CN103548281B - 多相配电网的全部相位上的通信信号的同步检测 - Google Patents

Abstract

一种检测在多相位配电系统的一个相位上所发送的信号的方法，其中信号的分量并发地出现在该系统的所有相位上。该方法包括：检测出现在该系统的每一个相位，包括中性相位，上的每个信号的分量。将检测到的信号提供给信号处理器，由信号处理器对它们进行处理，以产生为所有分量的组合的检测信号。通过加权求和方案将信号进行组合，将信号和噪声相关性考虑在内，以同时最大化信号强度和抑制噪声。如果在系统的其它相位上存在其它信号，则从所检测的信号中消除所有的合成干扰，以进一步改进所检测信号的质量。

Description

多相配电网的全部相位上的通信信号的同步检测

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2011年2月28日的第61/447,365号的美国专利申请的权益，在此结合其内容作为参考。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

不适用。

背景技术

本发明涉及通过配电网的通信，以例如从供电局向客户供电。更尤其地，本发明涉及对供电局的配电网全相位上的通信信号，尤其是那些从客户设施反向发回供电局的那些信号，的同步检测。

供电局所采用的通信系统在本领域中是已知的。见例如，第6,940,396号和第5,262,755号美国专利。典型地，供电局使用该系统从发射器地点（通常为网络变电站）向客户设施发送消息或命令（出站（outbound）信号）。典型地结合在个别设施处的仪表中的收发器，响应于命令的执行或对信息的请求，于是将信号（入站（inbound）信号）发回供电局。

先前，位于供电局的用于接收输入消息的设备并不具有同步地接收网络多相位上的消息的能力。但是现在，接收机具备了这种能力；并且，由于通常在网络的所有三个相位上都存在入站信号（inbound signal）的一部分，所有这些相位上的信号组合起来可产生最优的信号强度。

供电局所使用的一种通信系统为双向自动通信系统，或在此系统的早期实现中，入站信号检测硬件仅具有一次采样一个相位上的信号的能力。现在，电流信号检测硬件具备了同时对去往变电站的所有输入（相位）上的信号进行采样的能力。在第6,940,396号美国专利中揭示了一种检测多个相位上同时发送的信号的方法，但是该方法是为一次检测一个相位上的信号所设计的，并且依赖于信号之间的时间差异来区分它们。取决于线路配置，所有入站信号将出现在该变电站可能存在的三个相位（或四个相位，如果存在中性相位）中的至少两个相位上，并且因此对入站信号的最优的检测应包括来自这些多个相位的信号的检测。但是迄今为止这还无法实现。本发明的方法用于实现“全相位”检测，并且其目前是在并发相位（concurrentphase）的模式下工作的。

除了全相位检测产生信号强度更高的信号以外，优化组合信号的信噪比（SNR）也需要检测方法将不同相位上噪声信号中的相关性（如果存在）考虑在内。依据本发明的方法，信号强度和噪声相关性是针对每一个入站信号自适应性地估计的，并且产生的组合方案将产生更高的信噪比。

最后，之前的并发相位的实现方法较复杂，需要分别的信号处理算法用于检测和用于消除信号在其它相位上的干扰。本发明的方法整合了这些算法，产生的单个算法同时产生更好的通信性能，并且相对于以前的算法减少了运算的需求。

发明内容

本发明指向一种全相位检测器和检测方法，用于供电局的配电网络的通信系统中。该检测器以及方法检测存在于该网络中所有三个（或四个）相位上的信号，并将来自所有相位的结果组合以产生信号强度比个体信号中任意一个的信号强度更强的信号。该检测器和方法进一步具有抑制噪声的效果，在一个以上的相位上这些噪声的统计值不相关。该算法获得了信号求和的最佳权重，使得提高了信号功率并使噪声抑制在可能使信噪比最大的程度。

