CN107529688A

CN107529688A - 基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法

Info

Publication number: CN107529688A
Application number: CN201710228715.6A
Authority: CN
Inventors: 王艳; 薛晨; 焦彦军
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-01-02

Abstract

本发明公开了基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法，首先在默认频点上建立主从节点之间的初始通信连接，主(从)节点依次在可选频点上发送特定信号，求得各频点下的输入电抗绝对值，以小于某阈值作为标准选出主(从)节点侧较优的频点集合f_主(f_从)并发送给对侧，选取其交集f_交作为预选出的待测试频点。主节点依次在f_交的各个频点处向从节点发送等强度信号，从节点统计可接收到信号的频点及信号强度，将接收到信号的频点集记为向量f_下行。从节点通过默认频点将f_下行及其信号强度发送给主节点。主节点根据f_双向中的各频点上、下行信号强度优选出M个通信频点作为该主—从节点之间的通信信道。本发明的有益效果是计算速度快，能够显著提高优选频点的速度。

Description

基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法

技术领域

本发明属于电力线通信技术领域，涉及基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法。

背景技术

中压配网是指35kV及以下的配电网络，电力线载波通信是利用现有的电力线通道，利用耦合装置实现强电与弱电的隔离，加载、接收高频信号实现通信。信道输入电抗是把配电网络作为一种电路，在接入载波装置的端口位置具有输入阻抗，输入阻抗中包含电抗分量。

电力线载波通信技术(Power Line Communication,PLC)利用现有的网架结构进行数据传输，节省了铺设额外通信线路的费用，成为中压网配电自动化数据通信网络的较好选择方案。但中压配网是为电力传输而设计的，拓扑结构复杂多变，沿线跨接多个分支线路及配电变压器，作为通信信道具有通信环境恶劣、干扰严重、时变性大等特点。信号传输过程中很容易产生反射、驻波、谐振等现象，使信道衰减特性极其复杂，造成很强的频率选择性衰减，威胁PLC系统的可靠运行。近年来，正交频分复用OFDM(orthogonalfrequency division multiplexing) 调制技术成成为PLC系统研究的热点问题，OFDM技术使用相互正交的多个子载波并行发送信息，具有抗干扰能力强、调制方式灵活等特点。采用快速准确的方法优选出信道衰减较小的OFDM子载波频点进行通信，对提高PLC系统的性能非常关键。

基于子载波集的自适应OFDM选频算法虽然能够根据信道噪声情况选择合适的子载波，但计算较复杂；前导序列辅助下进行主从节点间逐个频点互发信号商议的模式选择较优频点虽然可行，但当可选频点较多、网络规模较大时商议时间较长，不符合配电自动化多载波节点组网以及实时数据传输的要求。

本发明提出一种基于信道输入电抗分量的中压配电网PLC频点选择算法，推导了信道电压传输特性与输入阻抗之间的关系，利用输入阻抗较小筛选出可能较优的频点，在这些频点处在双向通信测试，并考虑配网自动化通信对下行、上行信道传输质量的不同要求，通过简单计算完成频点优选。该方法虽增加了测量信道输入电抗的时间，但节省了在大量不可用频点处测量信号下行、上行信号强度的时间。基于输入电抗的频点优选算法原理简单、计算速度快、所用时间短，能够显著提高优选频点的速度。

发明内容

本发明的目的在于提供基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法，解决了现有的电力线载波通信方法计算较复杂，商议时间较长，计算速度慢，不符合配电自动化多载波节点组网以及实时数据传输的要求的问题。

本发明所采用的技术方案步骤如下：

步骤1：默认频点下的通信节点入网

设载波芯片在其通信频带范围内共N个可选通信频点，允许选择M个频点作为子载波信道，首先设定默认的初始通信频点为在通信频带范围内均匀选取的M 个频点。PLC网络为主—从网络，每个从节点都有一个已知的物理ID以及入网后由主节点分配的逻辑ID，信号由主节点向从节点传输为下行传输，反之为上行传输。按如下方式在默认频点上建立主从节点之间的初始通信连接：

1)主节点在默认的初始通信频点上广播搜索节点信息。

2)从节点在默认的初始通信频点上接收信息，若接收到主节点发出的搜索信息，则在默认的初始通信频点处返回请求注册信息，请求注册信息中包含自己的物理ID。

3)主节点在默认的初始通信频点上接收到从节点的请求注册信息后，根据从节点的物理ID确定从节点身份，返回给该从节点注册入网信息，给从节点分配网络中唯一的逻辑ID。

经过主从节点之间在默认的初始通信频点上的初始通信，从节点完成入网过程。

步骤2：频点优选算法

以默认的初始通信频点上建立的初始通信链路为基础进行频点优选：

1)主(从)节点依次在N个可选频点上发送特定信号，监测输入信道的电压、电流，求得各频点下的输入电抗绝对值|X_in1|(|X_in2|)，以|X_in1|(|X_in2|)小于某阈值作为标准选出主(从)节点侧较优的频点，其集合记为集f_主(f_从)。

