CN106383265A - 一种台区及接入相位自动识别的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种台区及接入相位自动识别系统和方法。台区及接入相位自动识别系统包括三相载波模块和单相载波模块。三相载波模块安装在集中器端，单相载波模块安装在用户电表端。各模块均由过零检测单元、电力载波通信单元和微控制器构成。其中，三相载波模块包含三路电力载波通信单元和对应的过零检测单元。电力载波通信单元用于传输电力载波信号，过零检测单元用于检测低压交流电的过零时刻。台区及接入相位自动识别的方法是基于低压电力线上的交流市电在不同台区间及不同相位之间存在相位偏移的现象。本发明能有效解决台区间的串扰及高频信号相间耦合导致所属台区和接入相位的误判的情况，从而降低由于噪声干扰导致载波信号传输失败的概率。

Description

一种台区及接入相位自动识别的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种台区及接入相位自动识别的装置和方法，属于低压电力线载波通信领域。

背景技术

由于目前的台区识别方案，都是需要人为的参与完成台区识别和划分的任务，属于非智能或半智能化的识别方式。这些方式，对于高度智能化、自动化的智能电网建设的需求还远远不足。

在低压电力载波抄表系统中，需要了解台区的档案信息(即台区包含的用户电表及接入相位信息)，以便顺利的实现台区的组网和抄表。目前的台区档案信息是在主站录入信息，由主站下发给对应的台区的集中器。台区档案信息的同步是一种由上向下的被动同步方式。这种方式，由于需要人为的录入信息，避免不了会出现档案信息录入错误的情况发生，并且效率低下。因此，建设一种全自动化的台区识别系统，能够自动识别用户所属台区及接入相位的信息是很有必要的。

目前，用户所属台区识别的方法主要包括：采用频移键控(Frequency ShiftKeying,FSK)电力载波信号法，它是通过发送端发送FSK低频载波，根据接收端是否能够收到该载波信号，来判断是否属于该台区。该方法在台区串扰的情况下会出现误判。采用脉冲电流技术的台区识别方法，是通过在用户端发送一脉冲电流信号，如果在某一台区的接收端能够检测该脉冲电流信号，则判定该用户属于本台区。由于脉冲电流不能通过变压器传输及传输距离远的特点，因此该方法可以解决台区间及相间串扰的问题，但是需要增加额外硬件成本且不宜实施。另外，也有采用工频信号作为载波实现台区识别的，该方法与电力载波信号法相似，由于工频信号具有低耦合、且跨变压器信号衰减大的特点，通过设置阈值的信号检测方法，可以解决台区串扰而导致误判的问题，但是该方法同样需要增加硬件成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，依托电力载波抄表技术，提供一种台区及接入相位的自动识别的装置和方法，从而在现有电力载波抄表系统的基础上，不增加硬件成本的情况下实现台区及接入相位的自动识别。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种台区及接入相位自动识别系统，包括：两种载波模块，安装在集中器端的三相载波模块和安装在用户电表端的单相载波模块；

