CN104184492B - 电力系统中功率与通信信号复合通信的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子设备通信技术领域，提供了一种电力系统中功率与信号复合通信的方法及装置，该方法包括以下步骤：参考FSK调制方式对信源信号进行调制，利用PWM调制技术将所述信源信号与功率复合调制后生成PWM调制信号，所述PWM调制信号以数据帧的形式传输，所述数据帧中包含有发送方地址、目的地址和数据信息；采样直流母线电流，并解调还原得到发送给阵列通信终端的信源信号；采样斩波功率回路的电容支路电流，并解调还原得到发送给斩波单元的信源信号。本发明，利用PWM调制方式产生的PWM脉冲信号作为信源信号与功率复合传输的载体，通过检测线路中的电流信号进行解调，还原得到相应的信源信号，较好地实现了功率与信号复合传输。

Description

电力系统中功率与通信信号复合通信的方法及装置

技术领域

本发明涉及电力电子设备通信技术领域，尤其涉及一种电力系统中功率与通信信号复合通信的方法及装置。

背景技术

电力电子设备已广泛应用于各级电力系统，例如有源滤波器、无功补偿设备、功率变换器等。其中，功率变换器用于调节不同的负载处于额定功率运行，同时不受电网波动的影响。对于功率变换器而言，其基本的控制技术为脉宽调制技术(Pulse Width Modulation-PWM)，调制产生的脉冲序列通过控制功率变换器中的开关管的通断进而控制输出功率。

功率变换器的协调运行，需要可靠的信息通信作保证。根据通信线路是否与功率线路复合，可分为专用通信和复合通信两种。

专用通信是指在功率变换器运行时，信息通信采用专门设计的通信线路。根据通信介质的不同，专用通信又可进一步分为有线通信和无线通信两种，有线通信一般包括CAN总线通信、串行通讯和以太网通信等，而无线通信主要指ZigBee通信、蓝牙(Bluetooth)通信和无线以太网通信等。

复合通信是指在功率变换器运行时，其功率传输与信息传输基于同一信道完成，在信息通信的同时能实现功率控制。根据通信方式的不同，又可进一步将复合通信分为以下三种：

(1)简单复合传输。

该方式中，信息通信仅依赖于交、直流电力线路某些参数的变化实现，如电压幅值波动、频率或相位偏移，有功功率或无功功率的波动等，依据对这些载体主动实施扰动，从而间接实现通信的目的，如微网的下垂控制。简单复合通信，由于表达信息的过程不可靠，所表达的信息比较有限，因此只能实现简单的通信联络功能，不适合作为各功率变换器之间可靠的通信方式。

(2)时分复合传输。

该方式将传输信道按时间分割为不同时段，功率传送与信号传送占据不同的时间区段。该方式以通信为主体，功率在传输过程中不易控制。时分复用传输的通信功能和功率控制实际上是互斥的，在供电时无法通信，在通信时功率可控性又很差。

(3)频分复合传输。

该方式中，功率传输功能和信号传输功能是同时进行的，不同信号占据不同的频段范围，经调制后随功率一同传送出去。电力线载波通信(Power Line Communication-PLC)技术是其中一种主要的实现方式。

目前PLC技术在电力系统通信中有着广泛应用，其利用电力线路作为信息传输的媒介，将语音或数据信息调制到线路中，随功率信号一同进行传输。

中国发明CN102624427A公开了一种能量与信息的同步传输系统(专利申请号：201210055396.0)，在无需额外调制电路的前提下实现了能量与信息的同步传输，减小了系统的体积及相应元器件的使用，不需要额外的连接线，且通信信道的特性也可以根据需要进行设计。

中国发明CN103368609A公开了一种基于耦合电感的功率信号复合传输系统(专利申请号201310251539.X)，充分利用开关电源自身的特性，将DC-DC变换器在开关动作过程中存在的纹波作为通信载波，通过在变换器中加入耦合电感，将DC-DC变换器中固有的储能电感上的稳定的开关纹波信号耦合至电路的输入端或输出端，从而传送至公共直流总线上，不受DC-DC拓扑形式限制，可以在不额外增加通信线路和调制电路的前提下，通过耦合的方式将稳定的开关信号送至直流总线，从而实现功率信号的复合传输，使变换器实现共享输入或输出直流总线的数据通信。

但是，上述两个专利申请中，在功率变换器能量传输时，固定开关频率而调节开关控制信号的占空比；而在进行通信时，固定占空比而调整开关频率。这种控制方式不能较好地实现功率与信号复合传输的目的；同时，这两种方案的拓扑结构均基于多功率变换器并接于同一直流母线这一拓扑，检测信息通信的信号为直流母线电压，因此对于光伏阵列这类拓扑结构而言，各组串内的光伏组件之间是串联在一起的，故无法通过检测电压信号进行通信；并且当直流母线并联电容值较大时，电压信号微弱，也不易检测到通信信号。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决在多组串并联的级联型阵列电力系统中，功率变换器间不能较好地实现功率与通信信号复合通信的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，所述电力系统包括并联在直流母线上的多个组串，每个所述组串由多个斩波单元串联而成，所述直流母线上挂接有阵列通信终端，所述方法包括以下步骤：