2)主(从)节点通过默认频点将集f_主(f_从)发送给对侧，选取f_主与f_从的交集 f_交作为预选出的待测试频点。

3)主节点依次在f_交的各个频点处向从节点发送等强度信号，从节点统计可接收到信号的频点及信号强度，将接收到信号的频点集记为向量f_下行。从节点通过默认频点将f_下行及其信号强度发送给主节点。

4)从节点依次在f_交的各个频点处向主节点发送等强度信号，主节点统计可以接收到的频点及信号强度，将接收到信号的频点集合记为集合f_上行。f_下行与 f_上行取交集记为f_双向，则f_双向中的频点为下行、上行通信均可用的频点。

5)主节点根据f_双向中的各频点上、下行信号强度优选出M个通信频点作为该主—从节点之间的通信信道，并通过默认频点告知从节点，频点优选过程完成。

若f_双向中频点个数n大于M，则依次计算f_双向中各频点处的频点质量Q_i：

Q_i＝0.7Q_上i+0.3Q_下i，i＝1,2…n (1)

式(1)中Q_上i、Q_下i分别为f_双向中第i个频点的上行、下行信号强度，上行信号强度权重0.7，下行信号强度权重0.3，主要考虑到正常运行情况下上行数据帧长度大于下行命令帧长度，上行数据流量大于下行数据流量，故对上行链路的信道质量要求更高。

将频点质量Q_i由大到小排序，优选出Q_i值较大的M个频点。这M个频点对应的Q_i求和可得到优选频点下的总链路质量Q值。

若f_双向中频点个数n小于M个，则将f_双向中的所有频点选为通信频点，对于剩余M-n个载波信道，主、从节点可分别从f_下行、f_上行中优选不同的频点。

本发明的有益效果是算法原理简单、计算速度快、所用时间短，能够显著提高优选频点的速度。

附图说明

图1是东尹庄—花庄站网络拓扑图；

图2(a)是电压衰减特性图；

图2(b)是信道输入阻抗图；

图2(c)是信道输入电抗图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

附图1为保定市东尹庄559—花庄站531之间部分中压配网网络拓扑图，实线为架空线JKLYJ-240mm²，虚线为电缆YJV-22-3×240mm²，各段线路长度如图1所示。PLC信道模型中变压器Z_Ti(i＝1,2,…10)取恒定阻抗500Ω，载波机内阻取为75Ω。在节点1与节点7之间进行PLC通信时，设1节点为主节点，7 节点为从节点，则节点1→7为下行传输，节点7→1上行传输。仿真中假定载波机可接收到电压衰减值≥-40dB的信号，并用电压衰减值代替信号强度。

表1为两节点间的载波机在3～500kHZ频段内均选的18个默认频点下，能够通信的下行、上行频点个数。可见图1配网中所选两节点间在18个默认频点中始终有若干个频点可通信，使用默认频点完成主从节点之间的初始连接是可行的。

表1节点间在默认频点下可通信的频点个数

图2(a)至图2(c)给出了考虑变电站介入损耗时的节点1与7之间的传输特性，其中电压衰减特性曲线如附图2(a)，信道输入阻抗模值如附图2(b)，输入电抗绝对值如附图2(c)。

可以看出电压传输特性较高的频点处信道输入阻抗呈现较小值，与之对应的电抗分量也呈现较小值。通过图2(a)、2(c)对比可知，电压衰减量≥-40dB基本对应信道输入电抗绝对值≤50Ω，故频点优选算法|X_in1|、|X_in2|的阈值取为50Ω。主节点1与从节点7之间频点优选过程中，所得各个集合所含频点个数分别为： f_主(73)，f_从(87)，f_交(61)，f_下行(52)，f_上行(49)，f_双向(43)。

表2中列出了用本文方法、输入阻抗选频法和全频点扫描法得到的优选频点总链路Q值。其中输入阻抗选频法的阈值选为60Ω，即|Z_in|≤60Ω。

表2节点间频点优选后的总链路Q值

由表2可知，节点之间通信时，由本文方法与输入阻抗选频法得到的Q值均接近于全频点扫描得到的Q值，可见这两种方法均可行。第3组节点之间由输入电抗选频得到的Q值仍接近全频点扫描得到的Q值，而由输入阻抗选频得到的Q值偏小，不甚理想。第4组节点之间由输入电抗选频得到的Q值仍接近全频点扫描得到的Q值，但此时输入阻抗选频法得到的可用频点数仅为13 个，无法进一步优化。综上可见采用输入电抗选频比采用输入阻抗选频更优。

