道阻抗测试终端的设计与应用[J].电测与仪表,2012,49(1):57-62.

[5]韩东,王学伟,陆以彪,等.低压电力载波信道阻抗测试装置:中国,201887763[P].2011-06-29.

[6]叶崧.集成WSN、载波通信和多种现场总线的网关设计[J].现代电子技术,2011,34(24):87-89.

[7]江洁,赵不贿,唐平.一种基于电力载波的家庭网络与以太网的连接方法[J].计算机工程,2004,30(21):166-168.

[8]王华林.低压电力线通信计算机网络技术的研究[D].哈尔滨:尔滨理工大学,2009.

低压电力载波阻抗 篇2

【关键词】低压；电力载波；自动抄表

一、研究背景及意义

近年来，随着我国国民经济及电力事业的飞速发展，大规模城乡电网改造以及居民生活用电一户一表工程的推广与实施，使得抄表的工作量急剧增加；同时城市高层建筑的增多，商住小区建设速度的加快以及保安措施的加强，更给用电管理部门的抄表管理工作带来困难。

目前，用电业務计算机管理虽已逐渐普及，但是其管理的基本数据大多数还是采用最原始的手段—人工抄表得到的。人工抄表的弊端主要在于抄表员工作量大。随着一户一表的普及，抄表户数的大量增加，需要大批抄表人员；估抄、漏抄、错抄现象时有发生，常常引起不必要的纠纷；不仅如此，作为供电部门的一项十分重要的经济技术指标的线损率，因为是采用手工抄表数据计算得到的，而手工采集的数据精确度较低，而且各个表计抄表的时间相距较长，难以得到准确、真实的线损率计算结果，使这一经济技术指标的可靠性大打折扣。

针对上述用电管理工作中反映出来的突出问题，可以看到，传统的抄表方式已不能满足电力现代化管理的需要，只有采用自动抄表，实现抄表数据实时采集，自动传输，才能使用电管理工作真正迈上自动化、规范化和科学化的轨道。

二、常用的自动抄表方式分析

目前，自动抄表系统主要分总线式、无线通讯式和电力线载波式三种方式。总线式和无线通讯式作为常规方法，有其通信技术成熟的特点，目前有很多企业采用这种技术。但是，总线式抄表需要为提供数据传输通道而另行布线，施工量大、综合成本高、维护费用高；而且在已建成的居民楼表面再拉线，居民比较难以接受。无线通讯式抄表存在台区覆盖面积受限制、相邻台区交差干扰等问题，使得难以大规模应用。而电力线载波式抄表采用电力线作为通讯介质，具有充分利用现有资源、易施工、综合成本低、不受环境条件限制等优点，十分适合居民小区自动抄表。基于上述原因，本文拟构建基于低压电力线载波的自动抄表系统。

三、低压电力线载波的远程自动抄表系统构建

（一） 低压电力线载波的远程自动抄表系统技术实现

基于低压电力线载波的远程自动抄表系统一般由三部分组成，即主站计算机系统、集中器和载波电能表。主站计算机系统通过电话线、光纤、无线及其他通信方式，从集中器获得各载波电能表传输来的实时电表数据；集中器负责对各载波电能表的数据进行收集、存储和管理；载波电能表负责用户电能量的计量，并将电量值传送给集中器。

在集中器和载波电能表之间采用电力线载波技术进行通讯，目前电力线载波通讯有单向和双向两种通讯方式。单向通讯由每个载波电能表按固定的时间间隔向集中器发送电量数据，这种方式存在信道竞争问题，在一个台区抄表终端达到一定数量时这个问题比较突出，有时会造成数据抄收不及时、丢数等现象；双向通讯是由集中器按顺序向各个载波电能表查询数据，该方式可以克服单向通讯的通道竞争问题，但实现技术要比单向通讯复杂得多。

（二）低压电力线载波的远程自动抄表系统功能构建

低压电力线载波的远程自动抄表系统应具备如下的功能：

（1）载波通讯功能

集中器通过在A、B、C三相电力线发送载波的方式与载波电能表建立通讯，抄收载波电能表的数据。首先集中器根据设定的抄表时段，以电力线载波的形式依次向每一载波电能表发送抄收命令；载波电能表接到抄收命令后，同样以载波的形式回传数据，将数据保存在集中器的数据存储器中。此外，载波电能表和集中器之间采用双向通讯，集中器巡检巡测，并具有载波电能表中继功能，提高抄表的灵活性和可靠性。

（2）主站抄表功能

主站通过通信网络把安装在各个变台的集中器数据自动抄收到计算机中，集中器在接到主站的传送命令后，将保存在存储器中的数据传送给主站计算机。

（3）主站系统管理功能

目前已知的国内外的同类抄表产品大都只局限于解决抄表问题，本系统功能构建时应增加管理分析功能，对抄表数据进行处理，完成设定自动抄表时间、日期，计算月用电量，计算线损，用户用电分析，报表打印等管理功能，并把分析计算出的结果提供给管理人员，增强对低压用户的管理能力。

四、小结

本文对基于电力线载波的远程自动抄表系统进行研究，找出适合我国国情的载波通讯方式，并使该系统不仅可以实时获取远方电能表的电能量数据，同时具备对数据进行处理，加强了用电的管理工作。采用低压电力线载波自动抄表系统不但可以为供电部门带来可观的经济效益，而且可以大大提高对低压用户的管理水平，具有广阔的应用前景，必将成为传统上门手工抄表方式不可缺少的替代手段。

参考文献：

[1]盛朝阳，郑贤善，黄颖华.扩频载波技术在电力线通信中的作用.华东电力，2000，9：29～30

[2]陈铁，潘孟春，吴峻.基于SSCP2000的自动抄表系统.电测与仪表，Nov.，2001，Vol.38，No.431：10～12

低压电力载波阻抗 篇3

关键词：电力载波通信,特性阻抗,信道特性,智能电网,阻抗模型

0 引言

电力线载波通信是以电力线为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种通信方式[1]。电力线遍及千家万户,其作为通信媒介具有应用的广泛性和经济性。人们对于电力载波通信技术的研究历史悠久,早在20世纪20年代就开始将其应用于10 k V配电网线路的通信中。随着人们对各种通信需求的不断上升和相关技术的快速发展,电力载波通信日益成为国内外相关人员研究的热点。近十年来,在权威期刊和国际会议上,有大量基于电力载波通信技术的自动抄表系统[2,3,4,5,6]和家居自动化系统[7,8,9,10]等实际应用研究方面的文章出现。

