電力線載波應用於用戶與變壓器關聯活線測定之研究Study of Connectivity Identification of Distribution and Customers Served by Using Power Line Carrier
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(2) ※※※※※※※※※※※※※※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ 本報告書僅供 ※ ※ 政府機關參考 ※ ※ 請勿轉載 ※ ※ ※ ※ ※※※※※※※※※※※※※※.
(3) 台灣電力股份有限公司 九 十 六 年 度 研 究 報 告. 電 力 線 載 波 應 用 於 用 戶 與 變 壓 器 關 聯 活 線 測 定 之 研 究 完 成 報 告.
(4) 計畫編號（GRB 檔）：TPC-546-4839-9503. 電力線載波應用於用戶與變壓器 關聯活線測定之研究. 完成報告. 研 究 方 式： 合作研究 執 行 期 間： 95 年 06 月 01 日至 96 年 05 月 31 日 計畫主持人： 陳朝順（國立中山大學） 張文曜（綜合研究所） 研 究 人 員：辜德典、周志興、柳瓊惠（國立中山大學） 朱侑庭（國立高雄應用科技大學） 張洋三、張文奇、蔡森洲（綜合研究所）. 執 行 單 位： 台灣電力公司綜合研究所 國立中山大學電機工程系.
(5) 中文摘要 本計畫主要目的在於探討電力線載波信號傳輸特性，完成電力線載波電 磁干擾影響，研發多點對多點之電力線載波檢測器，並針對不同類型之負載 型式（含住宅大樓、商業辦公大樓及住商混合大樓） ，進行電力線載波信號測 試，以提供未來各區處完成配電變壓器與受電用戶連結關係之確認，有效提 升配電系統停限電運轉圖資系統（OMS）之資料符合性，如此將可支援低壓 事故之搶修效率，亦可評估配電變壓器之負載管理。 本計畫針對不同類型之配電變壓器接線方式，如 1ψ2W、1ψ3W、3ψ3W 及 3ψ4W，分析電力線載波信號傳輸之特性，同時考慮用戶之用電而評估電 力線載波之電磁干擾分析。對於電力線載波檢測器之開發，則將選擇合適之 電力線載波晶片，配合信號耦合器、信號傳送器及接收器之開發，完成電力 線載波整合模組，並在實驗室內之測試平台進行各種性能及電磁干擾測試及 調整。另外配合台電營業區處，選擇不同的負載型式，進行本檢測器之現場 測試，驗証本檢測器在辨識配電變壓器組別所供電之所有用戶。在完成現場 效能測試後，本計畫與測試單位現場人員檢討本檢測器，以進一步提升本檢 測器之性能及操作性。 由於配電系統配電變壓器數量非常龐大，加上低壓接戶線相當複雜，靠 目視及停電驗証來確認配電變壓器及用戶連結關係，將不易達成且很可能產 生誤判。本計畫之完成，將可完成配電變壓器與用戶連結關係之確認，對日 後配電系統之運轉與維護，提供重要之助益。 本計畫之執行，首先藉由電腦模擬，分析電力線載波信號在配電系統低 壓接戶線之信號衰減特性，並研發電力線載波檢測模組。目前已完成關聯性 檢測器及進行現場量測，初步結果証實所開發之電力線載波檢測模組，可成 功的應用於配電變壓器與供電用戶連結關係之確認，目前已進一步提升此關 聯性檢測器之效能，針對各種不同類型用戶之負載特性，進行載波檢測器之 量測，並進一步分析電磁干擾特性。. I.
(6) Abstract This project is to investigate the signal transmission characteristics and electromagnetic interference (EMI) of power line carrier (PLC) used in distribution systems. The PLC based testing system will be developed to support the identification of distribution transformer and all the customers served. The residential building, commercial and office building, the building mix of residential and commercial customers, are selected as the testing sites for PLC testing. With this testing system developed, distribution engineers can identify the connectivity of each distribution transformer and the customers, which can enhance the practicability of OMS system, the efficiency of outage restoration and the transformer load management. This project will study the power line carrier signal transmission for different types of distribution transformers to serve 1ψ2W, 1ψ3W, 3ψ3W and 3ψ4W. The interference of customer loading and EMI to the testing set will be analyzed too. A proper PLC chip will be selected and the circuits of signal coupling module, signal transceiver module are going to be integrated as a single PLC based testing unit. The factory testing will be conducted to verify the performance fine tune the PLC unit. After completing the testing, the field acceptance test of the PLC unit developed will be conducted to verify the effective-ness of the system for the identification of all customers served by each transformer. With the voluminous distribution transformers and complexity of low voltage lines between transformer and the customer metering box, the traditional way to identify the connectivity of transformer and customers by disconnecting the customer service will raise serious complaints of power interruption. The PLC testing unit will provide a very effective tool for Taipower engineers to support the connectivity verification of transformer and customers, which will be very important to enhance the operation and maintenance of distribution systems. This project has completed the attenuation simulation of power line carrier signal on the low voltage lines. The prototype of PLC identification module has been developed and field test has been executed. It is concluded that the PLC module can identify the connectivity of customers served by distribution transformers. In the future, the research team will focus on the performance enhancement of the PLC module and fulfill the intensive test of the module for various customer type with different load characteristics. The Electromagnetic interference of PLC module will be investigated as well. II.
(7) 目. 錄. 緒論…………………………………………….……………….. 1. 1-1 研究背景….……………………….……………………………. 1. 1-2 研究目標與步驟.……………………………………….………. 2. 1-3 計畫章節概要………………………………………………….. 4. 第一章. 電力線載波發展現況….………………………………………. 6. 2-1. 前言………….……………………………………………….... 6. 2-2. 各類型載波晶片傳輸特性……………………………………. 6. 2-2-1 A 廠牌 NPL 載波晶片…..……………………………... 7. 2-2-2 B 廠牌 NPL 載波晶片…..……………………………... 9. 國際規範摘錄…………………………………………………. 13. 2-3-1 電磁輻射相關規範…..……………………………….. 13. 2-3-2 頻段規範…..…………………………………………... 16. 2-3-3 信號雜訊比…………………………………………….. 16. 配電系統元件等效電路模型…….…………………………... 18. 前言……………..…………………..………………………….. 18. 3-2 低壓配電變壓器等效電路…………………………………….. 18. 3-2-1 單相配電變壓器等效電路…..……………………….... 19. 3-2-2 Y 接地－Y 接地連接之配電變壓器等效電路……….. 21. 3-2-3 開 Y－開 Δ 連接之配電變壓器等效電路…………….. 23. 3-2-4 Δ－Δ 連接之配電變壓器等效電路………………….. 25. 第二章. 2-3. 第三章 3-1. 3-3 低壓接戶線等效電路………………………………………….. 27. 3-3-1 電阻值參數之決定…………………………………….. 29. 3-3-2 電感值參數之決定………….…………………………. 29. 3-3-3 電容值參數之決定.……………………………………. 30. 3-3-4 電導值參數之決定…………..……………………….... 32. III.
(8) 3-4 用戶端之等效電路…………………………………………….. 32. 3-4-1 匯流排網路等效電路………………………………….. 35. 3-4-2 星型網路等效電路………….…………………………. 36. 第四章. 電力線載波信號傳輸特性分析……………………………….. 38. 4-1. 前言…………………..………………….……..………………. 38. 4-2. 配電變壓器之載波信號傳輸特性…………………………….. 38. 4-2-1 單相配電變壓器之傳輸特性模擬…………………….. 39. 4-2-2 Y 接地－Y 接地連接之配電變壓器傳輸特性模擬….. 40. 4-2-3 開 Y－開△連接之配電變壓器傳輸特性模擬……….. 41. 4-2-4 △－△連接之配電變壓器傳輸特性模擬…………….. 42. 低壓接戶線之載波信號傳輸特性…………………………….. 43. 4-3-1 三導體地下接戶線之載波信號模擬分析…………….. 43. 4-3-2 三導體架空線之載波信號模擬分析………………….. 45. 4-3-3 二導體地下接戶線之載波信號模擬分析…………….. 47. 用戶端之載波信號傳輸特性….................................................. 49. 4-4-1 匯流排網路之傳輸特性模擬………………………….. 53. 4-4-2 星型網路之傳輸特性模擬…………………………….. 55. 4-4-3 25kVA 配電變壓器供電之用戶端傳輸特性模擬…….. 57. 4-4-4 50kVA 配電變壓器供電之用戶端傳輸特性模擬…….. 59. 4-4-5 100kVA 配電變壓器供電之用戶端傳輸特性模擬……. 61. 4-5. 載波信號之駐波效應................................................................. 63. 第五章. 電力線載波電磁干擾分析與實測.............................................. 67. 5-1. 前言………………….……..……………................................... 67. 5-2. 載波信號干擾源分析…….…………………………………….. 67. 5-3. 傳導性電磁干援量測…………………………………………... 69. 5-4. 輻射性電磁干擾量測…………………………………………... 73. 4-3. 4-4. IV.
