一种工频通信中畸变脉冲电流自适应动态调整方法及自适应动态调整发送装置

摘要

本发明公开了一种工频通信中畸变脉冲电流自适应动态调整方法及装置。所述方法包括以下步骤：工频电压信号调制编码；采集工频电压调制装置相应相电流线路上的负荷电流；提取识别有效畸变脉冲电流信号并解调出编码信息；根据识别到的畸变脉冲电流信号幅值平均值和最大值调整下一次工频电压调制相位角；按照调整后的工频电压调制相位角进行工频电压信号调制编码。所述装置包括电压过零检测电路、工频电压调制电路、畸变脉冲电流采样电路、控制单元、上行通信器、存储器。本发明能根据电网运行参数和环境变化来调整工频电压调制相位开角，自适应动态调整畸变脉冲电流保证发送装置工频电压调制电路安全和接收装置的识别成功率。

说明书

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，尤其涉及一种工频通信中畸变脉冲电流自适应动态调整方法及自适应动态调整发送装置。

背景技术

目前用电信息采集系统和低压配电网系统有一项重点工作就是要实现低压配电网户变关系和台区物理拓扑关系自动识别，通过准确的台区户变关系，可及时发现由于台区归属关系不准确引起的台区抄表成功率低，台区线损计算不准确等问题。台区户变关系和拓扑识别一般采用工频通信技术来实现，工频通信技术主要原理是利用工频电压基波过零调制方法，利用过零点附近调制电压或电流波形的微弱畸变携带信息，信息传递是利用相邻周期的电压或电流的相对变与不变来实现。

整个工频通信系统包括工频电压调制装置以及相应的畸变脉冲电流接收识别装置，工频电压调制发送装置一般安装于低压配电台区表箱和分支箱等末端用户侧，畸变脉冲电流接收识别装置一般安装于低压配电台区分支箱和配电变压器低压侧。其主要工作过程为，工频电压调制发送装置通过在工频电压过零点前某一相位角控制开关管导通，在相应过零点时刻的低压配电线路上产生一个瞬时的畸变脉冲电流信号，这个畸变脉冲电流信号会叠加在电压过零点时刻的负荷电流上，并且会沿着调制装置所接的电力线传导到配电台区变压器侧，在变压器所处位置装一个畸变脉冲电流接收装置，畸变脉冲电流接收装置采集解调畸变脉冲电流信号，这样就完成一个畸变脉冲电流信号的识别。按照一定的调制编码方法，连续对工频电压过零点进行多次调制，会产生多个畸变脉冲电流信号，识别端在对此信号进行识别解调，即可完成一次通信。在工频电压波形的过零点前进行调制，此时调制所需的能量最小，而且在调制的过程中对电网产生的冲击及引起的电压电流畸变能控制在合理的范围内。其中工频电压调制发送装置往畸变脉冲电流接收识别装置方向传递的信号称为上行调制信号，上行调制信号利用电流基波波形来携带调制信息。

现有工频电压调制由限流器件、开关管和开关管驱动电路组成，限流器件用于控制产生的畸变脉冲电流大小，开关管驱动电路用于驱动开关管的开通和关断。其中限流器件采用电感或电阻，开关管采用可控硅、MOS管和IGBT等开关器件，开关管驱动电路采用脉冲变压器和可控硅光耦器件，控制单元可采用普通的单片机或微控机。工频电压调制发送装置只具备工频电压调制电路，由于无反馈回路发送装置自身无法知道调制工频电压产生的畸变脉冲电流信号大小，因此畸变脉冲电流发送的装置均采用固定的相位角来调制工频电压信号产生畸变脉冲电流信号。

而基于固定相位角调制方法制成的调制发送装置存在以下问题：

(1)易损坏发送装置

电网运行环境复杂，线路阻抗大小不一，不同应用环境同样相位角调制工频电压产生的畸变脉冲电流信号大小不一，工频电压调制的相位角过大或过小会影响产生的畸变脉冲电流信号大小，如果产生的畸变脉冲电流过大，很容易损坏发送装置的开关管，易造成装置损坏或就近的开关误跳闸。

(2)无法自适应动态调整畸变脉冲电流信号大小造成接收端识别成功率低

畸变脉冲电流信号过大会损坏发送装置开关管，但过小，接收端识别装置又可能识别不到或误识别，造成接收端畸变脉冲电流信号识别率过低或根本无法识别。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够根据不同台区环境实际情况动态调整畸变脉冲电流信号幅值，保证畸变脉冲电流信号幅值大小落在设定的合理安全区间，从而既能避免畸变脉冲电流过大损坏发送装置或造成开关误跳闸，又能避免畸变脉冲电流过小造成接收端畸变脉冲电流信号识别率过低或根本无法识别的工频通信中畸变脉冲电流自适应动态调整方法及自适应动态调整发送装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种工频通信中畸变脉冲电流自适应动态调整方法，包括以下步骤：

