CN113965226B - 一种电力通信网阻抗匹配方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于电力通信系统控制技术领域，尤其涉及一种电力通信网阻抗匹配方法。本方法基于传输线和反射理论，利用传输线模型的灵活性根据电网通信系统接入随机性高，接入过程难以估计的特点，提供了一种十分灵活，自由度和可实施性高阻抗参数匹配方案，基于该方案能够高效快捷的获取最优的匹配参数实现阻抗匹配，相对于传统的阻抗变换匹配方法，适用范围更广，且更适宜于高频多频的无线通信系统。

Description

一种电力通信网阻抗匹配方法

技术领域

本申请属于电力通信系统控制技术领域，尤其涉及一种电力通信网阻抗匹配方法。

背景技术

随着电网系统智能化、高效化建设地不断推进，电力基础设施不断更新升级，大量传统仪器设备被新一代小型化无线终端代替，长期以来依靠人工进行的巡检维护等工作内容中很多开始通过远程终端实现自动收集汇总甚至自动处理，有效提高了电网运行效率，同时上述系统的大量使用，离不开用于保证数据和各类信息、指令等快速准确传输的电网通信系统，由于电网建设规模巨大，设备数量众多，虽然电网通信系统通常都是独立设置于外部通信系统隔离，但其内部设备和元器件接入频繁，因此在通信网内部产生了不可忽视的噪声，上述问题难以从源头上进行有效控制，因此只能寄希望于通过通信系统的各类降噪措施来消除不利影响，通常情况下，通过阻抗匹配的方法有利于提高信号的传输功率，改善通信环境，对于保证电力通信网络的正常运转不可或缺，但由于电网内部设备数量众多，接入时机的随机性极高，因此常规的阻抗匹配方案在获取匹配参数时效率偏低，且需要频繁计算，效率偏低且效果不好。

发明内容

本申请的目的在于，基于电网通信特点，提供一种基于传输线理论，能够更好的根据电网通信系统实时接入特点进行快速参数匹配，以更高效快速的完成阻抗匹配参数获取的电力通信网阻抗匹配方法。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案。

一种电力通信网阻抗匹配方法，用于多频通信系统，包括如下步骤：

建立电力通信网的多段传输线模型，设其最低匹配频率时每段传输线模型的电长度为Q，其第i段传输线对应的特征阻抗为Z_i，对应的反射系数为F_i；对于前i段传输线，其总反射系数为F_i'，其对应的总输入阻抗为Z'_i；

则对于连续的多段传输线，采用如下传递函数：

传输线段的总反射采用如下函数确定：

其中n为多段传输线的总段数。

对前述电力通信网阻抗匹配方法的进一步改进或优选方案还包括，采用如下频率匹配方案：

①基准频率f_p＞多频通信系统的最高频率f_max；通信系统内各传输线上匹配频率对应的电长度为：其中f₁为最低频率，n_i为各传输线频率倍数；

②基准频率f_p＝f_max；各传输线段对应电长度为

③基准频率f_p＝0.5(f_max+f_max-1)；其中f_max、f_max-1为系统两个最高的匹配频率，

对前述电力通信网阻抗匹配方法的进一步改进或优选方案还包括，所述步骤一还包括，将中心传输线段反射系数的模值修正为0，将反射系数函数①中的系数进行对称处理，使相应的：/>其中_β(x)是指对x进行取整处理。

对前述电力通信网阻抗匹配方法的进一步改进或优选方案还包括，对于含有n个传输线段的系统，增加辅助线路形成新的m段传输线；新增的传输线段与原有传输线模型参数连续；且新的传输线模型得到优化系统匹配参数满足：

