CN106160791A - 面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法，包括：采用三相同传方式进行下行工频通信；结合三相同传方式与正交编码方式进行上行工频通信。本发明还公开了一种应用于如上所述的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法的三相多路电力线工频通信系统，包括工频通信子站设备和工频通信终端；下行工频通信时，位于变电所的工频通信子站设备在A、B、C三相同时调制；上行工频通信时，通过多馈线、三相上行同传、单相正交编码多路传输的方式提高通信速率。本发明的目的在于提出一种面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统，能够在保证通信性能的前提下，大大提高工频通信速率。

Description

面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统

技术领域

本发明涉及智能配电网技术领域，特别是指一种面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统。

背景技术

智能电网是使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算的电力传输与分配网络，其目的是改善电力传送和使用的效率，提高电网的可靠性和安全性。建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。目前，配电通信网的主要传输手段有：光纤、公共无线网络、自建专用无线网络、电力线载波通信、电力线工频通信等方式。

电力线工频通信通过在电压、电流上叠加微小的畸变信号实现数据传输，由于低频工频畸变信号可穿越变压器，电力线工频通信技术具有能够跨越配电变压器远距离通信的独特优势，如果通过相关技术手段提升通信速率，该技术能够在智能配电网建设中发挥重要作用。

双向工频通信技术的机理是利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息，从而实现通信；基本特点是设置调制编码，通过多个工频周期内的电压过零时刻产生畸变信号，解调时候，以电压过零为基准通过时域差分去除背景干扰，突出畸变信号后进行检测从而实现通信。

目前该技术已经在北美地区得到了应用，在远程抄表、负荷控制等领域有了一定的应用，国内部分高校和科研单位也在进行该技术的研究。

目前智能配电网中应用的通信技术都有各自的优势，也存在一定的问题。

光纤通信方式通信速率高、性能优良，但安装和线路维护成本昂贵，公共无线通信安装灵活、方便，但存在信号盲区和信息安全问题，低压电力线载波通信成本很低，但只能在220V/380V线路传输，中压电力线载波通信设备成本昂贵且通信性能差。

传统的电力线工频通信技术在通信速率方面，电力线工频上、下行通信都采用单路编码单相传输，信号传输速率低，在通信性能方面，由于配电网各节点存在电压相位差，传统的工频通信方式以本地电压过零为基准，会导致工频通信信号收发时域偏差从而严重影响通信性能。

发明内容

有鉴于此，针对电力线工频通信速率低的缺陷，本发明的目的在于提出一种面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统，能够在保证通信性能的前提下，大大提高工频通信速率。

基于上述目的本发明提供的一种面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法，包括：

采用三相同传方式进行下行工频通信；

结合三相同传方式与正交编码方式进行上行工频通信。

在一些实施方式中，所述采用三相同传方式进行下行通信的步骤包括：

通过3套驱动电路分别在三相过零时刻进行调制，产生电压畸变信号，A、B、C三相的相差为120°，其过零时刻相差约6ms；

在位于配电变压器的工频通信终端进行接收时，由分别连接在A、B、C三相的不同单相终端分别接收或者由三相终端同时接收，使通信速率提高3倍。

在一些实施方式中，所述结合三相同传方式与正交编码方式进行上行工频通信的步骤包括：

利用多馈线信号进行并行传输；

通过A、B、C三相同时进行工频畸变信号的传输；

采用单相正交编码进行多路传输；

其中，终端包括均匀分布在多条10KV支线的A、B、C三相。

在一些实施方式中，所述采用单相正交编码进行多路传输的步骤包括：

通过编码分组降低因配电网各节点电压相位存在差异而造成的对通信性能的影响。

在一些实施方式中，所述编码分组方法包括：

设T是工频周期，I_s(t)为背景基波电流，包括基波和电网干扰，I_p(t)为在电压过零时刻的电流畸变信号，调制编码c_i为在第i个电压过零时刻的调制编码，其包括±1，0三种取值，0表示没有调制信号，±1分别代表在不同电压过零时刻畸变信号的方向，这4个周期内的上行电流可表示为：

$I\left(t\right)=I_s\left(t\right)+\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ki}}{I}_p(t+i\frac{T}{2});$

