CN105553515B - 台区内变压器低压侧通信方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种台区内变压器低压侧通信方法与系统，获取跨台区电力线工频通信数据，构建台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点，构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。整个过程中，采用模型构建和仿真处理，准确查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号时间，在台区内变压器低压侧构建电力线工频通信，由于电力线工频通信具有抗衰减和抗干扰能力强的特点，构建的台区内变压器低压侧的电力线工频通信可靠性高。

Description

台区内变压器低压侧通信方法与系统

技术领域

本发明涉及电力线路通信技术领域，特别是涉及台区内变压器低压侧通信方法与系统。

背景技术

在国家大力发展能源互联网的形势下，以电力线为媒介传输智能用电信息具有方便、灵活等优势，可望成为能源互联网监控信息传输手段。

目前台区内变压器低压侧的通信方式中，应用最多的是电力线载波通信(powerline communication，PLC)，其通过高频信号调制在低压电力线上实现信号传输，PLC具有速率较快、抗干扰性能差、随距离衰减严重等特点。

目前，能源互联网中存在大量分布式电源、储能设备，这会使PLC通信环境更加恶劣。在该情况下，通过PLC的中继组网性能更加重要。目前台区内路径搜索信令和数据传输多采用PLC技术，由于PLC技术存在具有缺陷导致路径搜索信令通信可靠性低。

发明内容

基于此，有必要针对台区内变压器低压侧的通信方式可靠性低的问题，提供一种可靠性高的台区内变压器低压侧通信方法与系统。

一种台区内变压器低压侧通信方法，包括步骤：

获取跨台区电力线工频通信数据；

根据所述跨台区电力线工频通信数据，依据电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型；

根据所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形；

根据所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点；

构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。

一种台区内变压器低压侧通信系统，包括：

数据获取模块，用于获取跨台区电力线工频通信数据；

模型构建模块，用于根据所述跨台区电力线工频通信数据，依据电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型；

调制波形获取模块，用于根据所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形；

时间点查找模块，用于根据所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点；

通信构建模块，用于构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。

本发明台区内变压器低压侧通信方法与系统，获取跨台区电力线工频通信数据，基于电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型，根据台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点，构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。整个过程中，采用模型构建和仿真处理，准确查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号时间，在台区内变压器低压侧构建电力线工频通信，由于电力线工频通信具有抗衰减和抗干扰能力强的特点，构建的台区内变压器低压侧的电力线工频通信可靠性高。

附图说明

图1为本发明台区内变压器低压侧通信方法其中一个实施例的流程示意图；

图2为电力线工频通信信号传输模型示意图；

图3为本发明台区内变压器低压侧通信系统其中一个实施例的结构示意图；

图4为电压畸变信号和已调信号波形示意图；

图5为电压畸变信号波形示意图；

图6为畸变电流信号波形示意图；

图7为电压相位差向量示意图；

图8为畸变电压衰减波形示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种台区内变压器低压侧通信方法，包括步骤：

S100：获取跨台区电力线工频通信数据。

跨台区电力线工频通信数据可以基于历史经验数据获得，例如可以从跨台区电力线工频通信的日常运行日志中获得。基于跨台区电力线工频通信数据，采用合理的数据分析，可以获得电力线工频通信有关特性和经验。

S200：根据所述跨台区电力线工频通信数据，依据电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型。

基于电力线工频通信技术机理和跨台区电力线工频通信数据(经验)，尝试将电力线工频通信应用于台区内，构建台区内电力线工频通信信号传输模型。具体电力线工频通信信号传输模型如图2所示，在图2中，采用变压器的简化等效电路，等效到变压器的低压侧，R1、L1为变压器等效漏阻抗，调制电路包括晶闸管(thyristor)及其触发电路和调制电阻R2、调制电感L2。R3、L3为用户所在支路的线路阻抗，R4、L4为其它支路的等效负载阻抗。R5、L5为用户负载阻抗。

S300：根据所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形。

仿真平台可以为Matlab或Simulink仿真平台。基于台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得仿真结果，分析仿真结果可获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形。基于台区内电力线工频通信信号的调制波形可以观察出电力线工频通信信号发送时间点和信号接收时间点。在仿真平台上还可以获得台区内变压器低压侧的电压波形。

