CN103795443B - 一种电力线路工频通信方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电力线路工频通信方法，其包括：从主控端到用户终端的下行信号的发送和接收；以及从所述用户终端到所述主控端的上行信号的发送和接收，所述下行信号和所述上行信号均以微量谐波作为信号的载体，其通过调制系统产生包含信息编码的谐波波形，附加到基波波形中而产生。本发明所述方法充分利用谐波特性，使电力线路通信更加可靠性，通信距离更远，传输速率更快，成本更低。本发明还提供了一种电力线路工频通信装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种工频通信方法，更具体地涉及一种用于各种通过电力线路作为介质进行数字化通信的场合和领域的电力线路工频通信方法。
背景技术
在电力系统中，自然产生的谐波一直是作为有害现象存在。谐波的危害是多方面的，在早期，由于危害较小，对谐波的研究也比较少，基本上都是采取忽视的态度。近年来随着社会、经济和科技的进步，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注，消除和治理谐波成为关注的重点。
目前，在电力领域中，几乎没有主动利用谐波来作为正面效应的应用，唯一利用谐波的是近年来逐步发展起来的有源滤波装置，其工作原理是：由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波与系统中的谐波抵消，其目的是为了消除系统中的谐波。
传统的电力线路通信中，主要包括常规载波、扩频载波、工频通信，载波技术属于传统的模拟技术，除了各种自身的缺陷外，在数字化通信成为未来必然趋势的情况下，载波技术逐渐趋于淘汰。工频通信的方法在20世纪80年代由美国和加拿大的科学家提出，并形成双向工频自动通信的理论和方法，近年来在国外得到广泛应用，国内在近10年内开始进行该方面的研究，采用该技术的产品也逐渐投入到实际应用中。
工频通信(也称为工频波畸变通信)方法尽管在目前属于新型的数字化通信技术，但本身还存在一些问题：可靠性、通信距离、传输速率、成本等等。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种本发明一种电力线路工频通信方法，其包括：从主控端到用户终端的下行信号的发送和接收；以及从所述用户终端到所述主控端的上行信号的发送和接收，其中，所述下行信号和所述上行信号均以微量谐波作为信号的载体，其通过调制系统产生包含信息编码的谐波波形，附加到基波波形中而产生。在工频波畸变通信方法中，通过可控硅控制的通断来产生基波过零点前后某个角度时的微小畸变信号，在本发明所述的方法中，以调制系统来产生对应的信号。所述调制系统例如包括振幅调制电路(调幅)、周期和频率调制电路(调频)、相位调制电路(调相)，其功能是产生需要的包含信息编码的谐波波形，以附加到基波波形中。
优选地，所述主控端以及所述用户终端接收信号时采用傅里叶算法进行解调信号。在工频波畸变通信中，当电力线路的电能质量状况较差时，通信的可靠性就非常差了，对应的算法也非常繁多复杂，这种算法的复杂和多样意味着人力和计算能力(硬件)成本的提高。而在本发明所述电力线路工频通信方法中，解调算法非常简单，就是采用经典的傅立叶算法来进行处理，因为傅立叶级数和傅立叶变换算法正是谐波理论的数学基础。而且快速傅立叶变换甚至可以很容易地由硬件电路系统来处理，在速度、效率和成本方面具有很大的优势。
优选地，所述信号编码通过连续两个周波来传递信息，其方式为：前一周波包含有多个调制的高次谐波，后一周波不包含任何经过调制的高次谐波，选择其中某一高次谐波作为标志位，其余的高次谐波作为信息位。在工频波畸变通信方法中，是用两个周波来表示一位信息，用前一个带零点畸变的周波和一个不带零点畸变的周波来表示信息0，用2个连续带零点畸变的周波表示信息1。这样，这种通过50Hz工频波为信息传输载体的通信方式理论上的通信速率就是每2个周波1位(25bit／s)-忽略校验等。而在本发明所述电力线路工频通信方法中，也是通过连续两个周波来传递信息，不过方式为：前一周波包含有多个调制的高次谐波，后一周波不包含任何经过调制的高次谐波(电力线路中本来可能有的微量高次谐波仍然存在)，选择某一高次谐波作为标志位，其它的高次谐波作为信息位。