本发明的方法采用了并发相位算法，其结合了以前的用于检测信号并消除来自其它相位上的信号的干扰的分别处理信号的算法。该结合导致检测器设计的复杂性较低并且更为可靠。进一步地，在中性导体上存在的所有附加信号都被用在本发明的算法中，从而消除了以前那种必须重试所错过的中性导体上的通信的实现。

该检测器已经能够在诸如TWACS的现有供电局通信系统中实施，以在供电局及其客户之间提供对于从客户现场发送到供电局变电站的入站信号的更好的通信

其它的目的和特征将部分地显而易见，而部分在下面指出。

附图说明

本发明的目标如在附图中所示的示意性实施例中阐述的那样实现，该附图形成本说明书的一部分。

图1是用于单相位信号检测的数据处理流的简化框图。

图2是用于全相位信号检测的数据处理流的简化框图。

图3是用于全相位信号检测的窗口方案（windowing scheme）的表达；以及

图4是表示将处于并发相位模式的本发明的全相位检测器和方法与处于单相位模式和并发相位模式的单相位检测器进行对比的曲线图。

贯穿附图中的若干视图，相应的参考符号指示相应的部分。

具体实施方式

以下的详细说明通过举例而非进行限制的方式说明了本发明。本说明清楚地使一个本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且说明了若干个本发明的实施例、适用性、变化、备选性和应用。此外，应该理解本发明并非将其应用限于在下面的说明或附图中所阐述的结构细节和组件布置中。本发明能够具有其它的实施例，并能够以不同的方式实现或实施。而且，将理解的是，本文中所使用的措辞和术语是为了说明的目的而不认为是构成限制。

参考图1，说明了在单相位检测的信号处理中常规的事件顺序。参考图1，首先使用带通滤波器来处理所采样的电流波形，以降低具有较低信号功率的频率上的噪声。然后，将经滤波的波形传递通过通道分离滤波器（诸如在第5,262,755号美国专利中所示出的，该专利由本申请的申请人所有）。该滤波器针对每一个通道包括一个滤波器，并被用于处理信号和隔离来自组合信号的每一比特的总和脉冲形状。据此，对于每一个通道，针对每一比特产生一组波形。现在将这些布置在M×N的信号矩阵中，其中M为每半周期的样本数，且N为比特数。例如，对于以每秒4320次采样的速率采样的60Hz的AC波形，每半周期的样本数为36，但是如果下采样完成或使用了不同的采样速率则可能更少。然后，使所有六个通道的信号经历出站信号消除算法。前面参考第6,940,396号美国专利所说明并且目前被用在TWACS系统中的并发相位模式具有在所述相位上的出站传输，该到处传输与其它相位上的入站信号同步。因为出站信号漏泄到其它相位上，并且由于在本地产生而非常强，所以为了检测入站信号的可靠性，需要消除出站信号。此算法使用了出站比特组合格式（outbound bit pattern），以从入站信号中分离出或“清除掉”出站信号，该出站比特组合格式由于在本地产生因此对于检测器是已知的。在当没有干扰出站信号存在的情况下，该算法简单地使信号通过。在消除此干扰之后，为每一个通道产生的信号矩阵被传送至检测器以及解码器，以提取解码比特。

参考图2，示出了全相位检测的数据处理方案。在图2中，执行了与图1中所示出的相同的步骤顺序，但是在配电网络的全部三个相位A、B和C上执行带通滤波和通道分离操作。进一步地，在通道分离步骤之后，将来自全部三个相位的信号进行组合以便为每一个特定信道产生单个“堆叠矩阵（stacked matrix）”。然后对这些堆叠信号矩阵应用出站消除算法，并且然后信号被传递到检测器和解码器。对于每比特的长度为一半周期的信号，使用之前所说明的系统参数，这总计为36个采样。本领域技术人员将体会到的是，取决于带通滤波器的截止频率，能够通过为2或3的因子对经滤波的信号进行下采样而不会损失该信号中所包含的任何信息。通过实现这样的下采样，可以在无下采样的情况下将数据大小和运算消耗保持为与单相位入站检测器相似，因此其能够很容易在类似的硬件上实施。