S400：根据所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点。

查找区内变压器低压侧电压变化到何时发送工频通信信号，何时接收工频通信信号，以实现的工频通信信号与电压信号的合理叠加。

S500：构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。

电力线工频通信已经应用于垮台区通信，但其需要较强的调制电流和复杂的信号接收电路，即其通信信号调制过程复杂，不容易确定收发信号时间点与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点。在这里，步骤S400中已经确定台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点后，即可在台区内变压器低压侧构建电力线工频通信。由于电力线工频通信具有抗衰减和抗干扰能力强的特点，构建的台区内变压器低压侧的电力线工频通信可靠性高。

本发明台区内变压器低压侧通信方法，获取跨台区电力线工频通信数据，基于电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型，根据台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点，构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。整个过程中，采用模型构建和仿真处理，准确查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号时间，在台区内变压器低压侧构建电力线工频通信，由于电力线工频通信具有抗衰减和抗干扰能力强的特点，构建的台区内变压器低压侧的电力线工频通信可靠性高。

在其中一个实施例中，所述根据所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点的步骤具体包括：

获取台区内变压器低压侧电压波形；

根据所述台区内变压器低压侧电压波形和所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，调节台区内电力线工频通信发送信号的时间点，以使所述台区内变压器低压侧电压发生畸变的时间点为所述台区内变压器低压侧电压零点对应的时间点，确定该发送信号的时间点为所述台区内电力线工频通信发送信号的时间点；

设定所述台区内变压器低压侧电压零点对应的时间点为台区内电力线工频通信接收信号的时间点。

在其中一个实施例中，所述台区内电力线工频通信发送信号的时间点为所述台区内变压器低压侧电压零点前30度对应的时间点。

台区内电力线工频通信发送信号可以是在电压过零点前30度进行调制，工频通信选择在电压过零点附近产生波形畸变而不是波峰或者波谷，是因为在过零点前后30度内改变波形进行信号调制的能量最小，对于变压器都存在很高的泄露电感，而且信号畸变可以控制在规定范围内。信号接收时，以过零点时刻作为同步，有利于信号的识别检测。因此在电压过零点附近即可采用较小的功率实现信号叠加，提供信号数据在传输过程中在过零点的信号检测同步。

在其中一个实施例中，所述根据所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形的步骤具体包括：

忽略所述台区内电力线工频通信信号传输模型中台区内电力线工频通信信号的传输时延、传输衰减以及收发节点电压相位差，以优化所述台区内电力线工频通信信号传输模型；

根据优化的所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形。

经过大量的试验表明台区内电力线工频通信信号的传输时延、衰减、收发节点系统电压相位差均可忽略。因此，忽略所述台区内电力线工频通信信号传输模型中台区内电力线工频通信信号的传输时延、传输衰减以及收发节点电压相位差，能够有效优化台区内电力线工频通信信号传输模型，简化后续仿真和数据计算处理过程，提高处理效率。

在其中一个实施例中，所述仿真平台为Matlab平台。

如图3所示，一种台区内变压器低压侧通信系统，包括：

数据获取模块100，用于获取跨台区电力线工频通信数据；

模型构建模块200，用于根据所述跨台区电力线工频通信数据，依据电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型；

调制波形获取模块300，用于根据所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形；

时间点查找模块400，用于根据所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点；

通信构建模块500，用于构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。

本发明台区内变压器低压侧通信系统，数据获取模块100获取跨台区电力线工频通信数据，模型构建模块200基于电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型，调制波形获取模块300根据台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，时间点查找模块400分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点，通信构建模块500构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。整个过程中，采用模型构建和仿真处理，准确查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号时间，在台区内变压器低压侧构建电力线工频通信，由于电力线工频通信具有抗衰减和抗干扰能力强的特点，构建的台区内变压器低压侧的电力线工频通信可靠性高。

在其中一个实施例中，所述时间点查找模块400具体包括：

电压波形获取单元，用于获取台区内变压器低压侧电压波形；

查找单元，根据所述台区内变压器低压侧电压波形和所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，调节台区内电力线工频通信发送信号的时间点，以使所述台区内变压器低压侧电压发生畸变的时间点为所述台区内变压器低压侧电压零点对应的时间点，确定该发送信号的时间点为所述台区内电力线工频通信发送信号的时间点；

设定单元，用于设定所述台区内变压器低压侧电压零点对应的时间点为台区内电力线工频通信接收信号的时间点。

在其中一个实施例中，所述台区内电力线工频通信发送信号的时间点为所述台区内变压器低压侧电压零点前30度对应的时间点。

在其中一个实施例中，所述调制波形获取模块300具体包括：

模型优化单元，用于忽略所述台区内电力线工频通信信号传输模型中台区内电力线工频通信信号的传输时延、传输衰减以及收发节点电压相位差，以优化所述台区内电力线工频通信信号传输模型；