各模块均包含有过零检测单元、电力线载波通信单元和微控制器单元；

过零检测单元，通过过零检测电路实现低压交流电的过零检测；

电力线载波通信单元，通过电力载波信道实现数据的传输；

微控制器单元，实现过零信号的判断、控制电力载波通信单元数据的收发、数字信号的调制与解调以及所属台区和接入相位的判断；

过零检测单元、电力载波通信单元分别与微控制器单元相连接；

三相载波模块包含有三路电力载波通信单元和对应的过零检测单元；

单相载波模块仅有一路电力载波通信单元和一路过零检测单元；

过零检测单元由单相交流电过零检测电路构成；

电力线载波通信单元由载波信号发送模块和载波信号接收模块构成。

电力线载波通信单元涉及载波信号发送模块，载波信道，载波信号接收模块；

载波信号发送模块由发送低噪声功率放大器电路构成；

载波信号接收模块由接收低噪功率放大器和接收硬件滤波器构成；

发送低噪声功率放大器对即将通过电力线传送的载波信号进行功率放大；

接收功率放大器对接收到的电力线上的载波信号进行功率放大；

接收硬件滤波器为一般的滤波器，主要用来滤除接收载波信号中的噪声干扰；

载波信道为电力线，能够传输电力线载波信号。

三相载波模块安装在集中器端，可同时在三相电力线上传输载波信号；三相载波模块的三路过零检测电路分别与三相载波通信单元相对应，用于检测各相交流电的过零时刻，并产生过零信号；

单相载波模块安装在用户电表端，仅接收接入相电力线上的载波信号；单相载波模块过零检测单元，用于检测接入相交流电的过零时刻，并产生过零信号。

微控制器作为载波模块的核心处理器用于检测过零信号、控制电力载波通信单元数据的收发、数字信号的调制与解调以及所属台区和接入相位的判断。

一种台区及接入相位自动识别的方法，包括以下步骤；

步骤1：安装在集中器端的三相载波模块分时在各相交流电的下降沿或上升沿过零时刻发送具有台区信息和相位信息的载波信号；

步骤2：安装在用户电表端的单相载波模块监听电力线上的载波信号，当检测到有载波信号时，记录一个周期内所有接收到载波信号的时刻T1、T2、...、Tn，并记录接入相交流电的下降沿或上升沿过零时刻T；(注：Tn的下标n表示接收到载波的类型)；

步骤3：计算各载波信号在第i个周期的接收时刻与交流电过零时刻Tⁱ的差值并将多个周期的时间差值做累加和，即

m＝1,2,...,n且i>100

步骤4：比较所有载波信号的ΔT_m的大小，取ΔT_m值为最小值所对应的载波信号，即

min{ΔT₁，ΔT₂，...,ΔT_n}

解析该载波信号得到台区和相位信息，即为用户电表所属的台区和接入相位。

步骤1中三相载波模块在各相交流电的过零时刻发送载波信号，过零点为交流电的上升沿过零或下降沿过零；同相电力线载波信号的发送时间间隔至少在1个周期(≥20ms)以上，不同相电力线载波信号的发送时间间隔为1/3个周期(＝6.66ms)。

步骤1中三相载波模块在A相发送的载波信号包含有本台区的编号和A相的相位信息，B相发送的载波信号包含有台区编号和B相的相位信息，C相发送的载波信号包含有台区编号和C相的相位信息；各载波信号均有唯一的标识头用于快速区分。

①由于各相间高频耦合因素，使得载波模块不仅能接收到接入相电力线载波信号，还能接收到除本相外其他两相的载波信号；

②由于台区间串扰因素，用户电表端载波模块不仅能接收到本台区的载波信号，还能接收到相邻台区的载波信号；

因此，步骤2中用户电表端载波模块接收电力线上的载波信号的类型主要包括：本台区的A相、B相、C相的载波信号和其他台区的A相、B相和C相的载波信号。

步骤4中选取ΔTm最小值所对应的载波信号，是基于同一台区不同相位的载波信号在过零时刻发送时间间隔相差1/3周期(6.66ms)，不同台区同相载波信号过零时刻发送时间间隔相差Δt(不同台区同相的过零时刻会有些差异,即Δt>0)；因此，用户电表端载波模块如果接收到所属台区接入相电力线载波信号，则接收时刻与接入相的交流电过零时刻的时间差几乎为零；若接收到所属台区非接入相的电力线载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差1/3个周期(6.66ms)；若接收到非所属台区相同接入相的电力线载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差Δt；若接收到非所属台区非接入相的电力载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差Δt+6.66ms。