举例来说：定义2次谐波为标志位，3-10次谐波为信息位，连续2个周波中，后一周波无任何调制的谐波信息，前一周波中含有调制的2次谐波，则次2个周波包含有信息，需要进行处理：前一周波中3-10次谐波检测到的有和无分别代表1和0，这样，就可以用2个周波传递8位的信息，相对于工频波畸变通信方法，传输速率提高到8倍(200bit／s或25Byte／s)，如果装置采用16个高次谐波作为信息位，则传输速率提高到16倍(400bit／s或50Byte／s)。理论上，这种通信方法的速率可以提高到无限，当然在实际应用中，速率提高的越高，对应的采集系统(AD)的精度需要做对应的提高、计算和处理能力以及调制系统的能力都需要做相应的提高，超过一定限度，成本的增加是无法承受的，所以，一般可以按照目前电子元器件的特性和价格选择合适的传输速率。
优选地，在电力线路中增加相位调制以避免产生谐振，所述相位调制包括不调制，所述谐波的相角始终为0，以及调制相位偏移180度，以避免所述电力系列中可能产生的谐振问题。谐波的危害主要源于两个方面，一是谐波含量(振幅)较大时造成各种危害，二是可能的谐振导致的瞬间值过大造成的危害。本发明所述电力线路工频通信方法中采用的谐波的振幅极低，远远低于电能质量标准中的要求，对电力系统的电能质量没有影响；本发明所述方法中增加了相应的装置进行所述相位调制，所述相位调制可以避免同一电力线路中大量采用本方法设计生产的各类不同功能需求的装置时可能产生的谐振问题。
优选地，还包括采用自动请求重发、循环传输检错、向前纠错(FEC)、混合纠错(HEC)差错控制策略中的一种作为差错控制策略；选择常用编码方式作为纠错编码例如矩形码、BCH码等；其中优选BCH码作为纠错编码。
本发明还提供了一种电力线路工频通信装置，包括：主控端装置，其包括：连接在电力线路中支线上用于接收所述上行信号的AD采集系统；连接在电力线路中母线上的调制系统、连接所述AD采集系统和所述调制系统负责系统管理的控制系统、设置于所述控制系统上用于信号输出或输入的IO端口以及连接所述控制系统用于信息存储的存储装置。
优选地，所述控制系统选自DSP、ARM或者FPGA中的一种。
优选地，所述用户终端装置包括连接支线上用于接收信号的终端AD采集系统、通过调制电路连接支线上的终端调制系统、连接所述终端AD采集系统和所述终端调制系统负责系统管理的终端控制系统、设置于所述终端控制系统上用于信号输出或输入的终端IO端口以及连接所述终端控制系统用于信息存储的终端存储装置。
优选地，所述调制系统和所述终端调制系统包括振幅调制电路、周期和频率调制电路以及相位调制电路，其用于产生包含信息编码的谐波波形，附加到基波波形中，产生所述下行信号和所述上行信号。
本发明所述电力线路工频通信方法利用谐波特性，采用所述调制系统产生需要的包含信息编码的谐波波形，以附加到基波波形中。从而产生所述上行信号和所述下行信号，提高电力系统通信的可靠性和传输速率，同时谐波的穿透力强，使其信号的传输距离更远。本发明所述电力线路工频通信方法采用的所述傅里叶解调算法，有效提高解调速度、速率，同时降低成本。本发明还提供了一种成本低，传输距离远的电力线路工频通信装置。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例所述电力线路工频通信方法中波形叠加示意图；
图2为本发明其中一个实施例所述电力线路工频通信方法的波形示意图；
图3为本发明其中一个实施例所述电力线路工频通信方法的编码示意图；
图4为本发明其中一个实施例所述电力线路工频通信方法的结构示意图；
图5为本发明其中一个实施例所述电力线路工频通信装置的结构示意图；
图6为本发明其中一个实施例所述电力线路工频通信装置的所述调制系统结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明所述电力线路工频通信方法，其包括：从主控端到用户终端的下行信号的发送和接收；以及从所述用户终端到所述主控端的上行信号的发送和接收，其中，所述下行信号和所述上行信号均以微量谐波作为信号的载体，其通过调制系统产生包含信息编码的谐波波形，附加到基波波形中而产生。
其中，所述主控端以及所述用户终端接收信号时采用傅里叶算法进行解调信号。