当m≤n，

当m＞n，

其有益效果在于：

1、用于确定阻抗匹配参数的过程简单方便，便于实现；

2、基于传输线模型实现，可根据通信系统内设备和端口的接入状况进行快速更新；

3、根据电网通信系统特点，基于改进方案，更高效简单的优化数据获取方法，在简化计算过程同时可有效降低匹配系统负荷。

附图说明

图1是传输线模型示意图；

图2是多频实复数传输线模型示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本申请作详细说明。

本领域技术人员知道，对于任意电力通信系统，为保证系统整体输出效率，需要系统内各硬件输入输出端获得较好的阻抗匹配；在阻抗匹配处理时，根据传输线模型以及阻抗控制机制，不同硬件的阻抗匹配过程均可由硬件阻抗和负载阻抗以及传输线阻抗的阻抗匹配公式及其反射系数来表达；随着通信系统内设备数量的增多以及有限的安装空间的限制，电力通信系统建设要求更加紧凑化、小型化集约化，因此本申请基于采用倍频以及多频设备的发展趋势，为实现此类系统的阻抗匹配，在传输线模型的基础上，利用多段传输线模型来完成阻抗匹配；并采用如下步骤方案来实现阻抗匹配参数的获取。

如图1所示，由多段传输线方法模型可知，假设对于某通信网络的多段传输线模型，在其最低匹配频率时每段传输线模型的电长度为Q，其第i段传输线对应的特征阻抗为Z_i，对应的反射系数为F_i；对于前i段传输线，其总反射系数为F_i'，其对应的总输入阻抗为Z'_i；则其连续的多段传输线之间满足传递函数；

其分析过程如下：

对于前述多段传输线模型，其相邻的传输线段模型中反射系数和输入阻抗之间的关系满足：

代入换算后得到传递函数：由/>展开传递函数后得到：/>

在通信系统内，因为传输线段的反射系数数值很小，为便于处理，提高效率，可以略去后半部分，得到Z'_i＝F_i+(1-F_i ²)F'_i+1·e^-j2Q；经过换算后即有

在前述基础之上，对于采用多段传输线模型构建的通信系统，为实现阻抗匹配，通常采用阻抗调配和阻抗匹配方案，为更好利用多段传输线模型，减少工作量。而由前述传递函数进行连续计算，可以得到总反射系数计算式：

其中n为多段传输线的总段数；

其反射系数F_i可表达为：

在具体实施过程中，为便于更直接有效的获取阻抗匹配的相关约束条件，考虑到实际通信系统实际中主要的阻抗匹配工作多为多频、交流，少量直流设备阻抗匹配相对直接简单的特点，简化阻抗匹配的步骤，基于多频实数复数阻抗匹配方法，针对固定实数阻抗输出配合复数阻抗负载，利用实复数阻抗匹配规律和等价条件来确定约束条件；如图2所示，采用多频实复数传输线模型方法，则总反射系数可表示为：通信系统可以由前述两种模型来进行表达，对于输入阻抗Z_N、负载设备阻抗为Z_L的多频传输线段，在零频时，两中模型下的总反射系数一致是保证两种模型递推结果一致的基础，零频时传输线电长度为0，即存在约束条件：/>

在前述约束条件下，对于多频通信系统，在进行阻抗匹配时选取的基准频率可能有多种方案，但当基准频率与系统频率重叠时会相互影响并引起阻抗变化，导致匹配效果降低或者难度加大，因此根据想要设置基准频率的范围，应当合理控制具体频率值以及相应的传输线模型中电长度参数Q，为简化设计，提高效率，可采用如下几种较佳的频率匹配方案：

①基准频率f_p＞多频通信系统的最高频率f_max；

考虑到对于具有n个频率的通信系统，需要2n各传输线段来实现阻抗匹配，且该通信系统阻抗匹配总电长度与两个最低匹配频率构成的双频阻抗匹配总电长度略大，则f_max＜f_p≤0.5(f₁+f₂)；通信系统内各传输线上匹配频率对应的电长度为：其中f₁为最低频率，n_i为各传输线频率倍数；

②基准频率f_p＝f_max；

则对于前述系统，电长度对应传输线段的总反射系数为0，由公式①得到：各传输线段对应电长度为/>

③基准频率f_p＝0.5(f_max+f_max-1)；

其中f_max、f_max-1为系统两个最高的匹配频率，在阻抗匹配时，f_max、f_max-1相对于f_p对称；同时由输电线段频率倍数与在匹配频率上的电长度之间的正比关系，可以得到：

