CN101751773B - 一种电力电气信息远程传输的调制解调电路的调制与解调方法 - Google Patents

Abstract

一种电力电气信息远程传输的调制解调电路及其传输方法。涉及远程获取电力二次回路的电气信息的调制解调电路及其传输方法。采用占空比差分方式转换信号的技术，从而能实现光纤高精度传输，其传输方式的关键是模拟量信息和数字量信息同步传输，且具有极强抗干扰能力。本发明的电路及方法是：包括解调电路和调制电路，调制电路与解调电路之间通过光纤发送、传输、接收装置相连，调制电路在被测信号上叠加一标准脉冲，然后调制成占空比不同的方波信号，通过光纤传输系统传输至解调电路，解调电路将该信号，解调为与被测信号一致的信号，从而远程获取被测信号的信息。本发明的电路采用了纵向占控比差分调制解调技术适用于电力系统二次回路的远程检测。

Description

一种电力电气信息远程传输的调制解调电路的调制与解调方法

技术领域

本发明涉及一种对远程信号进行调制解调的电路及其传输方法，尤其涉及远程获取电力二次回路的电气信息的调制解调电路及其传输方法。

背景技术

供电系统在电力运行过程中，其中央控制室需要及时掌握外围电网的电力电气信息，通过对二次回路的测量，获得电网实时运行的数据，以便实现远程控制。目前，获取这些信息是将各节点的电力二次回路的电气量信息通过连接电缆传输至中央控制室，再将模拟量转换为数字信号，以便即时掌握电网的运行动态；实现上述工作，需要耗费大量的电气连接电缆，工程投资浩大；同时，通过电气电缆传输中的信号，易受电磁、雷电干扰，尤其在雷电时，过电压、过电流极易损坏中央控制室的设备；再者，电缆连接的电气量设备，极易发生开路、短路事件，影响电网设备的运行安全。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种采用占空比差分方式转换信号的技术，从而能实现光纤高精度传输，其传输方式的关键是模拟量信息和数字量信息同步传输，且具有极强抗干扰能力的电力电气信息远程传输的调制解调电路的调制与解调方法。

本发明的技术方案是：所述的调制解调电路包括解调电路和调制电路，调制电路与解调电路之间通过光纤发送、传输、接收装置相连，所述的调制电路包括信号输入叠加电路、RC振荡信号发生器、脉冲信号发生电路和光纤发送电路；信号输入叠加电路包括相互连接的标准源和被测信号输入接口；RC振荡信号发生器包括电容、电阻和与电容并联的积分单元；脉冲信号发生电路包括比较单元和对应于每个工频周期能产生64～256个标准脉冲的阈值反馈电路，阈值反馈电路连接在比较单元的正接口与输出口之间；信号输入叠加电路连接阈值反馈电路和被测信号源，将被测信号和受阈值反馈电路控制的标准源形成叠加信号，再与RC振荡信号发生器相连；RC振荡信号发生器连接比较单元的负接口，阈值反馈电路连接比较单元的正接口；比较单元将RC振荡信号发生器发出的叠加调制信号与阈值反馈电路发出的标准电平进行比较，调制转换成脉冲信号，再由比较单元的输出口传输给光纤发送电路；

所述的解调电路包括分别与脉冲信号输入电路连接的模拟量解调电路和数字量解调电路；模拟量解调电路包括相互连接的标准源、积分驱动电路、相位补偿电路和模拟量输出端口；标准源与脉冲信号输入电路相连，受输入脉冲控制的标准源传输给积分电路，经相位补偿电路连接到输出驱动电路；数字量解调电路包括相互连接的脉冲源、逻辑整合计数电路、运算电路、输出总线；运算电路中包括记载有根据标准脉冲源、逻辑整合计数电路传来的连续数据量，以满足奈奎斯特法则对电气量信息高精度计算的条件，通过傅里叶计算得出最大值、有效值、频率值、各次谐波幅度值的程序的处理器；运算电路中的处理器通过输出总线与外部电路连接；

所述调制和解调方法，包括以下步骤：

1)、利用互感装置获取远端电力线路的电气信号，输出正弦波型模拟信号；作为调制电路的被测信号；

2)、设置一个能发出连续的、周期相等的、占空比为50％的标准脉冲信号作为调制电路的标准信号；所述标准信号的周期通过含有阈值反馈电路的脉冲信号发生电路中的阈值反馈电路控制，标准信号的周期为所述被测信号周期的1/64～1/256；