参考FSK调制方式对信源信号进行调制，利用PWM调制技术将所述信源信号与功率复合调制后生成PWM调制信号，所述PWM调制信号以数据帧的形式传输，所述数据帧中包含有发送方地址、目的地址和数据信息；

采样电力系统的直流母线电流，并解调还原得到发送给电力系统的阵列通信终端的信源信号；采样电力系统中相应斩波单元的斩波功率回路的电容支路电流，并解调还原得到发送给相应斩波单元的信源信号。

优选的，以不同高次开关频率表示发送信源信号的码元“1”、“0”和没有信源信号发送，对信源信号进行调制。

优选的，电力系统中阵列通信终端与各斩波单元之间采用单向直接通信模式，该模式下，电力系统中同一组串内的斩波单元随机向阵列通信终端上传数据帧，阵列通信终端根据数据帧内的发送方地址判定所述数据帧的来源。

优选的，当电力系统中同一组串内的多个斩波单元通信出现冲突时，经过冲突解决机制确定通信权，获得通信权的斩波单元才能继续向所述阵列通信终端发送数据帧，其他斩波单元退出发送状态等待下次通信，且不同组串在发送数据帧时，其信源信号通过采用不同的载波频率进行调制以示区别。

优选的，电力系统中阵列通信终端与各斩波单元之间采用双向直接通信模式，该模式下，在每个组串内选择某一斩波单元作为本组串的主单元，并在阵列通信终端与该主单元之间加设专用通信线路，阵列通信终端先将数据信息经专用通信线路下发至所述主单元，再由所述主单元与本组串内的其它斩波单元利用复合传输方式进行数据交换，实现阵列通信终端与各斩波单元之间的透明数据传输。

优选的，电力系统中阵列通信终端与各斩波单元之间采用双向间接通信模式，该模式下，在每个组串内选择某一斩波单元作为本组串的主单元，所述主单元先与组串内的其他斩波单元通信，将数据帧的数据信息集中起来，再统一发送给阵列通信终端，相当于阵列通信终端与各斩波单元进行非透明数据传输。

优选的，实现同一组串内主单元与其余斩波单元通信的方法如下：

每一个组串内的主单元及各斩波单元均事先确定好一个单元地址，所有的单元地址以地址表的形式顺序存放在阵列通信终端以及主单元内；

按照地址表中的地址顺序，主单元依次发送数据请求帧给各个斩波单元，相应地，各斩波单元分别回送应答帧给主单元，主单元成功接收后，表明此斩波单元已成功接入组串并且通信状态良好，故在主单元以及阵列通信终端的地址表内均给此地址标记为正常；若经过数次请求之后主单元仍没收到此斩波单元的反馈信息，则表明此斩波单元没有接入到组串内或通信出现故障，相应地，在在主单元以及阵列通信终端的地址表内均给此地址标记为不正常，以此方式确定所有组串内的各个斩波单元的运行状态是否正常；

地址标记完成后，主单元按地址表中状态正常的地址顺序，依次与相应的斩波单元进行通信，所述斩波单元向所述主单元发送数据帧，此数据帧内的发送方地址即是发送信息的斩波单元地址，目的地址即是此组串内的主单元地址，数据信息为斩波单元的信源信号数据，通信成功后，所述主单元根据所述数据帧中发送消息的斩波单元地址，在所述地址表内记录此斩波单元已完成一次通信；当所述组串内的所有状态正常地址对应的斩波单元均与所述主单元通信完成后，由主单元整合再送入阵列通信终端；

当某一组串内有斩波单元检修完成，或有斩波单元需要接入到组串时，首先在阵列通信终端内此组串的地址表中将此斩波单元地址标记为正常状态，再将此信息发送给对应组串的主单元，主单元接受信息后再修改自己内部的地址表，标记此斩波单元地址为正常状态。

优选的，所述主单元与所述阵列通信终端进行通信的方法如下：

当主单元与组串内其余斩波单元通信完成后，主单元将各个斩波单元的信息重新整合为数据帧发送到阵列通信终端，其中：所述数据帧中的发送方地址为主单元地址，目的地址为阵列通信终端地址，数据信息为包含此组串内其余斩波单元的地址信息以及每个相应斩波单元发送给主单元的信源信号数据信息。