工频电压信号调制编码；

采集工频电压调制装置相应相电流线路上的负荷电流；

提取识别有效畸变脉冲电流信号并解调出编码信息；

根据识别到的畸变脉冲电流信号幅值平均值和最大值调整下一次工频电压调制相位角；

按照调整后的工频电压调制相位角进行工频电压信号调制编码。

更进一步的，所述工频电压信号调制编码的步骤包括以下步骤：

根据工频电压过零检测电路实时识别过零点信息；

接收等待上级终端的启动工频电压调制命令，若接收到启动调制命令，则读取存储器存储的当前工频电压调制相位角，控制工频电压调制电路进行调制；

按一定调制编码方法，依次对工频电压进行调制，直到所有能代表识别码或装置地址的编码信息发送完毕。

更进一步的，所述工频电压调制相位角取值范围为300微秒至900微秒。

更进一步的，在设定的时间周期内，所述工频电压调制相位角首次默认取值为600微秒。

更进一步的，所述提取识别有效畸变脉冲电流信号并解调出编码信息的步骤包括以下步骤：

根据工频电压调制利用电压波形过零区域调制的特性，在电压过零点附近设置检测时间窗口，分析对应时间窗内的原始负荷电流数据；

计算每个电流周波检测时间窗内的脉冲电流信号幅值大小；

将每个电流周波检测时间窗内提取计算的畸变脉冲电流信号幅值与设定的门槛识别阈值做比较，若大于门槛识别阈值，则该次畸变脉冲电流信号判断为有效畸变脉冲电流信号；如果提取计算的畸变脉冲电流信号幅值小于设定的门槛阈值，则判断为无效畸变脉冲电流信号；

按照设定的编码规则对每个有效畸变脉冲电流信号进行解调，识别出编码信息。

更进一步的，所述根据识别到的畸变脉冲电流信号幅值平均值和最大值调整下一次工频电压调制相位角的步骤中，所述下一次工频电压调制相位角调整步骤包括：

计算每次调制产生的多个畸变脉冲电流信号的幅值平均值Iavg和最大值Imax；

按照以下策略调整下一次工频电压调制相位角：

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg满足10

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足55≤Iavg<65并且Imax≤100，则第下一次调制相位角步进120；

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足65≤Iavg<75并且Imax≤100，则第下一次调制相位角步进80；

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足80≤Iavg<85并且Imax≤100，则第下一次调制相位角步进50。

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足80≤Iavg<85并且Imax≤100，则第下一次调制相位角步进30。

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足85≤Iavg<95并且Imax≤100，则第下一次调制相位角不变，仍然保持上一次调制相位角；

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足105≤Iavg或110

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足：95≤Iavg<105或100

本发明还提供一种工频通信中畸变脉冲电流自适应动态调整发送装置，包括电压过零检测电路、工频电压调制电路、控制单元、上行通信器、存储器，所述电压过零检测电路、所述工频电压调制电路、所述上行通信器、所述存储器与所述控制单元连接，所述电压过零检测电路、所述工频电压调制电路连接低压电力线，其特征在于，还包括畸变脉冲电流采样电路，所述畸变脉冲电流采样电路分别连接所述控制单元和低压电力线。

更进一步的，所述畸变脉冲电流采样电路包括相电流互感器、低通滤波电路、I/V变换电路、差分转单端电路、直流偏置叠加电路，所述相电流互感器连接所述低通滤波电路，所述低通滤波电路连接所述I/V变换电路，所述I/V变换电路连接所述差分转单端电路，所述差分转单端电路连接所述直流偏置叠加电路，所述直流偏置叠加电路连接所述控制单元的ADC输入端。

更进一步的，所述相电流互感器为外置开口式相电流互感器。

更进一步的，所述外置开口式相电流互感器采用200A规格或300A规格或400A规格的互感器。

本发明的有益效果在于：

一种工频畸变脉冲电流大小自适应动态控制方法，实时采集并计算畸变脉冲电流大小，在每次完整调制且装置能识别其编码信息的条件下，由该次畸变脉冲电流平均值Iavg和最大值Imax落在哪个区间来决定下一次完整调制的调制相位开角值是否调整，最终使畸变脉冲电流信号幅值大小落在设定的安全安全区间。