3)、将所述标准信号与所述被测信号叠加，通过调制电路中的RC振荡信号发生器调制为斜率不等的三角波信号；

4)、将所述三角波信号输入到含有比较单元的脉冲信号发生电路，比较单元对三角波信号与阈值反馈电路中的标准脉冲信号进行比较处理，形成带有被测信号信息的宽窄不等的方波型输出信号；

5)、方波型输出信号通过光纤发送电路、光纤、光纤接收电路进入解调电路；

6)、解调电路将方波型输出信号解调为与所述被测信号一致的模拟信号。

解调电路将方波型输出信号解调为与所述被测信号一致的一组数字量信号。

本发明的电路采用了纵向占控比差分调制解调技术应用于电力系统二次回路。以50Hz工频信息(如图3所示)为例的调制与传输波形，为50Hz工频信息光纤调制传输图，是依照工频周期1/128为脉冲周期的转换展开示意图。在实际应用中，对应每个工频周期约为64个至256个左右的调制脉冲(如图4所示)。能达到有效传输电力系统的高次谐波和暂态分量的基本条件。对应于每个工频周期的调制脉冲个数越多，其传输高次谐波和暂态分量的能力越强。对于现有的电力系统二次回路的所有设备，一个50Hz工频周期对应128个左右的调制脉冲，可满足所有的高档应用。调制的信号通过光纤以模拟份量和数字份量同步的方式传输，使得调制与解调稳定可靠，具有极强的抗干扰能力。而且，能避免过流、过压对中央控制室内设备的影响。

调制电路获得的与被测信号对应的脉冲序列，其中包含了被测信号的模拟份量和数字份量；解调电路中，模拟解调电路包括远端信号的输入接口、解调信号标准源、积分电路、运算电路，以还原成与远方信号相对应的模拟量；数字解调电路是将调制的光信号还原成电脉冲信号输入接到数字逻辑电路，解调出连续的数据量，与微处理器连接，通过傅里叶变换，计算得出最大值、有效值、频率值、各次谐波幅度等，满足以奈奎斯特法则对电气量信息高精度计算的条件。

附图说明

图1是本发明中调制电路的工作原理图

图中1是被测信号输入接口，2是信号叠加电路，3是RC振荡信号发生器，4是调制信号输出，5是光纤发送电路，6是脉冲信号发生电路；A点信号为三角波，B点信号为占空比不同的方波；

图2是本发明中解调电路的工作原理图

图中7是模拟量解调电路，8是数字量解调电路；

图3是50Hz工频信息的示意图

图中T为工频周期；

图4是本发明阈值反馈电路发出的标准脉冲的波形示意图

图中t为脉冲周期，t＝T/128，t+＝t-；

图5是本发明调制电路调制出的信号波形示意图

图中，t1+为第一个脉冲周期中“占”的周期，t1-为第一个脉冲周期中“空”的周期，t2+为第二个脉冲周期中“占”的周期，t2-为第二个脉冲周期中“空”的周期。

具体实施方式

本发明它包括解调电路和调制电路，调制电路与解调电路之间通过光纤发送、传输、接收装置相连。

调制电路如图1所示，包括信号输入叠加电路2、RC振荡信号发生器3、脉冲信号发生电路6和光纤发送电路5；信号输入叠加电路2包括相互连接的标准源和被测信号输入接口1；RC振荡信号发生器3包括电容、电阻和与电容并联的积分单元；脉冲信号发生电路6包括比较单元和对应于每个工频周期能产生64～256个标准脉冲的阈值反馈电路，阈值反馈电路连接在比较单元的正接口与输出口之间；信号输入叠加电路2连接阈值反馈电路和被测信号源，将被测信号和受阈值反馈电路控制的标准源形成叠加信号，再与RC振荡信号发生器3相连；RC振荡信号发生器3连接比较单元的负接口，阈值反馈电路连接比较单元的正接口；比较单元将RC振荡信号发生器发出的叠加调制信号与阈值反馈电路发出的标准电平进行比较，调制转换成脉冲信号，再由比较单元的输出口传输给光纤发送电路5；形成如图5所示的调制信号输出4。

