CN105915266B - 一种用于多参数估计的电力线状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多参数估计的电力线状态监测方法，包括：信道衰减测量、信道建模、信道监测、信道状态分析和结果上报。本发明提出的一种用于多参数估计的电力线状态监测方法，无需再额外布置数据采集装置和通信系统，利用电力线载波通信设备采集、分析和传输电力线状态监测信息，有效利用了丰富的电力线网络资源，显著节约了成本。

Description

一种用于多参数估计的电力线状态监测方法

技术领域

本发明涉及电力线状态监测技术领域，具体讲涉及一种用于多参数估计的电力线状态监测方法。

背景技术

电网重要组成部分的电力线是电能高效传输的关键部分。提高电力线缆的可靠性对于保证电网的安全稳定运行至关重要。因此，需要对电力线状态进行有效监测，以便及时发现潜在的问题与隐患。

目前，电力线状态监测方法分为侵入式与非侵入式两类。传统的侵入式主要是采集流经电力线网络的电流和电压等信息，并在电力线网络中接入专门的传感器，通过部署的完整的传感器网络来感知和记录相关物理量，实现对阻抗等参量的分析，具体实现手段为电弧故障断路器分析和线缆共振分析，此法成本高、过程繁琐。

非侵入式中，能够反映电力线状态的基本网络参数有电力线导体的电导率、导体周围绝缘介质的相对介电常数、导体的相对磁导率。这些基本网络参数的变化，可导致电力传输线的分布参数的变化，例如：单位长度串联电阻R、单位长度串联电感L、单位长度并联电容C、单位长度并联电导G，这些变化使得电力传输线的传播常数γ发生变化，而传播常数γ的改变会直接影响电力线信道传输函数的衰减。因此，监测并分析信道传输函数的变化，可以获得电力线基本网络参数的变化，进而对电力线状态是否异常作出判断。

申请号为201210277888.4、公开日为2012.12.19、名称为“一种电力线状态监测的方法及其装置”的中国发明专利文件披露了一种非侵入式的电力线状态监测方法，其包括：向电力线信道发送训练序列获得信道的传输函数，分析信道传输函数并提取相关信息，通过分析相关信息的变化得出电力线基本网络参数的变化情况，进而对电力线状态进行估计和预测。然而，其存在以下不足：

(1)仅对单一电力线基本网络参数变化的情况进行估计，事实上，信道传输函数的改变往往是由多个电力线基本网络参数同时变化而引起的，现有方法在电力线状态监测信息上不够全面；

(2)仅适用于定性分析，不能定量反映出电力线状态与基本网络参数的变化程度。

因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于多参数估计的电力线状态监测方法，包括步骤：A.信道衰减测量；B.信道建模；C.信道监测；D.信道状态分析；E.结果上报。

步骤A包括：发送端向电力线发送扫频信号，接收端与发送端间的信号功率谱求差。

扫频信号的频率范围：0.5-30MHz，扫频信号的频率间隔：1-100kHz，扫频信号的功率谱密度：-20-0dBm/Hz。

步骤B中：用非线性最小二乘多径参数估计法建立正常状态下的电力线载波信道模型。

电力线载波信道模型的传输函数如下式所示：

式中，f为频率，m为路径索引，d_m表示第m条路径的长度，A_m(f)表示第m条路径的权重系数，γ(f)为传播常数。

按下式计算所述传播常数γ(f)，如下式所示：

式中，R为单位长度串联电阻，L为单位长度串联电感，C为单位长度并联电容，G为单位长度并联电导。

步骤C中：发送端和接收端重复进行信道衰减测量，并监测信道信息的变化。

信道衰减测量的时间间隔为0.5-24小时；信道信息包括：信道衰减峰值和谷值、相邻极值间的频率间隔。

步骤D包括：若信道信息的变化超过设定门限，则接收端采用基于多径信道模型参数的非线性拟合法，实现对电力线状态的估计；

步骤E包括：将电力线状态估计结果和所监测电力线的位置信息传输到监控中心。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

(1)本发明适用于对多个电力线基本网络参数同时变化的情况进行估计，从而可以实现对电力线状态更加全面的监测，符合实际应用需求；

(2)本发明可以定量反映出电力线状态与基本网络参数的变化程度，克服了传统定性分析的局限；

(3)本发明利用电力线载波通信设备采集、分析和传输电力线状态监测信息，无需再额外布置数据采集装置和通信系统，有效利用了丰富的电力线网络资源，显著节约了成本。

附图说明

图1是本发明电力线状态监测方法的实施流程图；

图2是本发明的电力线载波通信发送端与接收端示意图；

图3是本发明的电力线横截面示意图；

图4是本发明电力传输线模型的示意图；

图5是本发明正常状态下的电力线载波信道模型示意图；

图6是本发明的电力线异常状态下的信道衰减变化图；

图7是本发明针对电力线异常状态下信道衰减的非线性拟合结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例的电力线状态监测方法的实施流程图如图1所示，包括以下步骤：