设b_i为第i个电压过零时刻的检测向量，其包括±1两种取值，调制编码与检测向量之间具有如下关系：

$\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i=\±4;$

为了抑制2.5次工频谐波干扰的影响，采用1，3，6，8过零时刻调制代表信息“1”，而2，4，5，7过零时刻调制代表信息“0”，这样数据信息“1”的调制编码为：(1，0，1，0，0，-1，0，-1)，而数据信息“1”的调制编码为：(0，-1，0，-1，1，0，1，0)。

在一些实施方式中，所述方法还包括：采用曼彻斯特编码的前导信息并结合时频分析的多路工频通信信号时域确定方法。

在一些实施方式中，所述采用曼彻斯特编码的前导信息并结合时频分析的多路工频通信信号时域确定方法中包括对前导信息的处理步骤：

采用双极性伪随机曼彻斯特序列编码p(k)进行前导信息的调制，其序列长度为N，其表达式为：

p(k+N)＝p(k)，

$\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}p\left(k\right)p(k+l)=\left\{\begin{array}{c}N,l=0\\ -1,l\≠0\end{array}\right.;$

假设第j路前导信息采用p(k+j)编码进行调制，其中有N个序列码片，每个码片用2个周期中畸变信号位置来代表，x_j(t)为该路前导信号在1个周期内的调制信号，在两个电压过零时刻都有调制脉冲，x_j(t)可表示为：

$x_j\left(t\right)=v_j\left(t\right)-v_j(t+\frac{T}{2});$

正交编码方式中，在同一10KV支线上最多能够实现6路数据并行传输，这6路前导信息在10KV支线上在2N个工频周期内的调制成份为：

$\underset{j=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{1+p(k+j)}{2}{x}_j(t-2\mathrm{kT})+\frac{1+p(k+j)}{2}{x}_j(t-2\mathrm{kT}-T)\},$

其中，T为工频周期，p(k+j)序列中的码片值决定了调制信号所在的工频周期；这里选择曼彻斯特序列p(k)的长度为31，选择的编码为：00001 0101110110 00111 11001 10100 1；

通信主站中的解调单元采样10KV线路的电流信号，将2N个工频周期的电压或电流采样信号分为N组，每组两个周期的采样信号，这样得到N个相邻周期作差信号，然后将这N个作差信号通过与该路前导信息的调制加权后叠加产生合成信号，第j路合成信号可表示为s_j(t)：

$s_j\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[I(t-2\mathrm{kT})-I(t-2\mathrm{kT}-T)]p(k+j)$

其中I(t)为电流采样信号，根据曼彻斯特序列的特性，将调制成份代入得：

$s_j\left(t\right)={\mathrm{Nx}}_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)-\underset{i=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i(t+{\mathrm{\Δ}}_i)+\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_m\left(t\right)p(k+j),$

其中Δi为各路上行信号收发端的电压过零时差；式中第3项为电网干扰成份；

根据曼彻斯特序列表达式、调制信号以及调制成分的表达式，可得：

$s_j\left(t\right)=N[v_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)-v_j(t+\frac{T}{2}+{\mathrm{\Δ}}_j)]+n_x\left(t\right),$

其中，n_x(t)包括电网噪声和其他支路前导信息的干扰，由于调制信号在两个电压过零时刻存在，通过前后半个周期信号的叠加运算将两个畸变脉冲合并得到叠加合成信号：

$c_j\left(t\right)=s_j\left(t\right)[h\left(t\right)-h(t+\frac{T}{2})]=2N{v}_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)+n_c\left(t\right),$

其中，h(t)为半个工频周期的矩形窗函数，所以c_j(t)包括2N倍增强的第j路畸变脉冲和干扰信号n_c(t)；

根据得到的叠加合成信号，通过时频分析确定多路工频通信信号时域。

在一些实施方式中，所述根据得到的叠加合成信号，通过时频分析确定多路工频通信信号时域的步骤包括：

采用抑制交叉影响的维格纳分布来进行时频分析确定信号时域；

可以得到，叠加合成信号c_j(t)的维格纳分布为：

$W(t,\mathrm{\ω})=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{c}_j(t+\mathrm{\τ}/2)c_j^{*}(t-\mathrm{\τ}/2)\exp (-\mathrm{j\ω\τ})\mathrm{d\τ};$