优选的，确定一个数据帧中信源信号的起始码元和后续码元的方法如下：

采用滑窗傅里叶变换算法确定信源信号的起始码元，具体作法是：所述滑窗算法以一个码元长度作为窗体长度，窗体内有N个采样点，窗体每次滑动一个采样点并对窗体内的N个采样点进行傅里叶变换，分别提取出窗体内所含第一开关频率f_-1和第二开关频率f_-0分量的幅值m(f_-1)和m(f_-0)；

以所述第一开关频率分量和第二开关频率分量的幅值m(f_-1)和m(f_-0)序列作为数据源，再次进行滑窗处理，同样以一个码元长度作为窗体长度，每次滑动1个数据点并分别对窗体内的两个频率分量幅值序列积分，得到单次滑窗处理的频率分量f_-0和f_-1对应能量值M(f_-0)和M(f_-1)；

分别设定第一、第二开关频率分量的幅值阈值K₀、K₁和能量值阈值K₀'、K₁'；

根据m(f_-0)>K₀或M(f_-0)>K₀'成立判定当前窗体内采样点对应码元为信源信号的起始码元，且码值为“0”；根据m(f_-1)>K₁或M(f_-1)>K₁'成立判定当前窗体内采样点对应码元为信源信号的起始码元，且码值为“1”；其中：K₀＝k₀I_dc0，K₁＝k₁I_dc0，k₀、k₁分别为幅值阈值系数；K₀'＝k₀'I_dc0，K₁'＝k₁'I_dc0，k₀'、k₁'分别为能量值阈值系数；I_dc0为直流母线电流I_dc的基波分量幅值大小；

在确定信源信号的起始码元之后，保持一个码元长度作为窗体长度不变，改变滑窗傅里叶变换算法的滑窗长度为N，即每次滑动N个采样点，继续采用滑窗傅里叶变换算法完成信源信号的后续码元的检出，直至完成全部采样点；

当满足K₀'<M(f_-0)且M(f_-1)<K₁'时，将信源信号的后续码元解调为“0”；当满足K₁'<M(f_-1)且M(f_-0)<K₀'时，将信源信号的后续码元解调为“1”；其他情况下，解调结果为“无码元”。

本发明还提供一种电力系统中功率与通信信号复合通信的装置，所述电力系统包括并联在直流母线上的多个组串，每个所述组串由多个斩波单元串联而成，所述直流母线上挂接有阵列通信终端，

所述斩波单元上设有信号调制单元，所述信号调制单元参考FSK调制方式对信源信号进行调制，利用PWM调制技术将所述信源信号与功率复合调制后生成PWM调制信号，所述PWM调制信号以数据帧的形式传输，所述数据帧中包含有发送方地址、目的地址和数据信息；

所述斩波单元上设有信号解调单元，所述信号解调单元采样斩波功率回路的电容支路电流，并解调还原得到发送给所述斩波单元的信源信号；所述阵列通信终端上的解调单元采样直流母线电流，并解调还原得到发送给所述阵列通信终端的信源信号。

本发明提供的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，利用PWM调制方式产生的PWM脉冲信号作为信源信号与功率复合传输的载体，通过检测线路中的电流信号进行解调，还原得到相应的信源信号，较好地实现了功率与信号复合传输。

另外，在既定拓扑结构下设计相应通信机制，可以实现组串内斩波单元与阵列通信终端之间的相互通信。当阵列通信终端与组串主单元之间没有专用通信线路时，组串内斩波单元与阵列通信终端间可进行单向直接通信；当二者之间加设专用通信线路后，阵列通信终端具有下发数据的能力，此时可实现组串内斩波单元与阵列通信终端间的双向直接通信以及双向间接通信，并最终实现阵列系统级的双向通信功能。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)在多组串并联的光伏阵列系统以及分布式储能系统等电力系统拓扑结构中，可在不单独加设通信线路的前提下，实现组串内各串联斩波单元之间的通信以及斩波单元与上层的双向通信功能。

(2)可以避免直流母线电容对电压信号的高频滤波作用，信源信号的检测和解调方便。

(3)在通信的同时不牺牲功率控制，使得功率控制与通信过程同时进行。

(4)实现方式简单，成本低。

附图说明

图1是具体实施方式中应用本发明中功率与信号复合通信的装置的电力系统示意图；

图2是具体实施方式中所述斩波单元的结构示意图；

图3是具体实施方式中所述斩波功率回路的结构示意图；

图4是具体实施方式中所述监控单元的结构示意图；

图5是具体实施方式中所述信源信号调制的实现原理示意图；

图6是具体实施方式中所述信号解调单元的解调过程原理示意图；

图中：

斩波单元20、直流母线30、阵列通信终端40、信号调制单元11、信号解调单元12、能源单元21、斩波功率回路22、监控单元23。

具体实施方式

本发明提供的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，属于频分复合传输的一种形式，主要应用于多组串并联的级联型阵列电力系统(如光伏阵列发电系统)。参考FSK调制方式对信源信号进行调制，即以不同的高次开关频率表示发送信源信号的码元“1”、“0”和没有信源信号发送的“无码元”情况，利用PWM调制方式将信源信号与功率复合调制后生成PWM调制信号，再通过对斩波单元的电容支路电流以及直流母线上的电流进行采样，从采样结果中解调还原得到相应的信源信号，最终实现斩波单元与阵列通信终端之间的通信。

