CN109782073B - 一种双芯电力线单位长度参数求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双芯电力线单位长度参数求解方法。该方法基于电磁仿真得到单位长度电阻和电感的准确值，得到单位长度电容和电导的合理估计值，进一步结合末端开路下始端的输入阻抗测量结果对估计值进行修正。在修正过程中，基于电力线的低损耗特性进行单位长度参数的影响分析，将单位长度电容和电导对末端开路下始端的输入阻抗的影响分离，简化了单位长度参数修正和求解的过程。该方法能有效避免直接测量方法导致的数据发散问题，由于拟合的参数数目较少，参数修正范围较小，可以采用简单的线性拟合方法，避免了非线性优化方法所需的复杂计算和容易导致的非因果性问题。

Description

一种双芯电力线单位长度参数求解方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种双芯电力线单位长度参数求解方法。

背景技术

电力线信道建模可以分为自底向上和自顶向下两类方法。自底向上方法基于传输线理论和网络拓扑结构计算信道传输和阻抗特性，难点在于电力线单位长度参数的准确获取。单位长度参数包括电阻、电感、电容和电导，从目前国内外相关研究工作看，单位长度参数主要获取方法包括：近似公式计算法，基于测量的方法，基于优化的方法，基于电磁仿真的方法。

基于近似公式计算单位长度参数时，由于实际电力线往往不能满足公式要求的介质均匀和导线宽间距的条件，所以无法得到通用的近似公式。

基于测量的方法计算单位长度参数时，由于开路和短路输入阻抗的极值在频域交替变化，受制于测量结果的精度，两者相乘或相除的结果会有较大的分散性，由此计算得到的单位长度参数误差较大。

基于优化的方法计算单位长度参数时，基于全部参数的最小误差作为优化目标，导致计算的复杂度较高。

基于电磁仿真方法得到单位长度参数，考虑了邻近效应的影响，能得到准确的单位长度电阻数值和电感数值。但是，由于不同电力线绝缘材料的高频特性也往往各不相同，仍然无法得到准确的单位长度电容数值和电导数值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种双芯电力线单位长度参数求解方法。该方法基于电磁仿真得到单位长度电阻和电感的准确值，得到单位长度电容和电导的合理估计值，进一步结合末端开路下始端的输入阻抗测量结果对估计值进行修正。在修正过程中，基于电力线的低损耗特性进行单位长度参数的影响分析，将单位长度电容和电导对末端开路下始端的输入阻抗的影响分离，简化了单位长度参数修正和求解的过程。该方法能有效避免直接测量方法导致的数据发散问题，由于拟合的参数数目较少，参数修正范围较小，可以采用简单的线性拟合方法，避免了非线性优化方法所需的复杂计算和容易导致的非因果性问题。

本发明实施例提供了如下技术方案：

一种双芯电力线单位长度参数求解方法，包括：

根据待测双芯电力线的两根导体的半径、间距以及周围绝缘介质的横截面尺寸，基于二维电磁场仿真工具提取单位长度电阻R的数值和电感L的数值；

预设待测双芯电力线的介电常数为第一数值，基于二维电磁场仿真工具提取待测的双芯电力线的单位长度电容C′，以C′作为实际单位长度电容修正的初值，计算得到末端开路下始端的输入阻抗；

将网络分析仪的端口1接到待测双芯电力线的始端，双芯电力线的末端开路，测量得到其反射系数S₁₁，根据所述反射系数S₁₁，测量得到待测双芯电力线末端开路下始端的输入阻抗为

基于计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗，利用线性修正方法对单位长度电容C和电导G进行求解，得到修正后的单位长度电容C和电导G。

其中，基于计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗，利用线性修正方法对单位长度电容C和电导G进行求解，得到修正后的单位长度电容C和电导G，具体包括：

设电导G＝0，利用线性修正方法对单位长度电容C进行求解，得到修正后的单位长度电容C；

在得到修正后的单位长度电容C的数值后，利用线性修正方法对单位长度电导G进行求解，得到修正后的单位长度电导G。

其中，设电导G＝0，利用线性修正方法对单位长度电容C进行求解，得到修正后的单位长度电容C，具体包括：

设实际电容

其中，基于f为频率值，f的取值范围为0～f_end，f_end为电磁仿真中设定的最大值，m和n为待定系数，m的取值范围为0.9～1.2，n≤0.02，根据频域前几个周期的误差，调整m使计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗振荡周期能较好吻合，如果在高频段吻合度不够理想，调整n使得计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗整个频段的振荡周期能满足精度要求，通过上述线性修正，使得整个频段内计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗的振荡周期基本一致，得到修正后的单位长度电容C的数值。

