基于電氣參數的電路仿真模型研究

張秀秀

（長治學院電子信息與物理系，山西長治046011）

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基于電氣參數的電路仿真模型研究

張秀秀

（長治學院電子信息與物理系，山西長治046011）

低壓電力線路遍及范圍廣，以它作為通信信道經濟實用，但缺點是載波頻率高，信號衰減嚴重。文章通過對實際電力線進行了理論模型仿真，得出了影響載波信號在電力線傳輸中的主要電氣參數。

電力線通信；載波通信；電氣參數

1　概述

低壓電力網絡信道是動態變化且非線性的，所以要確立一個絕對精確的數學模型是很困難的。考慮到這點，依據電路學里的電力線理論并考慮電力線網絡的實際具體情況，利用Multisim仿真軟件，在其環境下，根據鋪設電力線電路的理論電阻、電感和電容參數特點進行了模型仿真，分別改變電阻、電感和電容參數，仿真分析了信號在低壓電網上出現數據傳輸失敗的原因。

2　低壓電網理論模型的模擬設計

圖1　低壓電網理論模型Fig 1 Low-voltage grid theoretical model

在圖1低壓電網理論模型設計中，導線材料用銅不用鋁，長度取一千米，銅線內阻設為R1。使用電網實現抄表等通信技術，考慮電力線本身是導線，其電感參數和電容參數對抄表通信的影響應該不一樣，低壓電網理論模型中，沒有給出電力線路的電容和電感。圖中C1和C2為高通濾波電容，其功能是濾除噪聲使信號順利通過，即阻止50 Hz的市電進入耦合變壓器，避免危險的發生。在實際的數據通信技術中，高頻載波頻率的要求是大于等于67 kHz，所以計算得出電容C1=C2=470nF。R3、R5為11兆歐，它連接在電力線的兩端，當電容與電力線不連接，電容上的電能利用電阻R3、R5放完。圖1中V1是頻率為125 kHz，幅值為12 V的模擬發送信號，模擬發送信號V1的內阻為R4。V2是市電信號，電壓為220 V，頻率為50 Hz，電源內阻為R6，R6的大小對系統有一定的影響。T2為耦合變壓器，其作用是將抄表信號帶到電力線上，耦合變壓器原邊電感和副邊電感參數要取一致的參數，取9.4 μH。C3為LC諧振電容，在實際電路中，此電容值的大小必須由發送耦合變壓器和接收耦合變壓器的電感值計算出。耦合變壓器T1的作用是將電網上的高頻抄表信號過濾下來，原邊電感為9.4 μH，副邊電感為200 μH，在高頻抄表信號上達到諧振的頻率要求為125 kHz，電容須有：

3　分析照成高頻抄表通信質量差的主要電氣參數

下面調整低壓電網理論模型中的電阻、電容和電感電氣參數，得出抄表通信難實現的因素。

圖2　接收信號在不同電阻值的仿真波形（a為R1=19Ω,b為R1=38Ω）Fig 2 The received signal simulation waveforms in different resistance values（a:R1=19Ω,b:R1=38Ω）

（1）改變導線電阻

從圖2可看出，接收端收到信號，波形沒有失真。所以，從電路仿真中可以得出：線阻不是電網實現抄表等通信的原因。

圖3　接收信號在不同電感值的仿真波形（a為L1=35μH,b為R1=150μH）Fig 3 The received signal simulation waveforms in different inductance values（a:L1=35μH,b:R1=150μH）

（2）改變導線電感

從圖3中的a和b可以分析出，信號在接收端時沒有失真，頻率沒變化，幅值也沒有很大的衰減。所以，從電路仿真中可以得出：導線的電感值變大,則信號在接收時，波形基本不失真，即幅度不減小。

（3）改變導線電容

圖4　接有電容C4的電力線理論模型Fig 4 capacitance C4theoretical model of the power line

上面的分析都沒有考慮導線間的電容效應，下面分析一下。

圖4中，電力線理論模型的導線之間接有一個電容C4，它的參數值是根據電路理論計算得到。模擬長度取一千米左右，參數分別如下式所示：

比起市電頻率50 Hz，抄表信號的頻率很高，一般在125 kHz以上，電網上實現抄表通信考慮電阻、電感和電容參數和頻率的關系時，一般忽略電力電源的頻率50 Hz。設計好抄表信號的頻率后，通過仿真發現導線間的電容效應很大。由圖5仿真可以看出：電力線之間接個電容時，接收端耦合下來的信號會失真，而且失真很嚴重，主要是幅度減小很多，頻率變化不大，就這樣信號很難從噪聲中提取。所以，在電力線上通信，傳輸距離不是很理想，遠不到1 km。通過仿真可以看出：電容效應的影響對數據在電網上的傳輸影響最大。

4　結論

低壓電網理論模型是在理論分析中建立，仿真也是在對信道無詳細測量及分析的情況下進行的，但是低壓電網理論模型可以很直觀的反應信道的物理構成。總之，通過仿真波形可以看出，電氣因素中，電阻基本不影響抄表通信，而電感參數對載波信號有一定的影響，信號頻率越高感炕效應越大，即信號衰竭會增大。但是實際電網中的電感效應一般很小，對抄表信號的傳輸影響不大，只有電容效應會對信號的傳輸產生較大的影響，通過仿真，分析出分布電容的不斷增大，通信的距離會不段的減短。這個結論對在電力線上實現理想距離的通信具有一定的參考價值。

［1］張士文,韓正之.低壓電力線通信技術綜述［J］.華北電力技術,2001,1(9):10-12.

［2］邱關源.電路(下)［M］.北京:高等教育出版社, 1990.

［3］鄭玉東.通信電纜［M］.北京:機械工業出版社,1982.

（責任編輯郝瑞宇）

TN911

A

1673-2014（2016）02-0050-03

2015—10—26

張秀秀（1980—），女，山西長治人，講師，碩士，主要從事電子信息技術研究。