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，应用了本发明提供的功率与通信信号复合通信装置的电力系统中，多个斩波单元20串联后形成组串(每个组串具有多个斩波单元20)，多个组串并联于直流母线30后经直流电容C1稳压，再经DC/AC逆变器输出并送入交流电网，直流母线30上挂接有阵列通信终端40。

图1中，共设有m个组串，如组串1、组串2、……、组串m。每个组串具有n个斩波单元，如斩波单元1a、斩波单元1b、……、斩波单元1n；斩波单元2a、斩波单元2b……、斩波单元2n；斩波单元ma、斩波单元mb、……、斩波单元mn。

斩波单元20的结构如图2所示，斩波单元20包括能源单元21、斩波功率回路22和监控单元23，其中能源单元21可以是蓄电池或光伏电池等设备。

斩波功率回路的结构如图3所示，斩波功率回路可采用“H”桥结构，通过驱动信号控制四个开关管的通断即可实现Buck或Boost斩波电路的灵活切换。

监控单元的结构如图4所示，监控单元包括信号调制(控制)单元11和信号解调(监视)单元12。信号调制单元11同时将斩波功率回路的功率控制与信源信号调制结合起来，其中功率控制通过控制目标的给定值与反馈值之差，经调节器(如PI调节器)调节后得到一个占空比值来实现，产生占空比与信源信号作用于PWM发生器，最终将PWM发生器产生的功率与通信信号复合调制后的驱动信号送入斩波功率回路控制开关管。信号解调单元12用于对采样的电流信号进行解调，以还原得到相应的信源信号。

相应地，阵列通信终端40上也设有信号解调单元，从而能够解调出斩波单元20发送给阵列通信终端40的信息，斩波单元20与阵列通信终端40之间的通信可分为双向通信和单向直接通信两种方式；双向通信又可分为双向直接通信和双向间接通信两种方式。通信机制将在以后的部分进行详细说明。

信号调制单元采用基于PWM的FSK调制方法，将用于斩波单元20之间以及斩波单元20与阵列通信终端40之间进行通信的信源信号与功率传输进行复合调制生成脉宽调制信号(以下简称调制信号)。其中，信源信号为以码元“1”和“0”表示的二进制序列，调制信号为与码元序列一一对应的频率变化的脉宽调制信号，利用基于PWM调制的频移键控调制方式获得。调制信号通过控制斩波单元的开关器件，进而使得功率变换器的输出电流信号中携带有表征信源信号的高频分量，采样线路中的电流信号即可进行解调。

信号解调单元用于对直流母线上的电流以及斩波功率回路的电容支路电流进行采样，并从采样结果中进行解调以还原得到信源信号。

下面再进一步详细说明本发明的实现方法，本发明提供的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，包括以下步骤：

利用基于PWM的FSK调制方式对信源信号进行调制，以不同高次开关频率表示发送信源信号的码元“1”、“0”和没有信源信号发送的“无码元”情况，利用PWM调制技术将功率与通信信号进行复合调制生成调制信号，并以数据帧的形式传输，所述数据帧包含有发送方地址、目的地址和数据信息；

采样电力系统的直流母线电流，并解调还原得到发送给电力系统的阵列通信终端的信源信号；采样电力系统中相应斩波单元的斩波功率回路的电容支路电流，并解调还原得到发送给相应斩波单元的信源信号。

具体地说：本发明方法的实现主要包括以下几个过程。

(1)信源信号的调制。

将脉宽调制技术应用于信源信号的调制是实现本发明功率和通信信号复合传输的关键。

信源信号是由码元“1”和“0”构成的二进制序列，由于信源信号的调制参考频移键控(FSK)的调制方式，因此选取第一、第二和第三个不同开关频率值分别表示发送信源信号的码元“1”、“0”和不发送信源信号的“无码元”情况。当某一组串内的斩波单元之间以及此组串内的斩波单元与阵列通信终端之间进行通信时，均是第一开关频率f_-1对应发送码元“1”、第二开关频率f_-0对应发送码元“0”，第三开关频率f_k表示无码元发送，信源信号长度(一个信源信号持续时间)T_B为频率f_-1、f_-0和f_k对应周期的整数倍。