表3列出了与表2相对应的频点优选过程中f_交所含频点的个数，可见由本文方法预选出的频点相比于总频点数(108个)减少了一半左右，筛除了大量不可用频点。该方法虽增加了测量信道输入电抗的时间，但节省了在大量不可用频点处测量信号下行、上行信号强度的时间。算法所需的输入电抗可以由各个PLC 装置独立测量迅速得到，而在各频点处测量下行、上行信号强度牵涉到通信协议的实施，速度较慢。可见基于输入电抗的频点优选算法可显著提高优选频点的速度。

表3节点间频点优选过程中f_交所含频点个数

本发明的优点还在于：由于信道输入阻抗的减小有利于电压幅频特性的增大，可见根据输入阻抗模值筛选频点也是可行的。但对于电力线信道来说，输入阻抗的电抗分量随电压传输特性的变化更为明显，根据输入阻抗虽然也能筛选出部分频点，但没有根据输入电抗筛选频点效果好，可能出现大量可用频点被筛除的情况。通过信道输入阻抗的电抗分量进行频点筛选，可有效筛除通信质量不好的频点，保留通信质量较优的频点。采用均匀选取的默认频点进行主、从节点间初始信息交换，完成从节点的入网过程，方法可行。采用上下行信号强度求加权和的形式进行频点优选，能够满足配电自动化对上行通信质量要求更高的实际需求，优选频点更为合理，且原理简单、计算量较小，优选速度快。利用测量得到的信道输入电抗信息，从大量频点中准确筛选掉较多的不可用频点，减小了测试上、下行通信质量的工作量，提高了选频速度。可灵活调整上、下行信号强度在频点优选过程中的权重，计算较为简单。当双向可通信频点数目不足时，主、从节点可分别选择较优的下行、上行通信频点，实现上、下行选择不同频点的通信，可满足正、反向信道特性差异较大时的通信要求。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：默认频点下的通信节点入网

设载波芯片在其通信频带范围内共N个可选通信频点，允许选择M个频点作为子载波信道，首先设定默认的初始通信频点为在通信频带范围内均匀选取的M个频点，PLC网络为主—从网络，每个从节点都有一个已知的物理ID以及入网后由主节点分配的逻辑ID，信号由主节点向从节点传输为下行传输，反之为上行传输，在默认频点上建立主从节点之间的初始通信连接；

步骤2：频点优选算法

1)主(从)节点依次在N个可选频点上发送特定信号，监测输入信道的电压、电流，求得各频点下的输入电抗绝对值|X_in1|(|X_in2|)，以|X_in1|(|X_in2|)小于某阈值作为标准选出主(从)节点侧较优的频点，其集合记为集f_主(f_从)；

2)主(从)节点通过默认频点将集f_主(f_从)发送给对侧，选取f_主与f_从的交集f_交作为预选出的待测试频点；

3)主节点依次在f_交的各个频点处向从节点发送等强度信号，从节点统计可接收到信号的频点及信号强度，将接收到信号的频点集记为向量f_下行，从节点通过默认频点将f_下行及其信号强度发送给主节点；

4)从节点依次在f_交的各个频点处向主节点发送等强度信号，主节点统计可以接收到的频点及信号强度，将接收到信号的频点集合记为集合f_上行，f_下行与f_上行取交集记为f_双向，则f_双向中的频点为下行、上行通信均可用的频点；

2.按照权利要求1所述基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法，其特征在于：所述在默认频点上建立主从节点之间的初始通信连接方法如下：

1)主节点在默认的初始通信频点上广播搜索节点信息。

3.按照权利要求1所述基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法，其特征在于：

所述步骤2中，若f_双向中频点个数n大于M，则依次计算f_双向中各频点处的频点质量Q_i：

Q_i＝0.7Q_上i+0.3Q_下i，i＝1,2…n (1)

式(1)中Q_上i、Q_下i分别为f_双向中第i个频点的上行、下行信号强度，上行信号强度权重0.7，下行信号强度权重0.3，将频点质量Q_i由大到小排序，优选出Q_i值较大的M个频点，这M个频点对应的Q_i求和可得到优选频点下的总链路质量Q值。

4.按照权利要求1所述基于信道输入电抗的中压配网电力线载波通信频点优选方法，其特征在于：

所述步骤2中，若f_双向中频点个数n小于M个，则将f_双向中的所有频点选为通信频点，对于剩余M-n个载波信道，主、从节点分别从f_下行、f_上行中选不同的频点。