CN105098985B - 用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于工频电压畸变识别低压配电户变关系的系统及方法，包括如下步骤：步骤一：信号调制：连接好配电变压器、低压线路、用户端以及两台调制解调设备后，启动系统，用户端在工频电压周期150°附近触发可控硅，这样就在低压侧相线与零线之间产生一短路电流i，其大小由L2、R2和可控硅导通时间决定。步骤二：信号解调；步骤三：信息交互。本发明是基于TWACS技术的改进。本发明一种利用电流调制技术、并将调制电流产生的电压畸变通过拟合各种典型台区自动选定阈值，利用相邻的畸变电压周期之间的非畸变周期个数传递信息，实现低压配电系统中户变关系的识别方法，为用电管理部门的实现用户档案建立、核查等提供有效、可靠的手段。
Description
技术领域
本发明涉及用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，属于配电自动化领域。
背景技术
在低压配电网的营业管理中，用电管理部门经常需要核查用户档案，以确保档案准确，为营销管理提供正确无误的管理数据，这其中包括用户档案归属、网络拓扑关系、用户设备用电相位和工作相序等等，这些数据是保证台区用电负载平衡、降低负载不平衡损耗，以及确保台区线损正确性的基础数据，是实现智能电网建设的基础要素。
目前市场上用于上述用途的产品，主要基于载波技术和脉冲电流技术。其中，载波技术很容易受到干扰，通信成功率相对较低，甚至会耦合到相邻配电变压器。脉冲电流技术虽然没有FSK(Frequency-shift keying)技术所存在的问题，但无法实现信息交互，通常需要以载波作为辅助通信手段，现场可操作性较差。
TWACS(Two Way Automatic Communication System)，双向工频通信技术，其基本原理是在工频电压过零区域加入调制信号，利用这一调制的电压或电流波形来携带信息，其系统原理如图5所示。系统在中压侧(变电站)和低压侧(用户端)设置调制解调单元，中压侧配有调制变压器。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，其中信息由变电站向用户端传递是利用调制的电压波形，而由用户端向变电站传递是利用电流波形。TWACS技术，在美国和加拿大已有应用，用相邻的电压或电流波形作为信息载体，抗干扰能力较强，从而提高了信息传输的可靠性。但美国、加拿大等国的接地系统采用的是大电流接地系统，而我国采用的是小电流接地系统，加上我国的电网环境较差，干扰严重，原有TWACS技术在我国不太适用。针对我国电网的特点，本文对TWACS技术的调制、解调以及信息携带方式进行了改进，给出了一种基于工频电压畸变实现低压配电户变关系识别的方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种工频电压畸变识别低压配电户变关系的系统。
本发明的另一个目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种利用电流调制技术、并将调制电流产生的电压畸变通过拟合各种典型台区自动选定阈值，实现信号的解调、利用相邻的畸变电压周期之间的非畸变周期个数传递信息，实现低压配电系统中户变关系的识别方法，为用电管理部门的实现用户档案建立、核查等提供有效、可靠的手段。本发明是基于TWACS技术的改进。
为了达到以上目的，本发明技术方案如下：
用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，包括配电变压器、低压配电线路、用户端、配电变压器端调制解调设备和用户端调制解调设备；所述用户端调制解调设备连接到用户的电表端子上或电表箱内的端子上，通过低压配电线路与配电变压器低压侧母线相连，所述配电变压器端调制解调设备直接连接在配电变压器低压侧母线上；所述配电变压器副边的漏感为L1，所述配电变压器副边的内阻为R1；所述用户端调制解调设备的电感为L2，所述用户端调制解调设备的内阻为R2；所述配电变压器调制解调设备的电感为L3，所述配电变压器调制解调设备的内阻为R3；
所述用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，包括如下步骤：