目前，工程应用PWM信号的产生技术已日趋完善，多数DSP芯片都自带有PWM发生模块。微控制器PWM发生器模块一般包括一组寄存器，如周期寄存器(PRD)、比较寄存器(CMPR)、计数器(TCR)等，TBCLK为时基时钟。如图5所示，启动通信后，根据信源信号改变PRD的值，当时基时钟值固定时，PWM载波频率即改变；根据占空比设置CMPR值，TCR与CMPR的值实时进行比较判断，当二者相等时引脚信号翻转，产生调制后的PWM波。功率控制反馈值与给定参考值经调节器运算产生占空比，信源信号经FSK调制后产生携带通信信息的载波信号，两者复合控制PWM发生器形成控制PWM脉冲列，并经过驱动模块生成斩波功率回路的驱动信号，以此控制开关管通断，完成信源信号与功率的复合调制过程。

(2)基于电流信号进行解调。

在通信过程中，某一斩波单元发送的信源信号，通过相应解调策略，同一组串中的斩波单元及位于直流母线的阵列通信终端均可以解调出该信号。

分析得知，经调制后的信源信号能在传输线路的电压和电流信号的高频分量中体现出来，但由于直流母线电容的高频滤波作用，通过检测直流母线电压来解调出信源信号比较困难；并且在同一组串内，各斩波单元之间也无法通过检测电压信号来进行通信。

为此，本发明提出了一种在特定系统拓扑下基于电流信号的解调算法：在多组串并联的级联型电力系统中，若组串中的斩波单元与阵列通信终端之间进行双向间接通信时，此时组串中的主单元向阵列通信终端发送信息，阵列通信终端可通过检测直流母线电流来解调信号；当同一组串内各斩波单元与主单元之间进行通信时，组串电流中的高频分量几乎全部通过主单元斩波功率回路的电容支路(由于电容支路阻抗较小的缘故)，因此通过检测主单元的斩波功率回路的电容支路电流来解调信号。二者解调方法基本相同。

解调过程如图6所示，将线路中检测到的电流信号送入解调器，经采样后离散化，再进行滤波处理和滑窗傅里叶变换以提取高频分量，设计信源信号起始码元的解调算法以及后续码元的解调算法逐个进行检测，直至结束。

具体地说，解调采样频率为f_s。根据采样定理，可得到采样频率f_s的下限值f_smin：f_smin>＝2max(f_-0,f_-1,f_k)；

若三个载波频率大小依次为f_-1>f_k>f_-0，则最小频率分辨率F_N为：F_N＝min(f_-1-f_k,f_k-f_-0)；

由于最小频率分辨率F_N由采样频率f_s和采样点数N共同决定：F_N＝f_s/N，并且采样点数N满足关系式：N＝T_B/1/f_s，由此可得到合适的采样频率f_s、信源信号长度T_B以及采样点数N的值。

(3)确定信源信号起始码元及后续码元。

斩波单元在启动通信后开始发送信源信号，对于接收端而言，无法确定信息发送的起始时刻，因此接收端的信号解调单元上设有信源信号起始码元识别模块与后续码元识别模块，二者均采用滑窗傅里叶变换算法进行解调。

在信源信号起始码元识别模块中，采用滑窗傅里叶变换法确定信源信号的起始位，以码元长度作为窗体长度，窗体内含有N个采样点，窗体每次滑动一个采样点并对窗体内的N个采样点进行傅里叶变换，分别提取出窗体内所含的第一开关频率分量f_-1和第二开关频率分量f_-0的幅值m(f_-1)和m(f_-0)。

以第一开关频率分量和第二开关频率分量的幅值m(f_-1)和m(f_-0)序列作为数据源，再次进行滑窗处理，同样取一个码元长度作为窗体长度，每次滑动1个数据点并分别对窗体内的两个频率分量幅值序列积分，得到单次滑窗处理的频率分量f_-0和f_-1对应能量值M(f_-0)和M(f_-1)。

分别设定第一、第二开关频率分量的幅值阈值和能量值阈值作为判别起始码元的判定标准，取当前幅值大小和能量值大小作为判定值，相应有两种方法计算阈值：

以当前幅值大小m(f_-0)、m(f_-1)作为判定值时，信源信号起始码元识别模块以直流母线电流I_dc的基波分量幅值I_dc0为基准，选取k₀、k₁为幅值阈值系数，定义K₀为m(f_-0)的幅值判定域值，K₁为m(f_-1)的幅值判定域值，其中，K₀＝k₀I_dc0、K₁＝k₁I_dc0，k₀＝0.9m(f_-0)_max/I_dc0，k₁＝0.9m(f_-1)_max/I_dc0，m(f_-0)_max和m(f_-1)_max取频率分量f_-0和f_-1幅值的最大值，可通过滑窗2N个数据点确定出来。

