CN105897463A - 基于低压拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道频率响应生成方法，包括步骤：获取需要计算的电力线信道频率响应主路径，对主路径中各节点进行分支线路有无判断，若存在分支线路，由当前结点出发，求取当前结点下的分支节点所有子节点，并生成父子节点表。对生成的父子节点表，由深至浅地对各父子节点阻抗数据进行更新，然后计算出主路径中各节点下总阻抗数据；若不存在分支线路，跳过该节点对主路径中的下一节点重复上述操作。最后通过ABCD传输参量矩阵求得该路径信号发收两端二端口传输矩阵并计算载波信道频率响应。对于其他节点间信道频率响应计算，可采取同样的方式进行求解，直至网络中所有节点间信道响应求解完成。

Description

基于低压拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法

技术领域

本发明属于电力线通信领域，具体是涉及一种基于低压电力拓扑网络的空间相关电力线信道频率响应生成方法。

背景技术

日前宽带电力线载波通信技术在低压配电网的用电信息采集系统与家用电力猫中得到广泛应用，特别地，基于电力线通信与无线通信融合的异构网络通信技术由于其引入信道的多样性而提高通信速率与质量而受到广泛关注。其次基于电力线单相多线或多相多线的MIMO技术能够成倍地提高系统的数据传输速率以及可靠性。未来智能家居、物联网、智能电网等技术对高速数据传输需求愈来愈大。

低压电力线宽带电力线信道的建模有助于未来新型通信技术的研发与测试，对技术参数选择与优化起着至关重要的作用。然而目前主流的电力线信道建模方法主要有自上而下与自下而上的信道建模方法。自上而下的信道建模方法，将低压配电网络看作黑盒，通过高度抽象的公式对信道频率响应进行参数拟合获取公式参数；自下而上的信道建模方法，采用电力线缆的分布式参数模型，信号以横电磁波(TEM)的形式在电力传输线中传输。然而，自上而下的建模方法对电力线信道的参数获取往往处在局部最优化，无法更为真实的反应电力线信道特性，特别地，无法表征同一电力拓扑网络中电力线信道间的相关特性。而自下而上的建模方法往往由于运算复杂，不易推广到更为复杂的电力拓扑网络中的信道频率响应计算。

综上所述，传统的电力线信道建模方法集中在节点到节点间的电力线信道建模，缺乏对复杂电力拓扑网络中多节点间信道建模方法研究，同时，由于电力网络中多节点间的信道响应往往由于复用同一电力线路而存在一定的信道相关特性，然而，现有建模方法中并没有针对多节点具有空间相关特性的信道模拟实现。此外，电力传输线缆固有的传输特性、长度与分布电容等因素对于各节点间的信道相关性分析亦起着至关重要的作用。

发明内容

针对以上技术的不足，提出了一种降低计算复杂度的基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道频率响应生成方法。本发明的技术方案如下：一种基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道频率响应生成方法，其包括以下步骤：

1)、预设低压电力拓扑网络的信号发送节点与信号接收节点，并通过电力网络拓扑结构的拓扑结构矩阵求取主路径及主路径的各节点；

2)、判断是否已遍历计算低压电力拓扑中各节点间的电力线信道响应，若是则结束，否则转至步骤3)，判断主路径节点是否遍历访问，否则转至步骤4)，已遍历则转至步骤7)；

3)、对步骤1)已求取的某一主路径中所有节点进行检测，在步骤3)中判断是否存在分支线路，若存在分支线路，转至步骤5)对其进行阻抗数据更新；若不存在，跳过该节点，对主路径中下一节点进行检测；直至所有节点检测完后，进入ABCD传输矩阵运算；

