基于信道传输的配电网阻抗模型综述

基于信道传输的配电网阻抗模型综述

0国内外研究现状电子束载波通信是通过电子束信息传输手段实现声音或数据传输的通信方式。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10kV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和家居自动化系统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工频信号下的配电线路特性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变压器高频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1MHz以下的信号有效。文献提出了更精确的能够适应更宽频率范围(几Hz~10MHz)的中频模型和高频模型。在信号频率低于1MHz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1MHz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计算综合负荷的等效模型用户负荷大致可分为30多种,图5所示为10k~450kHz频段一些典型的居民家用电器设备的阻抗特性曲线。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。1.3.1电机暂态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电机等效模型多个文献[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~1MHz范围内的变化曲线。文献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一750W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。2信号输入阻抗特性在高频信号下,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。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。文献通过实测方法给出了10kV中压网络频率在40k~2MHz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。文献在信号频率更高时(2M~40MHz),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2k~2MHz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高频电容器串并联等效电路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电力电子技术设备在电力载波通信中的应用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高频负载模型材料研究在电力线载波通信中,建立信道传输模型的一个前提是获取网络组成元件的阻抗模型及其参数。本文对近期国内外相关研究成果进行了详细的