在电力线载波通信技术中,一方面研究电力线传输特性需要网络中各组成元件准确的阻抗参数,而研究电力网络输入阻抗特性时也需要各组成元件适用的阻抗模型。另一方面配电网中元件数量繁多、运行特性差异很大、影响阻抗特性的因素众多,使得配电网的阻抗特性与传输特性和噪声特性相比更加复杂。因此,研究建立配电网中各组成元件准确适用的阻抗模型,并计算模型参数是电力线载波通信的关键技术和研究热点,也是研究的难点。随着智能电网研究和建设的不断推进,电力线载波通信技术必将成为解决智能电网通信问题的重要手段。在智能电网中将大量采用基于电力电子技术的新型设备,从而给研究元件阻抗模型提出了新的问题和挑战。

本文将配电网络中的元件划分为配电变压器及其负荷、架空线和埋地电缆以及电网用电设备三类,对国内外近年来的元件阻抗模型的最新研究成果进行了综述。介绍了各类元件阻抗模型研究的发展历程,对各种模型建模方法的核心思想进行详细分析,分析了各种模型的优缺点和适用范围。最后分析了智能电网中进行阻抗模型研究时面临的新问题。本文的工作为在智能电网中压网络中应用电力线载波通信技术提供了有益的参考。

1 配电变压器及用户设备的阻抗模型

配电系统中存在高频电力线载波信号时,系统中的主要元件如配电变压器、配电线路以及用户设备的阻抗特性将与工频信号下的不同。由于此类元件和设备数量众多,运行特性千差万别,建立它们相应的阻抗模型一直是电力线载波通信技术研究的重点。

1.1 配电变压器模型

现有的变压器建模方法主要可分为两种:一种是基于内部结构分析的建模方法,即用多个RLC元件组成的电路来模拟变压器,而元件参数需要根据变压器具体的绕组接线方式、铁芯材料和内部结构等计算确定。该方法建模精度高,但存在所需参数多、计算量大的缺点。第二种建模方式则将变压器视为一个二端口网络,仅关注其两端口处的电气关系而无需分析其具体内部结构。尽管存在所建立模型物理概念不明晰的缺点,该建模方式因其简单适用而得到了更广泛的应用。

文献[7]所提出的三相变压器高频信号下的单相二端口等效模型如图1所示。

图中电容C为变压器一二次侧对地杂散电容之和,R为绕组电阻,L为漏电感。

图1所示模型可用式(1)表示。

由此传输矩阵,可得到如图2所示的变压器在PLC载波频率下的等效二端口模型。

该模型中仅考虑了绕组对地杂散电容,并认为R和L均为常数。实际上参数R会随着频率的升高而变化。文献[8]指出电阻R会由于趋肤效应而与频率呈指数增大关系。同时在高频条件下,绕组间的电容以及变压器铁芯的磁滞和磁饱和特性不能忽略。文献[9]提出了建立变压器高频模型时必须考虑的几个因素:1)绕组对地和绕组之间的杂散电容;2)变压器绕组的趋肤效应;3)绕组电感与杂散电容之间多种谐振现象;4)铁芯饱和与磁滞现象。据此,文献[10]提出了基于理想变压器的RLC等效电路模型,并给出了其参数测量方法。这种模型仅对于1 MHz以下的信号有效。文献[11]提出了更精确的能够适应更宽频率范围(几Hz~10 MHz)的中频模型和高频模型。在信号频率低于1 MHz时,使用如图3所示的含有理想变压器的中频模型;而在信号频率大于1 MHz时,则采用如图4所示的忽略理想变压器的高频模型。

由以上分析可知,与工频变压器模型不同,随着信号频率的增加,绕组杂散电容、趋肤效应、铁芯磁滞和磁饱和等因素对变压器参数的影响将不能忽略。现有的各种变压器高频等效模型适用的频率范围不同,在变压器建模时必须根据具体的信号频率区间加以选择。

1.2 用户设备模型

用户负荷大致可分为30多种,图5所示为10 k~450 kHz频段一些典型的居民家用电器设备的阻抗特性曲线[6]。

根据图5所示的阻抗特性曲线,可建立各电器相应的RLC元件模型如图6所示。

从上述等效模型可看出,在高频条件下不同电器设备都可用RLC元件的并联、串联或混合联接方式的集中参数模型进行等效。

在建立综合负荷的等效模型时,若对每一种电气设备均采用不同的模型将大大增加综合等效模型的复杂程度。

综合负荷的建模方法大致可以归纳为两大类,文献[12]给出了一种统计综合建模方法,其基本思想是将负荷看成个别用户的集合,先将这些用户的电器分类,并确定各种类型电器的平均特性,然后统计出各类电器所占的比重,最后综合得出总的负荷模型。但使用这种方法需事先统计成千上万个用户的负荷组成及参数,比较耗时费力,难以统计准确,并且无法适应负荷特性的时变性。文献[13]给出了另一种总体测辨法,其基本思想是将电力线负荷看作一个整体,先从现场采集测量数据,然后确定负荷模型的结构,最后根据现场采集的数据辨识出模型参数,这种方法无需知道各个用户的负荷组成及参数,在负荷母线处长期装设测量装置,可以根据各个时刻的测量数据得到相应的负荷特性参数,从而解决了负荷特性的时变性问题。

1.3 电机模型

配电系统中数量最多的负荷是电动机,建立高频条件下电动机的模型也是电力载波通信的重要研究内容[14]。

1.3.1 电机瞬态分析模型

电机学中多以交流电动机磁链方程和转动方程为基础来建立电机的瞬态分析模型。此模型可描述电机所有内部机电量的瞬时变化情况,进而掌握电机的暂态运行特性。但此模型是以电机控制为目标,在高频条件下的特性体现较少,且磁链方程模型过于复杂而不适用于电力载波通信条件下的电动机阻抗特性分析。

1.3.2 单相高频等效模型

多个文献[15,16,17,18,19,20]从阻抗等效的角度提出了电动机的单相高频等效模型,从而避免了考虑电机内部结构对瞬变参数的复杂影响。

文献[15]计及电机绕组对地杂散电容引起的漏电流的影响,在简单电机RL等效电路的两端增加对地电容Cg和表示漏电流损耗Rg的串联支路,形成π型等效电路。文献[18]同时在RL支路上并联一个电阻Rwk1表示铁芯损耗,所得模型如图7所示。

图8为文献[21]在以上几种模型的基础上提出的更复杂的集中参数高频电机模型。

图中R为定子和转子的绕组电阻;Ld为绕组漏电感;Re表示铁芯和外壳中的涡流损耗;Ct为匝间分布耦合电容;Cg为绕组对地分布耦合电容;Rse和Lse的串联支路表示了趋肤效应对定子绕组电阻和漏电感的影响。文中还通过实验测量得出了几种交流电机相对地和相对中性点的阻抗在信号频率1kHz~1 MHz范围内的变化曲线。

