Ευρυζωνική μετάδοση σημάτων μέσω γραμμών μέσης τάσης: μοντέλα διάδοσης - χωρητικότητα

Abstract

The main objective of this thesis is broadband signal transmission via three-phase overhead Medium-Voltage (MV) lines above the lossy plane ground and three-phase underground MV lines with common shield and armor. The MV/BPL (Broadband over Power Lines) transmission channel is investigated with regard to spectral behavior, usable bandwidth, end-to-end signal attenuation and capacity. It is found that these features depend drastically on the MV cables used, the MV grid topology, mainly on the number and electrical length of the branches existing along an end-to-end BPL connection, the level of power injection, the noise power levels and the spectrum allocation rules used to regulate BPL emissions. Chapter 1 provides an introduction of the power distribution network structure in its both aspects: architecture and installation devices. Typical configurations in Europe are considered. Chapter 2 assesses the environment of MV/BPL technology in the telecommunications market, based on the state-of-the-art of the technology and the commercial and operational experiences that MV/BPL has already built up. This Chapter focuses on the potential role MV/BPL may play in broadband access. Chapter 2 also analyses the factors that could affect the development of MV/BPL technology, with special emphasis on the specifications of the technical standards, the regulations suggested for MV/BPL systems and the studies conducted by various parties to investigate the characteristics of MV/BPL emissions. The regulations include both the established and proposed radiation limits for MV/BPL systems. Chapter 3 considers the frequency-domain solution of the MTL (Multiconductor Transmission Lines) equations for an n+1 conductor line. Using matrix notation, the solutions to these phasor MTL equations are similar to the solutions for two-conductor lines. The method used to solve these phasor MTL equations is to decouple them via a similarity transformation. Chapter 4 proposes a complete methodology for the deterministic modeling of the end-to-end transfer function associated with MV/BPL networks, in the light of the MTL theory. Based on general multiconductor power line cables and their fundamental propagation characteristics (definition of eigenmodes, propagation constant and modal characteristic impedance), a multidimensional scattering matrix formalism is introduced to perform an accurate analysis of global MV/BPL networks including multiconductor cable segments, derivation points and termination loads. Under three basic assumptions, multiconductor network analysis can be reduced to the parallel analysis of independent modal scalar-waves networks via suitable multipath methods like MEB method (Multipath Echo Based method), ABCD method, TM method (T-Matrix method) or HSC method (Hybrid Smith Chart method). Chapter 5 ends up with the simulation model of a three-conductor overhead MV/BPL dissipative line above a lossy ground, after providing an exact expression of the matrix modal equation of the line, assuming that there are as many discrete modes of propagation as there are conductors. Furthermore, the expressions of the distributed series-impedance and shunt-admittance matrices are presented, with reference to the definition of the wire-to-ground voltage. Chapter 6 analyzes underground MV/BPL transmission taking into account coupling phenomena through cable shields. The concept of tube impedances for cable shields is discussed. A wide range of transmission line models for multi-sector and multi-core cables with various types of insulations including shield and armor is presented and compared with experiments. The analysis is assorted and completed by other established models reproduced from the literature. Chapter 7 concludes the thesis by considering broadband signal transmission via three-phase overhead MV/BPL lines above the lossy plane ground and via three-phase underground MV/BPL lines with common shield and armor. The established methods dealing with transmission along MV power lines are examined in terms of the end-to-end transfer function under various network configurations. The MV/BPL transmission channel is investigated with regard to its spectral behavior, the usable bandwidth and the end-to-end channel attenuation. It is found that the aforementioned features depend drastically on the number and type of branches existing along the end-to-end MV/BPL signal propagation. Moreover, various topologies of MV/BPL transmission channels have been studied with regard to their capacity. The analysis and relevant simulations reveal that broadband transmission via MV power lines depends drastically on the MV grid topology and the power constraints imposed to suppress EMI (ElectroMagnetic Interference) to other services. The relaxed power injection limits and the lower noise power levels characterizing underground MV/BPL transmission counteracts the extremely high inherent attenuation making the capacity achieved compatible to that achieved in overhead MV/BPL transmission. Especially for overhead MV/BPL networks, a modification to the fixed spectrum allocation/all-protection model to regulate BPL emission is proposed employing power masks adaptive to locally existing wireless services.