采用基于短时傅立叶变换的自谱窗函数Q(t,ω)来抑制交叉干扰的影响，从而得到抑制交叉影响的维格纳分布为：

W_Q(t,ω)＝W(t,ω)Q(t,ω)，

$Q(t,\mathrm{\ω})={\left|\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{c}_j\left(t\right)\left(\mathrm{\τ}\right)h(\mathrm{\τ}-t)\exp (-\mathrm{j\ω\τ})\mathrm{d\τ}\right|}^2;$

根据上行调制信号的频率范围，同时考虑到奇数次谐波附近干扰较大，采用208.3HZ、312.5HZ、416.6HZ、520HZ这4个频率的维格纳分布的合成来反映叠加合成信号中符合调制信号频率范围的时频分布情况；

将最大能量值作为分母，得到接收信号的归一化的能量分布情况；

根据得到的能量分布情况中的能量集中区域分析得到调制信号的时域。

本发明的另一方面还提供了一种应用于如上所述的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法的三相多路电力线工频通信系统，包括工频通信子站设备和工频通信终端；

下行工频通信时，位于变电所的工频通信子站设备在A、B、C三相同时调制，从而使下行通信速率提高3倍；上行工频通信时，通过多馈线、三相上行同传、单相正交编码多路传输的方式提高通信速率，其中，工频通信终端包括均匀分布在多条10KV支线的A、B、C三相。

从上面所述可以看出，本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统，在下行工频通信信号传输时，位于变电所的工频通信子站设备在A、B、C三相同时调制，从而使下行通信速率提高3倍；上行工频通信时，通过多馈线、三相上行同传、单相正交编码多路传输等方式提高通信速率；同时，针对工频通信收发端存在电压过零时差的情况，研究多路信号的时域确定方法，在此基础上，研制适应我国配电网实际信道环境的多路工频通信系统，为智能配电网建设提供一种可行的信息传输通道。

附图说明

图1为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信系统实施例的结构示意图；

图3a为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法实施例中的下行调制模型示意图；

图3b为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法实施例中的电压畸变信号示意图；

图4为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法实施例中的多路调制时的前导信息示意图；

图5为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法实施例中的现场实测叠加合成信号示意图；

图6为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法实施例中的接收端信号的能量分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

术语解释：

1)电力线工频通信：利用电力线传输通过电网工频电压过零点时产生微小的畸变信号来传递信息的通信方式。

2)智能配电网：一个集成了传统和前沿配电工程技术、高级传感和测控技术、现代计算机与通信技术的配电系统，更加安全、可靠、优质、高效，支持分布式电源(distributed electric resource,DER)的大量接入，并为用户提供择时用电等与配电网互动服务的新型配电网。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

低成本、高可靠性的信息传输通道是智能配电网推广应用的重要环节，根据智能电网信息内容、安全级别、地域的不同，需要多种通信方式为智能电网建设提供传输通道；电力线工频通信通过电压过零处的低频畸变信号来实现信息传输，能够在不附加10KV线路耦合设备的情况下，通过跨越变压器实现远距离通信，可以在用电信息采集、用户侧智能用电设备远程控制、分布式发电孤岛检测、城市路灯智能控制等领域发挥作用。

针对电力线工频通信速率低的缺陷，本发明公开了一种应用于智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统，能够在保证通信性能的前提下，大大提高工频通信速率。参照附图1，为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法实施例的流程示意图。

如图1所示，所述面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法，包括以下步骤：

步骤101：采用三相同传方式进行下行工频通信。

位于变电所端(子站设备)的调制变压器低压侧的可控硅在电压过零前导通会产生畸变电流，然后通过主变压器的漏感在10KV线路产生电压畸变信号，该信号能够穿越配电变压器(用户变压器)至用户终端，称为下行信号。

工频调制信号都在发送端电压过零附近，而信号检测只能以接收端电压过零为参考进行，为了使检测性能提高，有必要对调制信号收发端的波形，以及收发端的系统电压波形进行分析，以便在信号接收时获得足够的工频调制信号信息。

传统的工频通信方式采用单相下行通信，本发明采用三相同传方式来提高下行通信速率，通过3套驱动电路分别在三相过零时刻进行调制，产生电压畸变信号，A、B、C三相的相差为120°，其过零时刻相差约6ms；