文献[22]提出了整个电机绕组的阶梯型等效模型如图9所示。以此模型为基础,文中还通过实验对某一750 W电机的阻抗进行了测量。同时模型的建立考虑了实验环境,包括电力线、电机、滤波器,以及变压器线圈的趋肤效应的影响。但此模型参数比较复杂,不利于参数估计[23]。

2 架空线及埋地电缆模型

在高频信号下,电力传输线路的电阻、电感以及对地电容不能采用集中参数模型,而必须采用分布参数模型[24]。电力传输线的分布式参数模型如图10所示。

将传输线视为双端口网络,其稳态形式的传输参数端口方程为

其中:Z0为线路特性阻抗;γ为传播常数。由此可见特性阻抗和传播常数均与线路的分布参数和信号频率有关。

获取线路特性阻抗Z0是研究线路阻抗模型的基础。线路的输入阻抗不仅与线路特性阻抗有关,还与线路长度以及线路末端接入的负荷阻抗有关。当传输线路末端接入的终端阻抗为ZL时,线路始端的输入阻抗可以由式(3)计算。

文献[25]通过实测方法给出了10 k V中压网络频率在40 k~2 MHz范围内的输入阻抗特性,其测量结果显示中压网络的输入阻抗约为几百欧。文献[26]在信号频率更高时(2 M~40 MHz),考虑线路的趋肤电阻并用镜像理论计算中压架空线路的分布参数,进而得出了线路的特性阻抗和传播常数。

现有的线路参数多以架空线路为研究对象,对埋地电缆的高频分布参数模型研究较少,文献[27]根据信号注入方式的不同将埋地电缆划分为线—地结构和线—线结构,并给出了线—地结构埋地电缆分布式参数的计算方法。

对于线—线结构,由于两线之间存在绝缘层和屏蔽层等,不能视为均匀介质,故不能采用传统的双回传输线的模型计算其分布参数,其模型参数只能用实验方法得到。

当载波信号频率范围在2 k~2 MHz之间时,单位长度架空线路的波阻抗在200~400Ω之间,而埋地电缆的波阻抗在400~600Ω之间。对于既有架空线路又有埋地电缆的混合线路,可根据架空线路与埋地电缆所占的长度比,采用加权平均的方式获取其等效均匀传输线模型参数。

3 电网用电设备模型

传统配电网中的主要用电设备是用于无功补偿的电容器。

文献[28]提出了电容器模型,为R、L、C三个元件串联,其中L表示电容的杂散电感,R表示电容损耗,该模型适用于工频条件且电容器杂散电感高的场合。文献[29]得出的结论是:当信号频率高于电容器的自谐振频率时,电容器的实测阻抗将大于该模型的计算阻抗,因此该串联模型直接应用到高频条件下存在较大误差。

文献[30]以三种不同结构的卷绕式镀金属电容器为对象,在对其中的电磁场进行分析的基础上,计及高频条件下电容器内部可能存在的串并联谐振所导致的电容器的额外损耗,提出了单个电容器的串并联等效电路如图11所示。

这种等效电路采用集中参数元件的模型来描述电容器的高频特性,非常适合于电路仿真。

4 智能电网中的元件阻抗模型研究

在将电力线载波通信应用于智能配电网中压网络时,就网络中的元件阻抗模型研究而言将出现两个新的变化:首先是各种分布式电源的引入使负荷特性发生一定的变化。文献[31]提出一种用于小干扰稳定分析的风力发电机组的数学模型。应用该建模方法对风电场接入无穷大系统和接入三机系统的两种情况进行了计算。文献[32]对几种典型的分布式电源的运行方式和控制特性进行了研究,建立了各自在潮流计算中所需的数学模型。这些模型与传统负荷模型存在一定的差异。另外,为提高智能电网的可控性、可靠性和稳定性,网络中将出现大量基于电力电子技术的新设备:例如实现分布式电源接入的背靠背交直交变换装置和柔性直流输电线路;在用户侧,为提高用户负荷的能源利用效率,各种基于开关技术的大容量用电设备的应用也将更加广泛,例如高压变频装置等。此外,为增加对配电网络的可控性、提高配电网络的稳定性,各种基于开关技术的控制设备也将广泛应用,例如配电静止无功发生器(DSTATCOM),短路电流抑制器(SCL)等。目前对于此类基于电力电子技术的设备在电力载波通信应用中的阻抗模型研究很少。

根据对研究现状的分析,各种基于电力电子技术的用电设备及负荷的出现必然使得网络组成元件的阻抗特性发生较大变化,从而影响到信道传输特性。这些设备工作模式有限,模式切换速率高,属于高速变动的严重非线性系统。可以采用理论研究结合仿真分析的方法研究各种基于电力电子技术的新设备适用于电力载波通信的阻抗模型。首先将此类设备从功能上按照整流器和逆变器进行划分,其控制方式按照斩控式和相控式划分。其次根据这些设备有限数目的工作模式,应用离散时域仿真方法,分别列出系统的分段线性状态微分方程,求解状态转移矩阵,由此导出非线性差分方程。非线性差分方程的时域解即可作为装置在大输入信号下的瞬态响应。根据控制策略来确定各开关的切换时刻,作为各个分段线性网络的边界条件。求出每一开关周期内功率开关导通和截止的准确时刻,以确定何时采用何段线性拓扑网络的状态微分方程。进而利用数值拟合方法建立阻抗模型的数学表达式,也可直接将此响应特性应用于后续仿真计算中。

5 结论

低压电力线信道的阻抗特性研究 篇4

家庭用户电器使用的电力线网络已经存在, 把它作为通信环境困难很大。存在恶劣的通信环境, 如: 变化的阻抗, 噪声干扰变化大以及信号在电力线上传输衰减大。因此, 研发低压通信系统载波通信方案的前提是构建电力信道模型, 测量分析电力信道, 而这些也是分析提高载波信号传输质量的基础。

电力线网络的配置没有一定的特点, 总体可以分为三种, 它们分别是高压电力线网络、中压电力线网络和低压电力线网络。高压电力网络的任务是从发电厂发电, 输送到各个城市的周边, 想到信息的安全及重要性, 技术人员一般不考虑将它作为通信线路。中压电力线网络的任务是将用电配送到周围地区的中压变电站, 中压变电站然后将电压变换为220 V/380 V供家户的电器工作[1]。低压电力线网络则遍及到各个家户, 这为组网通信带来方便。

一般的低压供电系统如下图1所示, 系统通过变压器联络到各个家庭用户, 每条支路的长度也不相等, 支路的网络分布结构没有一定的特点, 连接的家庭户数也很没定数。总之, 网络拓扑分布结构没有特点。

