摘要：电力线载波(power-linecarrier，PLC)技术是智能配电网重要的通信手段。为适应智能配电网可能出现的新的网络拓扑结构，提出一种基于信息节点的中压电力线信道建模方法。首先在网络关键位置设置信息节点，然后根据电路基本理论和均匀传输线理论推导出各信息节点间的电流电压关系式，最后利用传输矩阵方法得到信息接收点与发射点之间的电压传输特性。通过实验验证了该方法的正确性和普遍适用性。该方法可适用于树形、环网以及网格化等各种网络拓扑结构，为在智能配电网中压电力线采用载波通信技术提供了较好的分析方法。

　　关键词：智能配电网；电力线载波通信；信息节点；传输矩阵；信道模型

　　0、引言

　　电力线载波(power-linecarrier，PLC)通信是以电力线为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种通信方式。电力线遍及千家万户，其作为通信媒介具有应用的广泛性和经济性。电力载波通信是在已加载工频电力信号的通路上传输高速数据信息，因而具有工作环境恶劣、干扰严重、时变性大等特点；同时信号很容易产生反射、驻波、谐振等现象，使信号的衰减特性极其复杂，造成电力载波通信信道具有很强的频率选择性。因此如何精确地建立有效的电力载波通信信道传输模型，进而根据频率选择特性确定最佳信号传输频率，对于电力载波通信技术的发展和应用支持具有重大理论意义和实用价值。

　　近10年来，国内外众多学者在电力线信道建模方面做了大量的工作。在已有的电力线信道建模方法中，决定信道建模可靠性和准确性的2个重要因素是模型参数和建模算法。

　　按照模型参数的获得方法，信道建模方法可分为自顶向下法和自底向上法。自顶向下法通常将电力线通信信道看作多径模型，然后通过实测得到实际电力线的传输特性，再经过曲线拟合得到所需的建模参数。由于各种方法的参数拟合算法不同，并且由于PLC信道的时变性和复杂性造成实测结果的差别很大，使得不同研究者得出的最佳路径模型各不相同，因此没能形成统一的模型。

　　自底向上法的主体思想是考虑阻抗不匹配点的反射和衰减，对实际网络拓扑中从信号发送点到信号接收点的所有路径进行枚举，然后简化分类。

　　此类建模方法在对前行波处理时进行了很大的简化，所获得的结果误差较大；且该类建模方法计算量大，只适合于简单的树形电力拓扑。

　　同时建模方法还可分为时域法和频域法。

　　在时域模型中，电力线信道被看作是一个多径的环境，用反射模型来表示其物理特性。上文所说的自顶向下法和自底向上法均为时域模型，其考虑信号在节点处的折反射情况，当多个分支连接到一个节点上时反射模型将变得非常复杂。频域建模的主要思想是将整个网络分解成子网络的级联形式，求出各子网络的传输矩阵或散射矩阵，通过级联求出整个网络的传输特性。该方法的优点是考虑了所有信号的反射特性而不考虑网络的复杂性。但随着智能配电网的研究和建设的深入，中压配电网可能出现环网或格状网结构，此时整个网络则不能简单地分解成各个子网络，应用该方法也将存在较大困难。

　　为解决目前的信道建模方法难以应用于智能配电网新的网络拓扑的问题，本文提出了基于信息节点的电力线信道建模方法。该方法首先将每条电力线看成一个子网络，求出各条电力线的传输关系式，然后在多条分支连接的节点处根据电路基本理论写出电力线、负载及电源之间的电压电流关系式；最后根据传输关系式和电压电流关系求出信号发射点到信号接收点之间的传输特性。该方法既解决了多径模型中信号反射复杂性的问题，同时也解决了频域模型中环网或格状网时不能分解成子网络级联的问题，为在智能配电网中应用中压电力载波通信技术提供了较好的分析方法和理论依据。本文首先给出了基于信息节点的电力线信道建模方法的原理，然后给出了基于该方法所建立的不同拓扑结构的中压电力网的信道传输模型，最后通过实验验证了该建模方法的正确性及普遍适用性。

　　1、电力线信号传输基本理论

　　考虑电力线上电阻、电感、线间电容电导的存在，不同位置处的电压、电流也不等。高频电流沿着传输线传播时，可以用电报方程式来描述。用传输常数...和特性阻抗Zc确定线路任一点的电流和电压方程：0CchshUIIxx(1)式中：U0和I0分别为线路首端的电压和电流；x为该点距线路首端的长度；..和Zc分别为线路传输常数和特性阻抗，它们与线路单位长度电阻R0、电感L0、线间电导G0和电容C0的关系为jRLGCZRLGC(2)式中：..为衰减常数；..为相移常数。

　　2、基于信息节点的信道建模方法

　　2.1网络拓扑与信息节点

　　将给定拓扑结构的电力网作为通信网络时，可将其视为由发射源、接收点、电力线以及连接这些元件的网络节点所组成。在某一时刻，网络中存在一个信号发射源以及多个信号接收点。电力线信道建模的目的是求出从发射源到任何一个接收点之间的信道传输特性。图1给出了具有一般性的复杂网络拓扑。

　　图中所示的复杂网络主要包括：信号源US及信号源内阻ZS，负载ZLi、ZLj，线路1、2、...、i、j以及网络节点。本文将网络节点分为中间节点C和电源负载节点T两类。中间节点只连接电力线，如图中所示的Ci和Cj。电源负载节点至少连接一个负载或电源，如图中所示的T1、Ti和Tj。

　　为了更好地描述网络的状况，本文引入信息节点的概念，在电源、负载及电力线靠近网络节点处均设置一个信息节点。信号源靠近网络节点T1处的信息节点为Dt11，负载ZLi靠近网络节点Ti处的信息节点为Dti1，电力线i靠近中间节点Cj处的信息节点为Dcjn。

　　由于信号源存在内阻，使得信号源电压与信息节点D1的电压不相等，为此在信号源处再引入一个信息节点DS。本文将求解信号源US到各个负载处的信道传输特性问题转化为求解信息节点DS到与负载相接的信息节点(如Dti1)之间的信道传输特性问题。

　　2.2基于信息节点的网络方程

　　电力网络由m条电力线和n个负载组成。每条电力线的两端都与网络节点相接，因此与电力线相关的信息节点有2m个；同理，与负载相关的信息节点有n个；此外，还有电源端的信息节点DS和Dt11。设S为整个网络的信息节点个数，则S.2m.n.2(3)对每个信息节点均需求解出该节点的电压和流出该节点的电流，则整个电力网络共有4m...2n...4个未知量。本文中的电流参考方向均以流出网络节点为正。

　　每条电力线可列出如式(4)所示的2个方程，则m条电力线可得到2m个方程。对于每个负载，其上电压U和电流I满足欧姆定律，可得到U.ZLI(5)式中ZL为负载阻抗，则n个负载可以写出n个方程。不失一般性，设某个网络节点与j个信息节点相连。