带有空气开关的低压电力线通信信道模型

线通信，需要对其信道有充分的了解。利用矢量匹配法给出了空气开关的RLC等效电路模型研究空气开关对室内电力线 通信的影响。结合自上而下与自下而上两种电力线网络信道建模方法，利用级联矩阵方法，获得了含有空气开关的室内低

压电力线载波通信信道传递函数。在1 ~200MHz频带，仿真与实测结果具有较好的吻合度，表明建模方法及仿真模型正 确。研究对于室内宽带电力线通信技术的频带预选择具有指导意义。关键词;空气开关;级联矩阵;电力线通信;传递函数;传输线理论中图分类号：N945.12；TN913 文献标识码：BIndoor Low-Voltage Power Line Communication

Channel Model with Air SwitchWEI Yi-zhen1, HUA Wei1, WANG Wei2(1. College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065 , China；2. Associate Research Institute of Civil Aviation Administration of China, Chengdu Sichuan 610041 , China)ABSTRACT: The complexity and variability of low-voltage power line networks are the key factors for the reliability

and stability of Power Line Communication ( PLC). It is necessary to have a full understanding of PLC channel to a-

chieve a high-speed and reliable communication system. Tn order to study the effect of air switch on indoor power

line communication, we present a RLC equivalent circuit model of air switch based on vector-fitting method. The top

-down and bottom-up methods of power line networks channel modeling were combined, and the indoor low-voltage

PLC channel frequency response with air switch was obtained by using the chain matrix method. The simulation re­

sults were consistent with experimental results within the band of 1 - 200MHz, which indicates the correction of the

simulation. The study has an important guiding significance for the pre-selection of frequency band of indoor broad・ band power line communication technology.KEYWORDS: Air switch ； Chain matrix ； Power line communication ； Transfer function ； Transmission line theory其中空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常 重要的一种电器,是室内低压电力线网络系统必不可少的组

1引言电力线已成为世界上最普及、覆盖范围最广的一种有线

传输媒介,利用现有低压配电网络基础设施,PLC无需任何

成部分⑶。研究室内低压电力线网络传输特性，需要对空气 开关在不同频率下的频率响应特性进行分析。目前对电器

元件建模的方法基本上采用矢量匹配法(Vector Fitting)建立

布线，随意接入，简单方便的安装设备及使用方式，节约了资

源和费用,避免了对建筑物和公共设施的破坏，逐渐成为信 息技术发展的热点⑴。但由于电力线网络复杂的拓扑结构、

宏模型⑷-⑺0矢量匹配法是B. Gustavsen在1999年提出的

一种有理函数拟合方法⑴。文献［6］根据矢量匹配法，结合

自身物理特性和时变阻抗等都会导致电力线信道特性变

化⑵。为了实现PLC高速率、高可靠性的通信，需要分析电 力线信道特性。网络的每个Z(阻抗)或Y(导纳)参数可以转换为由RLC元

件组成的电路分支。值得一提的是，所有元件在此模型中都

与频率无关，从而降低了建模的复杂度，提高了通用性。文

基金项目：\"十三五”国家重点研发计划(2017YFB0308601)；国家自

献［8］利用二端口网络理论与对称分量法，建立了空气开关

然科学基金民航联合基金(U1733109)收稿日期：2018-10-16的等效模型，此种方法也为电器元件模型的建立提供一种新 的建模思路。—143 —对于电力线网络建模方法主要有两种，一是自上而下

(Top-down) [9]-[,21建模方法，即参数匹配建模的方法；二是

自下而上(Bottom-up) 151建模方法，即基于传输线理论

的建模方法。然而这两种建模方法各有优缺点。目前对室

内低压电力线网络的模型研究,大多未考虑电力线上的空气 开关等⑼七。)。因此对室内低压电力线网络的信道描述需要

进一步深究。本文提出了一种包含空气开关的电力线网络信道建模

方法。利用矢量匹配法建立了空气开关的RLC等效模型。

将自上而下与自下而上建模方法相结合,并将双线电力线等

效为均匀双线传输线给出了分布参数,利用传输线理论和级

联矩阵(即A参量矩阵)构建了含有空气开关的电力线网络

信道模型。测量结果和模拟结果比较验证了模型的准确性。▲=石=& + 泌

''其中乙 込 为阻抗，鸟、厶、C|、&、d G、鸟、厶为R厶C等效电

2空气开关建模路模型的元件。2.1空气开关的导纳参数拟合得到等效电路模型中各个元件的值(保留小数点后

将空气开关当作一个二端口网络,基于导纳矩阵可建立 两位有效数字)如表1所示。77型等效电路模型，如图1所示。其中L、-N\\为输入端,N-

N2为输出端,人、匕为导纳参数。表1 空气开关R厶C模型参数参数NEXBE参数值EA9AN参数值2. 18/22.31 x 10%厶0. 73/xH0. 1616rHH