4)、通过基于广度优先搜索算法，对分支线路中各节点间父子关系建立父子节点表；

5)、根据父子节点表，由深至浅地逐层依次更新阻抗数据，最后得到主路径中该节点下阻抗数据并生成并联阻抗的ABCD参量矩阵；

6)、主路径中各节点阻抗数据都更新后，根据步骤5)的ABCD参量矩阵，计算信号发送节点与信号接收节点的传输矩阵，并根据该传输矩阵求取节点间信道频率响应；

7)、重复上述步骤1)-步骤6)，依次求取待求节点间具有空间相关特性的电力线信道频率响应。

进一步的，步骤1)通过拓扑结构矩阵获取主路径包括通过邻接矩阵或可达矩阵，求取主路径中的各节点是通过包括Dijkstra算法或Floyd-Warshall算法或Bellman-Ford算法或Johnson算法或基于以上算法的改进最短路径算法。

进一步的，步骤2)中，判断遍历计算电力网络中个信道响应是否已遍历计算完毕，其中n为电力网络节点个数。

进一步的，所述步骤3)中，对已求取的某一主路径中所有节点进行检测，通过调用基于广度优先的搜索算法，由浅至深地发现当前节点下的子节点，并记录父子节点表。

进一步的，所述基于广度优先搜索算法包括以下步骤：由主路径节点出发，搜索其子节点，并记录到父子节点表，其后对上述子节点重复上述操作，直至分支线路末端，至此父子节点表获取完毕。

进一步的，所述步骤5)阻抗是时间或频率的函数，亦即时变负载且负载阻抗特性随着频率的变化而变化。

进一步的，所述步骤5)中的ABCD参量矩阵在低压电力拓扑网络中包括三类二端口模型，包括：电力线二端口网络、并联负载二端口网络与分支线路二端口网络；其中分支线路二端口网络模型与并联负载二端口网络模型主要用于对分支线路下各节点的阻抗更新，并联负载二端口网络还用于承载主路径中各节点的阻抗数据，电力线二端口网络主要用于表征主路径节点间电力线衰减ABCD参量特性。

进一步的，所述步骤6)采用(二端口网络ABCD参量矩阵级联的方法)计算信号发送节点与信号接收节点的传输矩阵，并根据该传输矩阵求取节点间信道频率响应。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提供的基于低压电力拓扑网络的多节点相关电力信道频率响应生成方法通过应用基于双端口的电力线信道建模方法，结合图论中广度优先搜索算法，应用分支线路父子节点表，由主路径节点深化到分支线线路末端节点，简化了双端口信道建模中由于复杂拓扑网络的运算复杂性，通过计算机进行快速的矩阵运算实现对复杂低压电力拓扑网络下的各节点间信道频率响应的计算，解决了当前低压电力拓扑网络中多节点间信道间相关特性问题。此外，由于能够实时地根据电力拓扑中时变负载更新主路径中各节点下的传输参量矩阵进而计算相应的信道频率响应，且由于是基于二端口网络模型进行电力线信道建模，能够完整地表征整个网络的信道相关特性，并为复杂低压电力拓扑网络下的电力线载波信道测试提供了一种切实可行的完整性电力线信道建模方法。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例一种基于低压电力拓扑网络的空间相关电力信道频率响应生成方法的基本流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于广度优先搜索算法的分支线路父子节点表获取基本流程图；

图3为本发明实施例提供的低压配电网络示意图；

图4给出了一种电力线二端口网络；

图5给出了一种并联负载二端口网络；

图6给出了一种分支线路二端口网络；

图7给出了一种二端口网络传输矩阵模型。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1为本发明实施例提供的一种基于低压电力拓扑网络的空间相关电力信道频率响应生成方法的基本流程图，主要包括：

a：从预设的信号发送节点与接收节点，通过电力网络拓扑结构的邻接矩阵或可达矩阵求取主路径；

b：判断预设的收发节点间电力线信道响应是否已计算；

c：对已求取的某一主路径中所有节点进行检测，判断是否存在分支线路。若存在分支线路，对其进行阻抗数据更新；若不存在，跳过该节点，对主路径中下一节点进行检测。直至所有节点检测完后，进入ABCD传输矩阵运算；

