電力線載波結合濾波器電路的設計方法及結合濾波器電路的製作方法
2023-06-24 22:01:36
專利名稱：電力線載波結合濾波器電路的設計方法及結合濾波器電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力線載波機與高壓輸電線之間的結合設備領域，具體涉及一種電力線載波結合濾波器電路的設計方法及結合濾波器電路。
目前，電力線載波通訊是電力系統進行載波通訊和繼電保護信號傳輸的重要手段，結合濾波器是連接電力線載波機並通過耦合電容器與高壓輸電線相連的接口設備，以實現高壓輸電線與電力線載波機之間的阻抗匹配，使高壓輸電線高頻通道的回波損耗足夠大和工作衰減儘量小，並實現高壓輸電線與電力線載波設備之間的強電隔離，保證電力線載波設備和操作人員的安全。此外，還要能阻止電力線載波設備入口環路中可能出現的50Hz電流幹擾和克服耦合電容器低壓端子雜散電容的不利影響。性能優越的結合濾波器從以下幾方面體現1、回波損耗大(通訊信號的衰減就小)；2、所需耦合電容器的容量小(可降低成本)；3、信道寬(以容納更多的信號通道)；4、能克服耦合電容器低壓端子雜散電容的不利影響；5、能阻止載波機入口環路中的50Hz幹擾電流。
結合濾波器由電抗元件及阻抗變換器組成，電抗元件在電路中的作用是不同的，用來阻止高頻電流流通的電抗元件稱為低通元件，用來阻止低頻電流流通的電抗元件稱為高通元件。即在電路中並臂電感和串臂電容稱為高通元件，並臂電容和串臂電感稱為低通元件。目前的結合濾波器電路一般不考慮耦合電容器低壓端子的對地雜散電容的影響，不考慮50Hz工頻電流在載波機環路中的幹擾，其結合濾波器電路有的只有高通元件，有的高、低通元件數配比不合理。令低通元件數與高通元件數之比為K，則只有高通元件電路K＝0(如圖7所示)，高低通元件數配比不合理的電路(如圖8所示K＝0.7)，K值欠佳的電路設計均不能使回波損耗在通頻帶內達到最大化，因此在使用時信號衰減較大，頻帶較窄，所需耦合電容器的容量大，同時也沒有考慮耦合電容器低壓端子雜散電容的不利影響，也不能阻止載波機入口環路中的50Hz幹擾電流，降低了繼電保護設備的可靠性，使結合濾波器的性能較差，成本較高。
本發明的目的是提供一種通過改變高低通電抗元件的配比及元件連接順序並優化元件參數來獲得能增大結合濾波器的回波損耗、展寬頻帶、減小所需耦合電容器容量和能克服雜散電容的不利影響以及能防止50Hz低頻竄擾電流幹擾的電力線載波結合濾波器電路的設計方法及其結合濾波器電路。
該電力線載波結合濾波器電路的設計方法，其步驟是1)根據給定的線路側電阻Ri、耦合電容器Cc、耦合電容器低壓端子對地雜散電容Cx和載波設備的等效電阻RL的實際參數，使RL上的功率P2之值儘可能逼近信號源可能供出的最大功率Pmax，即回波損耗儘可能大，回波損耗與功率的關係為AP＝0.5Ln〔Pmax/(Pmax－P2)〕2)根據波德衰減積分定理，導出回波損耗與頻率之間的關係為0(AP/f2)df=22RiCc-(1/Zj)]]>則對
圖10所示理想AP特性中在頻帶f1～f2間的最大回波損耗的理論極限值為APmax＝2π2f1f2〔Ri×Cc－∑(1/Zj)〕/(f2－f1)3)根據要增大f1～f2頻段內的回波損耗AP，必須儘量擬制0～f1低頻段的低頻電流和適量擬制f2～∞高頻段的高頻電流的規律，選用較多數目的高通元件來擬制低頻電流，選用較少數目的低通元件來擬制高頻電流；4)將高通元件和低通元件連接成最簡梯形電抗雙口網絡，網絡出口的串臂電容C與載波設備的入口端相連，網絡的入口與線路側耦合電容器Cc相連，網絡終端所接的載波設備，用等效電阻RL表示，阻抗變換器插入在雙口網絡的內部；5)用優化法優選低通元件與高通元件的比值K和反覆優化調整電路元件的參數，使在f1～f2頻段內的濾波器電路的元件參數能夠補償耦合電容低壓端子對地雜散電容的影響，使回波損耗AP的最小值最大化，使AP儘可能的逼近回波損耗最大極限值APmax；6)得出最終的電路結構、元件值和電路特性。