2输入阻抗数据的测量方法

根据理论知识将低压电力信道的输入阻抗规定为在信号发送端驱动点和信号接收端的驱动点之间的等效阻抗[2], 电力线携带信号传送的能力直接与阻抗有关。

在图2中, 信号发生器产生信号, 该信号一般选用正弦信号, 它首先经过耦合变压器T和给定电阻R, 然后进入低压电力网, 通过仪器测量出给定电阻两端的电压V1和用户家里插座上的电压V2, 再依据电路原理的公式就能计算出要知道的输入阻抗Z。

具体阻抗值由下式求得:

在室内换不同点的插座同时改变测试信号的频率, V1、 V2的电压由测量得出, 这样通过上面的公式就能测定出输入阻抗。

3耦合方案

耦合电路主要起两个作用: 一是能将通信仪器与220 V的市电隔离, 这就保证了通信仪器的安全; 二是通信频段外的各种噪声能被耦合系统中的滤波电路滤除, 这样就大大减少了对系统的干扰[3]。图3就是一个典型的低压电系统的耦合电路, 该电路中有一个耦合电容、一个耦合变压器和一个二极管。

电力线通信中常用到耦合电容, 它能将被传输信号耦合到低压电力线上, 滤波器中的一个重要器件也是耦合电容。 耦合电容是携带高频通信信号用的, 所以该电容必须是一个高频的电容, 电容的自谐振频率还要比通信信号的最高频率高。此外, 高频电容还得有能滤波220 V的强电和浪涌电压, 所以要求耦合电容必须是一个高能力耐压的电容。

耦合变压器的作用有两个, 一是将电流隔离, 并实现阻抗变换, 二是高频电信号必须能够通过耦合变压器。通过耦合变压器的信号, 我们对它的的频率范围也有一定的限定。 同时, 由于市电信号的频率只有50 Hz, 幅度又较大, 因此与高频通信信号相比, 市电最少有105数量级的过饱和影响[4]。载波信号通过市电被电力线传输到高通滤波器, 载波信号然后进入耦合电路。实际上, 高通滤波器也是一个带通滤波器, 它对强电进行滤波, 并降低其电压幅度, 目的是减小对后面测量系统的影响。

在图3中, 高通滤波器中有电容C1、C2和耦合变压器T1, 滤波器是用来过滤市电, 并降低其幅度, 这样就可以减小其对通信系统的影响。变压器次级连着5个开关二极管组成了一个限位电路, 作用是稳定敏感的通信系统。如果正限位电平低于输出端电压, 二极管D1、D3、D4将会导通, 对输出电压进行高电平钳位; 相反, 如果负限位电平低于输出端电压, 二极管D2、D3、D5就会导通。

4输入阻抗测试数据分析

如下表1所示, 在不同插座上测得的输入阻抗数据分别为Z1、Z2、Z3。

对所测数据使用matlab中的最小二乘法进行拟合, 图4给出了拟合后的曲线, 它由Z给出。所得到的输入阻抗与频率的关系为: | Z| = 1. 22 × 10- 2× f- 0. 06, 式中, 频率的单位为k Hz; 阻抗的单位为 Ω。

分析图4, 可以得出在一定的通信频率段内, 低压电力线通信信道的输入阻抗有变化, 变化范围为2. 2 Ω ~ 41 Ω, 并且输入阻抗随频率的不断升高而增大[5]。总之从实验数据来看, 输入阻抗值在大概150 k Hz ~ 450 k Hz频率范围比较低。所以, 携带载波信号的发送装置要在此频段工作, 它必须具有很低的输出阻抗, 否则信号的传送是失败的。

5总结

本文分析了低压电力线的网络拓扑图, 结合实际指出低压电力线作为通信环境有很多技术难点, 通过理论知识给出了如何测量低压电力线网络的方案和耦合信号方案, 所测数据得到的结论是: 低压电力信道的输入阻抗和所传输的载波信号频率有关, 而且关系很大。此分析对低压电力线通信方案的设计有着一定的参考价值, 同时也为我们的低压电力信道建模打下了基础。

参考文献

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[3]吴宁.电网络分析与综合[M].北京:科学出版社, 2003.

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低压电力载波集抄系统探讨 篇5

1 几种常用通信方式对比

在当前的工作中, 主要采用以集抄系统为主的抄表方式, 这一方式中, 主要分为三层, 上层以及中层在通信传输的过程中并不会涉及较大的通讯量, 并且运用的技术也相对单一, 所包含的技术性属于基础的模式中, 技术中关键的环节在于要将众多的电表数据进行汇合再集中传输到集中器中, 因此, 相关的工作人员选取了几种不同的方式。

首先是无线的方式, 采用这一方式的主要原因是因为当前用户中所使用的电表占据极大的一部分, 而单独一户的用电量并不是很多, 如果采用无线传输的方式对用户的用电量进行统计, 一方面会导致电力企业在成本的投入方面与其他的方式相比投入量更大, 但是效果并没有与投入量成正比, 这是一种并不经济的方式, 因此在当前我国电力用户中, 使用这一方式的客户并不多。

其次是串行通信总线的方式, 就当前的情况而言, 采用RS-485总线的应用量较为广泛, 并且这一方式与无线方式相比较, 科技含量大, 与传统的电力传输频率相比较, 更加具有一定的优势, 可以满足用户用电的需求, 在这种情况下, 其也具有一些不成熟的缺陷, 例如在数量使用以及分布上, 使用人数较多, 这就为施工带来了一定的难度, 需要在施工时事先准备多个采集终端, 采集终端的作用就是为了满足用户数量大的特点, 并且在维护方式上也相当具有困难, 一般情况下, 难以找到故障点, 因而也就造成整个电网无法正常使用, 在这种情况下, 要想有效的维护电力事业的发展, 就要对RS-485总线的使用情况进行有效的管理, 在小范围内进行使用可以满足电力发展的要求。

最后, 采用低压电力线载波的方式也是本文中要重点推广的一种技术, 该方式的运用主要是依靠当前现有的低压电力线为基础的, 将其作为一种通信的方式进行进一步的处理, 并且该方式所具有优势是上述两种方式所不具备的, 在具体使用的过程中, 并不需要耗费大量的时间, 工程量也相对较小, 在维护方面也可以更加高效快捷的完成工作中的要求, 相对而言, 载波技术自身的缺陷也是较少的, 只是在衰减特性方面具有多变性的特点, 并且会在工作的过程中产生较强的干扰。

2 系统工作原理

下面就低压电力载波集抄系统的相关技术进行详细的探讨, 这一技术中主要运用到的工作原理是在安装时将电表的表尾进行处理, 以便其能够在采集电力数据的过程中通过计度脉冲的方式将数据进行收集, 并且在采集器中得到进一步的处理, 最后将处理完成的相关数据集中传输到集中器中, 集中器将各家各户的所有数据都有效的回收在一起, 以实现信息的有效采集。

