CN108768452B - 一种电力线双向工频通信的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种电力线双向工频通信的检测方法，属于电力通信技术领域。包括对信号加权求和消除背景信号；对加权求和后的通信信号进行求导；对处理后的信号进行EEMD分解；测量各IMF的频率；对保留的IMF进行阈值去噪。解决了双向工频通信系统在噪声环境效果不好的问题，可有效适用于谐波噪声功率较大的通信环境，同时能不断提高上行信号的检测性能，大大降低了噪声干扰的影响。

Description

一种电力线双向工频通信的检测方法

技术领域

本发明涉及一种电力线双向工频通信的检测方法，属于电力通信技术领域。

背景技术

双向工频通信系统是近年来新兴的一种基于电力配电网络的通信系统，目前双向工频通信均采取主从模式，上行通信不能独立进行，且由于双向工频通信上行信号的解调方法是采用时域差分算法，它对于电力线配电网络的噪声环境有一定的要求。当配电网中存在强干扰信号和突发干扰噪声时，双向工频通信的系统误码率将很高，甚至足以使通信中断，效果不好。

针对上述已有技术状况，本发明申请人做了大量反复而有益的探索，最终产品取得了有效的成果，并且形成了下面将要介绍的技术方案。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供了一种电力线双向工频通信的检测方法，可有效适用于谐波噪声功率较大的通信环境，同时能不断提高上行信号的检测性能，大大降低了噪声干扰的影响。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种电力线双向工频通信的检测方法，包括以下步骤：

1)对信号加权求和消除背景信号

工频通信上行信号检测是在大背景中提取微弱电流，所以利用加权求和抵消工频信号，利用其中IA，IB，IC是配电网中的三相电流，能消除绝大部分的基波电流影响，同时使信号增强1倍；

2)对加权求和后的通信信号进行求导

上行信号是通过对电流基波波形的调制来传送信息，信号由用户终端发出，携带相关的信息传回子站，其调制信号的频率在150Hz～500Hz范围内变化；

经晶闸管的开关在工频电压过零点处产生的电流脉冲，每个脉冲含有一个极大值或一个极小值以及两个过零点，对这样的信号进行EEMD分解计算量会非常大，对其求导后，每个脉冲含有一个极大值，一个极小值和一个过零点，满足EEMD的分解条件，大大减小了计算量；

3)对处理后的信号进行EEMD分解

在原信号中加入均匀分布的高斯白噪声，填补原始调制畸变电流中部分尺度缺失，使待测的调制电流在不同程度上连续；减小模态混叠的程度；选定进行EMD的总次数n与白噪声的幅值系数k，这里n取100，k取0.2，分解步骤如下：

a.在原始信号中加入幅值系数为0.2的高斯白噪声，对所得待分解信号进行EMD，得到n个本征模函数记为imfj；

b.对原始信号加入的下一个混入白噪声序列重复上述步骤，获得各自的IMF；

c.计算剩余信号Ri,1＝xi(t)-imfi,1(t)，xi(t)为原始信号，imfi,1(t)为混入第i个白噪声序列分解得到的第一阶IMF，把剩余信号作为待处理信号进行EMD分解，依次获得imfi,1,imfi,2,....imfi,j；

d.对所得结果求平均其中j＝1,2,...n,n为分解的阶数，去除添加的白噪声，得到待测信号。

4)测量各IMF的频率：

测量各阶IMF的频率，上行信号是通过对电流基波波形的调制来传送信息，信号由用户终端发出，携带相关的信息传回子站，其调制信号的频率在150Hz～600Hz范围内变化，找出150HZ～500HZ频率所在的阶数进行保留，保留的150HZ～500HZ所在的范围为调制信号所在阶数；