其中，在得到修正后的单位长度电容C的数值后，利用线性修正方法对单位长度电导G进行求解，得到修正后的单位长度电导G，具体包括：

调整损耗角正切tan(θ)的数值使得计算的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗的振荡幅度基本一致，得到修正后的单位长度电导G的数值。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的方法，本发明提出了一种双芯电力线单位长度参数求解方法，该方法基于电磁仿真得到单位长度电阻和电感的准确值，得到单位长度电容和电导的合理估计值，进一步结合末端开路下始端的输入阻抗测量结果对估计值进行修正。在修正过程中，基于电力线的低损耗特性进行单位长度参数的影响分析，将单位长度电容和电导对末端开路下始端的输入阻抗的影响分离，简化了单位长度参数修正和求解的过程。该方法能有效避免直接测量方法导致的数据发散问题，由于拟合的参数数目较少，参数修正范围较小，可以采用简单的线性拟合方法，避免了非线性优化方法所需的复杂计算和容易导致的非因果性问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种双芯电力线单位长度参数求解方法的示意图；

图2为计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗结果对比示意图；

图3为使得计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗振荡周期基本一致的示意图；

图4为使得计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗振荡幅度基本一致的示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，基于电磁仿真方法，如何得到准确的电力线单位长度电容和电导数值，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种双芯电力线单位长度参数求解方法，本发明的核心思想是，基于电磁仿真得到单位长度电阻和电感的准确值，得到单位长度电容和电导的合理估计值，进一步结合末端开路下始端的输入阻抗测量结果对估计值进行修正。在修正过程中，基于电力线的低损耗特性进行单位长度参数的影响分析，将单位长度电容和电导对末端开路下始端的输入阻抗的影响分离，简化了单位长度参数修正和求解的过程。该方法能有效避免直接测量方法导致的数据发散问题，由于拟合的参数数目较少，参数修正范围较小，可以采用简单的线性拟合方法，避免了非线性优化方法所需的复杂计算和容易导致的非因果性问题。

首先，介绍一下电容C和电导G，具体如下：

实际中低压电力线常使用PVC等材料作为绝缘层和护套，其介电常数受材料特性、加工工艺和填充物的影响，而且是频率的弱相关函数。与电容并联的电导，同样与绝缘材料有关。实际电力线绝缘材料主要考虑50Hz下的绝缘性能，随着频率的升高，介质中将流过更大的由偶极子运动形成的漏电流。为了全面描述绝缘材料的这两种电气特性，需要引入复介电常数

ε_r＝ε'_r-iε”_r

其中，ε'_r为与电容值有关的介电常数，ε”_r代表损耗相关部分。

实际中，多采用损耗角正切tan(θ)描述电导G

G＝ωtan(θ)C

其中，ω为信号的角频率，ω＝2πf，f为频率，f的单位为Hz。

图1是一种双芯电力线单位长度参数求解方法的示意图，所述方法包括：

步骤101：根据待测双芯电力线的两根导体的半径、间距以及周围绝缘介质的横截面尺寸，基于二维电磁场仿真工具提取单位长度电阻R的数值和电感L的数值。

其中，二维电磁场仿真工具有多种，例如ANSYS的二维电磁场仿真工具，本发明中可以用ANSYS的二维电磁场仿真工具来提取单位长度电阻R的数值和电感L的数值，当然可以用其它的公司的二维电磁场仿真工具提取单位长度电阻R的数值和电感L的数值，在此并不进行限定。

步骤102：预设待测双芯电力线的介电常数为第一数值，基于二维电磁场仿真工具提取待测的双芯电力线的单位长度电容C′，以C′作为实际单位长度电容修正的初值，计算得到末端开路下始端的输入阻抗。