集中器的安装也是具有一定要求的, 集中器主要安装在配电房中, 进一步对电表数据进行收集, 将集中起来的数据进行进一步的分析后, 再利用抄表软件对电费的使用情况进行计算, 整个过程中可以说完全是自动化的, 因此降低了人工方面的成本, 并且在整体的准确性上也具有显著的效果, 降低了失误率。同时为了将成功率得到进一步的提升, 在室外的配电柜中还要安装一个集中器, 这样就可以有效的提升信息的传输质量, 使得用电信息可以更加安全的传输到集中器中, 系统便可以对数据进行更加准确的计算。在这一过程中, 抄表软件的作用也是十分重要的, 工作人员不应该仅仅将重点集中在集中器上, 抄表软件的应用在这一过程中起到承上启下的作用, 在完成整个小区的数据集中后, 只有通过抄表软件才能将最终的数据通过相应的计算得以显现。

3 系统特点

整个集抄系统在运行的过程中具有显著的效果, 并且在应用的过程中, 其作用也不断的展现出来, 例如在维护的方面, 以传统的方式相比较, 集抄系统并不需要过多的维护, 只是在网络更换的过程中需要重新设置相关的参数, 并不会对现场的其他硬件与参数造成影响, 维护的时间也较短, 仅几分钟的时间就实现了维护的作用, 由此可见, 这一系统的应用具有先进性的功能。另外, 集抄系统为了满足广大用户的使用需求, 需要经常进行系统的升级, 以满足现代社会发展的需要, 传统的系统如果想要升级, 往往会影响用户正常使用电网, 因此为生活与生产带来一定的隐患, 而集抄系统在这一方面做出了极大的改良, 系统升级所用的时间得到大大的缩短, 但是非网络型的集抄系统不包含在内, 这种类型的系统要想进行升级, 唯一的方法就是重新对硬件进行修改。除此之外, 集抄系统还具有实时采集的作用, 并且在远程的环境中就能得到更加有效的管理, 希望在今后的发展中, 这一系统可以有效的提高电费结算的效率。

4 效益分析

采用低压电力载波的集抄系统无论是在经济效益上还是在社会收益上都具有显著的效果。从经济效益上进行分析, 在采用集抄系统后, 线路的损坏率具有了明显下降的趋势, 同时窃电的情况也明显减少了, 这对于电力系统的发展以及电费的收缴工作都带来了极大的便利, 因此工作人员也就不必再次担心经济效益的问题了。陈旧的人工抄表方式不仅影响工作效率, 同时在成本方面还始终得不到有效的缓解, 因此在实际的工作中, 在居民区中实行集中抄表的系统, 有效的节省了管理成本, 这是一笔不小的开支, 对于在电力事业中发展节约型模式具有重要的意义。与此同时, 更为重要的是在工作效率方面, 通过对这一系统的应用, 不仅为工作人员的工作减轻了负担, 对于用户来说也带来了极大的便利, 可以说是一举两得的重要方式。

5 结论

通过载波集中抄表方式, 用电管理部门可及时、准确地得到各基层供电部门用电数据, 避免了各基层供电部门人工报送从局部利益出发的情况, 有利于对其进行科学考核。集中抄表系统与银行联网以后, 用户可选择在自己方便的时候预交电费, 便于个人时间安排, 最大限度地方便了用户。因此在今后的工作中应该得到广泛的应用。

摘要：在电力事业发展的过程中, 抄表系统的更新换代有助于用户与供电公司之间形成更加良好的沟通, 有效的促进电费的回收, 因此, 要不断创新抄表系统中的相关技术, 以实现我国电力事业的发展。当前, 低压载波远程的相关技术是一项应用面较广的技术, 这项技术属于集微电子领域中的内容, 这是一项集合性的综合技术, 通过对这一技术的应用, 可以有效的实现自动化的电子抄表的应用, 达到高标准、高要求的发展目标, 在今后的工作中应该加以广泛的推广。

关键词：低压电力载波,集中抄表,采集终端

参考文献

[1]胡瑞.基于ST7538的电力线载波通信接口的设计[J].科技信息, 2009 (05) .

[2]黄馨逸.低压载波集抄技术突破研究[J].电源技术应用, 2013 (09) .

低压电力线载波传输信道分析 篇6

由于电力线机械强度高、可靠性好, 不需线路的基础建设投资和日常的维护费用。因此PLC具有较高的经济性和可靠性, 在各方面都发挥了重要作用。使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介, 信息具有传输稳定可靠、路由合理、可同时复用原动信号等特点, 是唯一不需要线路投资的通信方式。

通常又把电力线分为35KV及以上电压等级、10KV电压等级的中压电力线和380V/220V低压电力线。我们这里就针对最为普及的低压电力线进行分析。

低压电力线是为传输50Hz的工频电能而铺设的, 本身并不是一种理想的通信介质, 但随着电力线载波通信技术的不断进步, 特别是调制技术及微电子技术的发展, 使得PLC的实用成为可能。而且电力线所传输的交流电只占用了50HZ的频率, 因此, 电力线中还有很宽的频率可以利用。充分利用电力线的高频段资源, 将其作为通信信道来传输数据、图像等信息, 将无处不在的电网进一步发展成为数据通信网, 可以避免重复铺设通信信道, 从而大大节约成本。电力线载波通信技术的关键在于设计合理的载波接口电路和采用适宜的通信机制, 从而尽可能的克服电力线的强衰减、强干扰, 大大提高通信系统得生存能力。

不管是哪种电力网, 要在电力线上实现通信都会遇到两个问题:一是噪声干扰, 二是信号衰减。

1、噪声干扰主要是随机噪声和脉动噪声干扰。

随机噪声又称电晕噪声, 是由电力线的高压强电场使得周围空气产生游离放电的电晕所引起的, 还有绝缘子表面及其内部的局部放电也会引起随机噪声。它具有连续而均匀的频谱, 大小与电力线路的电压、电力线的粗细以及电力线周围的环境有关。电压越高, 电力线越细, 随机噪声越大;环境湿度越大, 随机噪声也越大。随机噪声主要存在于高、中电网中, 对低压电网影响不大。脉冲噪声主要是由输电线路上的高压设备动作、避雷器放电、线路短路以及雷电等原因引起的瞬时性干扰, 三种电网中都存在。

2、信号衰减一般来说, 信号的衰减随着传输距离的增减而增减。

在高压电网中, 信号沿电力线传输时还会受到天气条件的影响。在天气寒冷的地区, 高压电力线表面上覆盖的霜雪将使电力线对传输信号的衰减而显著增加, 而且这种衰减随着信号频率的升高而在增加。但对于低压用户线路, 如果绝缘良好, 雨、雾、温度和湿度的变化对电力线路的衰减没有显著的影响。