5)对保留的IMF进行阈值去噪：

由于电网中的噪声都是随机的，其能量大部分是均匀分布，有用信号的能量相对集中，根据有用信号和噪声信号能量的分布不同选择合适的阈值对保留的IMF进行降噪处理。

采用复值小波分析方法对工频通信上行信号进行解调，选取Gauss函数作为窗函数，即所谓的Morlet复小波，Gauss函数是基函数(正弦和余弦函数)的包络。

采用Morlet复小波实部和虚部的离散序列表达式如下：

式中n＝1,2,3……，M；n为离散序列的序号；N为一个基波周期的采样点数；M为数据窗的点数；k为谐波次数；b为调节系数。

式中前1个因子为窗函数，后一个因子为基函数。基函数中的n-0.5，窗函数中的n-0.5-M/2，是为了使离散序列值对称，性能更好。b取不同实数值，可以调节窗函数和基函数的关系。当b值越小，窗函数越平坦，在时域窗的两端截断误差越大，频率特性中的旁瓣越大。当b值越大时，则时域窗的两端衰减较大，频率特性变宽，而旁瓣变小。

设调制信号为x(n)，则可以求得此时基函数的实部XR(n)，基函数的虚部XI(n)，幅值Ak(n)和相角φ(n)。

经计算，可以得到经过复值小波变换处理的拟合波形，经过小波变换处理后得到的拟合波形和未处理前的拟合波形十分接近，有效地去除了配电网中的严重的谐波噪声。

进一步地，所述步骤5)后处理信号的步骤如

下：计算各阶IMF希尔伯特边际谱：

获得IMF分量后，对于其中一个IMF分量记为imf(t),经过希尔伯变换后的H[imf(t)]与原分量imf(t)组成解析信号，记为其中瞬时角频率为以灰度形式在频率-时间平面上显示的希尔伯特谱，对H(ω,t)在时间上积分，进而求得希尔伯特边际谱，根据得到的希尔伯特边际谱可以清晰的判断出调制信号所在的时域。

进一步地，运行过程中采用监测程序，对终端发送控制命令，并对终端上行信号进行监测，接收到有用信号进行解调处理后，将实时数据显示在界面上。

进一步地，所述监测程序将数据写入数据库，供后台调用查询。

本发明的有益效果：

1.在双向工频通信上行信号检测时，首先通过加权求和法使调制信号的背景工频信号相互抵消并且增强调制信号，然后对增强后的调制信号进行求导，求导目的就是使原始信号满足EEMD的条件，利用EEMD对调制信号进行EMD，大大减小了EEMD的计算量，再通过相关运算找到n阶IMF中150HZ～500HZ的阶数，对此类IMF进行阈值降噪处理，对降噪后的信号进行利用希尔伯特变换计算希尔伯特边际谱，从而检测调制信号所在时域；

2.本发明将复小波变换引入电力线双向工频通信，不断提高上行信号的检测性能，有效降低了噪声干扰的影响，适用于谐波噪声功率较大的通信环境。

附图说明

图1为本发明的检测方法的流程原理示意图；

图2为双向工频通信上行信号调制等效电路原理图；

图3为双向工频通信上行信号调制信号调制波形图；

图4为双向工频通信下行信号调制电路图；

图5为双向工频通信下行信号调制编码方式示意图；

图6为双向工频通信经复小波变换处理后的拟合波形图；

图7为双向工频通信运行监测程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体说明。

如图1至5所示，一种电力线双向工频通信的检测方法，包括以下步骤：

1.对信号加权求和消除背景信号

工频通信上行信号检测是在大背景中提取微弱电流，所以利用加权求和抵消工频信号，利用其中IA，IB，IC是配电网中的三相电流，能消除绝大部分的基波电流影响，同时使信号增强1倍；

2.对加权求和后的通信信号进行求导

如图2双向工频通信上行调制信号调制等效电路原理图所示，上行信号是通过对电流基波波形的调制来传送信息，信号由用户终端发出，携带相关的信息传回子站，其调制信号的频率在150Hz～500Hz范围内变化；

如图3上行调制信号的调制波形图所示，经晶闸管的开关在工频电压过零点处产生的电流脉冲，每个脉冲含有一个极大值或一个极小值以及两个过零点，对这样的信号进行EEMD分解计算量会非常大，对其求导后，每个脉冲含有一个极大值，一个极小值和一个过零点，满足EEMD的分解条件，大大减小了计算量；对其求导的计算过程为本领域技术人员所熟悉的简单数学运算；