若某一时刻检测到m(f_-0)>K₀，表明此时刻通信开始，起始码元为“0”；若m(f_-1)>K₁成立，则表明通信起始时刻发送的码元为“1”。

若以当前能量值大小M(f_-0)和M(f_-1)作为判定值时，同样以直流母线电流基波分量幅值I_dc0为基准，此时选取k₀'、k₁'为能量值阈值系数，定义K₀'和K₁'作为M(f_-0)和M(f_-1)的能量判定阈值，其中，K₀'＝k₀'I_dc0、K₁'＝k₁'I_dc0，k₀'＝0.9M(f_-0)_max/I_dc0，k₁'＝0.9M(f_-1)_max/I_dc0，M(f_-0)_max和M(f_-1)_max为频率f_-0和f_-1能量值分量的最大值，也可通过滑窗2N个数据点确定出来。

若某一时刻检测到M(f_-0)>K₀'，表明此时刻通信开始，起始码元为“0”；若M(f_-1)>K₁'成立，则表明通信起始时刻发送的码元为“1”。

应用上述两种判定方法得到的信源信号起始时刻会存在一定的位置偏差，若选取的阈值越接近频率分量最大值，则解调结果越准确，但解调后的信源信号延迟时间也会越长，因此阈值的选取需要综合考虑。

在确定信源信号的起始码元之后，需要确定信源信号的后续码元。在后续码元识别模块中，滑窗傅里叶算法的窗体长度保持一个码元长度不变，但将每次滑窗长度变为N，即每次滑动N个采样点，继续采用滑窗傅里叶变换算法完成信源信号的后续码元的检出，直到至完成全部采样点。

后续码元识别模块同样可用频率分量的幅值阈值或能量值阈值两种方式作为判别后续码元的判定标准，幅值阈值和能量值阈值的计算方式与上文相同。这里以频率分量的能量值大小作为判定值，设计后续码元的解调判据如下：

当满足K₀'<M(f_-0)且M(f_-1)<K₁'时，将信源信号的后续码元解调为“0”；当满足K₁'<M(f_-1)且M(f_-0)<K₀'时，将信源信号的后续码元解调为“1”；其他情况下，将信源信号的后续码元解调为“无码元”。

判据中的阈值是根据直流母线电流的基波分量幅值I_dc0确定出来的，当电流I_dc较小时，相应的k₀'和k₁'取值也会变化，因此属于变阈值的解调算法。值得注意的是，信源信号反映在高次谐波分量中，对功率回路而言这类谐波属于杂波，不利于电能质量的优化。因此，在基于功率控制的通信过程中，关键是如何在电能质量牺牲较小的情况下保证通信的可靠进行，例如不同通信载波频率的选择以及滤波装置参数的大小都会影响到通信信号传输的结果。为此需要设定一个电流纹波的变化范围，既不能使纹波太大影响到电能质量，又不能太小以至于无法正确解调出信号。

(4)通信机制。

本发明提供的方案中，经调制后的信源信号以数据帧的形式进行传输。阵列通信终端与各组串间的通信方式可分为双向通信和单向直接通信两种方式。双向通信又可分为双向直接通信和双向间接通信两种方式，以下分别进行介绍：

A、单向直接通信。

单向直接通信指的是：阵列通信终端不能下发数据给各组串中的斩波单元，只能接收各组串内斩波单元发送给阵列通信终端的数据。

在单向直接通信模式下，各组串内的斩波单元通过数据帧随机向阵列通信终端上传数据，阵列通信终端通过检测数据帧内的发送方地址判定数据来源。

此种模式下，组串内各斩波单元首先检测线路是否空闲，若线路空闲，则斩波单元可以开始向阵列通信终端发送信息。当多个斩波单元同时发送信息时，会引起冲突，此时设计冲突解决机制，即各个冲突斩波单元均停止发送信息，斩波单元各自随机延迟一段时间之后再重新检测线路是否空闲，若线路空闲，则可再次向阵列通信终端发送信息。

另外，当不同组串与阵列通信终端进行通信时，为避免不同组串向阵列通信终端发送的信源信号在解调时产生冲突，可采用不同的开关频率对信源信号进行调制，以区分不同组串发送的信源信号，如表1所示。

表1 各组串通信时开关频率对应表。

B、双向直接通信。

在每个组串内选择某一斩波单元作为本组串的主单元，并在阵列通信终端与该主单元之间加设专用通信线路，阵列通信终端先将数据经专用通信线路下发至某组串主单元，再由主单元与本组串内的其它斩波单元利用复合传输方式进行数据交换，从而实现阵列通信终端与各斩波单元之间的双向直接通信功能。该方式中，主单元仅起到组串内各斩波单元与阵列通信终端间的数据转发作用，实现阵列通信终端与各斩波单元的透明数据传输。该方式不需要为不同组串设计不同的载波频率。

C、双向间接通信。

与双向直接通信相比，在双向间接通信模式中，每个组串内选择某一斩波单元作为本组串的主单元，并将该主单元作为此组串的中继单元，中继单元先与组串内的其他斩波单元通信，将各斩波单元所发数据帧中的数据信息集中起来，再整合成新数据帧统一发送给阵列通信终端，相当于阵列通信终端与各斩波单元之间进行非透明数据传输。此种通信模式下，各组串同样仅采用单一载波频率即可。