d：通过基于广度优先搜索方法，对分支线路中各节点间父子关系建立父子表；

e：利用父子节点表，由深至浅地逐层依次更新阻抗数据，最后得到主路径中该节点下阻抗数据并生成并联阻抗的ABCD参量矩阵；

f：主路径中各节点阻抗数据都更新后，根据ABCD参量矩阵特性，计算收发节点传输矩阵并求取节点间信道频率响应。

g：重复上述方法，依次求取待求节点间具有空间相关特性的电力线信道频率响应。

为了本领域技术人员更加清晰的理解本发明实施例中的低压电力拓扑网络中电力线信道频率响应生成流程，下面举一具体例子说明该方法的具体处理过程。请参阅附图3，图3给出了一种可能的典型低压拓扑网络，对于一4节点的拓扑网络，能够将其用矩阵形式表示为：

$G=\left[\begin{array}{cccc}0& l_{12}& l_{13}& l_{14}\\ l_{21}& 0& l_{23}& l_{24}\\ l_{31}& l_{32}& 0& l_{34}\\ l_{41}& l_{42}& l_{43}& 0\end{array}\right]$

其中l_ij为i节点到j节点的电力线长度，因此可以有l_ij＝l_ji，亦即G矩阵为对称矩阵。

对于图3的电力拓扑能够列出一10*10的矩阵，将其长度矩阵G转变为邻接矩阵可得：

$G=\left[\begin{array}{cccccccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 1& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

若待求电力线信道频率响应为H₁₃，则可通过Dijkstra算法、Floyd-Warshall算法、Bellman-Ford算法或Johnson算法以及其它基于这些算法的改进最短路径算法获取节点1至节点3的主路径节点：

P₁₃＝{1→2→3}

依次检测P₁₃主路径中的各节点是否存在分支线路，对于节点1在邻接阵中仅有主路径节点2与其邻接，故不存在分支线路，跳过节点1，对节点2进行同样的分支线路检测。

对于节点2，除了主路径中的节点1与节点3与其相邻接，还有相对较复杂的分支线路，至此调用一种基于广度优先的搜索算法获取其分支线路的父子节点表，基本流程可参考附图2，具体步骤如下：

S201：初始化参数Fa、Sn与S，其中Fa用于记录父节点，Sn用于记录子节点，S用作标志位，表征给节点是否已被访问；

Fa	0
		Sn	2
S	0

S202：判断S标志位向量中是否所有元素为1，否则进入S203；

S203–S204：检索节点2，在邻接矩阵G易得节点4与节点6为其子节点，记录Fa、Sn并更新S有：

Fa	0	2	2
				Sn	2	4	6
S	1	0	0

返回步骤S202，对S标志位向量进行判断检索为0的元素，获取第一个0元素索引Index，将Sn(Index)送入后续步骤，经过S203与S204则有：

Fa	0	2	2	4
					Sn	2	4	6	5
S	1	1	0	0

第3次循环有：

多次循环后最终获得节点2分支线路下所有父子节点关系表：

Fa	0	2	2	4	6	6	6	7
									Sn	2	4	6	5	7	9	10	8

进而进入S106，对节点2阻抗数据进行更新，在此之前需要注意的是，节点2的阻抗数据更新需要在分支线路中最深一层由深至浅地逐层对阻抗数据进行更新，亦即在父子节点表中按照从右到左的顺序，依次将子节点阻抗数据并联到父节点中：

此外需要表明的是在低压电力拓扑网络中，主要由三类基本组成部分：电力传输线、并联负载与分支线路，分别由参考附图4、图5与图6给出，其中三类ABCD参量矩阵推导如下。

(1)电力传输线传输矩阵

基于电力传输线基本理论，根据图4二端口网络模型，可得：

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ I_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_2\\ I_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{\θ}\right)& Z_c\sinh \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sinh \left(\mathrm{\θ}\right)/Z_c& \cosh \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_2\\ I_2\end{array}\right]$

其中θ＝γl，l为电力线段长度，γ为传播常数，Z_c为特性阻抗，γ和Z_c称为传输线的副参数，用来表征均匀电力传输线的主要特性。

(2)并联负载传输矩阵

对于并联在低压电力线上的由单个负载组成的二端口网络，如图5所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=U_2\\ I_1=\frac{U_2}{Z_L}+I_2\end{array}\right.$