3.对处理后的信号进行EEMD分解

在原信号中加入均匀分布的高斯白噪声，填补原始调制畸变电流中部分尺度缺失，使待测的调制电流在不同程度上连续；减小模态混叠的程度；选定进行EMD的总次数n与白噪声的幅值系数k，这里n取100，k取0.2，分解步骤如下：

1)在原始信号中加入幅值系数为0.2的高斯白噪声，对所得待分解信号进行EMD，得到n个本征模函数记为imfj；

2)对原始信号加入的下一个混入白噪声序列重复上述步骤，获得各自的IMF；

3)计算剩余信号Ri,1＝xi(t)-imfi,1(t)，xi(t)为原始信号，imfi,1(t)为混入第i个白噪声序列分解得到的第一阶IMF，把剩余信号作为待处理信号进行EMD分解，依次获得imfi,1,imfi,2,....imfi,j；

4)对所得结果求平均其中j＝1,2,...n,n为分解的阶数，去除添加的白噪声，得到待测信号。

4.测量各IMF的频率：

测量各阶IMF的频率，上行信号是通过对电流基波波形的调制来传送信息，信号由用户终端发出，携带相关的信息传回子站，其调制信号的频率在150Hz～600Hz范围内变化，找出150HZ～500HZ频率所在的阶数进行保留，保留的150HZ～500HZ所在的范围为调制信号所在阶数；

5.对保留的IMF进行阈值去噪：

由于电网中的噪声都是随机的，其能量大部分是均匀分布，有用信号的能量相对集中，根据有用信号和噪声信号能量的分布不同选择合适的阈值对保留的IMF进行降噪处理。

采用复值小波分析方法对工频通信上行信号进行解调，选取Gauss函数作为窗函数，即所谓的Morlet复小波，Gauss函数是基函数(正弦和余弦函数)的包络。

采用Morlet复小波实部和虚部的离散序列表达式如下：

式中n＝1,2,3……，M；n为离散序列的序号；N为一个基波周期的采样点数；M为数据窗的点数；k为谐波次数；b为调节系数。

式中前1个因子为窗函数，后一个因子为基函数。基函数中的n-0.5，窗函数中的n-0.5-M/2，是为了使离散序列值对称，性能更好。b取不同实数值，可以调节窗函数和基函数的关系。

当b值越小，窗函数越平坦，在时域窗的两端截断误差越大，频率特性中的旁瓣越大。当b值越大时，则时域窗的两端衰减较大，频率特性变宽，而旁瓣变小。

设调制信号为x(n)，则可以求得此时基函数的实部XR(n)，基函数的虚部XI(n)，幅值Ak(n)和相角φ(n)。

经计算，可以得到经过复值小波变换处理的拟合波形，如图6所示，经过小波变换处理后得到的拟合波形和未处理前的拟合波形十分接近，有效地去除了配电网中的严重的谐波噪声。

6.计算各阶IMF希尔伯特边际谱：

获得IMF分量后，对于其中一个IMF分量记为imf(t),经过希尔伯变换后的H[imf(t)]与原分量imf(t)组成解析信号，记为其中瞬时角频率为以灰度形式在频率-时间平面上显示的希尔伯特谱，对H(ω,t)在时间上积分，进而求得希尔伯特边际谱，根据得到的希尔伯特边际谱可以清晰的判断出调制信号所在的时域。

本发明采用的EEMD是基于任何信号均由不同时间尺度振荡构成，所以能够对非线性、非平稳信号自适应的分解成为一系列线性、平稳的IMF信号，在对信号进行时频分析时与经常使用的小波变换相比避免了受小波基选择的影响，不仅能消除大部分噪声干扰而且能很好的抑制谐波干扰，在检测波动信号时具有较好的动态特性，由于双向工频通信上行调制信号本身特性不适合利用EEMD，双向工频通信上行调制信号是一种经晶闸管的开关在工频电压过零点处产生的电流脉冲，每个脉冲含有一个极值点和两个过零点，对这样的信号进行EEMD计算量会非常大，对其求导后满足IMF的两个条件大大减小了计算量；对其进行求导使之更好的适应EEMD，这种检测算法更加精确。