对于单独某相的调制而言，下行通信的调制机理和传输模型如图3a和3b所示。从图3a和3b中可以看出，开关闭合的调制在电网中叠加了畸变信号，并且开关断开后还存在信号震荡，其时域主要在调制端电压过零点附近的2-3ms内。

在位于配电变压器的工频通信终端进行接收时，由分别连接在A、B、C三相的不同单相终端分别接收或者由三相终端同时接收，使通信速率提高3倍。

步骤102：结合三相同传方式与正交编码方式进行上行工频通信。

为了提高上行工频通信速率，本发明提出了通过多馈线、三相同传、单相多路等方式可以进行上行工频通信信号的多路传输，从而提高系统的等效速率的方法。

由于不同10KV支线的电流畸变信号相互基本没有影响，通过子站设备内的上行解调装置通过传感器采集、检测来自10KV线路的电流畸变信号，在上行信号的检测过程中，多馈线的调制信号相互没有干扰，这样就实现多馈线信号的并行传输，等效的通信速率便得到成支线数量的倍数。

上行畸变电流信号都在调制端电压过零附近，A、B、C三相之间的相位差120度，而畸变电流信号主要成份存在约3毫秒的时间，这样调制信号基本不会相互重叠，通过A、B、C三相同时进行传输工频畸变信号，能够得到3倍的通信速率，再加上单相正交编码多路传输，这样上行工频通信速率能够大大提高，要发挥最佳的并行传输效率，其终端需要均匀分布在N条10KV支线的A、B、C三相。

从而，较佳的，所述结合三相同传方式与正交编码方式进行上行工频通信的步骤还具体包括以下步骤：

利用多馈线信号进行并行传输；

通过A、B、C三相同时进行工频畸变信号的传输；

采用单相正交编码进行多路传输；

其中，终端包括均匀分布在多条10KV支线的A、B、C三相。

在单相正交编码多路传输方案中，共有5组正交编码，每组可达6路；因此A、B、C三相的用户终端分别采用其中的3组编码，每组编码的6种编码方式平均分配给该相的各终端，这样的终端分配方式能够实现并行传输的最大效率。

在上行接收时，分别从10KV支线的A、B、C三相电流传感器CT采集电流信号，当三相的电流畸变信号来自同一配电变压器时，畸变信号之间的信号基本不重叠，三相并行接收通过分相接收可以直接实现。

当三相畸变信号来自不同配电变压器时，由于配电网各节点电压相位存在一定的差异，其时域有可能出现重叠，从而影响通信性能，可以通过编码分组降低其影响。

进一步的，所述采用单相正交编码进行多路传输的步骤包括：

通过编码分组降低因配电网各节点电压相位存在差异而造成的对通信性能的影响。

从工频通信终端至主站设备的上行信号中，每位数据信息采用连续4个周期电流波形表示，根据信息“1”和“0”有两种调制编码，每种编码都在4个工频周期内包含2正2负的电流畸变。

其中的编码分组方法包括：

设T是工频周期，I_s(t)为背景基波电流，包括基波和电网干扰，I_p(t)为在电压过零时刻的电流畸变信号，调制编码c_i为在第i个电压过零时刻的调制编码，其包括±1，0三种取值，0表示没有调制信号，±1分别代表在不同电压过零时刻畸变信号的方向，这4个周期内的上行电流可表示为：

$I\left(t\right)=I_s\left(t\right)+\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ki}}{I}_p(t+i\frac{T}{2})---\left(1\right)$

设b_i为第i个电压过零时刻的检测向量，其包括±1两种取值，调制编码与检测向量之间具有如下关系：

$\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i=\±4---\left(2\right)$

为了抑制2.5次工频谐波干扰的影响，目前主要采用1，3，6，8过零时刻调制代表信息“1”，而2，4，5，7过零时刻调制代表信息“0”，这样数据信息“1”的调制编码为：(1，0，1，0，0，-1，0，-1)，而数据信息“1”的调制编码为：(0，-1，0，-1，1，0，1，0)。

工频通信在智能配电网中应用时，由于负载、线路阻抗、变压型号等因素，信号收发端存在电压相位差，由于工频通信信号的频率高于工频频率数倍，其传输时延远小于信号收发端的电压过零时差，而传统的工频通信解调方式以收端电压过零时刻为基准进行，这样会出现时域偏差。