(9) 第六章. 配電變壓器與用戶關聯性之檢測器之設計............................. 76. 6-1. 前言………………….……..…………….................................. 76. 6-2. 載波信號耦合電路設計….……………………………………. 79. 6-2-1 信號耦合單元………………………………………….. 79. 6-2-2 濾波及信號放大電路………………………………….. 82. 6-2-3 濾波及信號驅動電路………………………………….. 83. 6-3. 電源供應電路設計…..…………………………………………. 84. 6-4. 資料處理單元設計…..…………………………………………. 88. 6-5. 檢測系統整合與測試….………………………………………. 91. 第七章. 關聯性檢測器之實測結果分析................................................ 94. 7-1. 前言………………….……..…………….................................. 94. 7-2. 住宅類型用戶載波信號量測分析.……………………………. 94. 7-2-1 住宅類型用戶尖峰時段量測分析……………………. 96. 7-2-2 住宅類型用戶離峰時段量測分析……………………. 98. 商業類型用戶載波信號量測分析……………………………. 98. 7-3-1 商宅類型用戶尖峰時段量測分析……………………. 101. 7-3-2 商宅類型用戶離峰時段量測分析……………………. 103. 7-4. 住商混合用戶載波信號量測分析……………………………. 106. 第八章. 結論及後續工作…..…………………………………………... 108. 7-3. 8-1. 結論……………………………………………………………. 108. 8-2. 建議……………………………………………………………. 109. 參考文獻 …………………………………………………………………. 111 附錄 A. …………………………………………………………………. 114. 附錄 B. …………………………………………………………………. 121. V.
(10) 圖. 目. 錄. 圖 1.1. 計畫流程圖…………………………………..……………….. 3. 圖 2.1. 相移調變方式…………………………………………………. 8. 圖 2.2. A 廠牌窄頻載波晶片頻率分佈………................................... 8. 圖 2.3. 不同負載阻抗下之載波信號衰減量........................................ 9. 圖 2.4. 接收端所使用之頻段區別........................................................ 11. 圖 2.5. 主頻段傳送資料封包之載波波形............................................ 11. 圖 2.6. 次頻段傳送資料封包之載波波形............................................ 12. 圖 2.7. 同時使用主頻段與次頻段傳送資料封包之載波波形............ 12. 圖 2.8. North American 與 CENELEC 定義之頻段使用規範............. 13. 圖 3.1. 單相配電變壓器高頻等效電路................................................ 19. 圖 3.2. 簡化後之單相配電變壓器高頻等效電路................................ 20. 圖 3.3. Y 接地－Y 接地連接之配電變壓器接線型式......................... 21. 圖 3.4. 三相配電變壓器原始網路........................................................ 22. 圖 3.5. Y 接地－Y 接地連接之配電變壓器等效電路........................ 23. 圖 3.6. 開 Y－開 Δ 連接之配電變壓器接線型式............................... 23. 圖 3.7. 開 Y－開 Δ 連接之配電變壓器等效電路............................... 24. 圖 3.8. Δ－Δ 連接之配電變壓器接線型式.......................................... 25. 圖 3.9. Δ－Δ 連接之配電變壓器等效電路.......................................... 26. 圖 3.10. 低壓接戶線細分成 N 個區段進行分析................................... 27. 圖 3.11. 單位長度下之低壓接戶線等效電路........................................ 27. 圖 3.12. 三導體地下接戶線配置方式、電容分佈與等效電路............ 31. 圖 3.13. 二導體地下接戶線配置方式、電容分佈與等效電路............ 31. 圖 3.14. 三導體架空線配置方式、電容分佈與等效電路.................... 32. 圖 3.15. 雙埠網路基本形式.................................................................... 33. 圖 3.16. ABCD 參數在不同形式下之表示方式.................................... 34. 圖 3.17. 匯流排網路拓樸形式................................................................ 35. 圖 3.18. 星型網路拓樸形式.................................................................... 37. VI.
(11) 圖 4.1. 單相配電變壓器之傳輸特性模擬............................................. 39. 圖 4.2. Y 接地－Y 接地連接之配電變壓器傳輸特性模擬................. 40. 圖 4.3. 開 Y－開 Δ 連接之配電變壓器傳輸特性模擬........................ 41. 圖 4.4. Δ－Δ 連接之配電變壓器傳輸特性模擬................................... 42. 圖 4.5. 三導體地下接戶線之信號衰減量............................................. 44. 圖 4.6. 三導體地下接戶線之特性阻抗......... ....................................... 44. 圖 4.7. 三導體地下接戶線之線路長度與信號衰減量比較................. 45. 圖 4.8. 三導體架空線之信號衰減量..................................................... 46. 圖 4.9. 三導體架空線之特性阻抗......................................................... 46. 圖 4.10. 三導體架空線之線路長度與信號衰減量比較......................... 47. 圖 4.11. 二導體地下接戶線之信號衰減量............................................. 48. 圖 4.12. 二導體地下接戶線之特性阻抗................................................. 48. 圖 4.13. 二導體地下接戶線之線路長度與信號衰減量比較................. 49. 圖 4.14. 電冰箱之阻抗與相角曲線圖..................................................... 50. 圖 4.15. 收音機之阻抗與相角曲線圖..................................................... 50. 圖 4.16. 電風扇之阻抗與相角曲線圖..................................................... 51. 圖 4.17. 電視機之阻抗與相角曲線圖..................................................... 51. 圖 4.18. 電腦主機之阻抗與相角曲線圖................................................. 52. 圖 4.19. 冷氣機之阻抗與相角曲線圖..................................................... 52. 圖 4.20. 匯流排網路之用戶結構............................................................. 53. 圖 4.21. 匯流排網路型式之各用戶信號衰減量（電視機）................. 54. 圖 4.22. 匯流排網路型式之各用戶信號衰減量（電冰箱）................. 54. 圖 4.23. 星型網路之用戶結構.................................................................. 55. 圖 4.24. 星型網路型式之各用戶信號衰減量（電視機）...................... 56. 圖 4.25. 星型網路型式之各用戶信號衰減量（電冰箱）..................... 56. 圖 4.26. 25kVA 配電變壓器供電之用戶架構圖..................................... 57. 圖 4.27. 25kVA 配電變壓器各群組用戶端信號衰減量（電視機）...... 58. 圖 4.28. 25kVA 配電變壓器各群組用戶端信號衰減量（電冰箱）...... 58. VII.
(12) 圖 4.29. 50kVA 配電變壓器供電之用戶架構圖...................................... 59. 圖 4.30. 50 kVA 配電變壓器各群組用戶端信號衰減量(電視機)........ 60. 圖 4.31. 50 kVA 配電變壓器各群組用戶端信號衰減量(電冰箱)........ 60. 圖 4.32. 100kVA 配電變壓器供電之用戶架構圖.................................. 61. 圖 4.33. 簡化後之 100kVA 配電變壓器供電架構圖............................. 62. 圖 4.34. 100 kVA 配電變壓器各群組用戶端信號衰減量(電視機)....... 62. 圖 4.35. 100 kVA 配電變壓器各群組用戶端信號衰減量(電冰箱)....... 63. 圖 4.36. 低壓接戶線產生駐波效應之示意圖......................................... 64. 圖 4.37. 固定長度(300M) 低壓接戶線隨頻率變動之駐波比(電視機). 65. 圖 4.38. 固定長度(300M) 低壓接戶線隨頻率變動之駐波比(冷氣機). 65. 圖 4.39. 不同長度低壓接戶線與頻率變動之駐波比（電視機）......... 66. 圖 4.40. 不同長度低壓接戶線與頻率變動之駐波比（冷氣機）......... 66. 圖 5.1. 共模干擾之示意圖…………………………………………….. 68. 圖 5.2. 差模干擾之示意圖……………………………………………. 68. 圖 5.3. 傳導性干擾量測架構圖………………………………………. 69. 圖 5.4. 無載情況下之傳導性 MEI（火線）…………………………. 70. 圖 5.5. 無載情況下之傳導性 MEI（地線）…………………………. 70. 圖 5.6. 使用ㄧ台電腦下之傳導性 EMI（火線）………………….... 70. 圖 5.7. 使用ㄧ台電腦下之傳導性 EMI（地線）……………………. 70. 圖 5.8. 使用二台電腦下之傳導性 EMI（火線）……………………. 71. 圖 5.9. 使用二台電腦下之傳導性 EMI（地線）……………………. 71. 圖 5.10. 使用三台電腦下之傳導性 EMI（火線）……………………. 71. 圖 5.11. 使用三台電腦下之傳導性 EMI（地線）……………………. 71. 圖 5.12. 使用四台電腦下之傳導性 EMI（火線）……………………. 72. 圖 5.13. 使用四台電腦下之傳導性 EMI（地線）……………………. 72. 圖 5.14. 無載情況下之傳導性 EMI……………………………………. 73. 圖 5.15. 使用四台電腦下之傳導性 EMI………………………………. 73. 圖 5.16. 傳導性 EMI 與載波信號之頻譜……………………………... 73. VIII.