在本发明所述电力线路工频通信方法中，所述信号编码通过连续两个周波来传递信息，其方式为：前一周波包含有多个调制的高次谐波，后一周波不包含任何经过调制的高次谐波，选择其中某一高次谐波作为标志位，其余的高次谐波作为信息位。本发明所述电力线路工频通信方法中，通过连续两个周波来传递信息，方式为：前一周波包含有多个调制的高次谐波，后一周波不包含任何经过调制的高次谐波(电力线路中本来可能有的微量高次谐波仍然存在)，选择某一高次谐波作为标志位，其它的高次谐波作为信息位。例如，定义2次谐波为标志位，3-10次谐波为信息位，连续2个周波中，后一周波无任何调制的谐波信息，前一周波中含有调制的2次谐波，则次2个周波包含有信息，需要进行处理：前一周波中3-10次谐波检测到的有和无分别代表1和0，这样，就可以用2个周波传递8位的信息，相对于工频波畸变通信方法，传输速率提高到8倍(200bit／s或25Byte／s)，如果装置采用16个高次谐波作为信息位，则传输速率提高到16倍(400bit／s或50Byte／s)。
在其中一个实施例中，本发明所述电力线路工频通信方法在电力线路中增加相位调制以避免产生谐振，所述相位调制包括不调制，所述谐波的相角始终为0，以及调制相位偏移180度，以避免所述电力系列中可能产生的谐振问题。
本发明所述电力线路工频通信方法还包括采用自动请求重发、循环传输检错、向前纠错(FEC)、混合纠错(HEC)差错控制策略中的一种作为差错控制策略；选择常用编码方式作为纠错编码例如矩形码、BCH码等；其中优选BCH码作为纠错编码。
本发明还提供了一种电力线路工频通信装置，包括：主控端装置，其包括：连接在电力线路中支线上用于接收所述上行信号的AD采集系统；连接在电力线路中母线上的调制系统、连接所述AD采集系统和所述调制系统负责系统管理的控制系统、设置于所述控制系统上用于信号输出或输入的IO端口以及连接所述控制系统用于信息存储的存储装置。所述控制系统选自DSP、ARM或者FPGA中的一种。
以及用户终端装置包括连接支线上用于接收信号的终端AD采集系统、通过调制电路连接支线上的终端调制系统、连接所述终端AD采集系统和所述终端调制系统负责系统管理的终端控制系统、设置于所述终端控制系统上用于信号输出或输入的终端IO端口以及连接所述终端控制系统用于信息存储的终端存储装置。
所述调制系统和所述终端调制系统包括振幅调制电路、周期和频率调制电路以及相位调制电路，其用于产生包含信息编码的谐波波形，附加到基波波形中，产生所述下行信号和所述上行信号。
如图1所示，为了方便观察，利用5％的谐波进行叠加，可以稍微看出叠加前后的波形稍有差异，图2中，对基波叠加了1％的2-10次谐波，整体波形肉眼几乎看不出区别了。由于谐波的危害性，在本发明中，调幅的幅度选择远远低于国家和行业的电能质量标准中谐波的最高值要求，从电能质量和谐波的影响方面来说，达到了标准的要求。
如图3所示，在工频波畸变通信方法中，是用两个周波来表示一位信息，用前一个带零点畸变的周波和一个不带零点畸变的周波来表示信息0，用2个连续带零点畸变的周波表示信息1。这样，这种通过50Hz工频波为信息传输载体的通信方式理论上的通信速率就是每2个周波1位(25bit／s)-忽略校验等。而在本方法中，也是通过连续两个周波来传递信息，不过方式为：前一周波包含有多个调制的高次谐波，后一周波不包含任何经过调制的高次谐波(电力线路中本来可能有的微量高次谐波仍然存在)，选择某一高次谐波作为标志位，其它的高次谐波作为信息位。举例来说：定义2次谐波为标志位，3-10次谐波为信息位，连续2个周波中，后一周波无任何调制的谐波信息，前一周波中含有调制的2次谐波，则次2个周波包含有信息，需要进行处理：前一周波中3-10次谐波检测到的有和无分别代表1和0，这样，就可以用2个周波传递8位的信息，相对于工频波畸变通信方法，传输速率提高到8倍(200bit／s或25Byte／s)，如果装置采用16个高次谐波作为信息位，则传输速率提高到16倍(400bit／s或50Byte／s)。理论上，这种通信方法的速率可以提高到无限，当然在实际应用中，速率提高的越高，对应的采集系统(AD)的精度需要做对应的提高、计算和处理能力以及调制系统的能力都需要做相应的提高，超过一定限度，成本的增加是无法承受的，所以，一般可以按照目前电子元器件的特性和价格选择合适的传输速率。