解调电路如图2所示，包括分别与脉冲信号输入电路连接的模拟量解调电路7和数字量解调电路8。

模拟量解调电路7包括相互连接的标准源、积分驱动电路、相位补偿电路和模拟量输出端口；标准源与脉冲信号输入电路相连，受输入脉冲控制的标准源传输给积分电路，经相位补偿电路连接到输出驱动电路。

数字量解调电路8包括相互连接的脉冲源、逻辑整合计数电路、运算电路、输出总线；运算电路中包括记载有根据标准脉冲源、逻辑整合计数电路传来的连续数据量，以满足奈奎斯特法则对电气量信息高精度计算的条件，通过傅里叶计算得出最大值、有效值、频率值、各次谐波幅度值的程序的处理器；运算电路中的处理器通过输出总线与外部电路连接。

本发明的传输方法包括以下步骤：

1)、利用互感装置获取远端电力线路的电气信号，输出正弦波型模拟信号，如图3所示波形；作为调制电路的被测信号；

2)、设置一个能发出连续的、周期相等的、占空比为50％的标准脉冲信号作为调制电路的标准信号，如图4所示波形；所述标准信号的周期通过含有阈值反馈电路的脉冲信号发生电路6中的阈值反馈电路控制，标准信号的周期为所述被测信号周期的1/64～1/256；

3)、将所述标准信号与所述被测信号叠加，通过调制电路中的RC振荡信号发生器3调制为斜率不等的三角波信号，如图1中A点所示波形；

4)、将所述三角波信号输入到含有比较单元的脉冲信号发生电路，比较单元对三角波信号与阈值反馈电路中的标准脉冲信号进行比较处理，形成带有被测信号信息的宽窄不等的方波型输出信号，如图1中B点所示波形，展开波形如图5所示；

5)、方波型输出信号通过光纤发送电路、光纤、光纤接收电路进入解调电路；

6)、解调电路将方波型输出信号解调为与所述被测信号一致的模拟信号。

此外，本发明的解调电路还看将方波型输出信号解调为与所述被测信号一致的一组数字量信号。

本发明详细的工作原理是：

一、信息的调制的方案(以50Hz工频信息为例)

本发明采用了纵向占控比差分调制解调技术应用于电力系统二次回路。以50Hz工频信息为例的调制与传输波形如图3、4所示，其中的图5为转换展开示意图，在实际应用中，对应每个工频周期约为64个至256个左右的调制脉冲。这也是为有效传输电力系统的高次谐波和暂态分量的基本条件。对应于每个工频周期的调制脉冲个数越多，其传输高次谐波和暂态分量的能力越强。对于现有的电力系统二次回路的所有设备，一个50Hz工频周期对应128个左右的调制脉冲，可满足所有的高档应用。

从图中可以看出，工频信息的大小只对应于光纤传输脉冲的宽窄，与其它份量无关。

本发明方案的特点是：1、传输与信息本体完全对应，不会产生相位差异；2、采用两状态传输，有极强的抗干扰能力；3、调制信息的方式最适合光纤为介质的传输(高质量、高精度)；4、与被调制信息(传输信息)的幅度、频率、相位的最佳相关性。

二、调制技术与方法

1、调制技术

以一个连续的、周期相等的、占空比为50％的脉冲信号源作为被调制对象，如图4所示，为被调制信号(载体)原形。将需要进行发送、传输的信号，如图3所示的50Hz工频信息等输入对其进行占控比调制，以输入信息的大小决定占空比的大小，如图5为调制结果的传输波形。在图3、4、5中所示，输入信号为正时的占控比＞50％；输入信号为负时的占控比＜50％，或反之亦然，效果一样。这样，被调制的信息中既保留了原信息的大小，又保留了原信息中的相位、方向。

从图4可以看出，调制前与调制后的载体信号的周期t是不变的，在应用光纤作信息传输介时，完全免除了直流分量的干预，确保信息传输的可靠性。另外，在传输过程中使用两状态法，无任何中间状态来表达信息内容，具有极高的抗干扰能力和传输可靠性。

2、调制方法的实现

由图1中可以看出，是一个RC震荡信号发生器，其信号的周期不变，流进充放电电容器C1的电流，就是流经电阻R1的电流，在输入信号为零时，由于电压源+U1和-U1的绝对值相等，电容器的充电和放电时间相等，通过比较器和阀值反馈回路的作用，输出B点的波形是一个正负对称的方波

(也就是占控比为50％脉冲)。图1中的脉冲信号发生电路6是一个可控方波信号发生器。其中“阀值反馈”回路控制脉冲的频率(或周期)，信号叠加电路2控制占空比(充/放电的时间比例)。