在低压电网中, 电力线直接面向用户, 负荷情况较复杂, 因此低压PLC的噪声干扰和信号衰减情况就更为复杂。由于用户负荷的接入和切除的随机性, 干扰的周期、宽度、强度和发生时间等都不固定, 很难预测。这样要在低压电网上采取针对性的措施抑制干扰很困难, 而且这种干扰的宽频谱也对接收端滤波器的性能提出了很高的要求。

输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。研究输入阻抗, 对于提高发送机的效率, 增加网络的输入功率有重大意义。在理想情况下, 当没有负载时, 电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响, 输入阻抗会随着频率的增大而减小。当电力线上有负载时, 所有频率的输入阻抗都会减小。但是, 由于负载类型的不同, 使不同频率的阻抗变化也不同, 所以实际情况非常复杂, 甚至使输入阻抗的变化不可预测。

对高频信号而言, 低压电力线是一根非均匀分布的传输线, 各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机的连接或断开。因此, 高频信号在低压电力线上传输必然存在衰减。显然, 这种衰减与通信距离、信号频率等有密切关系。

通过实验我们发现, 在同一地点, 白天和晚上的衰减曲线有很大区别。晚间同相传输的衰减基本上要比白天小, 甚至要小20d B, 主要是因为晚上的负载较轻。在跨相传输中, 衰减的波动比较大, 在某些频率的衰减比白天还要大20Db, 这可能是电抗性负载、反射、多径传播或驻波等现象造成的影响。

总结起来高频信号在低压电力线上传播有以下3个特点:1、电力线衰减都在20db以上;2、衰减随频率升高而增加;3、由于负载对电力线呈现不同的性质, 可能在某些频率处衰减很大。其中频率小于100k HZ时衰减最大, 大于500k HZ以后衰减开始增大, 100-400k HZ略好一些。

为保证在电力线是上进行数据通信的可靠性, 必须提出如下一些限制条件。信号的传输距离不能太远 (一般不超过1000m) 最佳的传输信号频率范围为100-450k HZ, 信号传输速率应小于1.5kb/s, 电力线载波传输信号限于同一变压器范围内。目前, 低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术的方向发展, 用以克服电力通道特性的不理想。

摘要：电力线载波通信 (Power Line Communication, PLC) 是利用高压电力线输电线路作为信号传播媒介, 使用载波方式进行语言或数据传播的一种特殊通信方式。PLC具有较高的经济性和可靠性, 在各方面都发挥了重要作用。电力线直接面向用户, 负荷情况复杂, 因此低压PLC的噪声干扰和信号衰减情况更复杂。其干扰的周期、宽度、强度和发生时间等都不固定, 很难预测。设计PLC设备时就要求它具有很好的自适应能力, 以便在实际低压电力网上有较好的通信质量。

关键词：电力线,载波通信,抗干扰

参考文献

[1]张士文、韩正之:《线性调频技术在电力系统中的应用》, 《无线电工程》, 2001, (2) ;49—51。

[2]张明新、马宏锋:《低压电力线载波通信中信号传输特性的研究》, 《测控技术》, 2001, 20 (10) 。

[3]常迥:《无线电信号与线路原理》, 高等教育出版社, 1965年。

低压电力载波阻抗 篇7

本文结合电力企业在抄表管理与服务方面的问题及需求, 介绍了L o n W o r k s现场总线技术、双频传输的新型低压电力载波集中抄表系统的结构和特点等, 并针对以往使用中所出现的问题提出了解决方案。

1.新型低压电力载波集中抄表系统

1.1总体布局

新型低压电力载波集中抄表系统采用美国Echelon公司的LonWorks现场总线技术、以Echelon公司的神经元微处理器P L 3 1 5 0芯片为核心开发的智能型分布式监控网络产品。系统主要由集中器、三相电子式多费率载波电能表、单相电子式多功能载波电能表、主站管理系统四部分组成, 如图1所示。

集中器上行信道采用公用电话网 (或者G P R S、无线) , 下行信道采用低压电力线;集中器可实时采集1000块电能表数据, 同时可记录电能表运行状况;还可根据要求通过低压电力线采集用户电能表数据;主站管理系统通过公用电话网 (或者G P R S/无线) 抄收集中器存储用户电能表数据或直接抄读用户电能表数据, 实现抄表。

集中抄表系统主站管理系统采用基于W i n d o w s平台的高级语言开发, 管理软件在功能上分为四大模块:数据管理模块、操作模块、数据处理模块和在线帮助。数据管理模块的功能是对使用的数据库进行维护;它主要由编辑台区表数据、编辑用户信息、数据导入、数据导出、掌上机接口、系统安全设置组成;操作模块的主要功能是主站对远端集中器发送各种操作指令, 传送数据和接收集中器的抄表数据, 主要由串口通讯设置、时钟校对、抄表时段和表号操作、系统状态和参数设置、抄表、安全验证组成;数据分析与处理模块是对抄收回来的数据进行数据查询、分析、计算、形成报表及生成电量分析曲线图, 在线帮助功能可在线指导用户进行操作。

1.2系统结构概述

1.2.1集中器

集中器主要由电源 (三相供电) 、时钟、数据显示、存储、数据处理、通讯接口 (电力线载波、RS485、RS232、调制解调器) 等单元组成, 分别实现信号耦合、用户数据接收和处理、接收主站命令及通过低压电力线控制载波表工作。考虑到布线及电磁兼容, 电源部分将采用单独一块线路板, 使用A C/D C电源模块;时钟部分采用时钟芯片加后备电池方式;存储部分采用d5铁电存储器, 以确保数据存储安全可靠;数据处理部分采用C51 (W77W516B) 系列芯片;另外, PL3150本身内置电力线收发器具有双频载波、B P S K调制等特性, 再稍加一点外围电路, 即可保证电力线通讯的可靠性。

1.2.2单相电子式多功能载波电能表和三相电子式多费率载波电能表

电能表主要包括电源、计量、数据处理、数据存储、数据显示、通讯接口部分 (包括电力线载波、红外接口) 等, 分别实现用户电能计量、显示、数据采集、处理、接收集中器命令等功能。单相电子式多功能载波电能表电源部分 (单相供电) 、存储部分和时钟采用的器件与集中器相同;另外, 电力线数据处理部分也和集中器相同;显示部分采用L C D显示;计量部分采用A D E 7 7 5 3计量芯片, 通过S P 1口与M C U完成数据交换;数据处理及控制部分采用瑞萨的单片机H 8/3 6 9 4 F;三相电子式多费率载波电能表为了方便生产, 电源、时钟和存储部分及载波通讯方面与集中器相同。而计量部分则采用ATT7026计量芯片。