(13) 圖 5.17. 輻射性電磁干擾實際量測架構圖……………………………. 圖 5.18. 未發送載波訊號前之輻射性 EMI（60kHz~140kHz）……… 74. 圖 5.19. 發送載波訊號後之輻射性 EMI（60kHz~140kHz）………... 74. 圖 5.20. 未發送載波訊號前之輻射性 EMI（0kHz~230kHz）……….. 75. 圖 5.21. 發送載波訊號後之輻射性 EMI（0kHz~230kHz）…………. 75. 圖 6.1. 載波與電力信號疊加示意圖.................................................... 77. 圖 6.2. 資料信號與 FSK 調變之關係圖.............................................. 78. 圖 6.3. 電力線載波信號耦合與濾波單元........................................... 79. 圖 6.4. 信號耦合電路........................................................................... 80. 圖 6.5. 帶通濾波器電路....................................................................... 83. 圖 6.6. 信號放大電路........................................................................... 83. 圖 6.7. 濾波及信號驅動電路............................................................... 84. 圖 6.8. 交換式電源供應器電路........................................................... 86. 圖 6.9. 交換式電源供應器之電子元件配置....................................... 86. 圖 6.10. 資料處理單元電路圖............................................................... 88. 圖 6.11. 資料處理單元之電子元件配置............................................... 88. 圖 6.12. 資料處理單元動作流程…….................................................. 89. 圖 6.13. 資料處理單元功能操作流程................................................... 91. 圖 6.14. 關聯性檢測器之系統方塊圖................................................... 92. 圖 6.15. 關聯性檢測器電路架構........................................................... 93. 圖 7.1. 住宅大樓配電變壓器排列方式……………………………... 95. 圖 7.2. 住宅大樓配電變壓器實際位置與引出之接戶線方向……... 95. 圖 7.3. 地下配電室至 T01 集中表箱距離………………………….. 97. 圖 7.4. 住宅大樓之 T01 集中表箱位置…………………………….. 97. 圖 7.5. 商業大樓配電變壓器排列方式…………………………….. 99. 圖 7.6. 商業大樓配電變壓器實際位置…………………………….. 100. 圖 7.7. 商業大樓集中表箱位置……………………………..………. 102. 圖 7.8. 發生信號耦合現象之表後開關配置圖…………………….. 103. 圖 7.9. 亭置式變壓器位置與供電範圍…………………………….. 107. IX. 74.
(14) 表. 目. 錄. 表 2.1. 寬頻與窄頻電力線載波通訊之特性比較.................................. 7. 表 2.2. FCC Part-15 規範之輻射場強度限制…………………………. 14. 表 2.3. CISPR22 規定之設備主要連接埠傳導性干擾限制………….. 15. 表 2.4. CISPR22 規定之設備通訊埠傳導性非對稱干擾限制……….. 15. 表 2.5. CISPR22 規定之設備輻射性干擾限制……………………….. 15. 表 2.6. NB30 制定之電場強度限制…………………………………... 15. 表 2.7. EN50083 所制定之輻射場強度限制………………………….. 16. 表 3.1. 低壓接戶線各元素係數值…………………………………….. 28. 表 4.1. 不同額定容量之配電變壓器 R、L 與 C 參數值...................... 38. 表 5.1. 電磁波之干擾來源…………………………………………….. 69. 表 7.1. 住宅大樓於 16:10 量測之各組配電變壓器電流值.................. 94. 表 7.2. 住宅大樓於 20:25 量測之各組配電變壓器電流值.................. 94. 表 7.3. 變動頻率下之住宅大樓尖峰時段信號/雜訊強度.................... 96. 表 7.4. 變動頻率下之住宅大樓離峰時段信號/雜訊強度.................... 98. 表 7.5. 商業大樓於 14:45 量測之各組配電變壓器電流值.................. 99. 表 7.6. 商業大樓於 19:45 量測之各組配電變壓器電流值................. 100. 表 7.7. 變動頻率下之商業大樓尖峰時段信號/雜訊強度................... 102. 表 7.8. T03 配電變壓器表後開關所收到之載波信號......................... 103. 表 7.9. T05 配電變壓器表後開關所收到之載波信號......................... 103. 表 7.10. T03 於特定頻率下之載波信號強度......................................... 105. 表 7.11. T03 於特定頻率下接收到 T05 耦合之載波信號強度............ 105. 表 7.12. 變動頻率下之商業大樓離峰時段信號/雜訊強度.................. 105. X.
(15) 第一章. 緒論. 1-1 研究背景 由於台電配電系統變壓器數量非常龐大，加上低壓接戶線相當複雜，靠 目視及停電驗証來確認變壓器及用戶連結關係，是不易達成且很可能產生誤 判，尤其是地下配電系統亦難判斷變壓器與供電用戶之間的關係。因此本計 畫利用電力線載波來研發出多點對多點之檢測器來驗證變壓器與用戶之間的 連結關係。目前台電配電變壓器接線方式相當複雜，其方式有 1ψ2W、1ψ 3W、3ψ3W 及 3ψ4W 等數種類型，每種接線方式對載波信號的傳遞，所造 成之影響也會有所不同。在分析電力線載波信號傳輸特性的同時，也必須考 慮用戶用電狀況來評估載波信號之電磁干擾影響，因此，以電力線載波為基 礎之關聯性檢測器的開發，必須選擇合適之電力線載波晶片，配合信號耦合 器、信號傳送器及接收器，來完成載波信號量測與整合，並同時探討載波信 號之傳輸特性，以完成電力線載波之電磁干擾影響。此外亦須針對不同類型 之負載型式，如住宅大樓、商業辦公大樓及住商混合大樓等，分別進行載波 信號之測試，以了解完成之關聯性檢測器性能，提供未來各區處完成配電變 壓器與受電用戶之連結關係確認，有效提升配電系統停限電運轉圖資系統 （Outage Management System, OMS）之資料準確性，如此將可支援低壓事故 之搶修效率，亦可評估配電變壓器之負載管理。 最後，本計畫之完成，可提供快速完成配電變壓器與用戶之連結關係確 認，對日後配電系統之運轉與維護，提供重要之助益。. 1.
(16) 1-2 研究目標與步驟 目前台電公司所有營業區處皆已建置完成停限電運轉圖資系統，除取代 傳統紙圖之外，又可隨系統現場作業系統架構變更而更新。隨著配電自動化 之推展，主幹線之自動化開關，亦能藉由相位量測而確定其相別，但目前 OMS 所登錄之用戶與變壓器之連結關係，則尚待進一步確認其符合性，尤其是同 一配電室具有多具配電變壓器時，當個別用戶係由哪一具配電變壓器供電無 法確認時，會造成配電系統運轉極大的困擾，諸如停電時影響用戶正常供電、 配電變壓器負載管理困難等。這些問題皆有賴執行配電變壓器與用戶連結關 係之確認。目前執行配電變壓器與用戶間的連結關係，常以目視或停電方式 進行，此方式除造成誤判之外，亦可能造成用戶之停電而招致民怨。本計畫 目標係針對各種不同供電方式之配電變壓器，考量配電變壓器與電表之間的 低壓接戶線進行電力線載波傳輸特性分析，評估電力線載波之電磁干擾影 響，研究發展同時多點對多點測定之電力線載波檢測器，以提供快速有效的 確認配電變壓器與所供電用戶之連結關係，作為更新 OMS 配電圖資資料庫之 依據。 本計畫首先收集不同供電方式之配電變壓器接線方式，如 1ψ2W、1ψ 3W、3ψ3W 及 3ψ4W 等，並建立出配電變壓器、低壓用戶線及用戶端等效 電路數學模型，以進行電力線載波信號傳輸特性之電腦模擬分析，並於模擬 時考慮用戶用電評估電力線載波之信號衰減影響。當建置出硬體原型後則實 際進行載波信號量測，並對量測出之數據進行分析以作為調整關聯性檢測器 之依據。本計畫流程如圖 1.1 所示。 本計畫所研發之電力線載波檢測器，應可達成辨識配電變壓器所供電之 用戶之間的關聯，並改善傳統必須藉由停電方式才能確認配電變壓器與用戶 之間的連結關係，未來若能全面普及於各營業區處，可有效支援用戶停限電 運轉管理圖資系統之更新，於低壓事故搶修時，提供現場人員快速的決定對 應之配電變壓器，減少誤判及避免用戶不必要之停電。. 2.
(17) 圖 1.1. 計畫執行流程. 3.
(18) 1-3 計畫章節概要 本計畫結案報告一共分為八個章節，其內容概述如下： 第一章 緒論 主要說明本計畫的研究動機、背景、目的及研究方法與步驟。 第二章 電力線載波發展現況 針對目前國內外之電力線載波發展現況進行說明，並根據所選擇之載 波晶片來探討其載波信號的傳輸特性。本章節對於電力線載波的發展 所衍生出的相關規範，選擇國際較具規模的組織所制定出的內容進行 說明。 第三章 配電系統元件等效電路模型 對於目前台電配電系統之各類型配電變壓器接線方式、低壓接戶線配 置方式與用戶端之接線方式進行等效電路模型的建置，以作為載波信 號傳輸特性模擬之依據。 第四章 電力線載波傳輸特性分析 將所建立出之各類型配電變壓器、低壓接戶線與用戶端之等效電路模 型，根據設備本身的特性，進行載波信號傳輸特性模擬分析，以探討 配電設備對載波信號所造成之信號衰減影響。 第五章 電力線載波電磁干擾分析與實測 對於會干擾高頻載波信號之雜訊干擾源，進行分析與研究，並對電力 線載波所造成之傳導性與輻射性干擾，進行實際量測並對結果進行分 析探討。 第六章 配電變壓器與用戶關聯性之檢測器設計 本章針對發展之關聯性檢測器原型電路進行設計上的說明，並分別對 系統各單元電路針對其運作方式進行探討與分析，最後整合各單元電 路完成關聯性檢測器並進行實際測試。. 4.