在固有震荡频率＞输入信号的频率，且输入信号幅度＜U1的条件下，由于B点输出的脉冲是“阀值反馈”回路和输入回路+U1、-U1的交替作用下产生的，当输入信号不为零时，电容C1的充电时间与放电时间两者之间发生了变化。在+U1的作用时(设为电容C1的充电时间)，流进电容C1的电流

在-U1作用时(设为电容C1的放电时间)，流进电容C1的电流

由于U1的幅度＞输入信号ΔU，所以C1的充放电电流的主体仍为U1的作用，只是在输入信号ΔU的作用下，充电与放电的电流大小不同。由于在“阀值反馈”回路的作用下及震荡的基本条件决定，电容C1的充电电压和放电电压两者之间必须相等，也就是说，在输入回路电流I的作用下，充电电荷等于放电电荷，由于充电电流与放电电流的不同，电容C1所需的充电时间于放电时间也就不同，这样、就产生了B点输出方波的占空比的不同，达到了在输入信号ΔU的作用下，对脉冲信号的占空比进行调制的目的。必须注意：由于在C1的同一充/放电周期中，电流的正偏差与负偏差相等，也就是说，时间的正偏差与负偏差相等，所以，总的充/放电周期不变，如图5所示T＝t1+t2，这一特点在以后的实际应用中很重要。

特点之一：调制度与温度无关

图1中，在震荡的一个周期中，电容器C1两端平均电压的总和为零，也就是说，充/放电的正负电荷量的总和为零，有如下表达方式：

$Q{c}^{+}={\∫}_0^{t1}\frac{U1+\mathrm{\ΔU}}{R1}\mathrm{dt}1=\frac{(U1+\mathrm{\ΔU})t1}{R1},$ $Q{c}^{-}={\∫}_0^{t2}\frac{-U1+\mathrm{\ΔU}}{R1}\mathrm{dt}2=\frac{(-U1+\mathrm{\ΔU})t2}{R1}$

有： $\frac{\left(\frac{U1+\mathrm{\ΔU}}{R1}\right)}{C1}t1+\frac{\left(\frac{-U1+\mathrm{\ΔU}}{R1}\right)}{C1}t2=0$

$\left(\frac{U1+\mathrm{\ΔU}}{R1}\right)t1+\left(\frac{-U1+\mathrm{\ΔU}}{R1}\right)t2=0$

(U1+ΔU)t1+(-U1+ΔU)t2＝0

有： $\mathrm{\ΔU}=\frac{U1(t2-t1)}{t1+t2}=-\frac{U1(t1-t2)}{t1+t2}---\left(1\right)$

从式(1)中看出，当输入ΔU与U1同向时，T2＞T1(放电时间大于充电时间)。

式(1)很有用处，在以后的实际应用中的信息解调也要用到，从式(1)中可以看出，在整个调制过程中，电阻R1与电容C1在表达式中已不存在，只有t1与t2间的比例关系。实际上，由于温度关系所引起的R1、C1的变化量在一个充/放电周期中被相互抵消了，所以，由于温度所引起的调制元件参数的缓慢变化不会影响调制精度。

特点2：最适合于光纤传输，有极高的抗干扰能力

在式(1)中，最主要的是将信息的载体t1和t2传输到接收端，传输的量幅度只有“1”和“0”两状态，无任何中间状态，所以，有极高的抗干扰能力，而以光纤作为传输介质本身就有很高的抗干扰能力。传输的分辨率是保证精度的关键所在，而光纤介质具有极高的分辨率，对于象50Hz工频类似的信息，完全可以忽略其传输误差。

三、信息的解调

1、信息的模拟解调

模拟解调，也就是通过一定的解调手段，获得调制前原始信息的模拟量，是调制的逆转换，如图2所示，解调模型中，仍要相同于调制时的基准份量+U1和-U1一同参与，+U1和-U1的大小可根据需要而定，但绝对值必须相等。由于输入是两状态信息，只要对应于不同的状态，用不同的电压基准进行积分即可，如“1”状态时用+U1参与积分，“0”状态时用-U1参与积分(反之亦然)。由于采用积分电路会对解调后的50Hz信息产生一个小的相移，这在解调输出电路中进行反移过来，以达到同步传输的目的。不过，在实际应用中，对于50Hz的电力系统来说，所有相序都同时以相同方向移相同的相移，其结果是：由于没有产生相对相移，等于没有产生相移。对测量、计算不会产生任何影响。