73. 86pF1.51pF15. 9301502. 790图1空气开关导纳等效电路模型-4& 5069116/x/ZH0. 5516/lHH

本文釆用开路短路方法获取两种空气开关(正泰

c269. 37pF2. lOpF/VEXBE、施耐德EA9AN)在1 ~ 2004/½频带内频率响应特

R33. 1409.430性。则0. 0616/iHH0. 15pF=心 g (2)根据图1给出的导纳等效电路模型进行拟合并与实测

X

2 片 + Y2结果对比，结果如图3(a、b)所示。表明拟合结果与实测结

其中，匕和/分别为短路和开路情况下的导纳参数。计算

果吻合度较好。在1 ~ 200MHz频带内.NEXBE空气开关的

得到人、均为导纳参数。传递函数的衰减凹槽点为22MHz；EA9AN空气开关的传递

2.2 空气开关导纳参数拟合函数表现为趋于缓慢下降的平滑曲线。根据矢量匹配法得到传递函数F(s)的有理函数如式(3)所示⑹，对y,、丫2分别进行有理数拟合。NF(s)=工—-—+ d + sh

(3)*=i s _ a*其中,s = jw = jltrf,/为频率,c*和a*分别表示函数的极点和

留数,/V表示拟合阶数,d和h分别为常数项和比例项。根据文献[6]利用式(1)对R厶C串并联电路分析，利用矢量匹配法给出了相应的RLC等效电路模型，如图2所示。根据图2可得RLC等效电路的导纳K,、£为11(b)EA9AN Frequency/MHzR'Z +侖 +图3 仿真与实测对比爲+用仑1 .厂 +砸1144 —3 电力线通信信道建模3.1

特征阻抗与传播常数若将双线电力线等效为均匀平行双线传输线，则可利用

由此可得到电力线参数特征阻抗Z。和传播常数丁。3.3 具有空气开关的电力线网络信道建模带有空气开关的n枝节电力线通信网络模型可表述为 如图4所示。其中Vc为信号源电压,Z。为信号源内阻,Z,为

负载阻抗仏代表第i (i e (l,n))根主电力线长度佩代表

传输线方程对电力线网络进行分析。可得到传输线的特征

阻抗Z。和传播常数y7 = /R +jwL z° _ V G + jwCy = J(R + jwL) (G + ju>C) = a + j/3

(6)第i根枝节电力线长度,Z,为枝节电力线终端的负载阻抗。(7)其中，其中R、G、C、L分别为传输线单位长度的分布电阻、分

布电导、分布电容和分布电感，a为衰减常数,0为相移常 数。3.2

特征阻抗与传播常数参数提取z, z,为实现电力线通信网络传递函数模型的建立，本文采用 文献[19] - [20]中的方法,来确定电力线参数。图4 带有空气开关的n枝节电力线通信网络根据传输线理论长为I的终端有耗传输线的输入阻抗Zg为7=7 S + Zotanh®) » = °Z0 +Zttanh(y/)将枝节电力线及其终端负载阻抗等效为在每个节点上 的输入阻抗Z\如图5所示。♦其中Z,为负载阻抗。当终端短路时图5枝节等效输入阻抗ZK = Zotanh(yZ)当终端开路时Zg = zocoth(yl)则特征阻抗z0为(9)(10)得到枝节等效输入阻抗Z”Z。=(11)7=7 血 + Zotanh®”) “ _ ° Z。+ Z,tanh(池)(15)将电力线通信网络用4参量级联矩阵描述，如图6所