按照上述方法設計的結合濾波器電路，它介於耦合電容器和載波設備之間，由電抗元件和一個阻抗變換器組成，其特徵在於由電抗元件組成最簡梯形電抗雙口網絡，網絡出口為串臂電容C，它直接與載波設備的入口端相連，阻抗變換器T插接在網絡內部，其中低通電抗元件與高通電抗元件的個數之比K在0.25～0.5之間，即0.25≤K≤0.5。
本發明具有以下優點1.使用本結合濾波器電路的設計方法設計的電路其性能優於常規結合濾波器，回波損耗提高了15％；2.由於在設計結合濾波器電路時，已將耦合電容和雜散電容作為電路元件考慮，通過K值的合理設置及電路參數的優化，可以克服耦合電容器低壓端子雜散電容的不利影響(目前最大能克服的雜散電容達1500pF)，使產品符合GB7329-98《電力線載波結合設備》國家標準要求(目前，IEC481-74《電力載波結合設備》標準不考慮雜散電容的影響)；3.通過K值的合理設置，使結合濾波器在接電力線載波設備一側能有一個串臂電容C存在，能有效防止50Hz之類低頻竄擾電流的幹擾。
本發明的實施例參見下列各1～圖3為本發明5電抗元件電路原理4、圖5為本發明3電抗元件電路原理6為本發明圖2的產品結構電路7為現有產品只有高通電抗元件的電路原理8為現有產品高低通電抗元件數配比不合理的電路原理中Cc——耦合電容器 Cx——耦合電容器低壓端子對地雜散電容L1～L13——電感C——隔低頻分量電容C1～C3——電容 T——阻抗變換器J——載波機 Q——刀閘F——避雷器 RL——載波設備等效阻抗Ri——線路側等效阻抗 JL——結合濾波器線路側阻抗為300、400，電纜側阻抗為75、100，根據線路側和電纜側的阻抗選擇電感抽頭。
結合濾波器的工作條件如圖9所示，圖中Cc是高壓耦合電容器，Ri是電力線波阻抗，RL是載波設備的入口阻抗，Cx是耦合電容器低壓端子的對地雜散電容。對結合濾波器的設計要求是在給定Ri、Cc、Cx和RL的情況下，儘可能改善電力線與載波設備之間的阻抗匹配，即應使RL獲得的功率P2之值儘可能大。令電力線側等效信號源E和Ri能提供出的最大功率為Pmax，則回波損耗AP與Pmax和P2的關係為AP＝0.5Ln〔Pmax/(Pmax－P2)〕＝Ln|1/ρ(jω)|(奈)(1)式中|ρ(jω)|為反射係數，若將頻率變量jω開拓到復變頻率域S，則稱ρ(S)為反射函數，它可寫成因式的形式如下ρ(S)＝K〔(S－Z1)(S－Z2)…(S－ZK)…〕/〔(S－q1)(S－q2)…(S－qK)…〕其中ZK是ρ(S)的零點，qk是ρ(S)的極點，K為常數。
由式(1)可看出，當完全匹配時P2＝Pmax，AP→∞，ρ＝0，當完全失配時P2＝0，AP＝0，ρ＝1。因此，對結合濾波器的設計要求可改述為在上述條件下，使AP之值儘可能大。