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ I_1\end{array}\right]=T_Z\left[\begin{array}{c}{U}_2\\ I_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 1/Z_L& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_2\\ I_2\end{array}\right]$

(3)分支线路传输矩阵

低压配电网在物理特性上呈现树型结构，因此，并联在信号路径上的除了一些负载外，还有许多是线路分支，分支线路还有可能再分，但有限的配电网络必然存在终端，接有负载或者直接开路。图6给出了某一接有终端负载的分支二端口网络模型。

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ I_1\end{array}\right]=T_l\left[\begin{array}{c}{U}_2\\ I_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_2\\ I_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{AU}}_2& B\frac{U_2}{Z_L}\\ {\mathrm{CU}}_2& D\frac{U_2}{Z_L}\end{array}\right]$

$Z_{In}=\frac{U_1}{I_1}=\frac{{\mathrm{AU}}_2+B\frac{U_2}{Z_L}}{{\mathrm{CU}}_2+D\frac{U_2}{Z_L}}=\frac{{\mathrm{AZ}}_L+B}{{\mathrm{CZ}}_L+D}$

至此，根据上述公式能够得到父子节点表中阻抗数据更新计算表达式：

$\begin{array}{c}{Z}_{Fa-Sn}=Z_c\frac{Z_{Sn}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_{Fa-Sn}{l}_{Fa-Sn}\right)+Z_c\sinh \left({\mathrm{\γ}}_{Fa-Sn}{l}_{Fa-Sn}\right)}{Z_c\cosh \left({\mathrm{\γ}}_{Fa-Sn}{l}_{Fa-Sn}\right)+Z_{Sn}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_{Fa-Sn}{l}_{Fa-Sn}\right)}\\ Z_{Fa}=\frac{Z_{Fa}+Z_{Fa-Sn}}{Z_{Fa}{Z}_{Fa-Sn}}\end{array}$

其中γ_Fa-Sn为父节点与子节点间电力传输线缆的衰减特性，Z_c为该段线缆特性阻抗，l_Fa-Sn为该段电力线缆长度，Z_Fa为父节点阻抗数据，Z_Sn为子节点阻抗数据。

最终得到分支线路等效至节点2的阻抗数据，同样地，对主路径的节点3进行分支线路检测。对主路径中所有节点检测与阻抗数据更新后，进入S107，根据低压电力拓扑网络的二端口传输参量矩阵性质，求取节点1至节点3参量矩阵。

图7给出了起点至终点的网络参量级联模型，通过ABCD参数级联的方法即可求得信号收发间二端口网络的T参数矩阵，最终求得所需求解的信号参数。按照二端口网络的级联原理可以得到

$T=T_1{T}_2{T}_3\mathrm{...}{T}_i\mathrm{...}{T}_n{T}_{n+1}=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]$

对于本具体实施例有：

$T_3=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ Z_1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{A}_{12}& B_{12}\\ C_{12}& D_{12}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ Z_2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{A}_{23}& B_{23}\\ C_{23}& D_{23}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ Z_3& 1\end{array}\right]$

Z_i为更新后的阻抗数据，A_ij、B_ij、C_ij与D_ij为节点i与节点j间电力传输线特性参量。

最终由T₁₃可求得节点1至节点3间的电力线信道频率响应H₁₃：

$H_{13}=\frac{Z_L}{{\mathrm{AZ}}_L+B+{\mathrm{CZ}}_S{Z}_L+{\mathrm{DZ}}_S}$

其中Z_S为节点1源阻抗，Z_L为节点3终端负载。

此外，需要注意的是，由于低压拓扑网络中分支线路的不对称性，使得上下行信道为非对称信道，如H₁₃的逆信道频率响应H₃₁应为T₁₃参量矩阵中各分矩阵的逆次序运算：

$T_{31}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ Z_3& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{A}_{23}& B_{23}\\ C_{23}& D_{23}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ Z_2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{A}_{12}& B_{12}\\ C_{12}& D_{12}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ Z_1& 1\end{array}\right]$