步骤一：连接好配电变压器、低压配电线路、用户端以及两台调制解调设备后，启动系统，用户端在工频电压周期150°附近触发可控硅，这样就在低压侧相线与零线之间产生一短路电流i，其大小由L2、R2和可控硅导通时间决定；由于配电变压器副边存在漏感L1，此突变的电流就会产生一个畸变的电压Δu，其大小为：Δu＝L1*di/dt，其中，di/dt为电流变化率；可控硅的导通和关闭时间由MCU控制，MCU检测到工频电压正向过零后，启动定时器，8333us后通过一I/O口输出高电平使可控硅导通，500us后输出低电平关闭可控硅，根据调制信号强度需求，可适当可控硅导通的起始时间和导通时间；
步骤二：通过高速AD转换器将工频电压信号离散化，利用DB4小波二级变换提取工频电压周期150°附近的电压畸变信号，并通过软件算法进行识别；有畸变的工频电压信号在150°附近的d2值非常大，通过动态阈值算法判断工频电压信号有无畸变；动态阈值就是在调制解调设备上电工作稳定后，取若干组d2极大值的平均值，每组可取10个工频周期，然后乘以一个系数，如1.5或2.0，作为判断依据，如果某一工频周期的d2值大于该值，则认为有调制信号，否则没有调制信号；采用动态阈值法的目的是规避基础工频电压信号中的离散杂波，保证信号解调的可靠性和准确性；
步骤三：用户信息通过两个工频电压调制周期之间非调制周期的个数携带，进行信息的传送。
进一步地，当所述用户端调制解调设备作为调制设备时，调制回路包括用户端调制解调设备的电感L2和内阻R2、低压配电线路、配电变压器副边的漏感L1和内阻R1，此时，变压器端调制解调设备作为解调设备。
进一步地，当所述配电变压器端调制解调设备作为调制设备时，调制回路包括变压器端调制解调设备的电感L3和内阻R3、低压母线、配电变压器副边的漏感L1和内阻R1，此时，用户端调制解调设备作为解调设备。
进一步地，所述配电变压器连接组别为Yyn或Dyn；从配电变压器低压侧看去，Yyn接法的中压侧零序阻抗比较大，调制电路所产生的电流受零序阻抗的影响无法在高压侧形成较大电流，因此调制信号也就无法通过中压侧传到其他变压器的低压侧，也就不存在配电变压器低压侧串扰的问题；对于Dyn接法，中压侧不存在零线，调制电流只有在绕组内流动，也不会法通过中压侧传到其他变压器的低压侧。
进一步地，所述步骤三中，用户要发送信息N，那么第1和第N+1周期调制，其他周期不调制；若需要携带多字节信息，可增加一周期调制信号，每增加一字节信息，就增加一个调制信号。
进一步地，所述的信号的调制和解调都发生在配电变压的低压侧，并且只有主机和从机同在一台配电变压器下，才能接收到对方的调制信息。
进一步地，所述的信号调制是电流调制，解调是利用电流调制所产生的电压畸变信号作为解调对象。
进一步地，信息交互是利用相邻两个畸变的工频电压周期之间非畸变周期的个数来携带用户信息，其目的是减少调制发生的次数，最大限度的降低对配电网的干扰，保护调制电路。
本发明与原有TWACS技术相比，具有以下优点:1.在TWACS技术中，信号的传输分为下行信号传输和上行信号传输。下行信号传输时，信号的调制发生在中压侧，并且需要借助调制变压器将调制信号耦合到中压线路上；上行信号传输时，解调也是发生在中压侧。无论是下行信号还是上行信号的传说，都要经过配电变压器，其衰减无法避免。如果要获取足够的信号强度，就要提高调制电路的功率。而在本方法中，给出的信号的调制和解调都是发生在低压侧，而且不需借助调制变压器。因此，本方法的电路实现更加简单，信号的调制、解调都在低压侧，安全性、可操作性更高，无需调制变压器，具有更高的经济效益。2.在TWACS技术中，下行信号是电压信号，上行信号是电流信号，因此解调电路需要考虑两种不同的信号。而本方法给出的传输信号，都是电压信号；单一的电压信号使电路配置更为简单，软件算法也更容易实现。3.在TWACS技术中，信息的传递是依靠相邻的两个周期的工频电压(或电流)变与不变来传递1个bit。如第一个周期畸变，第二个周期正常，表示该bit为“0”；而第一个周期正常，第二个周期畸变，表示该bit为“1”。本方法给出的信息传递，是依靠两个周期畸变的工频电压之间未畸变的工频电压周期个数来传递。与TWACS技术的信息传递相比，在传递相同的信息时，本方法绝大多数情况下需要更少的信号调制周期。如要传递0x1F，TWACS技术需要5个周期的信号调制，而本方法，则只需要2个周期的信号调制。减少信号调制的次数，可以最大限度的降低对配电网的干扰，保护调制电路。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的等效原理图。