双向间接通信分为三个过程，即主单元确定组串设备个数及运行状态、组串内主单元与其余斩波单元的通信、以及主单元与阵列通信终端的通信。

第一步：选择组串中某斩波单元(一般选电位最低单元)为主单元，每一个组串内的主单元及各斩波单元均事先确定好一个单元地址，所有的单元地址以地址表的形式顺序存放在阵列通信终端以及主单元内。

主单元确定组串内哪些斩波单元是接入的以及接入的斩波单元是否处于可正常运行状态，采用如下方法：

按照地址表中的地址顺序，主单元依次发送数据请求帧给各个斩波单元，相应地，各斩波单元分别回送应答帧给主单元，主单元成功接收后，表明此斩波单元已接入组串并且通信状态良好，在主单元以及阵列通信终端的地址表内均给此地址标记为正常；若经过数次请求之后主单元仍没收到此斩波单元的反馈信息，则表明此斩波单元没有接入到组串内或通信出现故障，相应地，在地址表内给此地址标记为不正常，以此方式确定组串设备个数，以及所有组串内的各个斩波单元的运行状态是否正常。

第二步：组串内主单元与其余斩波单元的通信。

地址标记完成后，主单元按地址表中状态正常的地址顺序，依次与相应的斩波单元进行通信，斩波单元向主单元发送数据帧，此数据帧内的发送方地址即是发送信息的斩波单元的地址，目的地址即是此组串内的主单元地址，数据信息为斩波单元的信源信号数据，通信成功后，主单元根据数据帧中发送消息的斩波单元地址，在地址表内记录此斩波单元已完成一次通信；当组串内的所有状态正常地址对应的斩波单元均与主单元通信完成后，由主单元整合再送入阵列通信终端。

当某一组串内有斩波单元检修完成，或有斩波单元需要接入到组串时，首先在阵列通信终端内此组串的地址表中将此斩波单元地址标记为正常状态，再将此信息依靠专用通信线发送给对应组串的主单元，主单元接受信息后再修改自己内部的地址表，标记此斩波单元地址为正常状态，即可与其进行通信。

第三步：主单元与阵列通信终端的通信。

当主单元与组串内其余斩波单元通信完成后，主单元将各个斩波单元的信息重新整合为数据帧发送到阵列通信终端，此数据帧中的发送方地址为主单元地址，目的地址为阵列通信终端地址，数据信息为包含此组串内其余斩波单元的地址信息以及每个相应斩波单元发送给主单元的信源信号数据，此数据帧通过复合通信方法发送到阵列通信终端并进行解调；当阵列通信终端需要给斩波单元下发数据时，可依靠专用通信线路先将信息发送给主单元，由主单元再将信息发送给对应斩波单元。这样，主单元就作为了组串的中继单元，实现了组串内各个斩波单元与阵列通信终端之间的双向间接通信功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，其特征在于，包括以下步骤：

参考FSK调制方式对信源信号进行调制，利用PWM调制技术将所述信源信号与功率复合调制后生成PWM调制信号，所述PWM调制信号以数据帧的形式传输，所述数据帧中包含有发送方地址、目的地址和数据信息；

采样电力系统的直流母线电流，并解调还原得到发送给电力系统的阵列通信终端的信源信号；采样电力系统中相应斩波单元的斩波功率回路的电容支路电流，并解调还原得到发送给相应斩波单元的信源信号；

电力系统中阵列通信终端与各斩波单元之间采用双向间接通信模式，该模式下，每个组串内选择某一斩波单元作为本组串的主单元，所述主单元先与组串内的其他斩波单元通信，将各数据帧的数据信息集中起来，再统一发送给阵列通信终端，相当于阵列通信终端与各斩波单元进行非透明数据传输；

实现同一组串内主单元与其余斩波单元通信的方法如下：

每一个组串内的主单元及各斩波单元均事先确定好一个单元地址，所有的单元地址以地址表的形式顺序存放在阵列通信终端以及主单元内；

按照地址表中的地址顺序，主单元依次发送数据请求帧给各个斩波单元，相应地，各斩波单元分别回送应答帧给主单元，主单元成功接收后，表明此斩波单元已成功接入组串并且通信状态良好，故在主单元以及阵列通信终端的地址表内均给此地址标记为正常；若经过数次请求之后主单元仍没收到此斩波单元的反馈信息，则表明此斩波单元没有接入到组串内或通信出现故障，相应地，在主单元以及阵列通信终端的地址表内均给此地址标记为不正常，以此方式确定所有组串内的各个斩波单元的运行状态是否正常；