电力线的特性阻抗Z_c和传播常数γ如下：

末端开路下始端的输入阻抗为：

一般线路满足低损耗线条件：R<<ωL和G<<ωC。则电力线的特性阻抗Z_c和传播常数γ可近似为：

则末端开路下始端的输入阻抗Z_ino可简化为

将仿真提取到的单位长度参数代入上式，即可以得到末端开路下始端的输入阻抗的计算结果。

其中，介电常数用ε'_r来表示，用户可以根据实际情况设置介电常数的数值，例如可以预设介电常数为ε'_r＝3。

步骤103：将网络分析仪的端口1接到待测双芯电力线的始端，双芯电力线的末端开路，测量得到其反射系数S₁₁，根据所述反射系数S₁₁，测量得到待测双芯电力线末端开路下始端的输入阻抗为

步骤104：基于计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗，利用线性修正方法对单位长度电容C和电导G进行求解，得到修正后的单位长度电容C和电导G。

其中，在修正过程中，基于电力线的低损耗特性进行单位长度参数的影响分析，将单位长度电容和电导对末端开路下始端的输入阻抗的影响分离，即分别对单位长度电容C和电导G进行修正，以便简化单位长度参数求解的过程。

步骤1041：设电导G＝0利用线性修正方法对单位长度电容C进行求解，得到修正后的单位长度电容C，具体过程包括：

设实际电容

其中，基于f为频率值，f的取值范围为0-f_end，f_end为电磁仿真中设定的最大值，m和n为待定系数，m的取值范围为0.9～1.2，n≤0.02，根据频域前几个周期的误差，调整m使计算得到的Z_ino和测量得到的Z_inm振荡周期能较好吻合。如果在高频段吻合度不够理想，调整n使得计算得到的Z_ino和测量得到的Z_inm整个频段的振荡周期能满足精度要求。通过上述线性修正，使得整个频段内计算得到的Z_ino和测量得到的Z_inm的振荡周期基本一致，从而得到修正后的单位长度电容C的数值，修正后的单位长度电容C的数值即为准确值。

其中，在对单位长度电容C进行求解时，将设tan(θ)＝0，即设电导G＝0，忽略电导G，先对单位长度电容C进行修正，得到修正后的单位长度电容C。在得到修正后的单位长度电容C的基础上，再对单位长度电导G进行修正，得到修正后的电导G。即将单位长度电容和电导对末端开路下始端的输入阻抗的影响分离，即分别对单位长度电容C和电导G进行修正，以便简化单位长度参数求解的过程。

随着频率的变化，当

时，Z_ino为峰值，当

时，Z_ino为谷值。这两种情况下Z_ino的相位为0°，呈阻性。当

时，Z_ino＝Z_C，相位达到极值。末端开路下始端的输入阻抗的振荡周期与

的周期相同，由一次参数L、C和线路长度l决定。当l已知,L通过仿真得到后，可以根据Z_ino得到C的具体数值。Z_ino的振荡周期与L和C的乘积有关，而末端开路下始端的输入阻抗均值Z_C由L和C的比值决定。当求得的C使振荡周期吻合时，也会同时使末端开路下始端的输入阻抗的均值具有较好的吻合度，这样进一步验证了L和C的准确性。即C只影响末端开路下始端的输入阻抗的振荡周期和均值，据此，可以先修正C，使得修正后的C的数值更加准确，即得到准确的单位长度电容C的数值。

步骤1042：在得到修正后的单位长度电容C的数值后，利用线性修正方法对单位长度电导G进行求解，得到修正后的单位长度电导G，具体过程包括：

调整tan(θ)的数值使得计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗的振荡幅度基本一致，从而得到修正后的单位长度电导G的数值，修正后的单位长度电导G的数值即为准确值。

Z_ino的振荡幅度由

决定，受R和G频变性的影响，随着频率的升高，Z_ino的振荡幅度越来越小。由于R基本上与频率的平方根成正比，G则随频率线性增加。当频率较低时，G的数值很小，R的影响占主要地位，由此可以根据低频段的阻抗数值验证R仿真的正确性。在高频段，G对Z_ino振荡幅度的影响变大，成为主要因素。即G只影响末端开路下始端的输入阻抗振荡幅度的衰减规律，据此，可以根据高频段的阻抗数值修正G，使得修正后的G的数值更准确，即得到准确的单位长度电导G的数值。