(1)信道衰减测量：发送端电力线载波通信设备向电力线发送扫频信号，接收端电力线载波通信设备接收信号，将接收端与发送端的信号功率谱求差，计算信道衰减；

根据本发明实施例的电力线载波通信发送端与接收端示意图如图2所示。发送端电力线载波通信设备将扫频信号通过高频信号耦合装置注入到电力线上，经电力线路传输到接收端，接收端电力线载波通信设备通过高频信号耦合装置将扫频信号提取出来。在本实施例中，扫频信号的频率范围为2-30MHz，扫频信号的频率间隔为100kHz，扫频信号的功率谱密度为 0dBm/Hz。

根据本发明实施例的电力线横截面示意图如图3所示。在本实施例中，使用了一种常用的三芯结构电力线，三芯分别代表火线、零线和地线，每条线之间填充绝缘电介质材料以避免各线之间联通。电力线的导体部分材料为铜，导线间的绝缘材料为聚氯乙烯，D、r分别代表电力线中两导体中心的间距以及导体的半径。表1给出了本实施例中所使用电力线的相关参数情况。

表1本实施例中所使用电力线的相关参数情况

参数名称	符号表示	值
			导体的半径	r	1.22mm
两导体中心的间距	D	4.04mm
			导体的电导率	σ<sub>c</sub>	5.76×10<sup>7</sup>S/m
电介质的相对介电常数	ε<sub>r</sub>	4
			导体的相对磁导率	μ<sub>r</sub>	1
导体的损耗因数	tanδ	0.01

(2)信道建模：接收端根据信道衰减测量结果，基于非线性最小二乘多径参数估计方法建立正常状态下的电力线载波信道模型，获得多径信道模型参数；

根据本发明实施例的电力传输线模型示意图如图4所示。在本实施例中，发送端、接收端电力线载波通信设备使用如图3所示电力线的火线和零线进行传输，可以将它们等效为平行双线传输。根据传输线理论，可以获得一个平行双线传输的分布式模型，传输线的参数可以量化为分布式参数，包括单位长度串联电阻R、单位长度串联电感L、单位长度并联电容C 和单位长度并联电导G，分别表示为：

G＝2πftanδ(S/m) (4)

其中，r、D、σ_c、ε_r、μ_r、tanδ分别代表导体的半径、两导体中心的间距、导体的电导率、电介质的相对介电常数、导体的相对磁导率、导体的损耗因数，ε₀和μ₀分别代表真空中的介电常数和磁导率。

基于上述电力传输线模型，在本实施例中，电力线载波信道采用被广泛接受的多径模型来建模，通过对多径信道传输函数表达式进行取模值变形，实现对电力线载波信道衰减测量结果的非线性最小二乘拟合。

根据传输线理论，高频信号在电力线中传播由传播常数来决定：

γ(f)＝α(f)+jβ(f) (5)

其中，α(f)和β(f)分别是由频率f决定的衰减常数和相移常数。用m表示高频信号的路径索引，d_m表示第m条路径的长度，A_m(f)表示第m条路径的权重系数，可以将电力线载波信道的传输函数表示为：

在此基础上，对上述多径传播模型做以下合理假设。首先，假定α(f)和β(f)十分接近于频率的线性函数：

α(f)＝af

其中，v_p为高频信号在电力线中的传播速度。其次，将参数A_m(f)近似为常量。再次，将路径数截短为N_p。将这些近似应用于公式(6)，可以得到多径模型的传输函数为：

根据上述多径信道模型，本实施例采用一种基于非线性最小二乘多径参数估计方法的电力线载波信道建模方案，即采用公式(8)的多径模型，实现对正常状态下电力线载波信道衰减测量结果的非线性最小二乘拟合，从而获得多径信道模型参数，所获得的多径信道模型参数包括所建立多径信道模型的径数、每一径的权重系数、每一径的长度。包括以下步骤：

将公式(8)中的传输函数H(f)转化为以dB为单位的表示|H(f)|_dB，有：

|H(f)|_dB＝10log₁₀|H(f)|＝5log₁₀|H(f)|² (9)

在两径情况下，根据公式(8)有：

由欧拉公式，有：

e^jx＝cosx+jsinx (11)

将公式(11)带入公式(10)，有：

将公式(12)取模值的平方，有：

在三径情况下，类似有：

由此可以得到N_p＝4,5,...等时的|H(f)|_dB，因此，当多径信道模型的径数N_p确定时， |H(f)|_dB中待定的参数为2N_p+1个，即a，每一径的权重系数

和每一径的长度

以此模型对步骤(1)中电力线正常状态下的信道衰减测量结果进行非线性最小二乘拟合。在本实施例中，采用麦夸特法实现上述拟合过程，并获得多径信道模型参数估计结果。

依据本发明实施例的正常状态下的电力线载波信道模型示意图如图5所示。表2给出了拟合获得的多径信道模型参数。

表2针对本实施例步骤(1)信道衰减测量结果拟合获得的多径信道模型参数(N_p＝6)