针对此，本发明提出的所述方法还可进一步包括步骤103：采用曼彻斯特编码的前导信息并结合时频分析的多路工频通信信号时域确定方法。

进一步的，所述采用曼彻斯特编码的前导信息并结合时频分析的多路工频通信信号时域确定方法中包括对前导信息的处理步骤：

为了使通信主站同时接收多路前导信息，本发明采用双极性伪随机曼彻斯特序列(M序列)编码p(k)进行前导信息的调制，其序列长度为N，具有周期性、自相关性很强而互相关性很低的特点，其表达式为：

p(k+N)＝p(k) (3)

$\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}p\left(k\right)p(k+l)=\left\{\begin{array}{c}N,l=0\\ -1,l\≠0\end{array}\right.---\left(4\right)$

本发明采用如上式的不同序列来进行前导信息的调制，通信主站依据上述特性来区分每路调制信号的前导信息。

假设第j路前导信息采用p(k+j)编码进行调制，其中有N个序列码片，每个码片用2个周期中畸变信号位置来代表，x_j(t)为该路前导信号在1个周期内的调制信号，在两个电压过零时刻都有调制脉冲，如图4所示，x_j(t)可表示为：

$x_j\left(t\right)=v_j\left(t\right)-v_j(t+\frac{T}{2})---\left(5\right)$

正交编码方式中，在同一10KV支线上最多能够实现6路数据并行传输，这6路前导信息在10KV支线上在2N个工频周期内的调制成份为：

$\underset{j=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{1+p(k+j)}{2}{x}_j(t-2\mathrm{kT})+\frac{1+p(k+j)}{2}{x}_j(t-2\mathrm{kT}-T)\}---\left(6\right)$

其中，T为工频周期，p(k+j)序列中的码片值决定了调制信号所在的工频周期；N越长，接收端能够获得的信号增益越强，但时间开销越大，由于工频通信子站需要通过这些前导信息来确定每路调制信号的存在时域，对信噪比有较高的要求，这里选择曼彻斯特序列(M序列)p(k)的长度为31，选择的编码(0代表-1)为：00001 01011 10110 00111 11001 10100 1。

于工频通信系统采用主从通信模式，通信主站能够事先确定上行信号的起始工频周期。

通信主站中的解调单元采样10KV线路的电流信号，将2N个工频周期的电压或电流采样信号分为N组，每组两个周期的采样信号，这样得到N个相邻周期作差信号，然后将这N个作差信号通过与该路前导信息的调制加权后叠加产生合成信号，第j路合成信号可表示为s_j(t)：

$s_j\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[I(t-2\mathrm{kT})-I(t-2\mathrm{kT}-T)]p(k+j)---\left(7\right)$

其中I(t)为电流采样信号，根据式(4)(5)中曼彻斯特序列(M序列)的特性，将调制成份代入得：

$s_j\left(t\right)={\mathrm{Nx}}_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)-\underset{i=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i(t+{\mathrm{\Δ}}_i)+\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_m\left(t\right)p(k+j)---\left(8\right)$

其中Δi为各路上行信号收发端的电压过零时差，由于各路前导信息的调制编码具有自相关性强而互相关性低的特点，第j路的前导信息能够得到N倍增强，而其他5路前导信息则不能；式中第3项为电网干扰成份，由多组前后相邻周期电流信号差分后残余的非整数次谐波干扰合成，由于与p(k+j)不相关，电网干扰在合成运算后的增强很有限。

将式(4)-(6)中的x_j(t)代入得：

$s_j\left(t\right)=N[v_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)-v_j(t+\frac{T}{2}+{\mathrm{\Δ}}_j)]+n_x\left(t\right)---\left(9\right)$

其中，n_x(t)包括电网噪声和其他支路前导信息的干扰，由于调制信号在两个电压过零时刻存在，通过前后半个周期信号的叠加运算将两个畸变脉冲合并得到叠加合成信号：

$c_j\left(t\right)=s_j\left(t\right)[h\left(t\right)-h(t+\frac{T}{2})]=2N{v}_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)+n_c\left(t\right)---\left(10\right)$