可见，本发明所述的上述方法，基于电磁仿真得到单位长度电阻和电感的准确值，得到单位长度电容和电导的合理估计值，进一步结合末端开路下始端的输入阻抗测量结果对估计值进行修正。即本发明融合了电磁仿真计算和辅助测量两种单位长度参数求解方法，利用辅助测量结果对电磁仿真得到的单位长度电容和电导进行线性修正，从而得到修正后的单位长度电容和电导，避免了复杂非线性方法的使用。本发明在修正过程中，基于电力线在30kHz-30MHz频带范围内的低损耗特性进行单位长度参数的影响分析，将单位长度电容和电导对末端开路下始端的输入阻抗的影响分离，即依次进行单位长度电容的修正和电导的修正，避免了单位长度电容和电导同时修正带来的复杂性，简化了单位长度参数修正和求解的过程。该方法能有效避免直接测量方法导致的数据发散问题，由于拟合的参数数目较少，参数修正范围较小，可以采用简单的线性拟合方法，避免了非线性优化方法所需的复杂计算和容易导致的非因果性问题。

而且，本发明所述的方法以末端开路下始端的输入阻抗模值和相角的测量结果为参考，进行单位长度参数求解和验证，该方法简单易行，可信度高。

本发明所述的方法不受双芯电力线结构的影响，不需要预先测量电力线绝缘介质的介电常数，单位长度参数求解方法具有广泛适用性。

本发明所述的方法相对于单一电磁仿真的方法，得到的单位长度参数精度有了明显提高。

本发明所述的方法相对于单一测量的方法，得到的单位长度参数精度有了明显提高。

下面举例说明，以某型号长度为200米的电力线为例，根据二维电磁场仿真工具得到的单位长度参数初值计算得到的末端开路下始端的输入阻抗Z_ino和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗Z_inm结果如图2所示。

通过步骤1041上述线性修正，通过调整m和n的值使得整个频段内计算得到的末端开路下始端的输入阻抗Z_ino和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗Z_inm的振荡周期基本一致，如图3所示，从而得到修正后的单位长度电容C的数值。

在得到修正后的单位长度电容C的数值后，通过步骤1042上述线性修正，调整tan(θ)的数值使得计算得到的末端开路下始端的输入阻抗Z_ino和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗Z_inm的振荡幅度基本一致，如图4所示，从而得到修正后的单位长度电导G的数值。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种双芯电力线单位长度参数求解方法，其特征在于，包括：

根据待测双芯电力线的两根导体的半径、间距以及周围绝缘介质的横截面尺寸，基于二维电磁场仿真工具提取单位长度电阻R的数值和电感L的数值；

预设待测双芯电力线的介电常数为第一数值，基于二维电磁场仿真工具提取待测的双芯电力线的单位长度电容C′，以C′作为实际单位长度电容修正的初值，计算得到末端开路下始端的输入阻抗；

将网络分析仪的端口1接到待测双芯电力线的始端，双芯电力线的末端开路，测量得到其反射系数S₁₁，根据所述反射系数S₁₁，测量得到待测双芯电力线末端开路下始端的输入阻抗为

基于计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗，利用线性修正方法对单位长度电容C和电导G进行求解，得到修正后的单位长度电容C和电导G。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗，利用线性修正方法对单位长度电容C和电导G进行求解，得到修正后的单位长度电容C和电导G，具体包括：

设电导G＝0，利用线性修正方法对单位长度电容C进行求解，得到修正后的单位长度电容C；

在得到修正后的单位长度电容C的数值后，利用线性修正方法对单位长度电导G进行求解，得到修正后的单位长度电导G。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，设电导G＝0，利用线性修正方法对单位长度电容C进行求解，得到修正后的单位长度电容C，具体包括：

设单位长度电容

其中，基于f为频率值，f的取值范围为0～f_end，f_end为电磁仿真中设定的最大值，m和n为待定系数，m的取值范围为0.9～1.2，n≤0.02，根据频域前几个周期的误差，调整m使计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗振荡周期能较好吻合，如果在高频段吻合度不够理想，调整n使得计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗整个频段的振荡周期能满足精度要求，通过上述线性修正，使得整个频段内计算得到的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗的振荡周期基本一致，得到修正后的单位长度电容C的数值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在得到修正后的单位长度电容C的数值后，利用线性修正方法对单位长度电导G进行求解，得到修正后的单位长度电导G，具体包括：

调整损耗角正切tan(θ)的数值使得计算的末端开路下始端的输入阻抗和测量得到的末端开路下始端的输入阻抗的振荡幅度基本一致，得到修正后的单位长度电导G的数值。

Images