为提高载波信号在电力线上的传输距离和抗干扰能力，避免由于噪声干扰导致用户电表端载波模块接收不到集中器端载波模块发送的载波信号，从而对用户所属台区及接入相位的误判或不能识别的情况，采用OFDM调制解调方案，自动检测电力线上通信质量的好坏，选择通信质量较好的信道发送载波数据，从而提高数据传输的距离以及抗干扰能力。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的一种台区及接入相位自动识别的装置和方法可在现有电力载波抄表系统的基础上实现，无需增加硬件成本。能有效解决台区间的串扰及高频信号相间耦合导致所属台区和接入相位的误判的情况，采用OFDM技术的调制解调方案可提高载波信号在电力线上传输的距离及抗干扰能力，从而降低由于噪声干扰导致载波信号传输失败的概率。

本发明所提供的一种台区及接入相位自动识别的装置和方法，主要应用于台区、接入相位识别及低压电力载波抄表领域。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明台区及接入相位自动识别系统安装示意图。

图2为本发明载波模块的结构框图。

图3为本发明单相载波模块的接线示意图。

图4为本发明三相载波模块的接线示意图。

图5为本发明台区及接入相位自动识别流程图。

图6为不同台区同相交流电的相位偏移示意图。

图7为同台区不同相交流电的相位偏移示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明。

图1是本发明所提供的一种台区及接入相位自动识别系统的安装示意图。其中，装置包括两种模块：安装在集中器3上的三相载波模块1和安装在用户电表4上的单相载波模块2。三相载波模块1包括三路相同的电力载波通信单元13、15和17以及对应的三路相同的过零检测单元12、14和16。单相载波模块只有一路过零检测单元21和一路电力载波通信单元22。以单相载波模块2为例，图2为单相载波模块的结构框图。单相载波模块包括微控制器21、过零检测单元22和电力载波通信单元23。

微控制器21：实现过零信号的判断、控制电力载波通信单元数据的收发、数字信号的调制与解调以及所属台区和接入相位的判断。

过零检测单元22：由过零检测电路构成，用于检测交流电过零点时刻，并生成过零信号。

电力载波通信单元23包括载波发送模块231和载波接收模块232，用于载波信号的传输。

过零检测单元22和电力载波通信单元23分别与微控制器单元21相连接。

实施例1：根据本发明所提供的一种台区及接入相位自动识别系统和方法，台区及接入相位自动识别系统的安装示意图如图1所示。三相载波模块1安装在靠近变压器8的集中器3上，集中器3的三个接线端子分别连接到变压器8输出侧的A相线5、B相线6和C相线7上。单相载波模块2安装在用户电表4上，用户电表4的接线端子是连接到变压器8输出侧的任意相线上，这里假设是连接在了A相线5上。

实施例2：根据本发明所提供的一种台区及接入相位自动识别系统和方法，单相载波模块的接线示意图如图3所示，交流电过零检测单元22和电力载波通信单元23分别连接到A相线5上。三相载波模块的接线示意图如图4所示，交流电过零检测单元12和电力载波通信单元13分别连接到A相线5上，交流电过零检测单元14和电力载波通信单元15分别连接到B相线6上，交流电过零检测单元16和电力载波通信单元17分别连接到C相线6上。

实施例3：根据本发明所提供的一种台区及接入相位自动识别系统和方法，不同台区同相交流电的相位偏移示意图如图5所示。假设有两个台区1和2，存在串扰现象。以A相为例，1号台区A相线交流电过零时刻为t1,2号台区A相线交流电过零时刻为t2。由于不同台区同相的交流电会有一定相位偏移，因此，t1和t2会有一个时间差，即

Δt1＝t2-t1且Δt1>0

因此，不同台区同相线过零时刻发送载波信号的时间间隔则为Δt1。

同台区不同相交流电的相位偏移示意图如图6所示。由于低压电力线三相交流市电电压有120度相位差的特性，因此每相交流电的过零点时刻不同，假设A相交流电的过零时刻为t3,B相交流电的过零时刻为t4,C相交流电的过零时刻为t5。各相交流电过零时刻的时间间隔均为Δt2，即