1.3主要工作原理

主站管理系统通过电话网 (G P R S/无线) 对集中器发送命令, 集中器接收到主站管理系统命令后, 对命令进行分析, 并做相应处理:集中器将数据命令通过C P U耦合到电力线上, 载波电能表将数据命令从电力线上提取出来并进行相关处理, 根据命令做相应动作, 然后相应数据通过PL3150芯片内置电力线收发器耦合到电力线上;集中器将载波表返回的数据进行解析、处理, 并将处理后的数据通过电话网 (GPRS/无线) 送回主站管理系统。

集中器原理框图如图2所示, 集中器具有两个核心芯片PL3150和MCU, 其中MCU负责数据处理, PL3150负责通过电力线收发器和外部通讯, 从电力线上接收数据信息, 交给M C U处理, 然后把处理好的数据信息耦合到电力线上去。M C U从双口R P M读取数据信息、处理数据, 根据要求把处理好的数据信息分别送到铁电、双口RAM、显示LED、RS232等。集中器还要增加红外传输功能:当供电部门现场查询用户用电信息时, 红外通讯将是非常方便的。

单/三相载波电能表原理框图如图3所示, 采用一片P L 3 1 5 0和一片M C U负责载波电能表的通讯 (R S 4 8 5、红外等) 和数据处理的任务;PL3150负责电力线载波方面, 将从M C U接收到命令来做相应处理, 并将处理结果通过电力线收发器耦合到电力线发给集中器;另外采用一片计量芯片ADE7753 (单相) /ATT7026 (三相) 负责电能计量方面, 通过S P L口与M C U通讯。

2.新型低压电力载波集中抄表系统的特点

与国内外同类产品水平分析比较, 新型低压电力载波集中抄表系统具有以下特点:

(1) 系统采用LonWorks现场总线技术, 与国内常见的基于软扩频技术的低压电力线通信系统相比, 基于LonWorks技术的载波通讯采用双频载波, 前向纠错等技术, 配合强大的输出放大器, 能有效抵制低压电网普遍存在的马达、开关电源及家用电器等失真源的干扰;先进的双频载波技术, 在其主要通讯频率受到噪声阻塞后, 自动选择另一频率进行传输, 有效的避免了低压电网随机产生的噪声干扰, 从而提高了系统的抄表成功率, 满足了家居自动化对通信可靠性的苛刻要求;系统电力线传输速率为5 k b p s, 相对国内其他系统3 0 0 b p s左右的通讯速率, 本系统的通讯效率更高, 实时性能更好, 更能满足家居自动化对通讯速度的要求。

(2) 系统将基于LonWorks技术的智能电力线收发器嵌入系统的底层设备——载波电能表中, 可将载波电能表作为未来家居自动化的主要终端设备以“无缝”接入流行的LonWorks家居及楼宇网络, 通过路由器, 可连接INTERNET网络, 真正实现家居智能化。

(3) 先进的自安装功能。现国内常见的安装方式是将集中器和载波电能表安装后, 通过主站管理系统, 手动输入数据 (如载波电能表表号) , 然后不载到集中器和主站管理系统数据库中, 从而构建一个系统;而本系统在安装完成集中器和载波电能表通电后, 载波表和集中器能自动建立连接, 避免了因为人工手动输入可能造成的失误, 更能提高工作效率。当载波电能表由于各种原因不能正常工作, 只要将故障表换下, 换上正常的载波电能表即可, 无需改动现有整个系统, 真正实现了即插即用功能。

(4) 更好的兼容性。相比国内现有的低压电力载波集中抄表系统, 本系统兼容性更好, 它除了能满足国各种标准外, 还符合欧洲C L C E N 5 0 0 6 5-1《低压电力低压配电网信号传输规范》、美国FCC15.107规范和ANSI/EIA709.2《控制网络电力线信道规范》的要求。

3.集中抄表系统建设的难点和解决方法

集中抄表系统主要技术难点在于如何保证电力线载波通讯的可靠性。低压电力网组网复杂, 阻抗变化大, 线路衰减等特点影响电力线载波传输信号的可靠性, 我们采用的E c helon公司的神经元芯片PL3150就能较好的解决这一问题。其内置电力线收发器运用的是一种基于D S R 9 (数字信号处理) 为基础的5 k b p s B P S K, B P S K是二进制移相键控法, 是指用载波不同的相位直接来表示相应的数字信号的移相键控。

以DSP (数字信号处理) 为基础的5kbpsBPSK技术具有以下优点:多元门的数据相关器, 在噪波干扰的情况下, 能够保全信号;消除脉冲噪波;自行失真校正;错误校正。电力线收发器是将待传送的信息数据以某一相位为基准进行移相键控调制, 调制手再耦合到电力线上传输;接收端也采用相同的固定相位基准进行解调及相关处理, 恢复原始数据。另外, 电力线收发器具有双频载波模式, 它可以两个频带内进行通讯, 一旦它的主要通讯频率受到噪声阻塞后, 它会自动选择另一个频率进行信号传输。

发送端:数字信号从MCU送到3150, 接着PL3150通过自带的电力线收发器将接收的信号进行二进制相移键控调制 (B P S K) , 然后将调制后的二进相移键控信号通过专用耦合器耦合到电力线上。

接收端:PL3150自带的电力线收发器将从电力线耦合过来的信号解调、还原, 然后由PL3150发送到MCU。这样, 就保证了电力线载波的可靠性。

在L o n W orks网络上, 针对有两个以上节点同时向集中器发送信息时出现L o n o r k s网络堵塞的问题, 可以在L o n W o r k s网络程序处理方面采用最小发送时间和最大发送时间等一系列竞争机制来保证L o n W o r k s网络的实时性。

4.结束语

新型低压电力线载波集中抄表系统具有自动抄表、用电检测、防窃电等功能, 同时可以作为智能系统之一“无缝“接入基于LonWorks现场总线标准的“家居及楼宇自动化”网络。这为电力部门提高用电管理水平、服务水平和企业形象作出贡献。同时随着电力系统集中抄表系统的推广和深入, 新型低压电力线载波集中抄表系统将凭借其良好的性能受到电力用户的认可, 拥有广阔的市场, 创造良好的经济效益。

摘要：针对我国目前电力集中抄表系统的不足, 以美国Echelo公司的LonWorks现场总线技术为参照, 设计出一种符合我国低压电力线信道传输特性的新型低压电力载波集中抄表系统, 该系统是以PL3150芯片为核心开发的智能型分布式监控网络产品, 系统包括主站管理软件、集中器和单相电子式载波多功能电能表和三相电子式载波多费率电能表, 具有低成本、高可靠性的特点。