一种工频通信中畸变脉冲电流自适应动态调整发送装置，除了具备传统发送装置具备的工频电压调制发送电路外，还具备畸变脉冲电流信号采样电路，该电路可以将工频电压调制发送电路产生的畸变脉冲电流信号采样反馈送给控制单元，由控制单元处理、分析计算畸变脉冲电流大小，按照本发明公开的方法自适应动态调整工频电压调制相位角，最终使畸变脉冲电流信号幅值大小落在设定的安全安全区间，且保证接收端识别装置的成功率。

该方法和装置使得工频通信系统具备自学习能力，能根据电网运行参数和环境变化来调整工频电压调制相位开角，最终自适应动态调整畸变脉冲电流大小并发送，能够保证发送装置工频电压调制电路安全和接收装置的识别成功率。

附图说明

图1是本发明实施方式的流程图。

图2是图1中步骤S101的流程图。

图3是图1中步骤S103的流程图。

图4是本发明实施方式的结构图。

图5是图4中畸变脉冲电流采样电路的结构图。

图6是图4中畸变脉冲电流采样电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如图1所示，一种工频通信中对畸变脉冲电流进行自适应动态调整方法，包括以下步骤：

步骤S101：工频电压信号调制编码。

如图2所示，在步骤S101中，对工频电压信号进行调制编码包括以下步骤：

步骤S201：根据工频电压过零检测电路实时识别过零点信息。

步骤S202：接收等待上级终端的启动工频电压调制命令，若接收到启动调制命令，则读取存储器存储的当前工频电压调制相位角，控制工频电压调制电路进行调制这样在电压过零点处会产生一个瞬时的畸变脉冲电流信号，完成一个工频电压周波调制。

作为更优化的方案，所述工频电压调制相位角取值范围为300微秒至900微秒，首次默认取值为600微秒。

步骤S203：按一定调制编码方法，依次对工频电压进行调制，直到所有能代表识别码或装置地址的编码信息发送完毕，即完成了一次完整调制。一次工频电压调制会产生N个畸变脉冲电流信号，作为更优化的方案，10

步骤S102：采集工频电压调制装置相应相电流线路上的负荷电流。

通过电流采样电路和ADC模块采集相电流线路上的负荷电流并将电流信号转换为数字信号。作为更优化的方案，所述电流周波采样点数可设为64点或80点或128点或256点，采样点数越多，则数字化后的信号越贴近原始信号。

步骤S103：提取识别有效畸变脉冲电流信号并解调出编码信息。

如图3所示，在步骤S103中，提取识别有效畸变脉冲电流信号并解调出编码信息包括以下步骤：

步骤S301：根据工频电压调制利用电压波形过零区域调制的特性，在电压过零点附近设置检测时间窗口，分析对应时间窗内的原始负荷电流数据。

作为更优化的方案，所述检测时间窗口包含电压过零点前以及后采样的N个原始采样点数据，根据调制电路的特性，N设置为4

步骤S302：计算每个电流周波检测时间窗内的脉冲电流信号幅值大小。采用时域法或频域法计算所述计算脉冲电流信号幅值。

步骤S303：将每个电流周波检测时间窗内提取计算的畸变脉冲电流信号幅值与设定的门槛识别阈值做比较，若大于门槛识别阈值，则该次畸变脉冲电流信号判断为有效畸变脉冲电流信号；如果提取计算的畸变脉冲电流信号幅值小于设定的门槛阈值，则判断为无效畸变脉冲电流信号。

步骤S304：按照设定的编码规则对每个有效畸变脉冲电流信号进行解调，识别出编码信息。

步骤S104：根据识别到的畸变脉冲电流信号幅值平均值和最大值调整下一次工频电压调制相位角。

若步骤S103能解调出正确的编码信息，则下一次工频电压调制相位角调整按照以下步骤进行：

计算每次调制产生的多个畸变脉冲电流信号的幅值平均值Iavg和最大值Imax；其中Iavg为每次调制产生的多个畸变脉冲电流信号的幅值平均值，单位为安培A；Imax为每次调制产生的多个畸变脉冲电流信号的幅值最大值，单位为安培A。

按照以下策略调整下一次工频电压调制相位角：

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg满足10

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足55≤Iavg<65并且Imax≤100，则第下一次调制相位角步进120；

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足65≤Iavg<75并且Imax≤100，则第下一次调制相位角步进80；

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足80≤Iavg<85并且Imax≤100，则第下一次调制相位角步进50。

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足80≤Iavg<85并且Imax≤100，则第下一次调制相位角步进30。