(19) 第七章 現場實測結果分析 所完成之關聯性檢測器，配合台電區處人員進行現場實際測試，並選 擇不同類型用戶做為量測對象以探討各類型負載對載波信號之影 響，其量測結果做為調整關聯性檢測器之依據。 第八章 結論與建議 本章節將針對計畫執行之結果進行總結，並提出建議。. 5.
(20) 第二章. 電力線載波發展現況. 2-1 前言 電力線載波（Power Line Carrier, PLC）近幾年來發展迅速，主要原因是 透過高頻載波訊號將資料封包利用現有電力線進行通訊，對電力公司而言具 有相當高的附加價值，因此國內外有相當多的廠商對 PLC 領域進行各種研 究。本章主要針對計畫所使用之各類型低頻電力線載波晶片的特性進行探 討，並分析其優缺點後選擇合適應用於用戶與變壓器關聯性之活線測定載波 檢測系統。最後，由於所使用的高頻載波信號於低壓線傳輸時會產生電磁干 擾（Electromagnetic Interference, EMI）現象，因此匯整國內外電磁輻射相關 規範資料對 EMI 部分所造成的影響進行概述。. 2-2 各類型載波晶片特性 由於國內外許多電力公司對 PLC 的發展相當關注，因此目前有為數不少 的廠商對 PLC 進行相當多的研究，而各個公司所推出的 PLC 晶片也都有自己 的特色。一般來說，PLC 晶片大概可區分為寬頻電力線（Broadband Power Line, BPL）載波通訊與窄頻電力線（Narrowband Power Line, NPL）載波通訊兩大 類；其中，BPL 載波通訊所使用的頻率通常較高（> 1MHz），因為這項原因 導致信號衰減效應會比較明顯；相對的，NPL 載波通訊所使用的頻率比起 BPL 還低，因此造成的信號衰減效應比較不明顯，表示著相同的信號能量所傳遞 的距離相對的比較遠。兩者載波傳遞方式比較如表 2.1 所示。本計畫主要目的 為應用 PLC 於用戶與變壓器關聯性之活線測定，在測定過程當中，僅需在低 壓配電線上傳送已設定之變壓器編碼，由於傳輸的資料量並不多，在考慮信 號衰減與配電變壓器至用戶間的距離等條件之下，選擇 NPL 來進行檢測系統 的建置最為適合。計畫中選擇 A 與 B 兩家廠商所生產之 NPL 載波晶片進行特 性比較，其介紹如下加以概述。. 6.
(21) 表 2.1. 寬頻與窄頻電力線載波通訊之特性比較 項目. 類別. 寬頻載波通訊. 窄頻載波通訊. ＞1MHz 較高 較多 較近. ＜1MHz 較小 較少 較遠. 使用載波頻率 信號衰減量 資料傳輸量 傳播距離. 2-2-1 A 廠牌窄頻載波晶片 此窄頻載波晶片的傳輸方式主要是以低壓配電線路為主，目前該產品應 用範圍包含了工業控制自動化、能源管理與自動讀表等層面，其特色包含了： 1. 使用頻移調變（Frequency Shift Keying, FSK）方式調變載波頻率，使 傳送之封包資料具有高度抗干擾能力 2. 傳輸速率範圍介於 100 bauds 至 30,000 bauds 之間 3. 具有較寬的載波頻率範圍，可調整至 50k~500kHz 之間 4. 使用 CRC16 進行錯誤檢測，提高資料的正確率 5. 具有並列與序列（Serial Port Interface, SPI）通訊埠兩種介面與主端 （Host）進行資料交換 由於 A 廠牌窄頻載波晶片在設計上定位為中度資料傳輸量，因此利用最 常見的相移調變方式來完成載波信號與封包資料的調變，其過程是透過標準 的正弦波當作調變之參考訊號源，與封包資料的數位訊號一起輸入至調變器 中，而調變器將對這兩者訊號進行相移調變，最後輸出兩種分別代表數位訊 號 0 與 1 的混合載波頻率，如圖 2.1 所示。. 7.
(22) 圖 2.1. 相移調變方式. 透過 A 廠牌窄頻載波晶片於低壓電力線傳輸資料封包時，其中數位訊號 準位 0 與 1 是分別使用兩種特定的載波頻率來代表之，如二進位資料準位 0 使用載波頻率 F0，資料準位 1 使用載波頻率 F1，並且定義 FC 為這兩者頻率的 平均值，則透過晶片內部所設定的載波頻率 Fcarrier 所產生出的 F0 與 F1 頻率分 佈如圖 2.2 所示。然而透過晶片產生 F0 與 F1 載波頻率時，會以參考訊號源 Fcarrier 為中心映射產生出 F0' 與 F1' 兩組頻率，這兩組頻率會影響已調變完成之載波輸 出訊號，為了要濾除這項假信號，因此晶片的輸出接腳必須接上帶通濾波器 將這兩組頻率濾除，已避免產生干擾。由於晶片產生出之載波頻率 F0 與 F1 之間的頻率距離相當接近，僅距離幾個 kHz，這項特色使得送出之載波信號 具有相當高的抗干擾能力，並可降低所產生出的諧波含量。此外，在傳送載 波信號的同時會因為負載阻抗的變化造成不同程度的信號衰減，根據 A 廠牌 窄頻載波晶片的測試報告中所提供的資料可以發現，載波晶片輸出之負載阻 抗越大時，所造成的信號衰減量越小，其結果如圖 2.3 所示。. 圖 2.2. A 廠牌窄頻載波晶片頻率分佈 8.
(23) 信號衰減量（dB）. 負載阻抗（Ω）. 圖 2.3. 不同負載阻抗下之載波信號衰減量. 於前述可發現 A 廠牌窄頻載波晶片的載波頻率範圍相當的廣，其頻率範 圍介於 50k~500kHz 之間，這表示所傳遞之載波頻率可根據實際之負載結構與 用電情況適時更改，來達到最佳之載波信號傳遞，但此晶片美中不足的是， 載波頻率無法透過使用者進行修正，且原廠預設之載波頻率為 262kHz，若因 使用上的需要必須修改晶片的載波頻率時，僅能透過原廠在晶片出廠前進行 參數上的修正才能達到目的，因此該晶片在傳輸特性的設定上，其彈性顯的 不足。. 2-2-2 B 廠牌窄頻載波晶片 此廠牌窄頻載波晶片主要的應用範圍包含了家庭自動化控制與自動讀表 等兩大用途，其特色包含了： 1. 透過雙頻段 FSK 調變方式來降低雜訊對載波信號傳輸時所造成的干擾 2. 載波頻率範圍介於 60kHz~120kHz 之間 3. 傳送的字串資料最大可達到 30 個位元組 9.
(24) 4. 傳送出的資料封包，可進行 32 位元的加密 5. 使用 CRC16 來進行資料錯誤檢測 6. 晶片參數的設定，可透過 UART 介面來達成 7. 依據 EN50065-1 所訂制出的規範進行設計，降低載波信號對其它設備 所造成的 EMI 干擾 除了上述所列出的特色之外，當晶片於低壓電力線進行資料封包傳輸時， 可選擇所要使用的頻段，其頻段可區分為單頻段（single-band）與雙頻段 （dual-band）兩種，其工作方式如下。 (a) 單頻段工作方式：所謂的單頻段即利用單一頻段於低壓電力線進行資料 封包的傳輸，其中，單頻段又可區分成主頻段（main-band）與次頻段 （sub-band）兩種；當使用主頻段來進行資料傳輸時，必需設定 f1 與 f2 兩種不同載波頻率，而這兩種頻率分別所代表的是數位訊號 0 與 1 的狀 態；同理，使用次頻段傳輸資料封包時，也必須設定 f3 與 f4 兩種不同載 波頻率來代表數位訊號準位狀態。 (b) 雙頻段工作方式：當使用雙頻段進行資料傳輸時，所有的單一頻段，包 括主頻段與次頻段皆被會用來傳送資料封包，其運用的方式將根據 UART 介面所下達的指令透過 PLC 晶片來進行判別，並將資料分別的分 配到各個頻段。 當接收端晶片設定為主頻段工作模式時，則僅能接到低壓電力線所傳送 之主頻段資料封包；相對的，接收端設定為雙頻段工作模式時，則可透過微 處理機來判別是否要將主頻段、次頻段或將兩個者頻段的資料封包都接收進 來，其區別如圖 2.4 所示。當使用雙頻段來進行資料封包傳送與接收時，根據 B 廠牌所提供的資料，提出具有加速傳輸資料封包這項優點，因此使用者可 根據需求來進行頻段的選擇。 圖 2.5 所示為 B 廠牌窄頻載波晶片傳送資料封包時所使用之主頻段載波 信號波形，其中使用的載波頻率 f1 與 f2 分別為 90kHz 與 100kHz，圖中可明顯 10.
(25) 發現接收端每 500ms 會從低壓電力線中收到一筆資料封包。圖 2.6 所示為使 用次頻段傳送載波信號波形，所使用的載波頻率 f3 與 f4 分別為 110kHz 與 120kHz，同樣地，接收端每 500ms 會從低壓電力線收到一筆資料封包。當使 用雙頻段進行資料封包傳輸時，會先將主頻段的資料傳送至低壓電力線，隨 後再傳送次頻段的資料封包，其波形如圖 2.7 所示。 頻率. 時間. (a) 單頻段設定模式. 頻率. 時間. (b) 雙頻段設定模式. 圖 2.4. 接收端所使用之頻段區別. 資料封包. 圖 2.5. 主頻段傳送資料封包之載波波形. 11.
