双向工频通信信号在配电网中的传输特性

张世平，张绍卿，刘瑞叶

（哈尔滨工业大学电气工程学院，黑龙江省哈尔滨市150001）

摘要：介绍了双向工频通信的基本原理，建立了一简单的信号传输模型。从暂态电压和电流在配电网中传播的角度，分析了双向工频通信信号在配电网中的传输特性。通过实际测试数据，验证了双向工频通信方式具有抗干扰能力强、不受线路状况和负荷变化制约的特点。
关键词：双向工频自动通信系统；配电网；暂态；通信；电力系统
1引言
双向工频自动通信系统（TwoWayPowerFrequencyAutomaticCommunicationSystem，TWACS）是近年来在美国出现的一种基于配电网的通信系统。该系统独特的通信原理决定了其具有成本低廉、实现简单、抗干扰能力强等优点，这是传统电力线载波通信（PowerLineCarrier，PLC）所无法比拟的^[1,2]。然而由于我国的电网环境比较复杂，属于一种强噪声环境，因而该技术还不能很好地适应我国电网。为此，有必要在我国电网容量不同、线路结构不同和负荷不同的情况下，对TWACS信号传输的频率和幅值响应进行模拟和测试，以便寻求该技术适合于我国电网状况的通信方案。
2TWACS的基本原理
图1为基于配电网络的双向工频通信系统的典型结构示意图^[3]。TMACS以中低压(10kV/220V)配电线路为通信信号的载体，在电压过零点附近把信号叠加在基波电压或电流(50Hz)上。具体的工作过程是在10kV母线电压接近过零点处由调制变压器220V侧的硅整流器件调制出一瞬时电流脉冲，产生一微弱的电压畸变信号并叠加在10kV电压上。此畸变电压信号可自动跨过用户配电变压器，为用户端接收。该电压信号被称为下行信号或出站信号。配电变压器220V侧用户端的硅整流器件在电压过零点附近可类似地调制出电流信号，并可以在10kV支线电流中检测到。此电流信号被称为上行信号或入站信号。双向工频通信是通过相对基准点的不同位置，在配电网的电压和电流上调制信号来表示要传输的信息。下行信号是由2个连续工频电压周期中的1个调制信号来表示1位信息。信息位“0”和“1”是以调制信号相对于基准点的位置来确定的。如图2(a)所示，调制信号在基准位置开始的系统电压第1个负过零点处则表示信息位“0”。在第2个负过零点处则表示信息位“1”。上行信号则是由4个电流周期中的4个调制信号共同来表示1位信息的。如图2(b)所示，图中的电压为系统电压，电流为10kV支线电流，电流略滞后于电压。4个相邻周期共有8个电压过零点，规定在第1、3、6、8电压过零点处调制的4个电流信号表示信息位“0”，在第2、4、5、7电压处过零点处调制的4个电流信号表示信息位“1”。
3传输模型及仿真分析
双向工频通信信号的实质是由硅整流器件向电网调制畸变信号。该调制过程可以等效为系统的微弱的瞬时短路故障。该故障电流很小、时间很短。在故障发生到故障切除这一期间，故障点的电压和电流将经历一从暂态到稳态的过渡过程。本文采用电路分析法来分析信号的暂态特性。
为简化说明，以1条支线及其上的1个配电变压器为例，建立配电网的线性等效模型^[4]，如图3所示。其中e为主变电压；R、L为调制变压器的等效阻抗和漏感；R₁、L₁为主变的等效阻抗和漏感；R₂、L₂为支线线路的等效阻抗，R₃、L₃为配电变压器的等效阻抗和漏感；R₄、L₄为用户等效负荷；C为线路等效容性阻抗；用开关S模拟产生下行信号的硅整流器件。信号的调制过程：在u(t)=0之前的相角30°时闭合开关S，产生短路故障，故障电流用i(t)表示。在第1个过零点处i(t)=0的时刻断开S，切除故障。此过程可以分成3个时间段来分析电网的电压和电流。
（1）-∞<t≤0时断开S。这1阶段使用稳态分析法得到电压和电流在时刻t=0的值u(0)和i(0)。
（2）0<t≤t₁时闭合S。t₁为i(t)=0的时刻应用电路分析方法，可得如下微分方程组
式中L_x=L₁L L₁L₂ LL₂；L₅=L₃ L₄；R₅=R₃ R₄，将时刻t=0的电压和电流值作为初值，采用数值积分法求解该微分方程组。
（3）t>t₁时断开S。采用近似法，通过令微分方程中的L»0和R»∞模拟开关S的断开状态。将故障清除前瞬间的电压、电流值作为故障切除后电路的初始条件，求解微分方程(1)~(4)。
在计算机上针对不同的电网参数进行仿真，可以得到信号的暂态过渡过程，如图4(a)和(b)所示。由于要研究的是电流很小又被迅速切除的瞬时故障，所以系统只是叠加了很小的由调制信号引起的暂态成分，其电压和电流依然保持相对的稳定状态。这是和一般系统故障相区别的地方，所以图中只给出了电压和电流的暂态成分（为方便辨认将其幅值作了放大）。从仿真图可以看出，调制信号在时刻t₀到t₁期间在系统电流上叠加了一暂态信号，并在时刻t₁后出现振荡。暂态电流依次在传输线路中产生暂态电压降，并在配电网中其他节点产生暂态响应，响应的频率和幅值特性由配电网当时的参数决定。系统的暂态电压波形见图4中的du_C（幅值已放大）。
由仿真结果可以看出，调制信号在暂态过程中的振荡频率比较高，一般在200~600Hz之间，但持续时间不长，不会超过1个工频周期。又因幅值很小，所以对电网的电压和电流影响非常小。
4现场测试及分析
根据双向工频通信的特点，采用数字差分技术获取实际的暂态成分^[5]。
以下行信号为例说明暂态成分的获取。如图5所示，信号存在于2个相邻周期的工频电压中，将第1个电压负过零点处前后30^º之间的采样值记为A(t₁)、A(t₂)、…、A[1][2]下一页