图3为本发明的信息交换时序示意图。
图4为DB4小波变换仿真结果示意图。
图5为现有技术TWACS系统示意图。
图6为本发明的工作流程图。
图7为A相工频电压采集原理图。
图8为本发明实际使用时的电路连接示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，本发明基于工频电压畸变识别低压配电户变关系的系统，包括配电变压器、低压配电线路、用户端、配电变压器端调制解调设备和用户端调制解调设备；所述用户端调制解调设备连接到用户的电表端子上或电表箱内的端子上，通过低压配电线路与配电变压器低压侧母线相连，所述配电变压器端调制解调设备直接连接在配电变压器低压侧母线上。
本发明所述配电变压器副边的漏感为L1，所述配电变压器副边的内阻为R1；所述用户端调制解调设备的电感为L2，所述用户端调制解调设备的内阻为R2；所述配电变压器调制解调设备的电感为L3，所述配电变压器调制解调设备的内阻为R3。
当所述用户端调制解调设备作为调制设备时，调制回路包括用户端调制解调设备的电感L2和内阻R2、低压配电线路、配电变压器副边的漏感L1和内阻R1，此时，变压器端调制解调设备作为解调设备。
当所述配电变压器端调制解调设备作为调制设备时，调制回路包括变压器端调制解调设备的电感L3和内阻R3、低压母线、配电变压器副边的漏感L1和内阻R1，此时，用户端调制解调设备作为解调设备。
如图6所示，本发明用于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，包括如下步骤：
步骤一：信号调制：连接好配电变压器、低压配电线路、用户端以及两台调制解调设备后，启动系统，用户端在工频电压周期150°附近触发可控硅，这样就在低压侧相线与零线之间产生一短路电流i，其大小由L2、R2和可控硅导通时间决定。由于配电变压器副边存在漏感L1，此突变的电流就会产生一个畸变的电压Δu，其大小为：Δu＝L1*di/dt，其中，di/dt为电流变化率；可控硅的导通和关闭时间由MCU控制，MCU检测到工频电压正向过零后，启动定时器，8333us后通过一I/O口输出高电平使可控硅导通，500us后输出低电平关闭可控硅，根据调制信号强度需求，可适当可控硅导通的起始时间和导通时间。
步骤二：信号解调：通过高速AD转换器将工频电压信号离散化，利用DB4小波二级变换提取工频电压周期150°附近的电压信号。图4是MATLAB的仿真结果，其中s为工频电压原始数据(包括调制周期和非调制周期电压信号)，a2为DB4小波变换的低频细节分量，d1、d2为DB4小波变换第一级和第二级高频细节分量。由图可以看出，有畸变的工频电压信号在150°附近的d2值非常大，通过动态阈值算法很容易判断工频电压信号有无畸变。动态阈值就是在调制解调设备上电工作稳定后，取若干组d2极大值的平均值(每组可取10个工频周期)，然后乘以一个系数(如1.5、2.0等)作为判断依据，如果某一工频周期的d2值大于该值，则认为有调制信号，否则没有调制信号。采用动态阈值法的目的是规避基础工频电压信号中的离散杂波，保证信号解调的可靠性和准确性。
步骤三：信息交互：用户信息通过两个工频电压调制周期之间非调制周期的个数携带，进行信息的传送。
本发明所述配电变压器连接组别一般为Yyn或Dyn；从配电变压器低压侧看去，Yyn接法的中压侧零序阻抗比较大，调制电路所产生的电流受零序阻抗的影响无法在高压侧形成较大电流，因此调制信号也就无法通过中压侧传到其他变压器的低压侧，也就不存在配电变压器低压侧串扰的问题。对于Dyn接法，中压侧不存在零线，调制电流只有在绕组内流动，也不会法通过中压侧传到其他变压器的低压侧。
如图3所示，本发明所述步骤三中，用户要发送信息N，那么第1和第N+1周期调制，其他周期不调制；若需要携带多字节信息，可增加一周期调制信号，每增加一字节信息，就增加一个调制信号。