其中，h(t)为半个工频周期的矩形窗函数，所以c_j(t)包括2N倍增强的第j路畸变脉冲和干扰信号n_c(t)(包括其他5路前导信息和电网干扰)；

根据得到的叠加合成信号，通过时频分析确定多路工频通信信号时域。

前导信息调制编码长度N选择为31，图5为变电所(子站设备)10KV支线实际采集的电流信号根据上述方式所获得的叠加合成信号，每工频周期采样200点，叠加合成信号占半个周期的时间。

与相邻周期作差信号比较，叠加合成信号中的电流畸变信号有很好的信噪比，这就为通过时频分析等手段确定该路上行信号的时域提供了基础，同时该信号能够作为该路数据解调的参考信号。

同样，当通信主站采用与各路终端一样前导信息调制编码进行如上述叠加合成后的信号能够为该路信号的时域确定和数据解调提供基础。

由于合成信号中信噪比明显增加，上行电流畸变信号的频率范围在150HZ至500HZ之间，在调制信号所在时域，该频率范围的能量明显强于其他时段，所以通过时频分析能够确定调制信号所在时域。

由于维格纳分布(WVD)具有很高的时频分辨率，本发明首先采用抑制交叉影响的维格纳分布来进行时频分析确定信号时域。

因此，较佳的，所述根据得到的叠加合成信号，通过时频分析确定多路工频通信信号时域的步骤包括：

采用抑制交叉影响的维格纳分布来进行时频分析确定信号时域；

可以得到，叠加合成信号c_j(t)的维格纳分布为：

$W(t,\mathrm{\ω})=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{c}_j(t+\mathrm{\τ}/2)c_j^{*}(t-\mathrm{\τ}/2)\exp (-\mathrm{j\ω\τ})\mathrm{d\τ}---\left(11\right)$

采用基于短时傅立叶变换的自谱窗函数Q(t,ω)来抑制交叉干扰的影响，从而得到抑制交叉影响的维格纳分布为：

W_Q(t,ω)＝W(t,ω)Q(t,ω) (12)

$Q(t,\mathrm{\ω})={\left|\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{c}_j\left(t\right)\left(\mathrm{\τ}\right)h(\mathrm{\τ}-t)\exp (-\mathrm{j\ω\τ})\mathrm{d\τ}\right|}^2---\left(13\right)$

根据上行调制信号的频率范围，同时考虑到奇数次谐波附近干扰较大，本发明采用208.3HZ、312.5HZ、416.6HZ、520HZ这4个频率的维格纳分布的合成来反映叠加合成信号中符合调制信号频率范围的时频分布情况；

对接收信号进行时频分析的目的是确定调制信号时域，对能量幅值的绝对值并不关心，因此每次按照式(12)进行运算时将最大能量值作为分母，这样就可以得到接收信号的归一化的能量分布情况；

分别将现场前后周期作差信号和如图6所示的叠加合成信号如式(12)进行时频分析后，再进行归一化处理得到的能量分布情况如图6所示，横坐标为采样间隔，50采样点为变电所端电压过零时刻，反映了半个工频周期内的能量分布。

根据得到的能量分布情况中的能量集中区域分析得到调制信号的时域。

图6中，前后周期作差信号中虽然包含调制信号，由于信噪比低，其能量分布图中没有明显的能量集中区域；而叠加合成信号由于信噪比高，其能量分布曲线中出现了集中区域，其能量峰值时刻与变电所10kV出线的电压过零相差约11个采样间隔，合1.1ms；而发端信号的能量峰值基本在配电变压器电压过零附近，所以可以认为这就是工频通信收、发端的电压过零时差，从而就确定了该路调制信号的时域。

本发明的另一方面还提供了应用于如上所述的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法的三相多路电力线工频通信系统。参照附图2，为本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信系统实施例的结构示意图。

如图2所示，所述面向智能配电网的三相多路电力线工频通信系统，包括工频通信子站设备和工频通信终端；

下行工频通信时，位于变电所的工频通信子站设备在A、B、C三相同时调制，从而使下行通信速率提高3倍；上行工频通信时，通过多馈线、三相上行同传、单相正交编码多路传输的方式提高通信速率，其中，工频通信终端包括均匀分布在多条10KV支线的A、B、C三相。

