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在美國、日本和部分歐洲國家，對于與自動化計量基礎(chǔ)設(shè)施 (AMI) 相關(guān)的電力線通信 (PLC) 來說，中壓 (MV) 到低壓 (LV) 穿越是一種非常重要的應(yīng)用。在這樣的背景之下，擁有一個可兼用于 MV/MV 和 MV/LV 鏈接的通道模型是十分重要的，此模型使得工程師能夠模擬在不同的負(fù)載條件下信號有可能面臨的衰減。然后，可以利用這樣的分析來計算某種給定拓?fù)涞男旁氡?/span> (SNR)。在本文中，ABCD 或散射 (s) 參數(shù)被用于 MV/LV 鏈接的通道模型特性分析，特別是針對使用窄帶 PLC 系統(tǒng)的 10 kHz 至 490 kHz 頻段。另外，如果對不同組件的參數(shù)進行了正確的建模，還可以獲得一個準(zhǔn)確的發(fā)送-接收信號。用于 MV/LV 變壓器和耦合器的 s 參數(shù)的測量結(jié)果可與實驗室的測量結(jié)果進行比較，并用于預(yù)測在現(xiàn)場進行觀測的 MV/MV 和 MV/LV 鏈接。
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采用 s 參數(shù)/ABCD 參數(shù)建模
散射 (S) 參數(shù)和 ABCD 參數(shù)是用于對二端口網(wǎng)絡(luò)進行特性分析的工具（圖 1）。同時，這些參數(shù)還可用于對 MV/LV 電力線通信通道中的不同組件（包括變壓器、耦合器和電纜）進行特性分析，從而實現(xiàn)了一種端到端電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)（通道）特性分析 [2]～[5]。
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通道特性分析基本上是一種三步流程：
·??? 獲得用于 MV/LV 線路中的各個組件的 ABCD 參數(shù)；
·??? 通過各個 ABCD 矩陣的級聯(lián)獲得凈 ABCD 矩陣；和
·??? 根據(jù)凈 ABCD 參數(shù)獲得端到端電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)。
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圖 1：采用 S / ABCD 參數(shù)的二端口建模
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對于變壓器和耦合器而言，其 S 參數(shù)使用一個網(wǎng)絡(luò)分析儀即可容易地進行測量。然后，可以采用轉(zhuǎn)換公式將 S 參數(shù)轉(zhuǎn)換為 ABCD 參數(shù) [6]。
圖 2 示出了美國的典型 MV/LV (或 LV/MV) 鏈接。
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圖 2：一般的 MV-LV 通信通道
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在該場合中，調(diào)制解調(diào)器 1 和調(diào)制解調(diào)器 2 之間的二端口網(wǎng)絡(luò)可被模擬為：
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(1)?? 式
式中，對于參數(shù) V1、I1、V2、I2，從 MV 側(cè)發(fā)送器上的調(diào)制解調(diào)器到 LV 側(cè)調(diào)制解調(diào)器的凈 ABCD 參數(shù)由下式給出：
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(2)?? 式
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在注意到 I2 = －V2 / Zeff之后（其中，Zeff = Zmodem2// Zhome2），將 I2代入(1)式即可計算電壓轉(zhuǎn)移函數(shù) (V2 / V1)。?
