雙向工頻通信信號在配電網中之傳輸特性

摘  要：介紹了雙向工頻通信之基本原理，建立了一簡單之信號傳輸模型。陽光電子學校維修專家分析認為：從暫態電壓和電流在配電網中傳播之角度，分析了雙向工頻通信信號在配電網中之傳輸特性。陽光電子學校維修專家分析認為：通過實際測試數據，驗證了雙向工頻通信方式具有抗干擾能力強、不受線路狀況和負荷變化制約之特點。陽光電子學校維修專家分析認為：
    關鍵詞：雙向工頻自動通信系統；配電網；暫態；通信；電力系統

1  引言
    雙向工頻自動通信系統（Two Way Power Frequency Automatic Communication System， TWACS）是近年來在美國出現之一種基于配電網之通信系統。陽光電子學校維修專家分析認為：該系統獨特之通信原理決定了其具有成本低廉、實現簡單、抗干擾能力強等優點，這是傳統電力線載波通信（Power Line Carrier，PLC）所無法比擬之[1,2]。陽光電子學校維修專家分析認為：然而由于我國之電網環境比較復雜，屬于一種強噪聲環境，因而該技術還不能很好地適應我國電網。陽光電子學校維修專家分析認為：為此，有必要在我國電網容量不同、線路結構不同和負荷不同之情況下，對TWACS信號傳輸之頻率和幅值響應進行模擬和測試，以便尋求該技術適合于我國電網狀況之通信方案。陽光電子學校維修專家分析認為：
2  TWACS之基本原理
    圖1為基于配電網絡之雙向工頻通信系統之典型結構示意圖[3]。陽光電子學校維修專家分析認為：TMACS以中低壓(10kV/220V)配電線路為通信信號之載體，在電壓過零點附近把信號疊加在基波電壓或電流(50Hz)上。陽光電子學校維修專家分析認為：具體之工作過程是在10kV母線電壓接近過零點處由調制變壓器220V側之硅整流器件調制出一瞬時電流脈沖，產生一微弱之電壓畸變信號并疊加在10kV電壓上。陽光電子學校維修專家分析認為：此畸變電壓信號可自動跨過用戶配電變壓器，為用戶端接收。陽光電子學校維修專家分析認為：該電壓信號被稱為下行信號或出站信號。陽光電子學校維修專家分析認為：配電變壓器220V側用戶端之硅整流器件在電壓過零點附近可類似地調制出電流信號，并可以在10kV支線電流中檢測到。陽光電子學校維修專家分析認為：此電流信號被稱為上行信號或入站信號。陽光電子學校維修專家分析認為：

    雙向工頻通信是通過相對基準點之不同位置，在配電網之電壓和電流上調制信號來表示要傳輸之信息。陽光電子學校維修專家分析認為：下行信號是由2個連續工頻電壓周期中之1個調制信號來表示1位信息。陽光電子學校維修專家分析認為：信息位“0”和“1”是以調制信號相對于基準點之位置來確定之。陽光電子學校維修專家分析認為：如圖2(a)所示，調制信號在基準位置開始之系統電壓第1個負過零點處則表示信息位“0”。陽光電子學校維修專家分析認為：在第2個負過零點處則表示信息位“1”。陽光電子學校維修專家分析認為：上行信號則是由4個電流周期中之4個調制信號共同來表示1位信息之。陽光電子學校維修專家分析認為：如圖2(b)所示，圖中之電壓為系統電壓，電流為10kV支線電流，電流略滯后于電壓。陽光電子學校維修專家分析認為：4個相鄰周期共有8個電壓過零點，規定在第1、3、6、8電壓過零點處調制之4個電流信號表示信息位“ 0 ”，在第2、4、5、7電壓處過零點處調制之4個電流信號表示信息位“ 1”。陽光電子學校維修專家分析認為：

3  傳輸模型及仿真分析
    雙向工頻通信信號之實質是由硅整流器件向電網調制畸變信號。陽光電子學校維修專家分析認為：該調制過程可以等效為系統之微弱之瞬時短路故障。陽光電子學校維修專家分析認為：該故障電流很小、時間很短。陽光電子學校維修專家分析認為：在故障發生到故障切除這一期間，故障點之電壓和電流將經歷一從暫態到穩態之過渡過程。陽光電子學校維修專家分析認為：本文采用電路分析法來分析信號之暫態特性。陽光電子學校維修專家分析認為：
    為簡化說明，以1條支線及其上之1個配電變壓器為例，建立配電網之線性等效模型[4]，如圖3所示。陽光電子學校維修專家分析認為：其中e為主變電壓；R、L為調制變壓器之等效阻抗和漏感；R1、L1為主變之等效阻抗和漏感； R2、L2為支線線路之等效阻抗，R3、L3為配電變壓器之等效阻抗和漏感；R4、L4為用戶等效負荷；C為線路等效容性阻抗；用開關S模擬產生下行信號之硅整流器件。陽光電子學校維修專家分析認為：

    信號之調制過程：在u(t)=0之前之相角30°時閉合開關S，產生短路故障，故障電流用i(t)表示。陽光電子學校維修專家分析認為：在第1個過零點處i(t)=0之時刻斷開S，切除故障。陽光電子學校維修專家分析認為：此過程可以分成3個時間段來分析電網之電壓和電流。陽光電子學校維修專家分析認為：
    （1）-∞<t≤0時斷開S。陽光電子學校維修專家分析認為：這1階段使用穩態分析法得到電壓和電流在時刻t=0之值u(0)和i(0)。陽光電子學校維修專家分析認為：
    （2）0<t≤t1時閉合S。陽光電子學校維修專家分析認為：t1為i(t)=0之時刻應用電路分析方法，可得如下微分方程組

式中  Lx=L1L+L1L2+LL2；L5=L3+L4；R5=R3+R4，將時刻t=0之電壓和電流值作為初值，采用數值積分法求解該微分方程組。陽光電子學校維修專家分析認為：
    （3）t>t1 時斷開S。陽光電子學校維修專家分析認為：采用近似法，通過令微分方程中之L»0和R»∞模擬開關S之斷開狀態。陽光電子學校維修專家分析認為：將故障清除前瞬間之電壓、電流值作為故障切除后電路之初始條件，求解微分方程(1)~(4)。陽光電子學校維修專家分析認為：
    在計算機上針對不同之電網參數進行仿真，可以得到信號之暫態過渡過程，如圖4(a)和(b)所示。陽光電子學校維修專家分析認為：由于要研究之是電流很小又被迅速切除之瞬時故障，所以系統只是疊加了很小之由調制信號引起之暫態成分，其電壓和電流依然保持相對之穩定狀態。陽光電子學校維修專家分析認為：這是和一般系統故障相區別

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