从上所述可以看出，本发明提供的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统，其具体特点包括：

(1)采用三相调制的下行工频通信方法，既可以三相接地调制，也可以三相相间调制，而且能够自适应调制变压器的多种连接方式；

(2)结合三相同传与正交编码的上行工频通信方法；

(3)三相多路工频通信信号的时域确定方法，通过前导信息M序列编码调制、接收叠加合成，结合时频分析运算确定每路工频通信信号的调制时域，为多路数据的准确解调提供基础。

电力线工频通信能够跨越配电变压器传输信息，具有信号衰减小、时延短、抗噪声性能强、设备成本低、安装方便等优势，但存在通信速率低的缺陷；本发明对原有的工频通信技术进行改进使其更适合于在智能配电网中进行应用。所述面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法及系统，在如下方面具有明显优势：

(1)采用三相调制的下行工频通信方法，使得工频通信速率提高了3倍，从而使得工频通信更加适合智能配电网的通信需求，由于只是在子站设备设置3套驱动电路，对系统而言成本增加基本可以不计；

(2)结合三相同传与正交编码的上行工频通信方法，通过三相同传、单相多路传输等手段同时应用，大大提高上、下行工频通信的等效速率；

(3)确定三相多路工频通信信号的时域方法，这样在三相多路工频通信信号并行传输的情况下，能确定每路工频通信信号的调制时域，克服以本地电压过零时刻为基准的传统工频通信技术造成的收发信号时域偏差问题，从而保证多路通信的性能。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法，其特征在于，包括：

采用三相同传方式进行下行工频通信；

结合三相同传方式与正交编码方式进行上行工频通信。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用三相同传方式进行下行通信的步骤包括：

通过3套驱动电路分别在三相过零时刻进行调制，产生电压畸变信号，A、B、C三相的相差为120°，其过零时刻相差约6ms；

在位于配电变压器的工频通信终端进行接收时，由分别连接在A、B、C三相的不同单相终端分别接收或者由三相终端同时接收，使通信速率提高3倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结合三相同传方式与正交编码方式进行上行工频通信的步骤包括：

利用多馈线信号进行并行传输；

通过A、B、C三相同时进行工频畸变信号的传输；

采用单相正交编码进行多路传输；

其中，终端包括均匀分布在多条10KV支线的A、B、C三相。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用单相正交编码进行多路传输的步骤包括：

通过编码分组降低因配电网各节点电压相位存在差异而造成的对通信性能的影响。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述编码分组方法包括：

设T是工频周期，I_s(t)为背景基波电流，包括基波和电网干扰，I_p(t)为在电压过零时刻的电流畸变信号，调制编码c_i为在第i个电压过零时刻的调制编码，其包括±1，0三种取值，0表示没有调制信号，±1分别代表在不同电压过零时刻畸变信号的方向，这4个周期内的上行电流可表示为：

$I\left(t\right)=I_s\left(t\right)+\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ki}}{I}_p(t+i\frac{T}{2});$

设b_i为第i个电压过零时刻的检测向量，其包括±1两种取值，调制编码与检测向量之间具有如下关系：

$\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i=\±4;$

为了抑制2.5次工频谐波干扰的影响，采用1，3，6，8过零时刻调制代表信息“1”，而2，4，5，7过零时刻调制代表信息“0”，这样数据信息“1”的调制编码为：(1，0，1，0，0，-1，0，-1)，而数据信息“1”的调制编码为：(0，-1，0，-1，1，0，1，0)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：采用曼彻斯特编码的前导信息并结合时频分析的多路工频通信信号时域确定方法。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采用曼彻斯特编码的前导信息并结合时频分析的多路工频通信信号时域确定方法中包括对前导信息的处理步骤：

采用双极性伪随机曼彻斯特序列编码p(k)进行前导信息的调制，其序列长度为N，其表达式为：

p(k+N)＝p(k)，

$\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}p\left(k\right)p(k+l)=\left\{\begin{array}{c}N,l=0\\ -1,l\≠0\end{array}\right.;$

假设第j路前导信息采用p(k+j)编码进行调制，其中有N个序列码片，每个码片用2个周期中畸变信号位置来代表，x_j(t)为该路前导信号在1个周期内的调制信号，在两个电压过零时刻都有调制脉冲，x_j(t)可表示为：