调制波形获取单元，用于根据优化的所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形。

在其中一个实施例中，所述仿真平台为Matlab平台。

为更进一步详细解释本发明区内变压器低压侧通信方法与系统的技术方案及其有益效果，下面将采用具体实例并结合试验数据和数学公式进行说明。

一、台区内电力线工频通信信号传输模型

如图2所示，图2为台区内电力线工频通信信号传输模型。

根据国家标准“GBT 1094.1-1996电力变压器第1部分总则”，变压器短路阻抗Z可用无量纲的相对值来表示，即表示为该对绕组中同一绕组的参考阻抗Z_ref的分数值z，用百分数表示：

其中，Z_ref定义：

其中U为Z和Z_ref所在绕组的额定电压，S为额定容量。

又根据电机学变压器短路实验结论可知变压器高低压绕组的总电阻R：

式中P为变压器短路损耗。

然后，根据式可计算出变压器的等效漏感

|Z|²＝|R|²+|ωL|² (4)

将变压器的漏阻抗换算到低压侧如式(5)和(6)，其中k为变压器变比。

变压器的相关参数是根据国家标准“GBT 6451-2008油浸式电力变压器技术参数和要求”中的Dyn11型变压器相关参数，经计算可得各个变压器的漏阻抗，如表1所示。可以看出，变比相同时，额定容量越大，变压器漏阻抗越小；变压器容量相同时，变比越大，漏阻抗越大。

220V供电半径为500m，传输线模型用R、L串联电路来等效，即图2中的R3、L3和R4、L4。

表1变压器参数表

根据上述传输模型，在Matlab/Simulink平台上仿真信号的调制过程，以容量为63kVA，高低压为10/0.4kV的变压器为例，可以看到电压畸变信号和已调信号如图4。电压畸变信号放大后如图5，畸变电流如图6。

电力线工频通信的发送信号是在电压过零点前30°进行调制的，工频通信选择在电压过零点附近产生波形畸变而不是波峰或者波谷，是因为在过零点前后30°内改变波形进行信号调制的能量最小，对于变压器都存在很高的泄露电感，而且信号畸变可以控制在规定范围内。信号接收时，以过零点时刻作为同步，有利于信号的识别检测。因此在电压过零点附近即可采用较小的功率实现信号叠加，提供信号数据在传输过程中在过零点的信号检测同步。

经过仿真可知，同一电压等级(高低压均相同)的变压器，容量越小，产生的电压畸变信号越大，同样容量的变压器，变比越大，产生的电压畸变信号越大。

下面将针对台区内电力线工频通信信号的特性进行分析与验证。

二、台区内工频通信信号的传输特性与测试方法

由上述内容可知，畸变电压信号传输时延完全可以忽略不计。而畸变电压调制在系统电压过零点前某个时刻，调制的时刻不同，系统电压变化后的幅值也不同。因此，信号收发端系统电压相位差足够小，才能实现幅值/时间转换。

信号发送端系统电压为U_e，信号接收端系统电压为U_f。

U_f和U_e的关系如式(7)所示：

变换成的形式，其中α和β分别如式(8)和(9)。

设复数α+jβ的辐角为θ，那么θ即为U_f和U_e的相位差，其值如式(10)所示：

由于下行调制一般在电压过零前30°进行，为了分析方便，将下行调制信号等效为300Hz的正弦信号，其频率大约为工频频率6倍，按照同样的分析方法，可以得到畸变信号的传输相位差如式(11)：

因此，可知

同时，根据式(1)可以得到信号收发断的系统电压比值为：

根据上式可以得出，信号收发端的系统电压比值近似为1，从而可知信号的衰减很小。另外，对于畸变电压，还可以利用维格纳分布和短时傅里叶变换的时频联合分析证明，在跨变压器的情况下，衰减和相位差都很小。

利用Matlab/Simulink平台仿真，首末端电压在同一个示波器中显示，两条曲线几乎完全重合，观察不到相位差。如图7所示，(U_e-U_f)得到一个幅值很小的正弦波，因此，利用相量图可求相位差。