如图4、图5以及图6所示，本发明所述电力线路工频通信装置，包括：主控端装置，其包括：连接在电力线路中支线上用于接收所述上行信号的AD采集系统；连接在电力线路中母线上的调制系统、连接所述AD采集系统和所述调制系统负责系统管理的控制系统、设置于所述控制系统上用于信号输出或输入的IO端口以及连接所述控制系统用于信息存储的存储装置。所述控制系统选自DSP、ARM或者FPGA中的一种。
以及用户终端装置包括连接支线上用于接收信号的终端AD采集系统、通过调制电路连接支线上的终端调制系统、连接所述终端AD采集系统和所述终端调制系统负责系统管理的终端控制系统、设置于所述终端控制系统上用于信号输出或输入的终端IO端口以及连接所述终端控制系统用于信息存储的终端存储装置。其中，所述调制系统和所述终端调制系统包括包括振幅调制电路、周期和频率调制电路以及相位调制电路，其用于产生包含信息编码的谐波波形，附加到基波波形中，产生所述下行信号和所述上行信号。
本发明所述电力线路工频通信装置一般由一个主控和多个终端组成，所以采用广播式点对多点网络拓扑结构。通信过程一般由主控发起，终端响应，采用主从方式实现主控与终端之间的通信。当终端之间需要通信时，可通过主控来进行中转。根据协议要求，每个终端具有唯一的设备地址，识别主控发出的下行信息。如果需要回应，终端生成响应消息并按照上行协议发出。通信协议中规定了字节信息的传送格式，即信息以相同的帧格式传送。每一帧由前置同步码、数据信息段、停止字符和纠错校验码组成。数据信息段包括地址、命令、数据。
本发明所述电力线路工频通信装置可用于自动远程抄表系统中，终端安装于提供数据的用户表一端，主控安装于集中管理处，可定期或不定期由主控发出查询命令，对终端的响应数据进行记录并做后续处理。
也可安装在智能家居系统中，不需要额外的布线或无线装置，直接采用本方法设计生产的终端和主控，可以通过现有的电力线路进行远距离通信或控制。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种电力线路工频通信方法，其包括：从主控端到用户终端的下行信号的发送和接收；以及从所述用户终端到所述主控端的上行信号的发送和接收，其特征在于：所述下行信号和所述上行信号均以微量谐波作为信号的载体，其通过调制系统产生包含信息编码的谐波波形，附加到基波波形中而产生。
2.如权利要求1所述的电力线路工频通信方法，其特征在于，所述主控端以及所述用户终端接收信号时采用傅里叶算法进行解调信号。
3.如权利要求1所述的电力线路工频通信方法，其特征在于，所述信息进行编码通过连续两个周波来传递信息，其方式为：前一周波包含有多个调制的高次谐波，后一周波不包含任何经过调制的高次谐波，选择其中某一高次谐波作为标志位，其余的高次谐波作为信息位。
4.如权利要求1所述的电力线路工频通信方法，其特征在于，在电力线路中增加相位调制以避免产生谐振，所述相位调制包括不调制，所述谐波的相角始终为0，以及调制相位偏移180度，以避免所述电力线路中可能产生的谐振问题。
5.如权利要求1所述的电力线路工频通信方法，其特征在于，还包括采用自动请求重发差错控制策略；选择BCH码作为纠错编码。
6.一种电力线路工频通信装置，其特征在于包括：主控端装置，其包括：连接在电力线路中支线上用于接收上行信号的AD采集系统、连接在电力线路中母线上的调制系统、连接所述AD采集系统和所述调制系统负责系统管理的控制系统、设置于所述控制系统上用于信号输出或输入的IO端口以及连接所述控制系统用于信息存储的存储装置；用户终端装置包括连接支线上用于接收信号的终端AD采集系统、通过调制电路连接支线上的终端调制系统、连接所述终端AD采集系统和所述终端调制系统负责系统管理的终端控制系统、设置于所述终端控制系统上用于信号输出或输入的终端IO端口以及连接所述终端控制系统用于信息存储的终端存储装置；所述调制系统和所述终端调制系统包括振幅调制电路、周期和频率调制电路以及相位调制电路，其用于产生包含信息编码的谐波波形，附加到基波波形中，产生下行信号和上行信号。
7.如权利要求6所述的电力线路工频通信装置，其特征在于，所述控制系统包括DSP、ARM和FPGA。
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