通過波德(Bode)衰減積分定理，導出圖中電路的AP值要受如下限制0(AP/f2)df=22RiCc-(1/Zj)------(2)]]>式中Zj是ρ(s)在S右半平面上的零點。式(2)表明在正頻率軸上，AP曲線下的面積有一個限制，為了充分利用這塊受限制的面積，結合濾波器的理想特性應如圖10所示，在通帶f1到f2區間的AP值最大記為APmax，帶外的AP值為零，按式(2)可求出APmax＝2π2f1f2〔Ri×Cc－∑(1/Zj)〕/(f2－f1)(3)當然圖中這種特性是不可能物理實現的，只能儘可能的逼近它，當結合濾波器的電路愈複雜，採用的設計方法愈先進，逼近的程度就會愈好。另外還應注意到式(2)中被積函數的分母含有加權因子f2，所以頻率愈低處，其面積的權重愈大，這就提示我們雖然0～f1和f2～∞處的AP值都應壓低，但更應著力使零頻及其附近處的AP值儘可能更小，或者說壓低低頻帶外信號比壓低高頻帶外信號更重要。由(3)式可以看出，APmax之值除受Ri、Cc限制外，還與Zj有關，Zj的存在總是使APmax減小，Zj之值愈小愈甚。當沒有Cx時，ρ(s)可不含Zj項，因而具有較大的回波損耗APmax值。但是，只要耦合電容器存在，Cx就存在，當有Cx時，ρ(s)必需含有右半平面的根Zj，從而使APmax減小，Cx愈大愈甚。
由式(2)可以看出，要使0～f1低頻段的AP值小，即P2之值小，可採用高通元件來完成，要使f2～∞高頻段的AP值小，可採用低通元件。由於壓低低頻段的AP值比壓低高頻段的更重要，所以高通元件的個數應多於低通元件的個數。
電路實施例如下實施例1本實施例如圖1所示為5電抗元件電路原理圖，連接關係從左至右是串臂低通電感L1、並臂高通電感L2、串臂高通電容C1、並臂高通電感L3、阻抗變換器T、串臂高通電容C。該電路有四個高通電抗元件、一個低通電抗元件，低通電抗元件與高通電抗元件的個數之比K＝0.25，通過優化元件的參數達到克服耦合電容器低壓端子雜散電容的不利影響，增大AP之值。
實施例2本實施例如圖2、圖6所示為5電抗元件電路原理圖，連接關係從左至右是並臂高通電感L4、串臂低通電感L5、串臂高通電容C2、並臂高通電感L6、阻抗變換器T、串臂高通電容C。圖6為產品結構圖，適用於線路側阻抗為300Ω、400Ω和電纜側阻抗為75Ω、100Ω兩種情況。其它與實施例1相同。
實施例3本實施例如圖3所示為5電抗元件電路原理圖，連接關係從左至右是並臂高通電感L7、串臂高通電容C3、並臂高通電感L8、串臂低通電感L9、阻抗變換器T、串臂電容C。其它與實施例1相同。
實施例4本實施例如圖4所示為3電抗元件電路原理圖，連接關係從左至右是串臂低通電感L10、並臂高通電感L11、阻抗變換器T、串臂電容C。該電路有2個高通電抗元件、一個低通電抗元件，低通電抗元件與高通電抗元件的個數之比K＝0.5，通過優化元件的參數達到克服耦合電容器低壓端子雜散電容的不利影響，增大AP之值。
實施例5本實施例如圖5所示為3電抗元件電路原理圖，連接關係從左至右是並臂高通電感L12、串臂低通電感L13、阻抗變換器T、串臂電容C。其它與實施例4相同。
在220kV電力線載波通道上的結合濾波器採用如圖2所示的電路，耦合電容器的主電容Cc為3300pF、低壓端子雜散電容Cx為200pF，該結合濾波器電路電感L4為0.89mH、電感L5為0.1mH、電容C2為2300pF、電感L6為1.2mH、阻抗變換器T的變比為574/75Ω、串臂電容C為38997pF，載波頻率範圍為68～500kHz。原有的JL-400-B5型結合濾波器，如圖7所示，其工作頻率為72～500kHz，窄4kHz。阻抗變換器在通過工頻電流為20mA時高頻信號就開始發生畸變。當工頻電流達到500mA時，結合濾波器的阻抗變換器將發生飽和，載波機將不能工作，而本發明公開的結合濾波器電路在工頻電壓加至260V，工頻電流為零，未發生高頻信號衰耗增加現象。因此通過改變K值的配比和增加串臂電容C，即克服了低壓端子雜散電容的不利影響，又解決了阻止工頻電流幹擾的問題。
權利要求