本发明所述的信号的调制和解调都发生在配电变压的低压侧，并且只有主机和从机同在一台配电变压器下，才能接收到对方的调制信息。所述的信号调制是电流调制，解调是利用电流调制所产生的电压畸变信号作为解调对象。所述的信息交互是利用相邻两个畸变的工频电压周期之间非畸变周期的个数来携带用户信息，其目的是减少调制发生的次数，最大限度的降低对配电网的干扰，保护调制电路。
图8是一个简单的10kV配电网络结构拓扑图，下面结合图7，阐述如何基于工频电压畸变实现低压配电户变关系识别。
某一10kV配电系统中有若干台配电变压器(TB)，每台配电变压器有若干出线分支到低压配电分支箱(FZH)，分支又有若干出线回路到用户电表箱(DBX)。下面的步骤是用3#检测测设备识别出用户电表箱(DBXn)所连接的配电变压器：
1、在每一台配电变压器室放一台检测设备，接三相电源，并配置设备号(对应配电变压器号)。
2、在用户电表箱内放一台检测设备，接单相电源，此时的检测设备并不确定所在的相别。此处的检测设备同样需配置设备号，并与用户电表箱号对应。
3、3#检测测设备发送调制信号，调制电流所产生的电压畸变信号只有与其在同一配电点变压器下的1#检测设备能够检测到。
4、1#检测设备接收到信号的相别就是3#检测测设备所在的相别，1#检测设备将该相位信息及自身设备号用同样的方式回传给3#检测设备，检测完毕。3#检测设备可将检测到的信息就地显示或远程上传。
5、3#检测设备通过远程通信信道将相关信息上传给系统主站，主站利用专用软件，可以根据该信息分解出用户表箱、相别、配电变压器的对应关系，也可以绘制出用户电表箱、相别、配电变压器的拓补结构图。用同样的方法，可以确定一台配电变压器与所有用户的拓补关系，进而是一个小区、一个城市，甚至整个电网。
6、用电管理部门可以利用该配电网络拓扑结构图进行负荷管理、平衡负载、节能降损、排查故障等，对配电网的运行、优化、管理起到积极作用。
7、基于工频电压畸变识别低压配电户变关系的系统的方法，还可以用于检测两台配电变压器有无并相运行现象。配电变压器并相运行，这在配电网运行过程是决不允许的，但实际上这种现象却时有发生。并相运行的检测方法与上述低压配电户变关系识别方法基本相同，只是两台检测设备分别放置在被检测的两台配电变压器内，都接三相电源，能够接收到对方应答信息的相就存在该相并相运行现象，否则不存在并相运行。
本发明与原有TWACS技术相比，具有以下优点:1.在TWACS技术中，信号的传输分为下行信号传输和上行信号传输。下行信号传输时，信号的调制发生在中压侧，并且需要借助调制变压器将调制信号耦合到中压线路上；上行信号传输时，解调也是发生在中压侧。无论是下行信号还是上行信号的传说，都要经过配电变压器，其衰减无法避免。如果要获取足够的信号强度，就要提高调制电路的功率。而在本方法中，给出的信号的调制和解调都是发生在低压侧，而且不需借助调制变压器。因此，本方法的电路实现更加简单，信号的调制、解调都在低压侧，安全性、可操作性更高，无需调制变压器，具有更高的经济效益。2.在TWACS技术中，下行信号是电压信号，上行信号是电流信号，因此解调电路需要考虑两种不同的信号。而本方法给出的传输信号，都是电压信号；单一的电压信号使电路配置更为简单，软件算法也更容易实现。3.在TWACS技术中，信息的传递是依靠相邻的两个周期的工频电压(或电流)变与不变来传递1个bit。如第一个周期畸变，第二个周期正常，表示该bit为“0”；而第一个周期正常，第二个周期畸变，表示该bit为“1”。本方法给出的信息传递，是依靠两个周期畸变的工频电压之间未畸变的工频电压周期个数来传递。与TWACS技术的信息传递相比，在传递相同的信息时，本方法绝大多数情况下需要更少的信号调制周期。如要传递0x1F，TWACS技术需要5个周期的信号调制，而本方法，则只需要2个周期的信号调制。减少信号调制的次数，可以最大限度的降低对配电网的干扰，保护调制电路。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，其特征在于：包括配电变压器、低压配电线路、用户端、配电变压器端调制解调设备和用户端调制解调设备；所述用户端调制解调设备连接到用户的电表端子上或电表箱内的端子上，通过低压配电线路与配电变压器低压侧母线相连，所述配电变压器端调制解调设备直接连接在配电变压器低压侧母线上；所述配电变压器副边的漏感为L1，所述配电变压器副边的内阻为R1；所述用户端调制解调设备的电感为L2，所述用户端调制解调设备的内阻为R2；所述配电变压器端调制解调设备的电感为L3，所述配电变压器端调制解调设备的内阻为R3；