综上所述，某两节点间的上下行信道频率响应已求出，最后，根据其他待求节点间信道频率响应重复上述步骤即可。从上述计算过程当中，不难发现，信道与信道之间由于节点间阻抗的相互关系，采用本发明所生成低压电力线拓扑网络信道频率响应在空间上具有一定的相关特性。此外，采用基于广度优先的搜索算法，获取父子节点表，能够有效正确地更新父节点的阻抗数据，为节点间信道频率响应计算提供可行有效的实践方法。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于低压拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、预设低压电力拓扑网络的信号发送节点与信号接收节点，并通过电力网络拓扑结构的拓扑结构矩阵求取主路径及主路径的各节点；

2)、判断是否已遍历计算低压电力拓扑中各节点间的电力线信道响应，若是则结束，否则转至步骤3)，判断主路径节点是否遍历访问，否则转至步骤4)，已遍历则转至步骤7)；

3)、对步骤1)已求取的某一主路径中所有节点进行检测，在步骤3)中判断是否存在分支线路，若存在分支线路，转至步骤5)对其进行阻抗数据更新；若不存在，跳过该节点，对主路径中下一节点进行检测；直至所有节点检测完后，进入ABCD传输矩阵运算；

4)、通过基于广度优先搜索算法，对分支线路中各节点间父子关系建立父子节点表；

5)、根据父子节点表，由深至浅地逐层依次更新阻抗数据，最后得到主路径中该节点下阻抗数据并生成并联阻抗的ABCD参量矩阵；

6)、主路径中各节点阻抗数据都更新后，根据步骤5)的ABCD参量矩阵，计算信号发送节点与信号接收节点的传输矩阵，并根据该传输矩阵求取节点间信道频率响应；

7)、重复上述步骤1)-步骤6)，依次求取待求节点间具有空间相关特性的电力线信道响应。

2.根据权利要求1所述的基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法，其特征在于，所述步骤1)通过拓扑结构矩阵获取主路径包括通过邻接矩阵或可达矩阵，求取主路径中的各节点是通过包括Dijkstra算法或Floyd-Warshall算法或Bellman-Ford算法或Johnson算法或基于以上算法的改进最短路径算法。

3.根据权利要求1或2所述的基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法，其特征在于，步骤2)中，判断遍历计算电力网络中个信道响应是否已遍历计算完毕，其中n为电力网络节点个数。

4.根据权利要求3所述的基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法，其特征在于，所述步骤3)中，对已求取的某一主路径中所有节点进行检测，通过调用基于广度优先的搜索算法，由浅至深地发现当前节点下的子节点，并记录父子节点表。

5.根据权利要求4所述的基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法，其特征在于，所述基于广度优先搜索算法包括以下步骤：由主路径节点出发，搜索其子节点，并记录到父子节点表，其后对上述子节点重复上述操作，直至分支线路末端，至此父子节点表获取完毕。

6.根据权利要求5所述的基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法，其特征在于，所述步骤5)阻抗是时间或频率的函数，亦即时变负载且负载阻抗特性随着频率的变化而变化。

7.根据权利要求6所述的基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法，其特征在于，所述步骤5)中的ABCD参量矩阵在低压电力拓扑网络中包括三类二端口模型，包括：电力线二端口网络、并联负载二端口网络与分支线路二端口网络；其中分支线路二端口网络模型与并联负载二端口网络模型主要用于对分支线路下各节点的阻抗更新，并联负载二端口网络还用于承载主路径中各节点的阻抗数据，电力线二端口网络主要用于表征主路径节点间电力线衰减ABCD参量特性。

8.根据权利要求7所述的基于低压电力拓扑网络的多节点电力线信道响应生成方法，其特征在于，所述步骤6)采用二端口网络ABCD参量矩阵级联的方法计算信号发送节点与信号接收节点的传输矩阵，并根据该传输矩阵求取节点间信道频率响应。