虽然图2的框图示出了相位A、B和C，但是如果存在，中性相位也包括在内。在许多现有装置下，普遍会通过将所有三个相位相加产生模拟“合成”中性。当完成这一点时，在使用图2中的全相位检测方法进行处理时，合成中性信号将不需要提供任意新信息。这是因为信号不包括入站波形的不同“副本”。但是，在存在实际总线级中性点（neutral）时，中性信号包含额外的入站信号信息，该信息不能通过将处理相位到中性信号时的所有剩余相位进行求和而得到。本领域技术人员将会理解，在总线级上的噪声水平通常高于支线级（feeder level）上的噪声水平。据此，之前一直认为支线级“合成”中性比现实的总线级中性信号更优选。但是，对于依据本发明的全相位检测，具有总线级信号是有益的，并且，在执行了全相位检测算法并且评定通信性能之后，对其的需求可在给定的位置处根据经验确定。

本发明的全相位检测算法对于电力线通信系统具有两个重要优势，第一，改善了性能，这是通过组合所有信号源，以至于提高了检测到的信号与相应相位上存在的噪声的比率而达到的。第二，改善并简化了并发相位检测的系统设计。

以前的并发相位检测的方法需要除信号矩阵所需要的输入以外的额外输入；这是为了消除来自其它相位的干扰信号，并且因为系统需要保留关于波形的信息和检测来自其它相位的比特。可以理解的是，由于信号并不总是在所有相位上时间对齐，所以其变得尤其复杂。因此，在特定通道上的所有入站信号可受到来自多达四个其它入站信号的干扰；即，来自其它相位中每一个相位有两个信号。从数据管理的角度看，尤其有益的是具有以下这样的检测算法，其利用了来自特定入站信号时隙和通道的全相位的信号矩阵，并然后以稳健的方式检测信号而不需要以上提及的其它输入。本发明中的检测算法就是这样的。

关于以上所提到的TWACS，在过去，信号检测算法使用入站信号的时间窗（temporal windowing）。此外，即使存在值得为信号检测进行采样的完整的半周期，当前脉冲宽度也比整个信号窗口小得多。这导致在检测窗开始和结束处的一些样本丢失。这通过移除信号强度相对小，但包含噪声的样本，改善了信噪比。当系统工作在并发相位模式下时，在检测窗口开始和结束处也同样普遍存在来自其它相位的信号。在并发相位检测过程中，则变得需要使检测窗口变窄以使来自其它入站信号的干扰最小化。对于全相位检测，依据本发明，继续使用窄检测窗；但是现在，在检测窗之前和之后获得的样本也被用于估计干扰。

现在参考图3，说明了在本发明中所使用的信号窗口方案。在图3中，进入检测算法的外部输入包括图左侧示出的堆叠信号矩阵。如在图中所指示的，该堆叠信号矩阵代表所有三个相位A、B和C。在每一个相位内具有三个时间区域，代表主检测窗和在主窗口之前和之后的区域。

全相位检测中的第一个步骤是将单个堆叠信号矩阵重新布置成代表三个窗口的每一个窗口的三个堆叠信号矩阵。这在图3的右侧部分被示出，其中三个堆叠式和窗口式的矩阵分别标记为“主窗口”、“前窗口”和“后窗口”信号。在后面的数学描述中，这三个信号矩阵被表示成S_main、S_pre和S_post。理论上，这三个矩阵并不需要具有相同的列数。但是，在仿真测试中，使其相等则可得出合理的好结果。因此，为简化后面说明，假设各窗口在尺寸上相等，这意味着对于每个相位上M个样本，每个窗口为M/3个样本宽度，并且三个堆叠式和窗口式矩阵的大小为M×N，或者如果存在中性信号则为4M/3×N。