所述用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，包括如下步骤：
步骤一：连接好配电变压器、低压配电线路、用户端以及两台调制解调设备后，启动系统，用户端在工频电压周期150°附近触发可控硅，这样就在低压侧相线与零线之间产生一短路电流i，其大小由L2、R2和可控硅导通时间决定；由于配电变压器副边存在漏感L1，此突变的电流就会产生一个畸变的电压Δu，其大小为：Δu＝L1*di/dt，其中，di/dt为电流变化率；可控硅的导通和关闭时间由MCU控制，MCU检测到工频电压正向过零后，启动定时器，8333μs后通过一I/O口输出高电平使可控硅导通，500μs后输出低电平关闭可控硅；
步骤二：通过高速AD转换器将工频电压信号离散化，利用DB4小波二级变换提取工频电压周期150°附近的电压畸变信号，并通过软件算法进行识别；有畸变的工频电压信号在150°附近的d2值非常大，通过动态阈值算法判断工频电压信号有无畸变；动态阈值就是在调制解调设备上电工作稳定后，取若干组d2极大值的平均值，每组取10个工频周期，然后乘以一个系数1.5或2.0，作为判断依据，如果某一工频周期的d2值大于该值，则认为有调制信号，否则没有调制信号；采用动态阈值法的目的是规避基础工频电压信号中的离散杂波，保证信号解调的可靠性和准确性；
步骤三：用户信息通过两个工频电压调制周期之间非调制周期的个数携带，进行信息的传送。
2.根据权利要求1所述的用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，其特征在于：当所述用户端调制解调设备作为调制设备时，调制回路包括用户端调制解调设备的电感L2和内阻R2、低压配电线路、配电变压器副边的漏感L1和内阻R1，此时，配电变压器端调制解调设备作为解调设备。
3.根据权利要求1所述的用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，其特征在于：当所述配电变压器端调制解调设备作为调制设备时，调制回路包括配电变压器端调制解调设备的电感L3和内阻R3、低压母线、配电变压器副边的漏感L1和内阻R1，此时，用户端调制解调设备作为解调设备。
4.根据权利要求1所述的用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，其特征在于：所述配电变压器连接组别为Yyn或Dyn；从配电变压器低压侧看去，Yyn接法的中压侧零序阻抗比较大，调制电路所产生的电流受零序阻抗的影响无法在高压侧形成较大电流，因此调制信号也就无法通过中压侧传到其他变压器的低压侧，也就不存在配电变压器低压侧串扰的问题；对于Dyn接法，中压侧不存在零线，调制电流只有在绕组内流动，也不会通过中压侧传到其他变压器的低压侧。
5.根据权利要求1所述的用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，其特征在于：所述步骤三中，用户要发送信息N，那么第1和第N+1周期调制，其他周期不调制；若需要携带多字节信息，可增加一周期调制信号，每增加一字节信息，就增加一个调制信号。
6.根据权利要求1所述的用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，其特征在于：所述的信号的调制和解调都发生在配电变压器的低压侧，并且只有主机和从机同在一台配电变压器下，才能接收到对方的调制信息。
7.根据权利要求1所述的用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，其特征在于：所述的信号调制是电流调制，解调是利用电流调制所产生的电压畸变信号作为解调对象。
8.根据权利要求1所述的用于基于工频电压畸变识别低压配电户变关系系统的方法，其特征在于：信息交互是利用相邻两个畸变的工频电压周期之间非畸变周期的个数来携带用户信息，其目的是减少调制发生的次数，最大限度的降低对配电网的干扰，保护调制电路。
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