低压电力载波阻抗 篇8

关键词：OFDM,电力线阻抗,高频通信,阻抗匹配

低压电力线载波通信(Low-voltage Power Line Carrier Communication)是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式,它建立在电力配电网基础上,其主要优点是不需要专门铺设线路,节省资源,网络覆盖面大,便于通信终端的建立和移动[1]。电力线的这些优势早已引起了人们的重视,受到越来越多的研究者的关注。尤其是将OFDM调制方式应用到电力线通信中,更是为电力线高速通信提供了有力的支持[2]。然而,利用电力线通信并非易事。因为电力线最初并不是为通信而铺设并且组网复杂,其线路上的高电压,大电流,大噪音及其复杂变化的负载,使得电力线阻抗随机变化,高频通信下变化剧烈。这些特点给实现可靠高速的低压电力线高频通信造成了很大的困难。

由于构成配电网的导体是多种多样的,因此会遇到许多不同的特性阻抗。加上低压电力线对用户的开放性,每个用户可在任意时间开闭用电器,而且消费者负荷方式和类型各不相同。因此网络终端阻抗随时间而发生很大变化,导致发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗均难以匹配,甚至在某些频率上形成深衰落。为了解决这个问题,探索设计了一种阻抗匹配系统对电力线实时测量并补偿,同时选择适当的变压器变比使得通信中的电力线阻抗维持在一恒定值上。

1 阻抗特性分析及匹配模型

1.1 低压电力线高频通信下的阻抗特性

大量研究测试表明,低压电力线上的输入阻抗与所传输的频率密切相关,并且具有较强的时变性和差异性,在不同的时段不同的地点阻抗的变化明显。此外随着电网负载的变化,输入阻抗也会发生较为激烈的变化。图1是0.02~30MHz频段下在不同时间测量的电力线阻抗[2]。

可以看出,在100k Hz以下频段,输入阻抗值较低,1~30MHz的频率范围,阻抗变化幅度很大,阻抗值在5~500Ω的范围内变化。总体上看,阻抗随着频率的增加而增加[4]。但是在频率的变化过程中会出现阻抗低谷区,呈现剧烈变化的波动现象。这是由于电力线负载及电力线本身组合成许多谐振回路,在谐振频率及其附近频点上形成低阻抗区,从而造成了在局部频率段内阻抗随着频率增加而减小的现象。

1.2 自适应阻抗匹配原理

针对电力线上阻抗实时变化的特点,专门加入了对应的实时匹配系统(如图2所示)。包括3个模块:测量模块、计算控制模块、匹配模块。整个系统的工作模式是“测量—计算控制—匹配”。即测量模块先采集电力线上阻抗数据并送给计算模块,计算控制模块计算结果后将像样的控制信息送给匹配模块,有匹配模块完成最后的阻抗补偿。

1.3 测量阻抗算法

电力线阻抗分为电阻和电抗两部分,即:Z=R0+j X

在较短时间内电力线阻抗基本上是线性的,设:

其中V1、V2分别是信号源和分压信号的幅度,φ1、φ2分别是信号的相位,而A1、A2分别是为采样加入的偏置直流电压。采样后得到:

上述序列中各项分别与序列(i=1,2…N)相乘然后求和得到[3]:

则:

由上式可得:

该算法的优点:

(1)能在采样点比较少的情况下提取幅度和相位信息;

(2)对干扰信号有很好的抑制作用,精度比较高;

(3)算法没有出现输入信号的频率信息,只需保证在一个周期内采整数个点即可。

1.4 计算控制模块

本方案采用的计算控制部分为高性能、低功耗的8位ATmega163单片机,ATmega163是一个功能强大的单片机[5],16K的可编程Flash且有同时读写的能力,512字节EEP-ROM,驱动程序可直接从仿真器下载进入单片机中,无需烧制,能够较好的满足本课题的基本要求。

1.5 匹配模块

由于电力线的阻抗的复杂性,容性阻抗和感性阻抗都有可能出现。现分别选用8组电感和8组电容补偿相应的电抗使其稳定。电抗匹配通过开关电路控制继电器的开闭来实现。继电器采用NAi S/DSP1-DC5V,该继电器具有封装小,容量大,灵敏度高,耐压高等优点,适用于测试电路及自动化控制电路。能够较好的满足本系统的基本要求。功放电路选择可直接驱动继电器的达林顿三极管集成芯片ULN2823A,其典型的输入电压是5V。

2 阻抗测量与匹配

2.1 阻抗测量结果:

为了检验阻抗测量的精度和系统有效性,在实验室采用8组已知电阻和电容串联替代变化的配电网阻抗值。测试信号的频率选用OFDM通信频率的中间值(f=10MHz)。8组电阻和电容值分别用Hp4193和本系统进行测量。

用本系统重复测量三次,从表1可以看出该系统测量的数据具有重复性和可再现性。系统测量误差有一些波动,但基本都在9.2%以下(除50Ω外)。说明该系统测量结果较为准确。

2.2 阻抗匹配结果:

采用上述8组阻容搭配模拟配电网阻抗值,在实验室条件下检验该系统匹配结果如表2:

从表2中可以看出,经本系统补偿后的电抗值基本稳定在较小的范围内。

3 结论

本文对低压电力线高频通信下阻抗进行了分析,并在次基础上提出了一种自动阻抗匹配系统的设计模型。实现了阻抗测量部分、计算控制部分、电抗补偿部分和电阻变换部分等关键技术。该系统能够较为准确地测量模拟的配电网阻抗,并且经试验加入补偿电感或电容的方法是可行的。因此,该系统能够很好地解决OFDM调制方式下电力线高频通信中阻抗时变性引起的的有关问题。

参考文献

[1]程鹏志,佘京兆.电力线载波通信中的自适应阻抗匹配系统模型[J].华北电力技术,2006(8):12-15.

[2]J.R.Nicholson,J.R.Malack.RF Impedance of powerlines and line impedance stabilization in conducted interference measurements[J].IEEE Trans on EMC,1973,15:84-86.

[3]张旭辉,张礼勇,杜中良等.自适应低压电力载波技术[J].电测与仪表,2003(4).

[4]Byron Gary,Robert Nelson.Effect of Impedance and Frequency Variation on Inser-tion Loss for a Typical Power Line Filter[Z].IEEE,1998:691-695.

[5]张立建,王伟杰.基于阻抗匹配的电力线载波通信结合滤波器的研制[Z].哈尔滨工业大学,2007,7:37-39.

[6]Marubayashi Gen.Noise Measurements of the Residential Power Line.In:Proceedings of1997International Symposium on Power Line Com-munications Essen,1997:104-108.

[7]董艳阳.自动阻抗测量仪工作原理及阻抗测试方法[J].现代电子技术,2002,5:24-26.