路径号	1	2	3	4	5	6
							长度d<sub>m</sub>(m)	200	221	242	259	266	530
权重系数A<sub>m</sub>	0.54	0.275	-0.15	0.08	-0.03	-0.02

(3)信道监测：发送端、接收端电力线载波通信设备在正常通信间隙，按照一定时间间隔重复进行信道衰减测量，且接收端将测量结果与正常状态下的电力线载波信道模型进行比较，监测信道信息的变化；

在本实施例中，发送端、接收端电力线载波通信设备重复进行信道衰减测量的时间间隔为1小时。接收端将测量结果与步骤(2)中建立的正常状态下的电力线载波信道模型进行比较，监测信道信息的变化，信道信息包括电力线载波信道衰减极大值(峰值)的幅值、极小值(谷值)的幅值、相邻极值之间的频率间隔。

(4)信道状态分析：如信道信息变化超过预定门限，则接收端采用多径信道模型参数以及针对异常状态下信道衰减的非线性拟合方法，实现对潜在的多个电力线基本网络参数变化情况的辨识，进而对电力线状态进行估计；

如图6所示，依据本发明实施例的电力线异常状态下的信道衰减变化图。在本实施例中，信道信息变化的预定门限为至少一项信道信息较正常状态下的电力线载波信道模型变化超过 10％。

步骤(2)中已经建立的电力线载波信道模型为：

其中，A_m(m＝1,2,..,N_p)、d_m(m＝1,2,..,N_p)为表2所示步骤(2)中获得的多径信道模型参数。令传播常数γ(f)为：

将公式(1)、(2)、(3)、(4)代入公式(16)，并将公式(16)代入公式(15)，即H(f)可表示为电力线导体的电导率σ_c、导体周围绝缘介质的相对介电常数ε_r、导体的相对磁导率μ_r、导体的损耗因数tanδ等多个电力线基本网络参数的函数。在本实施例中，令该函数为T(f)，令电力线导体的电导率σ_c、导体周围绝缘介质的相对介电常数ε_r、导体的相对磁导率μ_r、导体的损耗因数tanδ较表1正常状态下值的变化比例分别为未知量c₁、c₂、c₃、 c₄，则可采用非线性拟合方法，由函数T(f)拟合异常状态下信道衰减的测量结果，估计获得 c₁、c₂、c₃、c₄的值，即实现对潜在的多个电力线基本网络参数变化情况的估计。依据本发明实施例的针对电力线异常状态下信道衰减的非线性拟合结果示意图如图7所示。在本实施例中，监测获得电力线导体的电导率σ_c、导体周围绝缘介质的相对介电常数ε_r、导体的相对磁导率μ_r分别变为正常状态下值的90％，导体的损耗因数tanδ未变化。

根据电力线基本网络参数的变化对电力线状态进行估计包括以下的对应关系：电力线导体的电导率σ_c变小表示电力线的热老化或者电力线所处的环境温度升高；导体周围绝缘介质的相对介电常数ε_r变小表示绝缘材料发生了老化；导体的相对磁导率μ_r变小表示电力线的磁老化或者发生了电磁干扰；导体的损耗因数tanδ增大表示电力线产生了电老化或者由于外界环境变化导致的损耗。

(5)结果上报：电力线载波通信设备将电力线状态估计结果传输回监控中心，实现监测预警。

在本实施例中，传输回监控中心的电力线状态估计结果还包括所监测电力线的位置信息。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于多参数估计的电力线状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.信道衰减测量；B.信道建模；C.信道监测；D.信道状态分析；E.结果上报；

所述步骤B中：

用非线性最小二乘多径参数估计法建立正常状态下的电力线载波信道模型；

所述电力线载波信道模型的传输函数如下式所示：

式中，f为频率，m为路径索引，d_m表示第m条路径的长度，A_m(f)表示第m条路径的权重系数，γ(f)为传播常数；

按下式计算所述传播常数γ(f)，如下式所示：

式中，R为单位长度串联电阻，L为单位长度串联电感，C为单位长度并联电容，G为单位长度并联电导；

所述步骤C中：

发送端和接收端重复进行信道衰减测量，并监测信道信息的变化；

所述信道衰减测量的时间间隔为0.5-24小时；

所述信道信息包括：信道衰减峰值和谷值、相邻极值间的频率间隔。

2.如权利要求1所述的电力线状态监测方法，其特征在于，所述步骤A包括：

发送端向电力线发送扫频信号，接收端与发送端间的信号功率谱求差。

3.如权利要求2所述的电力线状态监测方法，其特征在于，

所述扫频信号的频率范围：0.5-30MHz，所述扫频信号的频率间隔：1-100kHz，所述扫频信号的功率谱密度：-20-0dBm/Hz。

4.如权利要求1所述的电力线状态监测方法，其特征在于，所述步骤D包括：

若所述信道信息的变化超过设定门限，则接收端采用基于多径信道模型参数的非线性拟合法，实现对电力线状态的估计。

5.如权利要求1所述的电力线状态监测方法，其特征在于，所述步骤E包括：

将电力线状态估计结果和所监测的电力线位置信息传输到监控中心。

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