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η μελέτη της ευρυζωνικής μετάδοσης σημάτων μέσω τριφασικών εναέριων γραμμών ΜΤ (Μέση Τάση) και μέσω τριφασικών υπόγειων γραμμών ΜΤ τριών αγωγών με κοινή θωράκιση και οπλισμό. Ο δίαυλος μετάδοσης MT/BPL (Broadband over Power Lines) διερευνήθηκε διεξοδικά ως προς τη γενική φασματική συμπεριφορά του, το αξιοποιήσιμο εύρος ζώνης, την από-άκρο-σε-άκρο εξασθένηση και τη χωρητικότητα. Διαπιστώθηκε ότι τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά εξαρτώνται δραστικά από τον τύπο των γραμμών μεταφοράς ΜΤ, την τοπολογία του δικτύου ΜΤ και συγκεκριμένα το πλήθος και το ηλεκτρικό μήκος των διακλαδώσεων που υπάρχουν κατά μήκος μιας από-άκρο-σε-άκρο σύνδεσης MT/BPL, το επίπεδο της ισχύος έγχυσης, τα επίπεδα θορύβου και το μοντέλο ρύθμισης των ακούσιων εκπομπών. Το Κεφάλαιο 1 της διατριβής παρέχει σύντομη εισαγωγή στη δομή των δικτύων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ισχύος εξετάζοντας κυρίως δύο πτυχές του: την αρχιτεκτονική των δικτύων και τις εγκαταστάσεις. Η ανάλυση επικεντρώνεται στην παρουσίαση των χαρακτηριστικών που απαντώνται στην Ευρώπη. Το Κεφάλαιο 2 αξιολογεί το ευρύτερο περιβάλλον που σχετίζεται με την ενσωμάτωση της τεχνολογίας MT/BPL στην αγορά τηλεπικοινωνιών. Στο Κεφάλαιο αυτό η ανάλυση εστιάζεται στις νέες δυνατότητες ευρυζωνικής πρόσβασης που μπορούν να προσφέρουν τα συστήματα MT/BPL. Επίσης, αναλύονται οι παράγοντες που επηρεάζουν τη διείσδυση της τεχνολογίας MT/BPL δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση σε προδιαγραφές τεχνικών προτύπων, στους κανονισμούς που εφαρμόζονται στα συστήματα MT/BPL και στις μελέτες που πραγματοποιήθηκαν από τα διάφορα ενδιαφερόμενα μέρη για τη διερεύνηση των χαρακτηριστικών εκπομπών των συστημάτων MT/BPL. Οι κανονισμοί περιλαμβάνουν τα καθιερωμένα και προτεινόμενα όρια ακτινοβολίας που σχετίζονται με τα συστήματα MT/BPL. Στο Κεφάλαιο 3 της διατριβής εξετάστηκε η λύση των εξισώσεων MTL (γραμμών μεταφοράς πολλών αγωγών/Multiconductor Transmission Lines) για γραμμές μεταφοράς n+1 αγωγών. Με χρήση μητρών, οι λύσεις των εξισώσεων MTL είναι της ίδιας μορφής με τις λύσεις των γραμμών μεταφοράς δύο αγωγών. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για να λυθούν οι εξισώσεις MTL είναι η αποσύζευξή τους (decouple) μέσω μετασχηματισμού ομοιότητας (similarity transformation). Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται πλήρης μεθοδολογία για τον ακριβή προσδιορισμό της από-άκρο-σε-άκρο συνάρτησης μεταφοράς δικτύων MT/BPL, βασισμένη στη θεωρία MTL. Με βάση τα γενικά χαρακτηριστικά των γραμμών μεταφοράς πολλών αγωγών και έχοντας προσδιορίσει τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά διάδοσης (ρυθμούς διάδοσης, μιγαδικές σταθερές διάδοσης και χαρακτηριστικές αντιστάσεις των ρυθμών) αξιοποιείται η θεωρία των πολυδιάστατων μητρών σκέδασης (multidimensional scattering matrix formalism) που επιτρέπει την ακριβή ανάλυση των δικτύων MT/BPL λαμβάνοντας υπόψη όλα τα στοιχεία των γραμμών μεταφοράς πολλών αγωγών, των διακλαδώσεων και των τερματισμών. Υπό τρεις βασικές υποθέσεις που συνήθως ισχύουν στα υπάρχοντα δίκτυα ΜΤ, η ανωτέρω ανάλυση καταλήγει στην ύπαρξη ανεξάρτητων διαύλων που αντιστοιχούν σε κάθε ρυθμό διάδοσης (independent modal scalar-waves networks). Η παράλληλη ανάλυση των ανεξάρτητων διαύλων αυτών γίνεται μέσω κατάλληλων μεθόδων περιγραφής της πολυδιαδρομικής διάδοσης (multipath propagation) όπως η μέθοδος ΜΕΒ (Multipath