(26) 資料封包. 圖 2.6. 次頻段傳送資料封包之載波波形. 次頻段. 主頻段. 圖 2.7. 同時使用主頻段與次頻段傳送資料封包之載波波形. 當利用高頻載波信號於低壓配電線進行資料封包傳輸時，必須考慮所使用 的頻段，如此才不會干擾到其他設備通訊，而 B 廠牌窄頻載波晶片所使用的 載波頻率介於 60kHz~120kHz，根據 North American 與 CENELEC 所定義的頻 段使用規範，該載波晶片可供使用的頻段範圍橫跨了 A、B 與 C 三個頻段區 域，而每個頻段區域所定義的使用範圍皆有所不同，如圖 2.8 所示。根據使用 上的需要可透過晶片的 UART 介面進行載波頻率參數設定並做適當的調整， 使其在規定範圍內，根據環境或其他干擾因素進行載波頻率的微調。. 12.
(27) North American. 0. 100k. 200k. 300k. 400k. 500k. A. 0. 20k. 40k. 圖 2.8. B. 60k. 80k. 100k. 600k. C. 120k. 700k. D. 140k. 800k. (Hz). CENELEC. 160k. (Hz). North American 與 CENELEC 定義之頻段使用規範. 2-3 國際規範概述 一般低壓配電線路主要是傳遞 60 Hz 之低頻電力訊號，因此所造成之電 磁干擾問題較不明顯；然而低壓配電線路使用高頻載波信號傳輸資料封包 時，低壓線路則會產生輻射性及傳導性電磁干擾，因此對負載或通訊設備會 造成不小的影響，且配電線路分佈廣泛並錯綜複雜，這對週遭相關通訊設備 造成的干擾會更為明顯，使得通訊品質大幅降低，並導致部分設備產生誤動 作等現象。因此，對於低壓電力線傳遞高頻載波信號，各國已開始制定相關 規範，如輻射限制量、量測方法、注入功率、頻譜管理等，以下將介紹各國 所訂制的規範，並加以概述。. 2-3-1 電磁輻射相關規範 由於 PLC 屬於新興的通訊方式，因此其檢測方法與標準化必須訂定規範 作為未來遵循的準則，對此歐美各國部分組織已針對 PLC 進行相關規範的制 定並已有初步的成果，以下將針對幾個較具規模的組織及性質相同的規範來 進行概述。 13.
(28) A. 聯邦通訊委員會 聯邦通訊委員會（Federal Communications Commission, FCC）是 1934 年 依美國通訊法案所建立的政府機構，主要為制定相關通訊規範以用於管理美 國境內洲際與國際間的通訊標準，於此將針對 PLC 通訊所產生的輻射洩漏量 規範來進行描述。 根據 FCC 所訂制的規範中，針對通訊所產生的電磁干擾影響，主要是依 循 Part-15 所定義的規範，而 Part-15 的定義為載波信號若屬於射頻載波並透過 低壓電力線傳遞電流信號，其過程並非刻意性於低壓線路上產生電磁場洩 漏，並符合輻射洩漏規定者。此外，根據使用環境的不同，其限制上也會有 所差異，大致上可分為 A 類與 B 類兩種類型，當使用的環境屬於商務區、工 業區或企業區，其規範屬於 A 級限制值，相對的，當使用的環境屬於住宅區， 其規範將屬於 B 級限制值，其細項如表 2.2 所示。 表 2.2. FCC Part-15 規範之輻射場強度限制 項目. 類型. 載波電流 系統. A級 B級. 頻率 （MHz）. 電場強度 （μV/m）. 取樣頻寬 （kHz）. 影響距離 （m）. 0.009~0.490 0.490~1.705 1.705~30.0 30~88 88~216 216~960 大於 960 30~88 30~88. 2400/f（kHz） 24000/f（kHz） 30 100 150 200 500 90 100. 9 9 9 120 120 120 120 120 120. 300 30 30 3 3 3 3 10 3. B. 國際射頻干擾特別委員會 國際射頻委員會（International Special Committee in Radio）針對通訊所產 生 之 電 磁 干 擾 訂 制 了 CISPR22 規 範 ， 與 歐 洲 通 訊 標 準 協 會 （ European Telecommunications Standards Institute, ETSI）EN55022 內容相同。規範中針對 設備主要連接埠與通訊通訊埠所產生之傳導性干擾分為兩大類，即資訊技術 設備的 Class B 與其他屬性的 Class A，詳細說明如表 2.3 與表 2.4 所示。 14.
(29) 表 2.3. CISPR22 規定之設備主要連接埠傳導性干擾限制 類別. 0.15~0.50 0.50~30 0.15~0.50 0.50~5 5~30. Class A Class B. 表 2.4. 79 73 66~56 56 60. 66 60 56~46 46 50. CISPR22 規定之設備通訊埠傳導性非對稱干擾限制 頻率範圍 （MHz）. 類別. Class A Class B 表 2.5. 電壓限制值 dB（μV） 半波峰值 平均值. 頻率規範. 0.15~0.50 0.50~30 0.15~0.50 0.50~30. 電壓限制值 dB（μV） 半波峰值 平均值. 97~87 87 84~74 74. 電流限制值 dB（μA） 半波峰值 平均值. 84~74 74 74~64 64. 53~43 43 40~30 30. 40~30 30 30~20 20. CISPR22 規定之設備輻射性干擾限制. 頻率範圍（MHz）. 輻射傳導（10M 長度） （dBμV）. 30 ~ 230 230 ~ 1000. 30 37. 此外，CISPR22 也規範了設備的輻射性干擾，其規範如表 2.5 所示。 C. 德國郵政電信管制局 德國郵政電信管制局（Regulating Administration for Telecommunications and Post）針對通訊干擾制定了 NB30 規範，此規範主要是對通訊設備本生所 使用的電纜線所造成的輻射干擾進行限制，其頻率範圍介於 9kHz 至 3GHz 之 間，詳細說明如表 2.6 所示。 表 2.6. NB30 制定之電場強度限制. 頻率（MHz）. 電場強度（μV/m）. 取樣頻寬. 量測距離（m）. 0.09~1 1~30 30~1000 1000~3000. 40-20log f（kHz） 40-8.8log f（kHz） 27（20dBpW） 40（33dBpW）. 200Hz 9kHz 120kHz 1MHz. 3 3 3 3. 15.
(30) D. 歐洲通訊標準協會 ETSI 針對有線通訊網路制定了 EN50083 規範，與德國郵政電信管制局所 訂定的 NB30 規範相同，針對 PLC 載波信號於低壓配電線所造成的輻射性干 擾，其限制值如表 2.7 所示。 表 2.7. EN50083 所制定之輻射場強度限制. 頻率（MHz）. 電場強度（μV/m）. 取樣頻寬. 量測距離（m）. 1~30 30~950 950~2500 2500~3000. 34~27（27~30dBpW） 27（20dBpW） 50（43dBpw） 64（57dBpW）. 9kHz 120kHz 1MHz 1MHz. 3 3 3 3. 2-3-2 頻段規範 為了在低頻電力信號上傳遞資料封包並且避免兩者互相干擾，因此 PLC 利用高頻載波信號來進行資料上的傳送，然而傳遞高頻信號時，低壓配電系 統上的負載設備會產生傳導性干擾進而影響載波信號，因此為了確保通訊品 質不被外界因素的干擾進行破壞，必須對 PLC 所使用的高頻載波信號進行頻 段規範。圖 2.8 為 North American 與 CENELEC 定義之頻段使用規範，其中 CENELEC 定義之頻段可以看出主要分類成 A、B、C 與 D 四個頻段範圍，每 個頻段皆有定義本身使用限制的範圍，在應用 PLC 於低壓配電系統時，必須 根據需求來選擇適合的頻段，以避免載波信號的互相干擾。. 2-3-3 信號雜訊比 自然界中會產生一些電磁干擾現象，例如太陽黑子活動時所引起的磁暴 或大氣中的電荷因傳遞的過程所造成的電極及靜電放電等現象，這些干擾原 通常是無可避免的，因此載波信號從發射端經過媒介衰減至接收端時，其靈 敏度會與訊號雜訊比（Signal Noise Rate, SNR）有極大的關係，如式（2.1） 所示。. 16.
(31) P SNR =10 log S PN. ( dB ). （2.1）. 式中可以發現 SNR 的定義為接收端信號功率 PS 與週遭環境雜訊功率 PN 的比值，當環境有所變化其 SNR 的結果也會有所差異。通常雜訊準位超過主 信號接收能量時，其接收端將無法判別出原始信號，通常若要接收端能夠正 確的判別出信號，其 SNR 值建議大於 10 以上。. 17.