在现有的检测方案中，前窗口和后窗口的样本被丢弃，而仅有S_main样本被用于检测入站消息。在本发明的全相位检测方法中。S_main样本的多相位堆叠式版本再次被用作信号检测方案中最重要的部分。需进一步注意的是，在单相位检测方法中，为了分离信号和噪声，使用奇异值的分解来产生对主窗口信号矩阵的低阶近似。对全相位检测，基于经验结果，近似的等级从3上升到5。由于堆叠式矩阵相当大，并且比单个相位信号矩阵包含更多信号信息，该提升也是有帮助的。在一些方面，解码过程与最大SNB解码方法相似。该方法包括以下步骤：a)使用相关性检测器和对数据矩阵的低阶近似来估计比特；以及b)使用低阶近似数据细化比特估计值。对于全相位检测，采用类似的步骤，但在数据矩阵的等级和大小方面做出调整。主要差异在于产生比特的初始估计。

对于全相位模式检测，比特的估计由于干扰信号的存在而变得复杂。因为这些干扰信号并不需要与消息边缘对齐，要解码出实际的消息比特以便估计干扰是非常困难的。但是，对于干扰消息合理的一阶估计是通过计算奇异值分解并使用前窗口和后窗口信号矩阵的主左奇异矢量（dominant singularvector）（分别定义为U_pre和U_post）得出的。这则意味着我们需要对全部三个S矩阵S_main、S_pre和S_post计算左奇异矢量。因为该操作的复杂度与M³成正比，计算三个较小的S矩阵的分解比计算一个大矩阵更快。这使得被编程为执行全相位检测的计算机的运算负荷更加容易管理。通过这两个干扰估计，使用类似于用于清空出站干扰的零空间投影过程（null-space projectionprocedure），从S_main中消除了它们各自的影响。这得出了信号的“清洁”版本，被定义为S_clean。

这一过程的挑战在于，在这个阶段，将相关性检测器用于S_main有时比用于S_clean可产生更好的对比特的初始估计，这主要是通信系统中干扰的相对强度与时间标记（timing）的结果。在单相位模式下，例如，预计在S_pre和S_post中没有干扰，且S_main为优选。由于检测算法本身并不知道系统是否工作在单相位模式下，为了避免检测算法对于任意额外输入的需要，在这一点上，解决方案是将相关性检测器应用于原始的以及干净的信号矩阵；并且然后使用来自这些矩阵的具有最高信噪比的估计比特。仿真已经显示了这种方法是成功的。

一旦这些比特被估计出，本发明的方法采用了对S_main的低阶近似来细化这些估计值并产生最后结果。

执行本发明的方法的步骤如下：

1.生成三个堆叠式窗口矩阵（见图3）：S_main、S_pre和S_post

2.对于每一个矩阵，计算左奇异矢量，提取U_k，S_main的第k个控制矢量，以及U_pre和U_post，即S_pre和S_post各自的主向量（dominant vector）。

(a)计算W，S^TS的特征向量（eigenvector），以及λ，相应的特征值（eigenvalue）。

(b)使W_K代表W的第K列，其对应于K个最大特征值。

(c)计算U_k：

$U_K={\mathrm{SW}}_K{\mathrm{\Λ}}_K^{-1/2}$

其中，∧_k为对角矩阵，其对角线上包含λ的前K个元素。如果仅使用一个向量，则不需要像对S_pre和S_post所做的那样将∧_k归一化。

3.生成S_clean，其为消除了来自前窗口信号和后窗口信号的最有效贡献（most significant contribution）的S_main的副本。

V=[U_pre U_post]

S_clean=S_main-V(V^TV)^-1V^T S_main

4.使用S_clean和S_main，用SNR加权相关性检测器选择消息比特最佳估计。

(a)对于每一个S矩阵，计算d，相关性检测器的输出。

(i)使S_C代表S的行，其对应于消息中已知的头比特。对角矩阵C包含被表示为±1的比特的值。

(ii)计算相关向量C：

$T=S_C^{T}C$

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{i,j}$

$C_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{(t_{i,j}-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}$