2、信息的数字量解调

信息的数字量解调是基于算式(1)产生的，首先要得到t1、t2时间(宽度)大小的数据，即逻辑为“1”的时间及逻辑为“0”的时间，这在使用数字/逻辑电路中很容易解决。

设：逻辑“1”的宽度为Dt1；逻辑“0”的宽度为Dt2；最大值调制度

一个周期的解调数字量

其中K为标度值(也称比例系数)，对应于最大值，如50Hz工频电压的有效值是100V，则最大值K＝100V×1.414＝141.4V。对于50Hz工频信息，每周期取样64次(对应于64个调制周期)，已是足够的采样量了，与等间隔抽样A/D转换是同样的效果，因为在调制时也同样采用的等间隔的调制法。

将解调的连续的数据量，通过傅里叶计算，可以得出最大值、有效值、频率值、各次谐波的幅值等等。按照奈奎斯特法则，对应于工频每周期64个取样点，可计算出31次谐波的分量，已足够电力系统进行各类精确测量了。

Claims (2)

1.一种电力电气信息远程传输的调制解调电路的调制与解调方法，所述的调制解调电路包括解调电路和调制电路，调制电路与解调电路之间通过光纤发送、传输、接收装置相连，其特征在于：

所述的调制电路包括信号输入叠加电路、RC振荡信号发生器、脉冲信号发生电路和光纤发送电路；信号输入叠加电路包括相互连接的标准源和被测信号输入接口；RC振荡信号发生器包括电容、电阻和与电容并联的积分单元；脉冲信号发生电路包括比较单元和对应于每个工频周期能产生64～256个标准脉冲的阈值反馈电路，阈值反馈电路连接在比较单元的正接口与输出口之间；信号输入叠加电路连接阈值反馈电路和被测信号源，将被测信号和受阈值反馈电路控制的标准源形成叠加信号，再与RC振荡信号发生器相连；RC振荡信号发生器连接比较单元的负接口，阈值反馈电路连接比较单元的正接口；比较单元将RC振荡信号发生器发出的叠加调制信号与阈值反馈电路发出的标准电平进行比较，调制转换成脉冲信号，再由比较单元的输出口传输给光纤发送电路；

所述的解调电路包括分别与脉冲信号输入电路连接的模拟量解调电路和数字量解调电路；模拟量解调电路包括相互连接的标准源、积分驱动电路、相位补偿电路和模拟量输出端口；标准源与脉冲信号输入电路相连，受输入脉冲控制的标准源传输给积分电路，经相位补偿电路连接到输出驱动电路；数字量解调电路包括相互连接的脉冲源、逻辑整合计数电路、运算电路、输出总线；运算电路中包括记载有根据标准脉冲源、逻辑整合计数电路传来的连续数据量，以满足奈奎斯特法则对电气量信息高精度计算的条件，通过傅里叶计算得出最大值、有效值、频率值、各次谐波幅度值的程序的处理器；运算电路中的处理器通过输出总线与外部电路连接；

所述调制和解调方法，包括以下步骤：

1)、利用互感装置获取远端电力线路的电气信号，输出正弦波型模拟信号；作为调制电路的被测信号；

2)、设置一个能发出连续的、周期相等的、占空比为50％的标准脉冲信号作为调制电路的标准信号；所述标准信号的周期通过含有阈值反馈电路的脉冲信号发生电路中的阈值反馈电路控制，标准信号的周期为所述被测信号周期的1/64～1/256；

3)、将所述标准信号与所述被测信号叠加，通过调制电路中的RC振荡信号发生器调制为斜率不等的三角波信号；

4)、将所述三角波信号输入到含有比较单元的脉冲信号发生电路，比较单元对三角波信号与阈值反馈电路中的标准脉冲信号进行比较处理，形成带有被测信号信息的宽窄不等的方波型输出信号；

5)、方波型输出信号通过光纤发送电路、光纤、光纤接收电路进入解调电路；

6)、解调电路将方波型输出信号解调为与所述被测信号一致的模拟信号。

2.根据权利要求1所述的一种电力电气信息远程传输的调制解调电路的调制与解调方法，其特征在于，解调电路将方波型输出信号解调为与所述被测信号一致的一组数字量信号。

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