$x_j\left(t\right)=v_j\left(t\right)-v_j(t+\frac{T}{2});$

正交编码方式中，在同一10KV支线上最多能够实现6路数据并行传输，这6路前导信息在10KV支线上在2N个工频周期内的调制成份为：

$\underset{j=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{1+p(k+j)}{2}{x}_j(t-2\mathrm{kT})+\frac{1-p(k+j)}{2}{x}_j(t-2\mathrm{kT}-T)\},$

其中，T为工频周期，p(k+j)序列中的码片值决定了调制信号所在的工频周期；这里选择曼彻斯特序列p(k)的长度为31，选择的编码为：00001 0101110110 00111 11001 10100 1；

通信主站中的解调单元采样10KV线路的电流信号，将2N个工频周期的电压或电流采样信号分为N组，每组两个周期的采样信号，这样得到N个相邻周期作差信号，然后将这N个作差信号通过与该路前导信息的调制加权后叠加产生合成信号，第j路合成信号可表示为s_j(t)：

$s_j\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[I(t-2\mathrm{kT})-I(t-2\mathrm{kT}-T)]p(k+j)$

其中I(t)为电流采样信号，根据曼彻斯特序列的特性，将调制成份代入得：

$s_j\left(t\right)={\mathrm{Nx}}_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)-\underset{i=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i(t+{\mathrm{\Δ}}_i)+\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_m\left(t\right)p(k+j),$

其中Δi为各路上行信号收发端的电压过零时差；式中第3项为电网干扰成份；

根据曼彻斯特序列表达式、调制信号以及调制成分的表达式，可得：

$s_j\left(t\right)=N[v_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)-v_j(t+\frac{T}{2}+{\mathrm{\Δ}}_j)]+n_x\left(t\right),$

其中，n_x(t)包括电网噪声和其他支路前导信息的干扰，由于调制信号在两个电压过零时刻存在，通过前后半个周期信号的叠加运算将两个畸变脉冲合并得到叠加合成信号：

$c_j\left(t\right)=s_j\left(t\right)[h\left(t\right)-h(t+\frac{T}{2})]=2N{v}_j(t+{\mathrm{\Δ}}_j)+n_c\left(t\right),$

其中，h(t)为半个工频周期的矩形窗函数，所以c_j(t)包括2N倍增强的第j路畸变脉冲和干扰信号n_c(t)；

根据得到的叠加合成信号，通过时频分析确定多路工频通信信号时域。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据得到的叠加合成信号，通过时频分析确定多路工频通信信号时域的步骤包括：

采用抑制交叉影响的维格纳分布来进行时频分析确定信号时域；

可以得到，叠加合成信号c_j(t)的维格纳分布为：

$W(t,\mathrm{\ω})=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{c}_j(t+\mathrm{\τ}/2)c_j^{*}(t-\mathrm{\τ}/2)\exp (-\mathrm{j\ω\τ})\mathrm{d\τ};$

采用基于短时傅立叶变换的自谱窗函数Q(t,ω)来抑制交叉干扰的影响，从而得到抑制交叉影响的维格纳分布为：

W_Q(t,ω)＝W(t,ω)Q(t,ω)，

$Q(t,\mathrm{\ω})={\left|\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{c}_j\left(t\right)\left(\mathrm{\τ}\right)h(\mathrm{\τ}-t)\exp (-\mathrm{j\ω\τ})\mathrm{d\τ}\right|}^2;$

根据上行调制信号的频率范围，同时考虑到奇数次谐波附近干扰较大，采用208.3HZ、312.5HZ、416.6HZ、520HZ这4个频率的维格纳分布的合成来反映叠加合成信号中符合调制信号频率范围的时频分布情况；

将最大能量值作为分母，得到接收信号的归一化的能量分布情况；

根据得到的能量分布情况中的能量集中区域分析得到调制信号的时域。

9.一种应用于如权利要求1-8任意一项所述的面向智能配电网的三相多路电力线工频通信方法的三相多路电力线工频通信系统，其特征在于，包括工频通信子站设备和工频通信终端；

下行工频通信时，位于变电所的工频通信子站设备在A、B、C三相同时调制，从而使下行通信速率提高3倍；上行工频通信时，通过多馈线、三相上行同传、单相正交编码多路传输的方式提高通信速率，其中，工频通信终端包括均匀分布在多条10KV支线的A、B、C三相。