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足85≤Iavg<95并且Imax≤100，则第下一次调制相位角不变，仍然保持上一次调制相位角；

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足105≤Iavg或110

任意一次调制，当产生的脉冲畸变电流平均值Iavg和最大值Imax满足：95≤Iavg<105或100

步骤S105：按照调整后的工频电压调制相位角进行工频电压信号调制编码。

如图4所示，本实施方式中的工频通信中畸变脉冲电流自适应动态调整发送装置，包括电压过零检测电路401、工频电压调制电路406、畸变脉冲电流采样电路405、控制单元402、上行通信器404、存储器403，电压过零检测电路401、工频电压调制电路406、畸变脉冲电流采样电路405、上行通信器404、存储器403与控制单元402连接，电压过零检测电路401、畸变脉冲电流采样电路405、工频电压调制电路406连接低压电力线。

控制单元402主要用于按一定电压相位角在工频电压过零点附近控制工频电压调制电路产生畸变电压和畸变脉冲电流信号，畸变脉冲电流信号经过畸变脉冲电流采样电路采集又反馈送回到控制单元，控制单元计算畸变脉冲电流信号幅值，通过计算出畸变脉冲电流信号幅值大来判断是否调整工频电压调制相位角，最终目的使调制产生的畸变脉冲电流信号幅值落在设定的合理安全区间。电压过零检测电路401主要用于检测工频电压的过零点。上行通信器404包括从节点HPLC载波通信单元和上行RS485通信单元，HPLC载波通信单元用于与主节点HPLC载波的上行通信，上行RS485通信单元用于与其他主设备通信。存储器403用于存储初始的工频电压调制相位开角以及相关拓扑识别数据等。工频电压调制电路406用于调制工频电压产生畸变脉冲电流信号。工频电压调制电路406主要由限流器件、开关管和开关管驱动电路组成，限流器件用于控制产生的畸变脉冲电流大小，开关管驱动电路用于驱动开关管的开通和关断。畸变脉冲电流采样电路405主要负责畸变脉冲电流信号采样，并将采集的畸变脉冲电流信号送到控制单元402的内部ADC模数转换器，由控制单元402运算、分析和计算畸变脉冲电流幅值。

如图5所示，畸变脉冲电流采样电路包括相电流互感器501、低通滤波电路502、I/V变换电路503、差分转单端电路504、直流偏置叠加电路505，相电流互感器501连接低通滤波电路502，低通滤波电路502连接I/V变换电路503，I/V变换电路503连接差分转单端电路504，差分转单端电路504连接直流偏置叠加电路505，直流偏置叠加电路505连接控制单元的ADC输入端506。相电流互感器用于将大电流信号转换为小电流信号；低通滤波器用于滤除高频噪声，I/V变换电路用于将电流互感器采集的小电流信号转换为的小电压信号，差分转单端电路用于将I/V变换电路采样的差分小电压信号转换为单端信号，单端信号在经过直流偏置叠加电路处理，变成了具有一定直流偏置的适于控制单元ADC处理的单端信号，信号最终进入到控制单元的内部ADC模数转换器。作为更优选方案，相电流互感器501为外置开口式相电流互感器。作为更优选方案，相电流互感器501采用200A规格或300A规格或400A规格的互感器。

图6公开了图4中畸变脉冲电流采样电路的电路图，由电感L1、L2，电容C3和C5组成LC低通滤波器，其中电感L1、L2可选电感或磁珠。作为更优选方案，电感L1、L2选用型号为CBG201209U102T的片式磁珠，电容C3和C5的容值为1000pf。由R1和R9两个差分采样电阻组成I/V变换电路，作为更优选方案，R1和R9阻值均为2Ω。由电阻R2、R4、R6、R10，电容C1和运算放大器U1B组成差分转单端电路，其中电容C1用于相位补偿，防止振荡，抑制高频噪声。作为更优选方案，R2和R10两个电阻阻值为30kΩ，R4和R6两个电阻阻值为10kΩ，电容C1容值为100pf。由电阻R3、R5、R8，电容C2和运算放大器U1C组成直流偏置叠加电阻，用于将单端电压信号叠加在1.6V直流偏置上，以便单端电压信号峰峰值落在控制单元内部ADC转换器采样量程内，电容C2用于相位补偿，防止振荡，抑制高频噪声。运算放大器U1C输出信号通过电阻R7送至控制单元的ADC输入端ADCIN，电容C4用于滤除输出信号中的高频噪声。作为更优选方案，R3、R5和R8两个电阻阻值为10kΩ，电容C2容值为100pf。

作为更优选方案，控制单元采用STM32FX系列单片机。

本发明实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。