Echo Based model), η μέθοδος ABCD, η μέθοδος TM (T-Matrix method) ή η μέθοδος HSC (υβριδική μέθοδος διαγραμμάτων Smith ή Hybrid Smith Chart method). Το Κεφάλαιο 5 της διατριβής εξετάζει ως προς τη δυνατότητα BPL την εναέρια γραμμή μεταφοράς ΜΤ τριών αγωγών με απώλειες πάνω από ατελή γη (dissipative line above a lossy ground) με βάση την ακριβή διατύπωση των εξισώσεων Maxwell για συχνότητες από 1-100MHz. Η διαδικασία που ακολουθείται αποτελεί επέκταση σε γραμμές μεταφορές πολλών αγωγών των αποτελεσμάτων της ανάλυσης της απλής περίπτωσης ενός αγωγού πάνω από έδαφος. Τέτοιου τύπου γραμμές υποστηρίζουν τόσους ρυθμούς διάδοσης όσοι είναι και οι αγωγοί που τις αποτελούν. Επιπλέον, εξάγονται οι εκφράσεις της ανά μονάδα μήκους σύνθετης αντίστασης και σύνθετης αγωγιμότητας. Το Κεφάλαιο 6 εξετάζει τις υπόγειες γραμμές μεταφοράς ΜΤ ως προς τη μετάδοση BPL. Εξετάζονται γραμμές μεταφοράς τριών αγωγών με θωράκιση και οπλισμό. Γίνεται ανάλυση για συχνότητες 1-100MHz για την περίπτωση γυμνών και μονωμένων αγωγών. Επιπλέον, εξετάζονται τα φαινόμενα σύζευξης των αγωγών μέσω της θωράκισης και του οπλισμού και αναλύεται η έννοια των ανά μονάδα μήκους σύνθετων αντιστάσεων και σύνθετων αγωγιμοτήτων κυλινδρικών αγωγών (tube impedances) για τη θωράκιση και τον οπλισμό των γραμμών μεταφοράς ΜΤ. Προτείνεται μέθοδος για την περιγραφή της διάδοσης σε συχνότητες 1-100MHz για διάφορες υπόγειες γραμμές μεταφοράς πολλών αγωγών -είτε τύπου τομέα (sector-type) είτε τύπου πυρήνα (core-type)- και για διάφορους τύπους μονώσεων. Τα θεωρητικά αποτελέσματα επιβεβαιώνονται από άλλες καθιερωμένες θεωρητικές μεθόδους αλλά και πειραματικές μετρήσεις. Το Κεφάλαιο 7 που ολοκληρώνει τη διατριβή εξετάζει την ευρυζωνική μετάδοση σημάτων μέσω τριφασικών εναέριων γραμμών μεταφοράς MT/BPL υπεράνω εδάφους με απώλειες και μέσω τριφασικών υπόγειων γραμμών μεταφοράς MT/BPL με κοινή θωράκιση και οπλισμό. Με τη χρήση των μεθόδων που αναλύθηκαν στα κεφάλαια που προηγήθηκαν εξετάζεται η διάδοση ευρυζωνικών σημάτων με βάση την από-άκρο-σε-άκρο συνάρτηση μεταφοράς για διάφορες τοπολογίες εναέριων και υπόγειων δικτύων MT/BPL. Διαπιστώνεται ότι η φασματική συμπεριφορά των δικτύων MT/BPL εξαρτάται δραστικά από τον τύπο του δικτύου ΜΤ και το πλήθος, τον τύπο και το ηλεκτρικό μήκος των διακλαδώσεων που απαντώνται κατά μήκος μιας από-άκρο-σε-άκρο σύνδεσης. Επιπλέον, μελετώνται οι διάφορες τοπολογίες διαύλων μετάδοσης MT/BPL ως προς τη χωρητικότητα και τη ρυθμαπόδοσή τους. Η ανάλυση και οι σχετικές προσομοιώσεις αποκαλύπτουν ότι η ευρυζωνική μετάδοση μέσω των γραμμών μεταφοράς MT/BPL εξαρτάται τόσο από τον τύπο του δικτύου ΜΤ όσο, και κυρίως, από τους περιορισμούς ισχύος που επιβάλλονται για να καταστείλουν την ακούσια ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή σε άλλες ασύρματες αδειοδοτημένες υπηρεσίες. Τα χαλαρά όρια έγχυσης ισχύος και τα χαμηλότερα επίπεδα θορύβου που χαρακτηρίζουν την υπόγεια μετάδοση MT/BPL εξισορροπούν την αντίστοιχη εξαιρετικά υψηλή εξασθένηση καθιστώντας τη χωρητικότητα των υπόγειων δικτύων MT/BPL συγκρίσιμη με αυτή των εναέριων δικτύων MT/BPL επιτρέποντας τη διαλειτουργικότητά τους. Τέλος, για τη ρύθμιση των εκπομπών λόγω μετάδοσης MT/BPL μέσω εναέριων δικτύων προτείνεται τροποποίηση του σταθερού προτύπου κατανομής/ολικής προστασίας του φάσματος (fixed spectrum allocation/all-protection model) με χρήση μασκών ισχύος (power masks) προσαρμοσμένων στις τοπικές συνθήκες λειτουργίας άλλων ασυρμάτων υπηρεσιών.