(32) 第三章. 配電系統元件等效電路模型. 3-1 前言 傳統低壓配電系統網路結構主要是用來傳遞電力能量，因此網路的配置 方式並不適合傳遞高頻載波信號，當高頻載波信號注入至一般低壓配電系統 迴路中，對其網路則會產生一些高頻效應，因此本章節針對配電變壓器、低 壓接戶線及用戶端分別建立出高頻等效電路模型，並推導相關數學模型作為 後續模擬分析的基礎，以探討高頻載波信號經過配電系統設備所造成的信號 衰減影響。. 3-2 低壓配電變壓器等效電路 配電變壓器於低壓配電系統中相當常見，一般而言，低頻下之配電變壓 器可視為一個單純的電感性元件，然而在高頻下其等效電路結構已不再是單 純的電感性元件，而是電感與電容兩者的混合體，因此於低頻所忽略的一些 特性，如絕緣或諧振等現象都必須加以考慮分析。早期研究配電變壓器均假 設本身為一高阻抗元件並忽略其效應，但實際上通過高頻載波信號其配電變 壓器本身的特性會有所改變，因此 Specht 和 Cheek 曾針對不同容量配電變壓 器進行量測，發現高頻信號通過配電變壓器會有以下特性產生。 1. 配電變壓器本身的阻抗呈現為電容性，並且不會隨著頻率的變化發生 大幅的改變 2. 當高頻信號通過配電變壓器時會造成信號衰減 對此，本節將針對配電變壓器建立出等效電路模型，然而為了適應不同 負載的情況之下，配電變壓器經常被接成各種形式，因此實際上接線模式相 當多種，如 1ψ2W、1ψ3W、3ψ3W 及 3ψ4W 等，每種接線模式其等效電路 模型也會有所差異，因此針對這些不同接線模式分別建立出等效電路並推導 出其數學模型，以作為分析 PLC 高頻載波信號傳輸特性分析之依據。 18.
(33) 3-2-1 單相配電變壓器等效電路 目前配電系統所使用之單相配電變壓器其接線方式通常屬於 1ψ2W 式， 而等效電路則可簡化成圖 3.1 所示之模型，其中的 Rw 為高頻下之等效電阻， 其值可透過式（3.1）求出，式中 Rdc 為直流下之線圈電阻值。 ⎛ R ⎞ ⎛ f ⎞1.4 Rw =⎜ dc ⎟⋅⎜ ⎟ ⎝ 0.14 ⎠ ⎝ 20000 ⎠. （3.1）. 圖 3.1 所示之配電變壓器匝數比 N 可透過式（3.2）求出，若將二次側參 考至一次側，則二次測電流 I s 與一次測電流 I p 可分別透過式（3.3）與式（3.4） 計算出，整理 I s 與 I p 兩方程式，則可推出其導納矩陣，如式（3.5）所示。 V I N = 1 =− 2 V2 I1 V ⎞ 1 1 ⎛ I = Vs −V2 = Vs − 1 ⎟ ⎜ s Z Zs ⎝ N⎠ s 1 1 I =− V + V s NZ s p Z s s. (. （3.2）. ). ⎞ I 1⎛ 1 1 = YV + I = YV − 2 = YV − ⎜ − V p + Vs ⎟ p p 1 p N p N ⎜ NZ Z s ⎟⎠ s ⎝ ⎛ ⎞ 1 ⎟ 1 ⎜ I = Y+ V − V p ⎜ p 2Z ⎟ NZ s s N s⎠ ⎝. （3.3）. I. { 圖 3.1. 單相配電變壓器高頻等效電路. 19. （3.4）.
(34) 1 ⎡ + Y ⎡ I p ⎤ ⎢⎢ N 2 Z s ⎢ ⎥=⎢ 1 ⎢⎣ I s ⎥⎦ ⎢ − ⎢⎣ NZ s. −. 1 ⎤ NZ s ⎥ ⎡V ⎤ ⎥ ⎢ p⎥ ⋅ 1 ⎥⎥ ⎢⎣ Vs ⎥⎦ Z s ⎥⎦. （3.5）. 由於式（3.5）所示之導納矩陣過於複雜，對後續多接線模式之配電變壓 器等效電路模型推導不易，因此將簡化式（3.5）導納矩陣並分別定義 Y p 、 Ys 與 M 以取代原有方程式內之矩陣元素，如式（3.6）~式（3.8）所示，則式（3.5） 可簡化成式（3.9） 。簡化過後之導納矩陣，其等效電路模型可轉換成單線圖， 如圖 3.2 所示。. Y p =Y +. 1 2 N Zs. （3.6）. 1 Ys = Zs M=. 1 NZ s. ⎡I p ⎤ ⎡ Yp ⎢ ⎥=⎢ ⎢⎣ I s ⎥⎦ ⎢⎣ − M. 圖 3.2. （3.7）. （3.8） − M ⎤ ⎡V p ⎤ ⎥ ⋅⎢ ⎥ Ys ⎥⎦ ⎢⎣ Vs ⎥⎦. 簡化後之單相配電變壓器高頻等效電路. 20. （3.9）.
(35) 3-2-2 Y 接地－Y 接地連接之配電變壓器等效電路 以前述單相配電變壓器所推導出之導納矩陣為基礎，建立出此接線型式 之配電變壓器等效電路模型。從圖 3.3 可看出 Y 接地－Y 接地連接之配電變 壓器接線方式屬於 3ψ4W 式，為了推導出此接線型式之等效電路數學模型， 假設配電變壓器相與相之間的耦合互感為零，其原始網路則可表示成圖 3.4， 若 A 相、B 相與 C 相的匝數比相同，則可推導出導納矩陣方程式如式（3.10） 所示。其中為了方便表示網路導納矩陣（primitive network），因此以 Y prim 代 表之。. ⎡ I1 ⎤ ⎡ Y p ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ I2 ⎥ ⎢ 0 ⎢I ⎥ ⎢ ⎢ 3⎥ ⎢ 0 ⎢I ⎥=⎢ ⎢ 4 ⎥ ⎢−M ⎢I ⎥ ⎢ 0 ⎢ 5⎥ ⎢ ⎢⎣ I 6 ⎥⎦ ⎢ 0 ⎣⎢. 圖 3.3. 0. 0. −M. 0. Yp. 0. 0. −M. 0. Yp. 0. 0. 0. 0. 0. −M. 0. Ys 0. 0. −M. 0. Ys 0. 0 ⎤ ⎡V ⎤ ⎥ ⎢ 1⎥ 0 ⎥ ⎢V ⎥ ⎥ ⎢ 2⎥ − M ⎥ ⎢V3 ⎥ ⎥⋅⎢ ⎥ =Y prim ⋅V 0 ⎥ ⎢V4 ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎢V5 ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢V ⎥ Ys ⎦⎥ ⎣ 6 ⎦. Y 接地－Y 接地連接之配電變壓器接線型式. 21. （3.10）.
(36) 圖 3.4. 三相配電變壓器原始網路. 根據分支電壓與節點電壓之間的關係，則圖 3.3 連接矩陣（connection matrix, C）則可求出，如式（3.11）所示。 ⎡ V1 ⎤ ⎢ ⎥ ⎡1 ⎢V2 ⎥ ⎢0 ⎢V ⎥ ⎢ ⎢ 3 ⎥ = ⎢0 ⎢V ⎥ ⎢0 ⎢ 4⎥ ⎢ ⎢V ⎥ ⎢0 ⎢ 5 ⎥ ⎢⎢0 ⎢⎣V6 ⎥⎦ ⎣. 0 1 0 0 0 0. 0 0 1 0 0 0. 0 0 0 1 0 0. 0 0 0 0 1 0. ⎡V ⎤ 0⎤ ⎢ A ⎥ 0 ⎥⎥ ⎢VB ⎥ ⎢ ⎥ 0 ⎥ ⎢VC ⎥ =C ⋅Vnode ⎥⋅ 0 ⎥ ⎢ Va ⎥ ⎢ ⎥ 0⎥ ⎢ V ⎥ ⎥ b 1 ⎥⎦ ⎢ V ⎥ ⎢⎣ c ⎥⎦. （3.11）. 最後利用網路分析的觀念，則可求出節點導納矩陣（nodal admittance matrix, Ynode ），如式（3.12）所示。其節點導納矩陣 Ynode ，若以單相配電變 壓器為基礎，則可轉換成圖 3.5 所示之等效電路模型。 = CT ⋅ Y ⋅C Y node prim ⎡ Yp ⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎢ 0 =⎢ ⎢−M ⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎣⎢ 0. 0. 0. −M. 0. Yp. 0. 0. −M. 0. Yp. 0. 0. 0. 0. 0. −M. 0. Ys 0. 0. −M. 0. 22. Ys 0. 0 ⎤ ⎥ 0 ⎥ ⎥ −M ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ Ys ⎦⎥. （3.12）.
(37) A. Yp. a. M. B. Yp. b. M. C. Yp. 圖 3.5. Ys. Ys. c. M. Ys. Y 接地－Y 接地連接之配電變壓器等效電路. 3-2-3 開 Y－開 Δ 連接之配電變壓器等效電路 於配電系統網路中，台電公司為了提供三相電源給用戶而又要減少配電 變壓器的設置成本，因此大量採用兩具單相配電變壓器並連接成開 Y－開 Δ 型式對用戶進行供電，故此接線型式之配電變壓器等效電路具有探討的必要 性，通常此類型供電方式亦稱為燈力併供。 圖 3.6 所示為開 Y－開 Δ 連接之配電變壓器接線型式，透過分支電壓與節 點電壓之間的關係，其連接矩陣 C 則可求出，如式（3.13）所示。若以導納 矩陣方程式為基礎，則可推導出原始網路導納矩陣 Y prim ，如式（3.14）所示。. 圖 3.6. 開 Y－開 Δ 連接之配電變壓器接線型式. 23.