1.一種電力線載波結合濾波器電路的設計方法，其步驟是1)根據給定的線路側電阻Ri、耦合電容器Cc、耦合電容器低壓端子對地雜散電容Cx和載波設備的等效電阻RL的實際參數，使RL上的功率P2之值儘可能逼近信號源可能供出的最大功率Pmax，即回波損耗儘可能大，回波損耗與功率的關係為AP＝0.5Ln(Pmax/(Pmax－P2)〕2)根據波德衰減積分定理，導出回波損耗與頻率之間的關係為0(AP/f2)df=22RiCc-(1/Zj)]]>則對理想AP特性的頻帶f1～f2間的最大回波損耗的理論極限值為APmax＝2π2f1f2〔Ri×Cc－∑(1/Zj)〕/(f2－f1)3)根據要增大f1～f2頻段內的回波損耗AP，必須儘量擬制0～f1低頻段的低頻電流和適量擬制f2～∞高頻段的高頻電流的規律，選用較多數目的高通元件來擬制低頻電流，選用較少數目的低通元件來擬制高頻電流；4)將高通元件和低通元件連接成最簡梯形電抗雙口網絡，網絡出口的串臂電容C與載波設備的入口端相連，網絡的入口與線路側耦合電容器Cc相連，網絡終端所接的載波設備，用等效電阻RL表示，阻抗變換器插入在雙口網絡的內部；5)用優化法優選低通元件與高通元件的比值K和反覆優化調整電路元件的參數，使在f1～f2頻段內的濾波器電路的元件參數能夠補償耦合電容低壓端對地雜散電容的影響，使回波損耗AP的最小值最大化，使AP儘可能的逼近回波損耗最大極限值APmax；6)得出最終的電路結構、元件值和電路特性。
2.一種按照權利要求1所述的方法而設計的結合濾波器電路，它位於耦合電容器和載波設備之間，由電抗元件和一個阻抗變換器組成，其特徵在於由電抗元件組成最簡梯形電抗雙口網絡，網絡出口為串臂電容C，它直接與載波設備的入口端相連，阻抗變換器T插接在網絡內部，其中低通電抗元件與高通電抗元件的個數之比K在0.25～0.5之間，即0.25≤K≤0.5。
3.根據權利要求2所述的結合濾波器電路，其特徵在於電抗元件與阻抗變換器T的連接關係從左至右是串臂低通電感L1、並臂高通電感L2、串臂高通電容C1、並臂高通電感L3、阻抗變換器T、串臂高通電容C。
4.根據權利要求2所述的結合濾波器電路，其特徵在於電抗元件與阻抗變換器T的連接關係從左至右是並臂高通電感L4、串臂低通電感L5、串臂高通電容C2、並臂高通電感L6、阻抗變換器T、串臂高通電容C。
5.根據權利要求2所述的結合濾波器電路，其特徵在於電抗元件與阻抗變換器T的連接關係從左至右是並臂高通電感L7、串臂高通電容C3、並臂高通電感L8、串臂低通電感L9、阻抗變換器T、串臂高通電容C。
6.根據權利要求2所述的結合濾波器電路，其特徵在於電抗元件與阻抗變換器T的連接關係從左至右是串臂低通電感L10、並臂高通電感L11、阻抗變換器T、串臂電容C。
7.根據權利要求2所述的結合濾波器電路，其特徵在於電抗元件與阻抗變換器T的連接關係從左至右是並臂高通電感L12、串臂低通電感L13、阻抗變換器T、串臂電容C。
全文摘要
一種電力線載波結合濾波器電路的設計方法及結合濾波器電路，它是根據給定的線路側電阻Ri、耦合電容器Cc、耦合電容器低壓端子對地雜散電容Cx和載波設備的等效電阻RL的實際參數得出，該電路的特徵在於由電抗元件組成最簡梯形電抗雙口網絡，網絡出口為串臂電容C，它直接與載波設備的入口端相連，阻抗變換器T插接在網絡內部，其中低通電抗元件與高通電抗元件的個數之比K在0.25～0.5之間。
文檔編號H02J13/00GK1239345SQ9910912
公開日1999年12月22日 申請日期1999年6月16日 優先權日1999年6月16日
發明者顏紹書, 陳宇輝, 杜宗斌 申請人:北京電力設備總廠