电力线载波通道的计算机辅助分析.pdf

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1、电力线载波通道的计算机辅助分析?!#%一&(&)+,?./?0%1)?%?2)+吴明德34)5(6水电部南京自动化研究所7提英利用数 字计算机甘电力线载 波通道进行分析,可以快速地 完成人工难以完成的复杂计算,从而实现讨通道的精确和全面的分析计算8本文论述了通 道的墓本分析方法,介绍了作者研制 的通用计算程序,并给出几个计算实例及其同已知结果的比较。&9:;#?)2)+)()#%?()丫%+?!#?)!%?5%(?+?!(,#2#2?%89(,?%+义!+?.?!#?)!%.?%(,#2!%?!?(!%?5%)%?!%(0#2#五?,?.?%5)?!)0+0#2%(?+8引吉目电力线载波通信的

2、应用大约始于 年代初,然而直到 年代中期,由于电力线载波通信的发展、数字计算机逐步地使用,才出现一种“模式分析法”,利用计算机进行辅助分析,快速地完成了人工难以完成的复杂计算,获得令人满意的结果8利用计算机进行全面和精确的分析计算,能够使通道得到最佳设计和运行8例如,计算通道在各种可能的藕合方式下传输特性,选择最佳藕合方案计算通道的全载频频段内的传输特性,安排合适的工作频率计算各种特殊情况6不 同的地 电阻率、线路结冰、故障等7下的传输特性,使通道的设计经济可靠等等。因此,计算机辅助分析是电力线载波通信中一种不可缺少的计算手段8本文以模式分析法为基础,提出了一个完整的通用计算程序8为了解决在计

3、算复杂结构线路的通道特性时出现的数值计算不稳定、计算精度损失严重等间题,程序中采用了一个新的算法8这个算法具有数值计算稳定、精度高和适应性强等优点,从而保证了程序不但能对实际存在的复杂线路6 例如,多次换位,故障线路等7进行计算,而且还能在超小型机和一些小型机上实现计算。计算结果与目前国外的类似程序和线路的实测结果相比,均符合得很好8二、电办线 的传输方程及其模式变换分析沿线路传输信号的电磁场,可以将电力线等效于多导体的传输线,利用传输线的分析方法,使原来场的问题转化为路的问题,给传输特性的分析计算带来方便。类似于二根导线的情况,在正弦信号时,以矩阵表示的多根导线电力线的传输方程为去?一去卜一

4、?67式中,?,电压和电流的)阶列阵,线路单位长度阻抗和导纳的6九的阶方阵,线路上任一点至某参考点6 7的距离8上式可写成典?,?典;叮67、88 厂式中,为传播矩阵,=为的转置矩阵6=、为对称阵78令?二?。代入67的第一式,得(,一,8,二,丽%,8卜”。,一“,67式中,6。)7 阶电压变换矩阵,?。阶模电压列矩阵,人一卫变换后的6。7阶传播矩阵8根据矩阵分析理论结果是非奇异矩阵,那么一定可以找到一个变换矩阵,使入一沈 为对角矩阵,并且入是唯一的入称为的特征值矩阵,为的特征向量矩 阵8在 多导体传输线理论 中,称这种变换为模式变换8类似地,令 甄,对方程 6 7的第二式进行变换得(%,一

5、,+8二入8式中,6,)7 阶电流变换矩阵,8。阶模电流列矩阵,入一%变换后的6,7阶传播矩阵。因为矩阵和了的特征值矩阵相同6=、是对称矩阵7,即人孟一#;一;,得67而人6丫7%8所以,一%6:7方程 67 经过模式变换变成67和67,将原来的根导线的传输线等效为含有,个独立的单根导线通道的传输线,每个通道都具有 自身的传播常数等参数,这样,求解就很容易了8它们的解为二“/6一7盆。/67石。,二/6一丫7奋。一/67二。式中,8,耽8线路始端,阶入射模电压和模电流的列矩阵,孟。,。线路始端)阶反射模电压和模电流的列矩阵,67丫6入7=6,司阶模电压或模电流传播常数的对角矩阵。与单根导线 的