特别的，在前述步骤一过程中，完整的阻抗匹配系统要求满足其零频以及反射系数的对应匹配，为了进一步简化匹配过程，考虑到将中心传输线段的反射系数的模值修正为0，在此情况下，计算过程中其实部和虚部数值为0，可有效简化前后连续传输段的参数计算；因此，在前述步骤一的基础上，将反射系数函数①中的系数进行对称处理，使则相应的：/>

其中_β(x)是指对x进行取整；

在前述基础之上，采用前述方法进行阻抗匹配应用在部分频率或阻抗变化量较大的通信系统时，可能会发生计算得到的阻抗匹配参数与得到的阻抗匹配结果与设计目标存在偏差，甚至无法实现有效匹配的问题，为避免此种现象，针对此类通信系统，本申请提出采用扩充传输模型的方式来缩小平均变量值，通过在系统通信链路中增加辅助线路，以扩展原有的系统传输线模型，具体而言：

对于前述含有n个传输线段的系统，增加辅助线路形成新的m段传输线；新增的传输线段与原有传输线模型参数连续；在此基础上，基于公式③建立新的匹配函数，并将函数中的三角函数展开为关于Q的幂函数，得到上式中，e^-jnQ·(cos^mQ)影响新生成传输线模型的连续性，则可以基于新的传输线模型得到优化后的系统匹配参数，由于采用对称处理，因此有F'_i＝F'_n-i；公式③中参数e^-jnQ表征反射系数相位，对于cos^mQ可以使用关系式来/>表达，因此对于前述n+m段传输线系统，其系统阻抗匹配参数如下：

当m≤n，

当m＞n，

本申请的电力通信网阻抗匹配方法基于传输线和反射理论，在计算过程中，利用传输线模型的灵活性根据电网通信系统接入随机性高，接入过程难以估计的特点，提供了一种十分灵活，自由度和可实施性高阻抗参数匹配方案，基于该方案能够高效快捷的获取最优的匹配参数实现阻抗匹配，相对于传统的阻抗变换匹配方法，适用范围更广，且更适宜于高频多频的无线通信系统。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种电力通信网阻抗匹配方法，用于多频通信系统，其特征在于，包括如下步骤：

建立电力通信网的多段传输线模型，设其最低匹配频率时每段传输线模型的电长度为Q，其第i段传输线对应的特征阻抗为Z_i，对应的反射系数为F_i；对于前i段传输线，其总反射系数为F_i'，其对应的总输入阻抗为Z'_i；则对于电力通信网的多段传输线，阻抗匹配采用如下传递函数：

传输线段的总反射采用如下函数确定：

其中n为多段传输线的总段数。

2.根据权利要求1所述的一种电力通信网阻抗匹配方法，其特征在于，采用如下频率匹配方案：

①当基准频率f_p＞多频通信系统的最高频率f_max时；通信系统内各传输线上匹配频率对应的电长度为：其中f₁为最低频率，n_i为各传输线频率倍数；

②当基准频率f_p＝f_max时；各传输线段对应电长度为

③当基准频率f_p＝0.5(f_max+f_max-1)时；其中f_max、f_max-1为系统两个最高的匹配频率，

3.根据权利要求1所述的一种电力通信网阻抗匹配方法，其特征在于，所述步骤还包括，将中心传输线段的反射系数模值修正为0，将函数(1)和(2)中的系数进行对称处理，使相应的：/>其中β(x)是指对x进行取整处理。

4.根据权利要求3所述的一种电力通信网阻抗匹配方法，其特征在于，对于含有n个传输线段的系统，增加辅助线路形成新的m段传输线；新增的传输线段与原有传输线模型参数连续；且新的传输线模型得到优化系统匹配参数满足：

当m≤n，

当m＞n，

其中，