Δt 2＝t4-t3＝t5-t4＝6.66ms

因此，不同相线过零时刻发送载波信号的时间间隔为Δt2。

根据发送端载波信号的发送时刻，在接收端接收到载波信号的时刻与本相线过零时刻的差值会有以下几种情况：

1)接收到所属台区接入相线的载波信号，则时间差为

Δt≈0

2)接收到所属台区非接入相线的载波信号，则时间差为

Δt＝Δt2≈6.66ms

3)接收到非所属台区同相线的载波信号，则时间差为

Δt≈Δt1>0

4)接收到非所属台区不同相线的载波信号，则时间差为

Δt≈Δt1+Δt2>0

因此，当接收端载波模块接收到所属台区接入相线的载波信号时，时间差最小。

实施例4：根据本发明所提供的一种台区及接入相位自动识别系统和方法，台区及接入相位自动识别的流程如图7所示，

包含以下步骤：

步骤S1：安装在集中器端的三相载波模块1分时在A相、B相和C相交流电的下降沿或上升沿过零时刻发送具有台区信息和相位信息的载波信号；

步骤S2：安装在用户电表端的单相载波模块2监听电力线上的载波信号，当检测到有载波信号时，记录一个周期内所有接收到载波信号的时刻T1、T2、...、Tn，并记录接入相交流电的下降沿或上升沿过零时刻T。(注：Tn的下标n表示接收到载波的类型)。

步骤S3：计算各载波信号在第i个周期的接收时刻与交流电过零时刻Tⁱ的差值并将多个周期的时间差值做累加和，即

m＝1,2,...,n且i>100

步骤S4：比较所有载波信号的ΔT_m的大小，取ΔT_m值为最小值所对应的载波信号，即

min{ΔT₁，ΔT₂，...,ΔT_n}

解析该载波信号得到台区和相位信息，即为用户电表所属的台区和接入相位。

实施例2：一种台区及接入相位的自动识别系统，包括两种载波模块：安装在集中器端的三相载波模块和安装在用户电表端的单相载波模块；

各模块均包括过零检测单元：用于检测低压交流电过零时刻并产生过零信号；

电力线载波通信单元：通过电力线实现电力载波信号的传输；

微控制器单元：实现过零信号的判断、控制电力载波通信单元数据的收发、数字信号的调制与解调以及所属台区和接入相位的判断；

过零检测单元、电力载波通信单元分别与微控制器单元相连接。

三相载波模块包含三路载波通信单元和对应的过零检测单元：可实现在三相电力线同时传输电力载波信号；

一种台区及接入相位自动识别方法，包括以下步骤：

步骤1：安装在集中器端的三相载波模块分时在各相交流电的下降沿或上升沿过零时刻发送具有台区信息和相位信息的载波信号；

步骤2：安装在用户电表端的单相载波模块监听电力线上的载波信号，当检测到有载波信号时，记录一个周期内所有接收到载波信号的时刻T1、T2、...、Tn，并记录接入相交流电的下降沿或上升沿过零时刻T。(注：Tn的下标n表示接收到载波的类型)。

步骤3：计算各载波信号在第i个周期的接收时刻与交流电过零时刻Tⁱ的差值并将多个周期的时间差值做累加和，即

m＝1,2,...,n且i>100

步骤4：比较所有载波信号的ΔT_m的大小，取ΔT_m值为最小值所对应的载波信号，即

min{ΔT₁，ΔT₂，...,ΔT_n}

解析该载波信号得到台区和相位信息，即为用户电表所属的台区和接入相位。

所述步骤1中三相载波模块在各相交流电的过零时刻发送载波信号，过零点为交流电的上升沿过零或下降沿过零。同相电力线载波信号的发送时间间隔至少在1个周期(≥20ms)以上，不同相电力线载波信号的发送时间间隔为1/3个周期(＝6.66ms)。三相载波模块在A相发送的载波信号包含有本台区的编号和A相的相位信息，B相发送的载波信号包含有台区编号和B相的相位信息，C相发送的载波信号包含有台区编号和C相的相位信息。各载波信号均有唯一的标识头用于快速区分。

