광대역 전력선 통신을 위한 고압 배전선로의 전송특성 해석
Analysis of Transmission Characteristics of Medium Voltage Powerlines for Broadband Powerline Communications (BPLC)
초록/요약
본 논문에서는 전력선 통신을 위한 고압 배전선의 전송선로 파라미터들을 계산하고 전력선 통신 네트워크의 등가모델을 구현하여 임의의 통신지점 및 통신구간에서의 입력임피던스 및 전송특성을 계산하였다. 실제로 구현된 전력선 통신 시험장에서의 측정을 통하여 본 논문에서 계산한 방법을 검증하였으며, 계산결과와 측정결과가 거의 일치함을 확인하였다. 연구내용을 자세히 설명하면 다음과 같다. 1. 고압 배전 용 선로인 ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced) 선로의 표피효과에 의한 내부 임피던스를 계산하였다. 즉, 여러 가닥의 연선을 뭉쳐서 제조되었기 때문에 단면이 불규칙적인 ACSR 선로를 단면이 일정한 공동원통형도체라 가정하고 등가 화된 구조적 파라미터들을 계산하여 내부 임피던스를 계산하였다. 실제 구조를 FEM을 근거로 한 상용 시뮬레이터를 이용하여 해석한 결과, 등가모델을 이용한 계산 결과와 해석결과가 오차범위 5% 이내로 거의 일치하였다. 2. ACSR 선로의 외부는 부식을 방지하기 위해 가교 폴리에틸렌과 같은 절연물질로 코팅이 되어있다. 이 절연물질은 일정한 유전상수를 갖는 유전체로써 전력선의 유효유전상수에 영향을 주어 특성임피던스를 변화시키기 때문에 고려되어야 하는 부분이다. 그러나 ACSR 선로를 공동원통형도체로 등가화 시키면 도체와 절연물질사이에 공기 층이 존재하여 유전물질이 다층으로 존재하는 것과 동일한 형태가 되기 때문에 유효유전상수의 계산이 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 등각사상 법을 이용하여 유전물질이 다층으로 코팅된 선로의 외부정전용량 및 유효유전상수를 계산하였다. FEM을 근거로 한 상용 시뮬레이터를 이용한 해석결과 본 논문에서 계산한 결과와 해석 결과가 오차범위 5% 이내로 거의 일치하였다. 3. 국내에서의 고압 배전은 다수의 고압 배전 선로를 통해 이루어지기 때문에 주변 선로에 의한 영향을 고려해야하며, 본 논문에서는 여러 개의 도체로 이루어진 다중 전송선로 모델을 이용하여 전력선의 신호인가 방식인 대지귀로방식 및 금속귀로방식에서의 감쇠상수, 특성임피던스 등을 계산하였다. 두 방식을 비교한 결과 대지귀로방식에서의 감쇠상수 및 특성임피던스가 금속귀로방식보다 크게 나타났다. 4. 대지귀로방식에서 전력선 통신이 이루어지는 통신구간을 2포트 등가모델을 이용하여 모델링 하여 각각의 통신지점 및 통신구간에서의 입력임피던스, 전송특성 등을 계산하였다. 구현된 2포트 등가모델을 이용하여 통신구간 사이에 다수의 불연속 지점 또는 통신지점이 존재할 때의 멀티포트 등가모델을 구현하였다. 즉 각각의 불연속 지점 또는 통신지점의 산란행렬을 유도하여 체인 산란행렬로 변환하고, 변환된 체인 산란행렬을 이용하여 전체 통신구간의 산란행렬을 계산하여 전체구간의 전송특성 및 각각의 통신지점에서의 입력임피던스를 계산하였다. 구현된 멀티포트 등가모델을 이용하여 현재 실제로 구현되어있는 고압 실증시험장의 전력선통신 네트워크 내에서 각기 다른 세 지점에서의 입력 임피던스 및 각기 다른 두 구간에서의 전송특성을 계산하였다. 입력 임피던스를 측정한 결과, 계산치와 측정치가 1.7～30 MHz 의 전력선 통신 대역 중에서 다량의 전도성잡음이 존재하는 약 5 MHz 이하의 낮은 주파수 대역을 제외하면 거의 일치함을 알 수 있었다. 각 구간에서의 전송특성 또한 전체적인 경향 및 레벨이 거의 일치하였다. 전력선통신에 의한 전자파장해를 정확하게 분석하기 위해서는 전력선을 따라 진행하는 신호의 크기의 정확한 계산이 필요하다. 즉 입출력 단에서 임피던스 및 각 통신 구간의 특성을 알게 되면 신호가 전력선에 얼마나 인가되는지 예측이 가능하다. 또한 신호 입력 단을 제외한 전력선 자체의 입력임피던스를 알게 되면 임피던스 트랜스포머를 이용하여 임피던스 정합을 이끌어 낼 수 있다. 그리고 전력선 통신 구간의 전송특성을 측정하는 것이 쉽지 않기 때문에 계산을 통해 미리 예측한다면 앞으로의 전력선 통신망 구성 또한 수월할 것이다. 따라서 본 연구 결과는 앞으로 전력선의 전자파 장해 레벨 계산 및 규정, 임피던스 정합 및 전력선 통신망 구성에 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.
more목차
제 1 장 서론 1
제 2 장 고압 배전선의 전송선로 파라미터 7
제 1 절 신호인가방식 7
제 2 절 단일전송선로모델 10
제 3 절 다중전송선로모델 13
제 4 절 고압 배전선의 내부 임피던스 20
제 5 절 고압 배전선의 유효 유전상수 36
제 1 항 계산 및 시뮬레이션 42
1. 두 층, 세 층으로 코팅된 평행 2 선식 전송선로의 정전용량 계산 42
2. 유효 유전상수 계산 43
3. 상용 시뮬레이터를 이용한 계산결과의 검증 44
제 6 절 외부 인덕턴스 및 정전용량 49
제 7 절 불완전한 접지면 모델링 54
제 8 절 고압 배전선의 감쇠상수 및 특성임피던스 56
제 3 장 전력선통신 네트워크의 임피던스 및 전송특성 68
제 1 절 전력선 통신 네트워크의 2 포트 등가모델 69
제 2 절 전력선 통신 네트워크의 멀티 포트 등가모델 72
제 1 항 1번 구간의 산란행렬 유도 74
1. 정 방향 산란계수 유도 74
2. 역 방향 산란계수 유도 77
제 2 항 2번 구간의 산란행렬 유도 79
제 3 절 전력선 통신 네트워크의 임피던스 및 전송특성 82
제 1 항 C 와 D 지점 사이의 산란행렬 계산 83
제 2 항 D 와 E 지점 사이의 산란행렬 계산 86
제 3 항 임피던스 및 전송특성 계산 89
제 4 장 측정 및 고찰 97
제 1 절 임피던스 측정 97
제 2 절 전송특성 측정 104
제 5 장 결론 107
참고문헌 110
부 록 118
Abstract 120