(iii)使用相关向量来估计比特：

d=Sc

(b)对于d_main和d_clean，使得d_max为具有最高估计SNR的向量，其可通过求出具有最大值的向量来计算：

$\frac{{\left({\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N\right|d_n\left|\right)}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{d}_n^2}$

(c)使用d_max的符号作为所估计的比特：

b₀=sgn(d_max)

5.将这些比特的估计值进行细化，并将其用于计算软判决输出：

(a)计算向量_p以及

$p=b_o\⊗\left(U_K\left(U_K^T{b}_o\right)\right)$

$q=\left(U_K(U_K{\⊗U}_K)\right)1$

(b)由b₀计算b₁，对于所有j=

$b_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{b}_{0,j}& p_j\&GreaterEqual;q_j\\ -b_{0,j}& p_j<q_j\end{array}\right\}$

或者换句话说，当p_j﹤q_j时所有情况下的比特翻转。

(c)由b1计算检测器输出：

$d=U_K\left(U_K^T{b}_1\right).$

6.使得b₀=sgn(d)并且重复步骤5。

最后，图4示出了仿真的本发明的全相位检测算法与两种其它检测方案的性能的对比。这些其它方案中的第一种方案用于单相位信号检测并涉及现有的最大SNR检测算法。另一种方案用于并发相位检测并且基于线路到线路的信号。如图4所示，并发相位检测算法展现出在性能上损失微小，相对于单相位检测算法，这是信号中存在的干扰增加的结果。全相位检测算法在性能上相对于单相位信号检测可得到将近2dB的增益；而相对于并发相位信号检测可获得稍大于2dB的增益。性能的这种增益的例外是在高SNR处，此时全相位检测性能中存在噪底（noise floor）。但是，因为该底处于块错误率小于10-³处，其不会对全相位入站信号检测造成大问题。

从前面所述的角度，可以看出已经达到了本发明的若干个目的和优点，并且还获得了其它的具有优势的结果。

Claims (9)

1.一种检测在多相位配电系统的至少一个相位上发送的信号的方法，所述信号的分量并发地出现在所述系统的多个相位，包括中性相位上，所述方法包括：

通过信号检测器检测在所述系统的所有相位，包括中性相位，上的输入信号；和

处理所述检测到的信号，包括将每一个相位，包括中性相位上出现的每一个信号的全部分量组合以产生合成信号，该合成信号的信号强度大于在所述配电系统的任意个体相位上观察到的信号强度，

其中，信号处理采用并发相位算法用于信号检测。

2.如权利要求1所述的方法，如果在所述系统的其它相位上存在其它信号，则将由这些其它信号对所述检测信号的所有合成干扰从所述检测信号中消除，由此改善所述检测信号的质量。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述并发相位算法为用于所述配电系统的每一个相位的分别的信号处理算法的结合。

4.如权利要求1所述的方法，其中，用于每一个相位的所述信号检测器包括带通滤波器和通道分离滤波器。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述信号处理包括获得所述配电系统的每一个相位上经滤波的检测信号的样本，并使用所述样本形成单个堆叠信号矩阵，其包含来自每一个分别的相位的信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中，每一个堆叠信号矩阵包括来自三个时间区域的信号样本，表达主检测窗口的主窗口信号部分、表达所述主窗口信号部分之前的时间区域的前窗口信号部分，以及表达所述主窗口信号部分之后的时间区域的后窗口信号部分。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括，通过将来自每一个相位的所述信号的主、前，和后窗口部分组合成分别的堆叠矩阵，使所述堆叠信号矩阵形成三个堆叠窗口矩阵。

8.如权利要求7所述的方法，其中，堆叠窗口矩阵具有相同的尺寸。

9.如权利要求7所述的方法，其中，处理所述堆叠窗口矩阵包括以下步骤：

使用相关性检测器估计初始比特值；

执行对每一个数据矩阵的近似；以及

使用近似后的数据细化每一个比特估计值。