6、情况类低,令模特性导纳 6或 阻抗7 矩阵,满足鑫二,奋二,显然,8是对角矩阵,代入67 式得678二。/6一丫7盖。/67二。,二。/6一丫7二,盖。一/6丫7二,二。67解出,和 甄,再反变换到相量电压和电流8另一方面,也可 以直接推出用相量电压 和电流表示的方程?:?/6一 7一吉一/6丫7一二/6一78。?吉一/67一二。式中,“,一至为6,7阶相量的特性阻抗矩阵。67模参数 6传播常数、电压、电流、阻抗等7有实在的物理意义,在实际线路上,也可以被测量到8因此,直接利用模式传输的概念,对 一些简单结构线路的传输特性进行分析,能够简化计算和深入地理解信号 的传输过程,三、线路基本参数电力

7、线等效为多导体的传输线,它的基本参数就是单位长度的阻抗矩阵=和导纳矩阵如方程6 7所示8通常,=和由下面一些参数组成,一一8一,一#7二,其中,导线内阻抗矩阵,=无损耗线路阻抗矩阵,无损耗线路导纳矩阵,=,大地影响校正 阻抗矩阵。它们都是,6导线数目7 阶的。此外,线路架设在户外,它们还要受到天气条件的影响。8导线内阻杭根据平面电磁 波传输的特性,良导体对电磁波所呈现的表面阻抗为8二了声。时其中,为信号角频率,卜为磁导率,。为 电导率8由于高频电流的趋肤效应,电磁波对导线的透入深度很小,导线的单位长度阻抗可以表 示为=一李了画份,67式中,。,。,气二盯二,、是导线半径,是导线的绞合系数6 考

8、虑到实际导 线是由多股线绞合制成的 7。如果再考虑多股线咬合的实际弧长,则仪6 7几策其中,和,盆 分别为导线的最外层子导线数目和半径。8无损耗线路阻抗和导纳利用镜象原理,由线路 儿何结构所决定的无损耗线路阻抗和 导纳矩阵为_。巨6 7_?兀。一,称线路几何结构矩阵8它的各元素为5,一几介5,一嵘丫67式中,、夕,),2和,分别为导线.的等效高度和等效半径,(,为导线同导线少 的距离,为导线同导线了的镜象线的距离88大地影响校正 阻抗假定大地是一个具有均匀导 电率且半无限的介质体,相对磁导率俘,忽略位移 电流,?%?)”推导出大地影响校正 阻抗为,一些丛生兀。?6一二7。丫_。卜。一。6二7。

9、67式中,、二,),卜。为磁导率,和万为第根导线的坐标,和如为第。根导线的坐标,为大地导 电率8对于大地的校正导纳,3。川曾推出一个计算公 式,不过,在载频范围内,这个校正导纳影响很小,可以不虑虑8吐8导线结冰时线路导纳导线上结冰时,由于冰层是损耗的介质,就会使通过导线的信号受到衰减8通常,不考虑冰层中的轴向电流,即线路阻抗矩阵=不变,仅对导纳矩阵进行修正。根据对冰作的物理实验,其有效介电常数。可表示为”?七二乙饭%一一+田乙 6:7式中,。,8:8:68?一“.7。=8?一.6+=8一一.7。,和都与频率有关8线路导纳被修正为二,6。一6会一7一6卜升76一几一7一“,式中,),#为冰层厚度

10、。对于各导线间的互导纳,由于线间距离比冰层厚度#大得多,可以不予修正。四8程序 简介与计 算结 果电力线作为载波通道,结构比较复杂,影+讨了 专 输特性的因素很多。例如,线路 上存在导线换位、分支线和故障等,有时在同一条线路上,各个均匀段之间的网络参数差异很大,常常会 出现数值计算不稳定、计算精度损失严重等问题,致使计算结果误差很大或不正确。要解决这个问题,一般必须利用高精度 6较大型7 的计算机和较好的算法。本程序采用了一个新的算法。这个算法的特点是,对于每个均匀段,根据线路两端的联接情况,先求出两端的入射波和反射波电压,再求出两端的相电压。与目前常 用 的&参数法、参数法或反射系数法相比,