地址标记完成后，主单元按地址表中状态正常的地址顺序，依次与相应的斩波单元进行通信，所述斩波单元向所述主单元发送数据帧，此数据帧内的发送方地址即是发送信息的斩波单元地址，目的地址即是此组串内的主单元地址，数据信息为斩波单元的信源信号数据；通信成功后，所述主单元根据所述数据帧中发送信息的斩波单元地址，在所述地址表内记录此斩波单元已完成一次通信；当所述组串内的所有状态正常地址对应的斩波单元均与所述主单元通信完成后，由主单元整合再送入阵列通信终端；

当某一组串内有斩波单元检修完成，或有斩波单元需要接入到组串时，首先在阵列通信终端内此组串的地址表中将此斩波单元地址标记为正常状态，再将此信息发送给对应组串的主单元，主单元接受信息后再修改自己内部的地址表，标记此斩波单元地址为正常状态。

2.根据权利要求1所述的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，其特征在于，以不同高次开关频率表示发送信源信号的码元“1”、“0”和没有信源信号发送，对信源信号进行调制。

3.根据权利要求1所述的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，其特征在于，电力系统中阵列通信终端与各斩波单元之间采用单向直接通信模式，该模式下，电力系统中同一组串内的斩波单元随机向阵列通信终端上传数据帧，阵列通信终端根据数据帧内的发送方地址判定所述数据帧的来源。

4.根据权利要求3所述的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，其特征在于，当电力系统中同一组串内的多个斩波单元通信出现冲突时，经过冲突解决机制确定通信权，获得通信权的斩波单元才能继续向所述阵列通信终端发送数据帧，其他斩波单元退出发送状态等待下次通信，且不同组串在发送数据帧时，其信源信号通过采用不同的载波频率进行调制以示区别。

5.根据权利要求1所述的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，其特征在于，电力系统中阵列通信终端与各斩波单元之间采用双向直接通信模式，该模式下，每个组串内选择某一斩波单元作为本组串的主单元，并在阵列通信终端与该主单元之间加设专用通信线路，阵列通信终端先将数据信息经专用通信线路下发至所述主单元，再由所述主单元与本组串内的其它斩波单元利用复合传输方式进行数据交换，实现阵列通信终端与各斩波单元之间的透明数据传输。

6.根据权利要求1所述的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，其特征在于，所述主单元与所述阵列通信终端进行通信的方法如下：

当主单元与组串内其余斩波单元通信完成后，主单元将各个斩波单元的信息重新整合为数据帧发送到阵列通信终端，其中：所述数据帧中的发送方地址为主单元地址，目的地址为阵列通信终端地址，数据信息为包含此组串内其余斩波单元的地址信息以及每个相应斩波单元发送给主单元的信源信号数据信息。

7.根据权利要求2所述的电力系统中功率与通信信号复合通信的方法，其特征在于，确定一个数据帧中信源信号的起始码元和后续码元的方法如下：

采用滑窗傅里叶变换算法确定信源信号的起始码元，具体作法是：所述滑窗算法以一个码元长度作为窗体长度，窗体内有N个采样点，窗体每次滑动一个采样点并对窗体内的N个采样点进行傅里叶变换，分别提取出窗体内所含第一开关频率f_-1和第二开关频率f_-0分量的幅值m(f_-1)和m(f_-0)；

以所述第一开关频率分量和第二开关频率分量的幅值m(f_-1)和m(f_-0)序列作为数据源，再次进行滑窗处理，同样以一个码元长度作为窗体长度，每次滑动1个数据点并分别对窗体内的两个频率分量幅值序列积分，得到单次滑窗处理的频率分量f_-0和f_-1对应能量值M(f_-0)和M(f_-1)；

分别设定第一、第二开关频率分量的幅值阈值K₀、K₁和能量值阈值K₀'、K₁'；

根据m(f_-0)＞K₀或M(f_-0)＞K₀'成立判定当前窗体内采样点对应码元为信源信号的起始码元，且码值为“0”；根据m(f_-1)＞K₁或M(f_-1)＞K₁'成立判定当前窗体内采样点对应码元为信源信号的起始码元，且码值为“1”；其中：K₀＝k₀I_dc0，K₁＝k₁I_dc0，k₀、k₁分别为幅值阈值系数；K₀'＝k₀'I_dc0，K₁'＝k₁'I_dc0，k₀'、k₁'分别为能量值阈值系数；I_dc0为直流母线电流I_dc的基波分量幅值大小；

在确定信源信号的起始码元之后，保持一个码元长度作为窗体长度不变，改变滑窗傅里叶变换算法的滑窗长度为N，即每次滑动N个采样点，继续采用滑窗傅里叶变换算法完成信源信号的后续码元的检出，直至完成全部采样点；

当满足K₀'＜M(f_-0)且M(f_-1)＜K₁'时，将信源信号的后续码元解调为“0”；当满足K₁'＜M(f_-1)且M(f_-0)＜K₀'时，将信源信号的后续码元解调为“1”；其他情况下，解调结果为“无码元”。