示。其中分别为信号源内阻、空气开关和负载阻

传播常数7为y = -j- tanh~{ ((⑵抗的4参量矩阵;&丿”分别为第i段主电力线和第i个节点

处输入阻抗Z”的A参量矩阵。有耗传输线的衰减常数aS和相移常数0S为a(f) = a()+ a/

(13)(14)计算可得各级联网络的A参量矩阵'1 Z/0(/)=遊

ve其中,a°、ai、k为常量/为频率,如为信号在电力线上的传播

.0 1 -Zi + Z? ”(16)速度,与电力线间介质的介电常数有关。使用铜2 x 1 mm2PVC长20米电力线作为测试电力线。 利用矢量网络分析仪测试对1 ~ 200 MHz频率范围内测量

'4 45 _ 2Z, + Z2 Z] + Z2一 .(17)Z*和Z-利用最小绝对残差(LAR)的稳健回归分析法拟

cosh (仏)Zosinh(y/-)

Ai = sinh(yZ,) [/八------------ cosh(y/.)合得到参数如表2所示。(18)表2 20米双线电力线参数_ 1

值0_参数°0Abi =

0. 004972. 1 x IO-70. 6781.85 x 108m/slx M1 z1 〔(19)°1L0 1A」(20)kVPZo因此整个级联网络的A参量矩阵为•九•…人s・人•仏…知・人1 •血11&40C—145 —)得到电力线通信网络的传递函数H（f）4 实测与仿真结果对比使用矢量网络分析仪对所用的电力线网络在1 ~

200MHz频带内进行测量。其中,Zc =Z, =500,根据图4的

将表1、2、3、4的数据代入式（22）进行仿真的结果并与

实测结果对比，如图9（a、b、c）、10（d、e、f）所示，表明对于含

有空气开关的电力线网络信道模型，其数值仿真结果与实测

n枝节电力线网络设计了单枝节和双枝节测试案例，如图7、图8所示_ Tx人结果具有很高的吻合度（包括衰减凹槽的位置和曲线衰减趋

势），并且不同电力线拓扑结构具有不同的频率选择衰减特

性。空气开关人人对于单枝节网络，图9-a表明电力线网络通信信道具有

Rx的频率选择衰减特性，图9-b表明引入空气开关的电力线网

络信道传输特性结合了空气开关和电力线网络的传输特性, 在22MHz时产生了衰减凹槽，图9-c表明在频带为1 ~

图7单枝节网络200MHz内空气开关增加了传递函数的衰减量。图9-a与9

-b、9-c的对比表明其传递函数都表现出了不同空气开关的 衰减特性。空气 开关0图8双枝节网络单枝节和双枝节电力线网络的各参数值如表3、表4所表3单枝节电力线网络参数0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200(a)Frenqv«ncy/MHz(b)Frenqoency/MHzl3（m）空气开关(a)(b)l2(m)h(m)ki(m) Zj222无66644444openopenopen0

NEXBEEA9AN(c)420 40 60 80 100 120 140 160 180 200（c）Frenquency/MHz表4双枝节电力线网络参数图9单枝节网络仿真与实测结果对比I'm)空气开关13（m）12（m）h（m）lb2（m）bi（m）z2 z,open openopen openopen open(d)222无333334 4

14对于双枝节网络，图10-a同样表现出不同的频率衰减

特性，图10-bJ0-c也表现岀了不同空气开关的不同响应特 性。(e)(f)NEXBEEA9AN14434 1仿真与实测对比结果具有较高吻合度，表明模型能够正

确反映带有空气开关的电力线网络的信道频率响应特性。—146 —[8] 谢志远，杜思思，郭以贺.基于S参数的空气开关高频模型研

究[J].电测与仪表，2018,55(7):116-121.[9] M Zimmermann, K Dostert. A multipath model for the power line channel [ J ] . IEEE Transactions on Communications, 2002,50

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5结论本文利用矢量匹配法，建立了空气开关的RLC等效电

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路，在1 ~200MHz频带内建立了含有空气开关的电力线载

波通信信道模型。通过设计测试案例得到实测与模型仿真

结果的一致性，验证了此模型的准确性与适用性，能够对实

nication channel impedance and signal transmission modeling

际应用室内场景中的双线电力线网络通信信道进行表征与

预测。此模型，可为实际低压室内情况下的电力线网络载波

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通信的频带选择提供指导意义,可通过此模型研究枝节负载 阻抗、枝节长度、枝节数目等对信道特性的影响。channels [ J ]. IEEE Transactions on Communications, 2011,59(5): 332-1345.[17]曹旺斌，等.宽带MIMO-PLC随机参数信道建模与特性[J].

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