所述步骤2中用户电表端载波模块接收电力线上的载波信号的类型主要包括：所属台区的A相、B相、C相的载波信号和非所属台区的A相、B相和C相的载波信号。

所述步骤4中选取ΔTm最小值所对应的载波信号，是基于同一台区不同相位的载波信号在过零时刻发送时间间隔相差1/3周期(6.66ms)，不同台区同相载波信号过零时刻发送时间间隔相差Δt(不同台区同相的过零时刻会有些差异,即Δt>0)。因此，用户电表端载波模块如果接收到所属台区接入相电力线载波信号，则接收时刻与接入相的交流电过零时刻的时间差几乎为零；若接收到所属台区非接入相的电力线载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差1/3个周期(6.66ms)；若接收到非所属台区相同接入相的电力线载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差Δt；若接收到非所属台区非接入相的电力载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差Δt+6.66ms；

所述步骤1、步骤2、步骤3、步骤4中，为提高载波信号在电力线上的传输距离和抗干扰能力，避免由于噪声干扰导致用户电表端载波模块接收不到集中器端载波模块发送的载波信号，从而对用户所属台区及接入相位的误判或不能识别的情况，采用OFDM调制解调方案，自动检测电力线上通信质量的好坏，选择通信质量较好的信道发送载波数据，从而提高数据传输的距离以及抗干扰能力。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种合理的省略，替换和改变。按照实质相同的方法执行实质相同的功能来实现实质相同的结果均属于本发明的范围。

Claims (10)

1.一种台区及接入相位自动识别系统，其特征在于包括：两种载波模块，安装在集中器端的三相载波模块和安装在用户电表端的单相载波模块；

各模块均包含有过零检测单元、电力线载波通信单元和微控制器单元；

过零检测单元，通过过零检测电路实现低压交流电的过零检测；

电力线载波通信单元，通过电力载波信道实现数据的传输；

微控制器单元，实现过零信号的判断、控制电力载波通信单元数据的收发、数字信号的调制与解调以及所属台区和接入相位的判断；

过零检测单元、电力载波通信单元分别与微控制器单元相连接；

三相载波模块包含有三路电力载波通信单元和对应的过零检测单元；

单相载波模块仅有一路电力载波通信单元和一路过零检测单元；

过零检测单元由单相交流电过零检测电路构成；

电力线载波通信单元由载波信号发送模块和载波信号接收模块构成。

2.根据权利要求1所述的一种台区及接入相位自动识别系统，其特征在于：电力线载波通信单元涉及载波信号发送模块，载波信道，载波信号接收模块；

载波信号发送模块由发送低噪声功率放大器电路构成；

载波信号接收模块由接收低噪功率放大器和接收硬件滤波器构成；

发送低噪声功率放大器对即将通过电力线传送的载波信号进行功率放大；

接收功率放大器对接收到的电力线上的载波信号进行功率放大；

接收硬件滤波器为一般的滤波器，主要用来滤除接收载波信号中的噪声干扰；

载波信道为电力线，能够传输电力线载波信号。

3.根据权利要求1所述的一种台区及接入相位自动识别系统，其特征在于：三相载波模块安装在集中器端，可同时在三相电力线上传输载波信号；三相载波模块的三路过零检测电路分别与三相载波通信单元相对应，用于检测各相交流电的过零时刻，并产生过零信号；

单相载波模块安装在用户电表端，仅接收接入相电力线上的载波信号；单相载波模块过零检测单元，用于检测接入相交流电的过零时刻，并产生过零信号。

4.根据权利要求1所述的一种台区及接入相位自动识别系统，其特征在于：微控制器作为载波模块的核心处理器用于检测过零信号、控制电力载波通信单元数据的收发、数字信号的调制与解调以及所属台区和接入相位的判断。

