双向工频通信信号在配电网中的传输特性

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（Two Way Power Frequency Automatic Communication System， 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（Power Line Carrier，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。2 TWACS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）-∞≤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≤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(t_n)，将第2个负过零点处的采样值记为B(t₁)、B(t₂)、…、B(t_n)，将此相邻周期相减，就可以得到

式中 d(t₁)、d(t₂)、…、d(t_n)即为所需的暂态成分。 在主变容量为315MVA的二次变电所，将一800kVA的用户变压器作为下行信号的调制变压器，选取负荷最重的支线作为测试线路。

（1）下行信号 在调制变压器的220V侧调制出峰值为400A的下行信号。图6为不同负荷情况下调制信号在母线电压和支线电流上产生的暂态成分。母线电压的暂态成分是由所用变220V侧获取的，支线电流的暂态成分取自支线出口电流互感器（TA）。

由图6(a) 可见，实际的电压、电流暂态成分的波形与图4(a)中的轻负荷仿真下的仿真结果非常接近，只是振荡过程要比仿真结果略长。图6(b)中的电压暂态成分与图4(b)中的重负荷情况下的仿真结果相类似，但电流的暂态成分却与仿真结果相差很大，这是因为在实际母线上带有一容量为4.8Mvar的无功补偿器，而仿真时并没有此补偿器。但由于下行信号检测的是电压，所以电流暂态成分的差别并不影响通信信号的接收。 图7为支线上配电变压器220V侧获取的电压暂态成分。分别在距离1km、容量100kVA和距离4km、容量为315kVA的配电变压器220V侧获取的下行信号的暂态成分，其波形基本相同，折算后信号的能量损失了1/3，这是由于信号经过用户变压器的缘故(见附录1)。

（2）上行信号 在支线上容量为315kVA的配电变压器220V侧调制出峰值为50A的上行电流信号。图8为在支线出口处获取的电流暂态成分。经折算后可知，上行信号同样衰减很小，而且在信号检测时通过处理后所得信号的幅值为2倍原信号的幅值（见附录2）。

通过以上分析可知，TWACS信号在电网不同状况下传输时，暂态波形虽会有一些差异，但并不影响通信信号的检测，即不会因为线路结构的差异或者负荷的变化而出现通信信号的盲点。 （3）与谐波的关系 双向工频通信信号的检测主要是通过相邻周期相减的方法得到的。这一独特的原理决定了信号的传输不会受稳定谐波的影响。只有那些突发较大的干扰，（比如大型设备的投切），才会对通信系统造成干扰。一些小负荷的变化（例如空调、加热器等的投切）对该通信系统几乎没有影响。 该通信信号的调制是向系统叠加了一微弱的畸变信号，这会向系统注入一定的谐波。经测试，下行信号对系统电压和电流的畸变率不大于0.2%。5 结束语 本文针对双向工频通信（TMACS）的特点，建立了双向工频通信信号的传输模型。在实际测试数据的基础上，分析了信号作为一种暂态方式在配电网中的传输特性。这一独特的原理决定了这种通信方式的高可靠性，而且不受线路结构负荷变化的影响，也不会对系统的电压和电流造成影响，所以TWACS在我国很有推广价值。

参考文献

[1] Mak S T．Power frequency communication on long feeders and high levels of harmonic distortion[J]. IEEE Trans on Power Delivery，1995，10(4)：1731-1736.[2]Mak S T．Power delivery infrastructure differences and their impact on different types of power line commu-nications for automatic meter readin[A]．16th Inter-national Conference and Exhibition on Electricity Distribution[C]，2001，(4)．[3]周世炜, 张绍卿，洪文学．配电网络双向工频通信的原理与实现[J]．电网技术，1999，23(10)：37-38．[4]Mak S T．Propagation of transients in a distribution network[J]．IEEE Trans on Power Delivery，1993，8(1)：337-343．[5]Mak S T．Application of a differential technique for characterization of waveform distortions[A]. Power Engineering Society Winter Meeting[C]，2000，(2)：975-980．

附录1 下行信号通过如附图1所示的三角形对星形用户变压器时，信号能量将会损失1/3。

上式表明，下行信号经过三角形对星形结构的变压器时，信号的能量将减小1/3。附录2 在变压器的低压侧a相绕组调制一电流信号i_S，该电流信号经过变压器耦合到高压侧的AB绕组（即线电流i_AB中）时，在相电流i_A和i_B中也分别耦合出i_S和-i_S。检测时将A相和B相电流相减，所得信号幅值即为i_S幅值的2倍。