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不同組件的實驗驗證
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在 MV/LV 鏈接中需要進行特性分析的 3 個主要組件是變壓器、耦合器和 MV 電纜。
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變壓器建模
在美國所使用的配電變壓器的 S 參數(shù)轉(zhuǎn)述于 [7]。這些 S 參數(shù)被轉(zhuǎn)換為 ABCD 參數(shù)，并從 ABCD 參數(shù)獲得對應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)和戴維南 (Thevenin) 等效阻抗。隨后，在位于達(dá)拉斯的德州儀器系統(tǒng)與應(yīng)用實驗室里，于一個未通電的 25 kVA 變壓器上進行測量，以通過試驗的方式獲得電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)和對應(yīng)的戴維南阻抗。圖 3 至圖 5 示出了測量結(jié)果與基于 s 參數(shù)的建模之間的匹配情況。
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圖 3：測量與基于 S 參數(shù)的 LV/MV 幅度響應(yīng)的比較（對于一個 25 kVA 變壓器）
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圖 4：測量與基于 S 參數(shù)的 MV/LV 幅度響應(yīng)的比較（對于一個 25 kVA 變壓器）
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圖 5：測量與基于 S 參數(shù)的 MV → LV 和 LV → MV 戴維南阻抗（對于 25 kVA 變壓器）
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耦合器建模
與變壓器相似，MV/LV 耦合器也采用 s 參數(shù)法來匹配測量結(jié)果。如圖 6 所示，這兩種不同方法之間的差異很小。
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圖 6：測量與基于 S 參數(shù)的幅度響應(yīng)的比較（對于耦合器）
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MV 電纜建模
在 [8] 中，提供了一個用于 MV 電纜的電路模型，其可容易地幫助確定圖 7 中所給出的對應(yīng) ABCD 矩陣。接著進行現(xiàn)場測試，以確定 MV/MV 線路中的衰減 [9]。圖 7 中，對比了采用 ABCD 法預(yù)測的衰減與現(xiàn)場實測的衰減。此項分析中所使用的 R、L、G、C 為：L = 1.9e-6 H/m，C = 8e-12 F/m，R200 = 0.03Ω/m，G200 = 1.5e-6 S/m。
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圖 7：MV/MV 線路的模型以及測量與 ABCD 參數(shù)的比較?
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級聯(lián)不同組件的實例
最后，就變壓器、MV 線路和耦合器對 MV/LV 測量（0 英里距離）與仿真結(jié)果進行比較。
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圖 8：MV/LV 變壓器、MV 線路及耦合器的 MV/LV 測量（0 英里）。
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通電的變壓器
下面敘述了一個有趣的實例（圖 9），在該例中，阻抗測量于 4 個不同的時點（各為 1/4 交流電源周期）在通電和未通電的變壓器上進行。對于通電的變壓器，我們發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出一種時變響應(yīng)，該響應(yīng)到 1/2 交流電源周期為止都是線性的。
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圖 9：通電變壓器的時變特性
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該實例為今后的研究領(lǐng)域提出了幾個問題：變壓器阻抗及其響應(yīng)隨 1/2 交流電源周期而變化的主要原因是什么？能否通過了解與交流電源周期同步的變壓器中的磁通變化的物理特性來把握此類影響？
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另外，測量結(jié)果還表明：在家中測量的低壓側(cè)阻抗其變化與交流電源周期存在某種函數(shù)關(guān)系。LV 側(cè)阻抗的變化是由于靠近 LV 位置的變壓器的阻抗變化所致還是同時也源于家庭自身內(nèi)部的阻抗變化？再有，起主導(dǎo)作用的因素是哪個？
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目前，大多數(shù)采用 s 參數(shù)的射頻 (RF) 仿真器皆假設(shè) s 參數(shù)不隨時間而變化。然而，由于 MV/LV 電網(wǎng)中的阻抗條件會隨著交流電源而改變，因此，s 參數(shù)的周期平穩(wěn)模型 (cyclo-stationary model) 更具有相關(guān)性。在那種場合下，如何使用現(xiàn)今的 RF 仿真器來模擬端到端響應(yīng)？一種可選方案是把時間離散化為多個區(qū)間 (bin)，再擁有用于每個區(qū)間的 s 參數(shù)。然后，可將用于不同區(qū)間的 s 參數(shù)用來模擬個別區(qū)間的端到端響應(yīng)。?
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結(jié)論
本文用實例說明：s 參數(shù)/ABCD 建模是在 PLC 網(wǎng)絡(luò)中研究通道特性分析的一種切實可行的方法。大多數(shù)場合中的測量結(jié)果均與預(yù)測結(jié)果相匹配，而針對不同拓?fù)涓M一步的特性分析正在進行之中。文章的最后向 PLC 社區(qū)提出了幾個開放式問題。
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工商網(wǎng)監(jiān)
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