11、这个算法的优点是隐式算法、参数矩阵中各元素绝对值相差不大,对非均匀点阻抗没有限制,能处理各种复杂线路。因而,它使数值计算稳定和精度高,程序适应性强,能够用超小型 机和一些小型机进行精确的计算。图程序总体框图表程序用;&语言编写,总体框图如图所示。利用这个程序在!二8吕、刀户长劫、路阻阵线性矩表公司计算结果8 88 8 88 88 曰88 88 8 88模参数模模“模“一86(9”76767,。8_+8。8一_+。8 。一_+8耗度衰抗速阻8 _8一。_8:8_8 8 _8 8 _8一8 _?。8 _?。8_88 _?。分阵8。8龟、产%卜左不%子几?电布?!#一%&()。?一%。?。)一?()

12、。?一%。?!一%()?一%?。)一?。()?一%。?!。#一%。&+、了拐长,、路阻线阵矩性表?晋京线衰耗计算一案.一/邵0 一1了一23一.一喇认口一!,0 一1碑一4口一0 一教3一5书.一61一23一.一教789:;?%)#!%公钾 才=曰 甘=,几工,口?内=勺曰扣勺舟七3乙=甘)%舀,目勺=,几,曰的?一甘几匕=?甘内七曰一吕才内舀 4 占,人=,自?。&!。)。(#。(?(,?吕6任盛哎66任的)曰6从=肠!?内=?八=甘,曰曲 6任八,二,人,二#。&)。勺滩#!#%,一=的口的一勺丹6:6马一匕即莎咒公它丫皿皿砷忍加召:口叮肠 ,:网公址衰耗曲 线计算结果一侧量结毕计井结见一

13、一小二 公图一乎牙线衰耗计势图平武线衰耗计算认、结束语在电力线级我通道的认、扒一讥辅 比分祈 研究方面,国外一些 国家已进行多午,并且获得了好的结呆8在我国,这项研究进 行脚时间不长,实际工作中,迫切地需要一个完整 的计算程序,来进行载波 通道的设 计和研究。本文提出了这样的程序8由于程序中采用了更有效的算法和一些其它措施,使得这价祖序讯 汁耳性能很好,能够满足 于实际 的需要,为工程服务。此外,程序能够在超小型机令叮一些小型机上实现计算,有利于普及便用。参考文献8之8?%?),3?/%?!5。?)?%2(3%?0#2%?)(?#%),9+,#8;288,?+。:,!8:一:3883/?#)#

14、?.丈)#.?%?“)(?#“%色?%#,9+,#8;+8万8,。立,?8,/!8:一了8883+?)#%)(+)(/?0%1)?%1?:?2%#%#+且+以()5#2.#?.+/%?8 8867周凝翠平武:千伏超 高压输电线路的高频参数,电力系统 自动化,88月 日8,翻8 目甲曰 阳曰8的8,88 侧88,自88翻阴,气8 曰到 勺,卜侧8 归,侧 侧8 8 门门,8 勺8阳侧,勺”目,8 8 曰曰曰,门 口甲8州勺、户,工少一?今翻了、4,22夕7上接第(%页;飞一玉二二二工幻工丝犷诬月二飞一注入电流为7计及式界的关系;!(,2一夸赘一号?,月犷丫?二梦迎艺刀飞二一犷,了!“4一!?一了,“!?一!?,一,万!二 一式中利用了自导 纳与互异纳的关系,二 一7:,十,;一 ;比较式7一!;与7一4;粼比较式 7一;与7三一!;,就不难看到网络化简与3二 消去取得完全相同的结果从而口二消去法成 为丹种等位方法中采用的基本算法。