(38) ⎡ V1 ⎤ ⎡1 ⎢ ⎥ ⎢ ⎢V2 ⎥ ⎢0 ⎢V ⎥ = ⎢0 ⎢ 4⎥ ⎢ ⎢V ⎥ ⎣0 ⎣ 5⎦. ⎡V A ⎤ 0 0 ⎤ ⎢V ⎥ ⎢ B⎥ 0 0 ⎥⎥ ⎢ ⎥ ⋅ V =C ⋅Vnode −1 0 ⎥ ⎢ a ⎥ ⎥ ⎢V ⎥ 1 −1⎦ ⎢ b ⎥ ⎢V ⎥ ⎣ c⎦. 0 0 1 0 0 1 0 0. ⎡ Yp ⎢ ⎢ 0 ⎢ Y prim = ⎢ − M ⎢ ⎢M ⎢ ⎣⎢ 0. 0. −M. Yp. 0. 0 −M. Ys −Ys. M. 0. 0 ⎤ ⎥ −M ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ Ys ⎥ ⎥ −Ys ⎦⎥. （3.13）. （3.14）. 利用網路分析的觀念，則節點導納矩陣 Ynode 可順利推導出，如式（3.15） 所示。其節點導納矩陣 Ynode 所轉換之等效電路模型，如圖 3.7 所示。 ⎡ Yp ⎢ ⎢ 0 ⎢ Ynode = ⎢ − M ⎢ ⎢M ⎢ ⎢⎣ 0. 圖 3.7. 0. −M. M. Yp. 0. −M. 0 −M. Ys −Ys. −Ys 2Ys. M. 0. −Ys. 0 ⎤ ⎥ M ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ −Ys ⎥ ⎥ Ys ⎥⎦. 開 Y－開 Δ 連接之配電變壓器等效電路 24. （3.15）.
(39) 3-2-4. Δ－Δ 連接之配電變壓器等效電路. 當用戶需要使用 3ψ3W 方式進行供電時，則 Δ－Δ 連接之配電變壓器接 線型式最為常見。考慮圖 3.8 所示之配電變壓器接線型式，其分支電壓與節點 電壓的關係可透過式（3.16）求出。同樣地，以導納矩陣方程式為基礎，其 Δ －Δ 連接之配電變壓器原始網路導納矩陣則可順利的推導出，如式（3.17）所 示。利用網路分析的觀念，所求出之節點導納矩陣 Ynode 如式（3.18）所示。 最後，轉換後之等效電路模型，如圖 3.9 所示。. ⎡V A ⎤ ⎡ V1 ⎤ ⎢ ⎥ ⎡ 1 −1 0 0 0 0 ⎤ ⎢ ⎥ ⎢V2 ⎥ ⎢ 0 1 −1 0 0 0 ⎥ ⎢VB ⎥ ⎥⎢ ⎥ ⎢V ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎢VC ⎥ 1 0 1 0 0 0 − ⎢ 3 ⎥= ⎢V ⎥ ⎢ 0 0 0 1 −1 0 ⎥⋅⎢ V ⎥ =C ⋅Vnode ⎥⎢ a⎥ ⎢ 4⎥ ⎢ ⎢V ⎥ ⎢ 0 0 0 0 1 −1⎥ ⎢ V ⎥ ⎢ 5 ⎥ ⎢⎢ 0 0 0 −1 0 1 ⎥⎥ ⎢ b ⎥ ⎦ ⎢V ⎥ ⎢⎣V6 ⎥⎦ ⎣ ⎣ c⎦. 圖 3.8. Δ－Δ 連接之配電變壓器接線型式. 25. （3.16）.
(40) A. a. 2M -M Yp. Ys -M B. -M. b. Yp. Ys. 2M. -M. -M Yp. Ys -M C. c. 2M. 圖 3.9. Δ－Δ 連接之配電變壓器等效電路. ⎡ Yp ⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎢ 0 Y prim = ⎢ ⎢−M ⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎢⎣ 0. ⎡ 2Y p ⎢ ⎢ −Y p ⎢ ⎢ −Y Ynode = ⎢ p ⎢ −2 M ⎢ ⎢ M ⎢ ⎢⎣ M. 0. 0. −M. 0. Yp. 0. 0. −M. 0. Yp. 0. 0. 0. 0. 0. −M. 0. Ys 0. 0. −M. 0. Ys 0. 0 ⎤ ⎥ 0 ⎥ ⎥ −M ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ Ys ⎥⎦. −Y p. −Y p. −2 M. M. 2Y p. −Y p. M. −2M. −Y p. 2Y p. M. M. M. M. −2 M. M. 2Ys −Ys. −Ys 2Ys. M. −2 M. −Ys. −Ys. 26. （3.17）. M ⎤ ⎥ M ⎥ ⎥ −2M ⎥ ⎥ −Ys ⎥ ⎥ −Ys ⎥ ⎥ 2Ys ⎥⎦. （3.18）.
(41) 3-3 低壓接戶線等效電路 傳統低壓接戶線主要提供電力能量給低壓用戶，其頻率範圍通常為 50Hz 或 60Hz，波長大致介於 6000km~8000km 之間，因此低壓接戶線上的電壓與 電流皆可視為定值，然而傳輸高頻載波信號時，波長會隨著頻率的增加而減 少，因此傳統電路學上的觀念將不再適用，為了分析與建立低壓接戶線之高 頻等效模型，本節利用電磁學之理論，對低壓接戶線進行特性分析。當高頻 載波信號於低壓接戶線傳輸時，為了分析高頻信號所造成的影響，可看成一 橫向電磁波通過低壓接戶線，若細分低壓接戶線成 N 個區段，並且建立出單 位長度下之等效電路，將可解釋出高頻載波信號對低壓接戶線所造成的影 響。圖 3.10 所示為低壓接戶線細分成 N 個區段；而圖 3.11 所示為每個區段所 建立出的等效電路與其所包含的各項元素。. 圖 3.10 低壓接戶線細分成 N 個區段進行分析. i(x,t) + v(x,t) -. + v(x+∆x,t) ∆x. v(x,t) i(x,t) + R∆x. i(x+∆x,t) L∆x G∆x. -. + C∆x v(x+∆x,t) -. ∆x. 圖 3.11. 單位長度下之低壓接戶線等效電路 27.
(42) 所建立出的等效電路，其中 v( x,t ) 與 v( x +Δx,t ) 為 x 與 Δx 兩點的瞬時電壓 值； i( x,t ) 與 i( x +Δx,t ) 為 x 與 Δx 兩點的瞬時電流值。 R 為單位長度 Δx 之兩端電阻 值，單位為 ( Ω / m ) ； L 為單位長度之兩端電感值，單位為 ( H / m ) ； C 為單位長 度之兩端電容值，單位為 ( F / m ) ；G 為單位長度之兩端電導值，單位為 ( S / m ) 。 若以集總元件為分析基礎，圖 3.11 低壓接戶線單位長度下的串聯阻抗為 z Δx ；同理，分路導納為 yΔx 。因此，低壓接戶線之傳播常數（propagating. constant） γ 與特性阻抗（characteristic impedance） Zc 可定義成：. γ Δ yz = ( R + jωL )( G + jωC ) ZC Δ. （3.19）. z R + j ωL = y G + j ωC. （3.20）. 其中， ω 為角頻率。若將傳播常數 γ 分成實部與虛部兩個部分，則實部 α 即為 衰減常數（attenuation constant） ，單位為 ( Np / m ) ；相對的，虛部 β 則為相位常 數（phase constant），單位為 ( rad / m ) ，如式（3.21） 。 γ =α + j β. （3.21）. 因此，當低壓接戶線參數 R, L, C, G 與 ω 皆為已知時，則低壓配電線之傳 輸特性即可加以推導。為了得知低壓接戶線之相關參數，本節根據基本電磁 學理論，來推導出 R, L, C, G 等元素參數值，其中參數所使用之導磁係數、介 電係數與導電係數，如表 3.1 所示。 表 3.1. 低壓接戶線各元素係數值. 係數名稱. 係數參考值. 導磁係數. μ c = μ0 ⋅ μ r. μ0 = 4π ×10−7. 介電係數. ε =ε 0 ⋅ε r. ε0 =. 導電係數. σ c =5.67×107. 28. 1 ×10−9 36π. μr =0.9999 ε r =3.4.
(43) 3-3-1 電阻值參數之決定 當交流電流通過導體時，因為自感抗的關係，使得大部分的電流往導體 表面移動，因此導體中心所流通的電流密度遠小於導體表面，此種現象則為 集膚效應（skin effect） 。由於集膚效應的關係使得電流無法平均地分布於導體 內部，因此間接地增加導體內阻，且隨著頻率的增加，此現象會越為明顯。 因此，低壓接戶線等效電路所使用的電阻參數必須考慮集膚效應的影響。為 了計算出低壓接戶線的電阻值，必須考慮導體電流所流通的集膚深度（skin depth） δ 大小，此集膚深度 δ 大小與導體中所流過的電流頻率有著密切的關 係，如式（3.22）所示。 δ=. 1. （3.22）. π f μcσ c. 其中 μc 與 σ c 分別為導體的導磁與導電係數。 以式（3.22）為基礎，其低壓接戶線電阻值可整理成： R=. 1. π aδσ c. (Ω / m). （3.23）. 其中的 a 則為導體的半徑，單位為公尺。. 3-3-2 電感值參數之決定 由於低壓接戶線在傳遞高頻載波信號時，是透過其中兩條導體進行傳 輸，因此電感參數值的決定，必須考慮二導體之間的自感抗與互感抗的影響。 其中，自感抗為單一導體所造成的電感抗，如式（3.24）所示。 μ Ls = c 8π. ( H / m). （3.24）. 29.