令U_e＝a、U_f＝b、|U_e-U_f|＝c，则可求cosθ如式(13)：

根据仿真结果，通过示波器观察可知：a＝310.63，b＝310.33，c＝0.31，可计算的cosθ≈1，则cosθ≈0。又由于所以

为了观察畸变电压的衰减情况，将收发端畸变电压相减得到的波形如8所示。可以计算出畸变电压衰减率为0.73‰。

通过仿真证明了收发端系统电压几乎没有相位差。畸变电压信号的传输时延接近于零，而且几乎不衰减。

应用前景

本发明台区内变压器低压侧通信方法与系统通过仿真和试验研究电力线工频通信信号在台区内的信号调制与传播特性，仿真结果及实测数据表明台区内电力线工频通信信号的传输时延、衰减、收发节点系统电压相位差均可忽略；在此基础上，根据台区内的信道状况提出了基于自适应调制的工频信号解调方法。这样在附加很低成本前提下，可以给PLC提供高可靠性的路径传输信令从而大大提升电力线通信性能，使融合PLC与电力线工频通信的电力线通信成为能源互联网可行的信息传输手段。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种台区内变压器低压侧通信方法，其特征在于，包括步骤：

获取跨台区电力线工频通信数据；

根据所述跨台区电力线工频通信数据，依据电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型；

根据所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得仿真结果，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形；

根据所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点；

构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。

2.根据权利要求1所述的台区内变压器低压侧通信方法，其特征在于，所述根据所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点的步骤具体包括：

获取所述台区内变压器低压侧的电压波形；

根据所述台区内变压器低压侧的电压波形和所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，调节台区内电力线工频通信发送信号的时间点，以使所述台区内变压器低压侧电压发生畸变的时间点为所述台区内变压器低压侧电压零点对应的时间点，确定该发送信号的时间点为所述台区内电力线工频通信发送信号的时间点；

设定所述台区内变压器低压侧电压零点对应的时间点为台区内电力线工频通信接收信号的时间点。

3.根据权利要求2所述的台区内变压器低压侧通信方法，其特征在于，所述台区内电力线工频通信发送信号的时间点为所述台区内变压器低压侧电压零点前30度对应的时间点。

4.根据权利要求1或2或3所述的台区内变压器低压侧通信方法，其特征在于，所述根据所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形的步骤具体包括：

忽略所述台区内电力线工频通信信号传输模型中台区内电力线工频通信信号的传输时延、传输衰减以及收发节点电压相位差，以优化所述台区内电力线工频通信信号传输模型；

根据优化的所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形。

5.根据权利要求1或2或3所述的台区内变压器低压侧通信方法，其特征在于，所述仿真平台为Matlab平台。

6.一种台区内变压器低压侧通信系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取跨台区电力线工频通信数据；

模型构建模块，用于根据所述跨台区电力线工频通信数据，依据电力线工频通信技术机理，构建台区内电力线工频通信信号传输模型；

调制波形获取模块，用于根据所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得仿真结果，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形；

时间点查找模块，用于根据所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，分别查找台区内电力线工频通信发送信号和接收信号与台区内变压器低压侧电压变化对应的时间点；

通信构建模块，用于构建所述台区内变压器低压侧的电力线工频通信。

7.根据权利要求6所述的台区内变压器低压侧通信系统，其特征在于，所述时间点查找模块具体包括：

电压波形获取单元，用于获取所述台区内变压器低压侧的电压波形；

查找单元，根据所述台区内变压器低压侧的电压波形和所述台区内电力线工频通信信号的调制波形，调节台区内电力线工频通信发送信号的时间点，以使所述台区内变压器低压侧电压发生畸变的时间点为所述台区内变压器低压侧电压零点对应的时间点，确定该发送信号的时间点为所述台区内电力线工频通信发送信号的时间点；

设定单元，用于设定所述台区内变压器低压侧电压零点对应的时间点为台区内电力线工频通信接收信号的时间点。

8.根据权利要求7所述的台区内变压器低压侧通信系统，其特征在于，所述台区内电力线工频通信发送信号的时间点为所述台区内变压器低压侧电压零点前30度对应的时间点。

9.根据权利要求6或7或8所述的台区内变压器低压侧通信系统，其特征在于，所述调制波形获取模块具体包括：

模型优化单元，用于忽略所述台区内电力线工频通信信号传输模型中台区内电力线工频通信信号的传输时延、传输衰减以及收发节点电压相位差，以优化所述台区内电力线工频通信信号传输模型；

调制波形获取单元，用于根据优化的所述台区内电力线工频通信信号传输模型，通过仿真平台仿真台区内电力线工频通信信号的调制过程，获得所述台区内电力线工频通信信号的调制波形。

10.根据权利要求6或7或8所述的台区内变压器低压侧通信系统，其特征在于，所述仿真平台为Matlab平台。