5.一种台区及接入相位自动识别的方法，其特征在于包括以下步骤；

步骤1：安装在集中器端的三相载波模块分时在各相交流电的下降沿或上升沿过零时刻发送具有台区信息和相位信息的载波信号；

步骤2：安装在用户电表端的单相载波模块监听电力线上的载波信号，当检测到有载波信号时，记录一个周期内所有接收到载波信号的时刻T1、T2、...、Tn，并记录接入相交流电的下降沿或上升沿过零时刻T；(注：Tn的下标n表示接收到载波的类型)；

步骤3：计算各载波信号在第i个周期的接收时刻与交流电过零时刻Tⁱ的差值并将多个周期的时间差值做累加和，即

${\mathrm{\ΔT}}_m=\mathrm{\Σ}\left|{\mathrm{\ΔT}}_m^i\right|=\mathrm{\Σ}|T_m^i-T^i|,m=1,2,...,nE-i>100;$

步骤4：比较所有载波信号的ΔT_m的大小，取ΔT_m值为最小值所对应的载波信号，即:

min{ΔT₁，ΔT₂，...,ΔT_n}；

解析该载波信号得到台区和相位信息，即为用户电表所属的台区和接入相位。

6.根据权利要求5所述的一种台区及接入相位自动识别的方法，其特征在于，步骤1中三相载波模块在各相交流电的过零时刻发送载波信号，过零点为交流电的上升沿过零或下降沿过零；同相电力线载波信号的发送时间间隔至少在1个周期(≥20ms)以上，不同相电力线载波信号的发送时间间隔为1/3个周期(＝6.66ms)。

7.根据权利要求5所述的一种台区及接入相位自动识别的方法，其特征在于，步骤1中三相载波模块在A相发送的载波信号包含有本台区的编号和A相的相位信息，B相发送的载波信号包含有台区编号和B相的相位信息，C相发送的载波信号包含有台区编号和C相的相位信息；各载波信号均有唯一的标识头用于快速区分。

8.根据权利要求5所述的一种台区及接入相位自动识别的方法，其特征在于，①由于各相间高频耦合因素，使得载波模块不仅能接收到接入相电力线载波信号，还能接收到除本相外其他两相的载波信号；②由于台区间串扰因素，用户电表端载波模块不仅能接收到本台区的载波信号，还能接收到相邻台区的载波信号；因此，步骤2中用户电表端载波模块接收电力线上的载波信号的类型主要包括：本台区的A相、B相、C相的载波信号和其他台区的A相、B相和C相的载波信号。

9.根据权利要求5所述的一种台区及接入相位自动识别的方法，其特征在于，步骤4中选取ΔTm最小值所对应的载波信号，是基于同一台区不同相位的载波信号在过零时刻发送时间间隔相差1/3周期(6.66ms)，不同台区同相载波信号过零时刻发送时间间隔相差Δt(不同台区同相的过零时刻会有些差异,即Δt>0)；因此，用户电表端载波模块如果接收到所属台区接入相电力线载波信号，则接收时刻与接入相的交流电过零时刻的时间差几乎为零；若接收到所属台区非接入相的电力线载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差1/3个周期(6.66ms)；若接收到非所属台区相同接入相的电力线载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差Δt；若接收到非所属台区非接入相的电力载波信号，则接收时刻与过零时刻的时间差相差Δt+6.66ms。

10.根据权利要求5所述的一种台区及接入相位自动识别的方法，其特征在于，为提高载波信号在电力线上的传输距离和抗干扰能力，避免由于噪声干扰导致用户电表端载波模块接收不到集中器端载波模块发送的载波信号，从而对用户所属台区及接入相位的误判或不能识别的情况，采用OFDM调制解调方案，自动检测电力线上通信质量的好坏，选择通信质量较好的信道发送载波数据，从而提高数据传输的距离以及抗干扰能力。