运行过程中采用监测程序，如图7所示，能实现对终端发送控制命令，并对终端上行信号进行监测，接收到有用信号进行解调处理后，将实时数据显示在界面上，并同时将数据写入数据库，供后台调用查询。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电力线双向工频通信的检测方法，其特征是,包括以下步骤：

1)对信号加权求和消除背景信号

其中IA，IB，IC是配电网中的三相电流；

2)对加权求和后的通信信号进行求导

上行信号是通过对电流基波波形的调制来传送信息，信号由用户终端发出，携带相关的信息传回子站，其调制信号频率在150Hz～500Hz范围内变化；

经晶闸管的开关在工频电压过零点处产生的电流脉冲，对这样的信号进行求导后，每个脉冲含有一个极大值，一个极小值和一个过零点；

3)对处理后的信号进行EEMD分解

在原信号中加入均匀分布的高斯白噪声，填补原始调制畸变电流中尺度缺失；减小模态混叠的程度；选定进行EMD的总次数n与白噪声的幅值系数k，n取100，k取0.2，分解步骤如下：

a.在原始信号中加入幅值系数为0.2的高斯白噪声，对所得待分解信号进行EMD，得到n个本征模函数记为imfj；

b.对原始信号加入的下一个混入白噪声序列重复上述步骤，获得各自的IMF；

c.计算剩余信号Ri,1＝xi(t)-imfi,1(t)，xi(t)为原始信号，imfi,1(t)为混入第i个白噪声序列分解得到的第一阶IMF，把剩余信号作为待处理信号进行EMD分解，依次获得imfi,1,imfi,2,....imfi,j；

d.对所得结果求平均其中j＝1,2,...n,n为分解的阶数，去除添加的白噪声，得到待测信号；

4)测量各IMF的频率：

测量各阶IMF的频率，上行信号是通过对电流基波波形的调制来传送信息，信号由用户终端发出，携带相关的信息传回子站，其调制信号的频率在150Hz～600Hz范围内变化，找出150HZ～500HZ频率所在的阶数进行保留，保留的150HZ～500HZ所在的范围为调制信号所在阶数；

5)对保留的IMF进行阈值去噪：

根据有用信号和噪声信号能量的分布不同选择阈值对保留的IMF进行降噪处理；

采用复值小波分析方法对工频通信上行信号进行解调，选取Gauss函数作为Morlet复小波窗函数，Gauss函数是基函数(正弦和余弦函数)的包络：

采用Morlet复小波实部和虚部的离散序列表达式如下：

式中n＝1,2,3……，M；n为离散序列的序号；N为一个基波周期的采样点数；M为数据窗的点数；k为谐波次数；b为调节系数；

式中前1个因子为窗函数，后一个因子为基函数，当b值越小，窗函数越平坦，在时域窗的两端截断误差越大，频率特性中的旁瓣越大，当b值越大时，则时域窗的两端衰减越 大，频率特性变宽，而旁瓣变小；

设调制信号为x(n)，则可以求得此时基函数的实部XR(n)，基函数的虚部XI(n)，幅值Ak(n)和相角φ(n)：

经计算，得到经过复值小波变换处理的拟合波形。

2.如权利要求1所述的一种电力线双向工频通信的检测方法，其特征是，所述步骤5)后处理信号的步骤如下：

计算各阶IMF希尔伯特边际谱：

获得IMF分量后，对于其中一个IMF分量记为imf(t),经过希尔伯变换后的H[imf(t)]与原分量imf(t)组成解析信号，记为其中瞬时角频率为以灰度形式在频率-时间平面上显示的希尔伯特谱，对H(ω,t)在时间上积分，进而求得希尔伯特边际谱，根据得到的希尔伯特边际谱判断出调制信号所在的时域。

3.如权利要求1所述的一种电力线双向工频通信的检测方法，其特征是，运行过程中采用监测程序，对终端发送控制命令，并对终端上行信号进行监测，接收到有用信号进行解调处理后，将实时数据显示在界面上。

4.如权利要求3所述的一种电力线双向工频通信的检测方法，其特征是，所述监测程序将数据写入数据库，供后台调用查询。

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