(44) 而導體與導體之間的互感抗，則可透過式（3.25）加以計算。 μ ⎛ D −a ⎞ Lm = c ln ⎜ ( H / m) π ⎝ a ⎟⎠. （3.25）. 其中 D 為二導體之間的距離。因此，結合自感抗與互感抗的影響，則低壓接 戶線等效電路模型內的電感值將可計算出，如式（3.26）所示。 μ ⎡ 1 ⎛ D−a ⎞⎤ L = 2 Ls + Lm = c ⎢ + ln ⎜ ( H / m) π ⎣ 4 ⎝ a ⎟⎠ ⎥⎦. （3.26）. 3-3-3 電容值參數之決定 低壓接戶線之電容參數的決定，將依據台電低壓接戶線的配置方式加以 計算，每種配置方式所計算出的結果也會有所不同。大樓配電室內配電變壓 器至用戶電表端之間的低壓接戶線，主要是經由線路管道相互連接，假設管 道內的低壓接戶線 L1、L2 與地線 N 的配置方式如圖 3.12 所示，則每條接戶 線必須考慮線與線之間的電容 Ccable 所造成的影響；此外，由於低壓接戶線主 要是放置在地面上，因此與地面上接觸的兩條接戶線必須考慮對地電容 C ground 所造成的影響。. 兩接戶線之間的電容 Ccable 可透過式（3.27）計算出。其中 ε 為二導體之 間的介電係數。單一接戶線對地電容，則可透過式（3.28）進行計算，其中 ε k 與 bk 分別為該導體的介電係數與內徑。 πε. Ccable = ⎡ 2 ⎤ ⎛D⎞ ⎛D⎞ ⎢ ln ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ −1 ⎥ ⎢⎝ 2a ⎠ ⎝ 2a ⎠ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ 1 2πε k C ground = ⋅ 2 ⎛ bk ⎞ ln ⎜ ⎟ ⎝ a ⎠. ( F / m). ( F / m). （3.27）. （3.28）. 30.
(45) 因此，整體低壓接戶線的電容值為 L1 對 N 之間的電容 Ccable 與 L2 對 N 之間的電容 Ccable 兩者串聯，之後再與 L1、L2 之間的電容 Ccable 並聯，最後 再並聯已串聯 L1 與 L2 二導體對地間的電容 C ground ，如式（3.29）所示。 C ground C C =Ccable + cable + 2 2. ( F / m). （3.29）. 另外若考慮單純兩低壓接戶線供電與架空線供電方式，其導體與導體間 的電容 Ccable 與導體對地電容 C ground 計算方式與前述類似，其配置方式如圖 3.13、圖 3.14 所示。. 圖 3.12 三導體地下接戶線配置方式、電容分佈與等效電路. 圖 3.13 二導體地下接戶線配置方式、電容分佈與等效電路. 31.
(46) 圖 3.14 三導體架空線配置方式、電容分佈與等效電路. 3-3-4 電導值參數之決定 根據基本電磁學的觀念，二導體之間的電容與電導有著下列的關係： C ε = G σ. ( S / m). （3.30）. 其中，σ 為二導體之間的導電係數。因此，低壓接戶線的電導參數則可求 出，如式（3.31）所示。 G=. σ ⋅C ( S / m) ε. （3.31）. 3-4 用戶端之等效電路 高頻載波信號於低壓配電系統網路進行傳輸時，其信號衰減程度會隨著用 戶的負載阻抗產生變化，為了了解用戶負載對載波信號所造成的影響，於此 建立出用戶端等效電路模型，以進行載波信號傳輸特性模擬。 為了建立出用戶端等效電路模型，利用雙埠網路（two-port network）作為 建立模型之基礎，並於低壓接戶線與用戶負載端分別建立出傳輸矩陣（ABCD matrix）來進行分析，如圖 3.15 所示。 32.
(47) 圖 3.15 雙埠網路基本形式 以圖 3.15 為例，則此雙埠網路具有以下關係： V1 A B V2 = ⋅ I1 C D I 2. （3.32）. V2 =T ⋅ I2. 其中，T 矩陣內每個元素為： V V A= 1 I B = 1 V 2=0 V2 2=0 I2 I I C= 1 I D= 1 V V2 2= 0 I 2 2= 0. （3.33）. 若以 ABCD 矩陣作為基礎，則可計算出圖 3.15 之各項參數，如下所示。 V = I ⋅ Z +V S 1 S 1. （3.34）. V = I ⋅Z L 2 L. （3.35）. Z. in. =. A B A⋅Z L + B = C D C ⋅Z L + D. （3.36）. 比較輸入與輸出之間的電壓值，則轉移方程式（transfer function）為： V ZL H= 2 = VS A⋅Z L + B +C ⋅Z S ⋅Z L + D⋅Z S. 33. （3.37）.
(48) 因此，負載端的信號衰減量（attenuation）即可求出，如式（3.38）所示。 attenuation =10 log10 ( H ) ( dB ). （3.38）. 了解轉移方程式建立方式，若得知各元件 ABCD 矩陣，則可計算出用戶 所造成之信號衰減。各元件 ABCD 矩陣建立方式，如圖 3.16 所示。 然而低壓接戶線之網路拓樸形式包含了匯流排（bus）網路與星型（star） 網路兩種，這兩種網路型式對負載所造成之信號衰減其結果不太相同，所建 立出的用戶端模型也有所差異，以下將說明這兩種用戶端網路建立方式。. A. 圖 3.16 ABCD 參數在不同形式下之表示方式. 34.
(49) 3-4-1 匯流排網路等效電路 大部分負載用戶皆屬於此類型網路拓樸形式，如圖 3.16 所示。為了求出 匯流排網路等效電路，利用前述之式（3.32）與圖 3.15 可求得每個區段接戶 線之 ABCD 參數，於此以 ZT 1 與 Z. T2. 代表每段傳輸線之傳輸矩陣。其中， Z s 為. 電力線載波模組之內阻抗，且 Z L1 與 Z. L2. 分別代表的是每個用戶端之負載阻抗. 值，因此圖 3.17 所示之 A 點分歧線用戶端之傳輸矩陣如式（3.39）所示。 T = Z ⋅Z A T 1 in cos( β l ) = jY0 sin ( β l ) =. jZ0 sin ( β l ) cos( β l ). A′ B′ C ′ D′ Z ZT 1 in ⋅. （3.39）. A B C D. 求出 A 點的傳輸矩陣後，以式（3.37）為基礎，則 A 點之轉移方程式即 可求出，如式（3.40）所示。. HA =. Z L1 A ⋅ Z L1 + B + C ⋅ Z L1 ⋅Z S + D ⋅ Z S. （3.40）. 同理，B 點傳輸矩陣與轉移方程式，利用前述方式即可順利求出。 ZS. ZT1. ZT2. A. B. ZL1. Zin. 圖 3.17 匯流排網路拓樸形式. 35. ZL2.
(50) 求出各點用戶之轉移方程式，以式（3.38）為基礎，則求出各用戶對高頻 載波信號所造成之信號衰減量。 此匯流排網路型式可以明顯的發現，當高頻載波信號傳送至第一層用戶 後，由於負載效應緣故導致載波信號產生衰減，隨後傳送至第二層用戶端時， 因第一層用戶已經衰減部份載波信號，使得到達第二層之信號被衰減的更 多，這可從下一章節的用戶端載波信號傳輸特性模擬得到驗證，如此可以發 現此類型網路型式所傳遞之載波信號到可接收之用戶端數量並不多。. 3-4-2 星型網路等效電路 此類型網路型式之用戶接線方式，如圖 3.18 所示。從圖中可以發現，A、 B 兩用戶皆從同一點輸入載波信號，且各用戶輸入阻抗包含了接戶線阻抗與 負載阻抗兩部份，為了要求出此類型用戶之等效電路，以式（3.36）為基礎， 可求出 A 用戶 Zin1 輸入阻抗，如式（3.41）所示。. Zin1 =. 同理，B 用戶 Z. in2. A⋅Z L1 + B C ⋅Z L1 + D. （3.41）. 輸入阻抗利用前述方式即可求出。在建立出 A 用戶傳輸. 矩陣時，載波信號會分流至 B 用戶，因此必須考慮 B 用戶阻抗 Z. in2. 所造成之. 影響，且 A 用戶接戶線阻抗 ZT 1 也必須考慮進去，因此所建立出之 A 用戶傳 輸矩陣如式（3.42）所示。 T =Z ⋅Z A in 2 T 1 1 0 A′ B′ = ⋅ 1 0 Zin2 C ′ D′ Z T1 A B = C D. 36. （3.42）.
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