CN109525285A - 一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，包括电压双通道相位检测单元、特征量脉冲电流发射单元、特征电流信号检测单元、双模通信单元和中央处理单元，感知节点的电力线载波通信模块与被感知的节点的电力线载波通信模块之间采用双模通信方式建立数据、命令交互，电压双通道相位检测单元产生相位同步信号，由感知节点的特征量脉冲电流发射单元产生并发送测量拓扑结构的特征量脉冲电流信号，被感知节点检测电网线路网络里的微弱的脉冲电流信号，并传输至中央处理单元，中央处理单元通过数据运算建立起电网的拓扑结构，本发明实现了电网的物理拓扑自动识别。

Description

一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块
技术领域
本发明属于用电信息采集技术领域，具体涉及一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块。
背景技术
长期以来，供电公司主要依据客户电话来确定低压配网故障位置。在部署智能电表之前，主要依靠停电管理系统进行低压网络故障处理。根据用户停电后打入的电话来预判跌落保险或开关的位置，对停电规模、人员力量、抢修计划进行分析，确定抢修优先级，计算现场所需工作力量，预估恢复时间，并管理现场工作。停电管理系统是配网管理系统的子系统，控制室依靠此系统进行停电抢修的组织调度和下派工单。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，解决了目前低压配网故障位置确定困难导致的抢修效率低的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，包括：电压双通道相位检测单元、特征量脉冲电流发射单元、特征电流信号检测单元、双模通信单元和中央处理单元，其中：
所述电压双通道相位检测单元由中央处理单元控制，用于输出相位同步信号至特征量脉冲电流发射单元；
所述特征量脉冲电流发射单元由中央处理单元控制，用于接收相位同步信号，并在电网线路网络中产生并发送测量电网拓扑结构的特征量脉冲电流信号；
所述特征电流信号检测单元用于检测电网线路网络中的脉冲电流信号，并将脉冲电流信号发送至中央处理单元，判断电网线路网络中是否存在其他节点的电力线载波通信模块的特征量脉冲电流发射单元产生的特征量脉冲电流信号；
所述双模通信单元由中央处理单元控制，用于实现电网中各个节点的电力线载波通信模块之间的通信；
所述中央处理单元用于控制其他单元，并对数据信号进行分析处理，实现台区拓扑结构的识别。
发明所达到的有益效果：本发明提供一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，解决了目前低压配网故障位置确定困难导致的抢修效率低的问题。本发明的优点体现在以下两个方面：
1、相对于目前现状的台区管理，通过安装具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，可以准确判断具体的台区拓扑结构信息(变压器、分支、线路、用户结构)，实现低压配电网表计、表箱、分支箱、配电台区停复电实时感知与自动上报，实现台区的精益化管理，各级停复电事件在1分钟内上报到主站系统，并且通过停电上报可以将停电事件准实时推送到供电服务指挥系统，供电服务指挥系统在GIS图上实现停电用户精准定位与告警提示，改变过去低压故障被动抢修的局面，变被动抢修为主动抢修，提高抢修效率，提升服务质量；
2、具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块能用于建立末端电网智能感知系统，实现末端电网的数据数据采集、整理、分析工作，为智能配电网大数据技术的应用提供数据支撑，能够进一步强化电网反馈环节的实际作用，让用户得到更加精准且优质的电力服务。
附图说明
图1为本发明实施例的一种电力线载波通信模块框图；
图2为本发明实施例的一种电压双通道相位检测单元原理框图；
图3为本发明实施例的一种特征量脉冲电流发射单元原理框图；
图4为本发明实施例的一种特征电流信号检测单元原理框图；
图5为本发明实施例的树形网络拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
感知节点的具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块与被感知的节点的具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块之间采用宽带电力线载波通信和微功率无线通信的双模通信方式建立数据、命令交互，电压双通道相位检测单元产生相位同步信号，由感知节点的特征量脉冲电流发射单元产生并发送测量拓扑结构的特征量脉冲电流信号，被感知节点检测电网线路网络里的微弱的脉冲电流信号，并传输至中央处理单元，中央处理单元根据感知节点的特征量脉冲电流的发送和接收状态，通过数据运算建立起电网的拓扑结构，并通过上行通信口将数据上传至国家电网服务器主台系统。一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其功能包括台区自动识别功能和相位自动识别功能，实现电网的物理拓扑自动识别。
由于同一支路内的电流处处相等，由特征量脉冲电流发送单元产生的特征量脉冲电流信号不会耦合到其它支路，耦合的只是电压信号，检测出的特征量脉冲电流不会向共高压电源和共低压零线的配变传输，也不会传播到其它线路上，而且传输距离可以较远。因此该方法可以准确可靠地识别所有用户，不会误判，也不存在无法识别的用户。
如图1所示，一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，包括双模通信单元、特征量脉冲电流发射单元、电压双通道相位检测单元、特征电流信号检测单元和中央处理单元；其中，L为火线，N为零线。还包括电源控制单元。
中央处理单元与电源控制单元相连，电源控制单元包括AC/DC电路、DC/DC电路、低压差线性稳压器(low dropout regulator，LDO)电路及控制电路，为其他各单元提供各种规格的直流电压，如：+12V、+5V、+3.3V、+1.8V、+1.0V,以及对其他各单元电源的开关的时序控制。控制电路控制AC/DC电路、DC/DC电路和LDO电路的使能脚实现其他各单元电源的开关控制，控制电路的时序控制信号由中央处理单元输出，高电平电源打开，低电平电源关断。
如图2所示，L为火线，N为零线，所述电压双通道相位检测单元由中央处理单元控制，用于输出相位同步信号至特征量脉冲电流发射单元。所述电压双通道相位检测单元包括分压电路一、零点检测电路、分压电路二、电压检测电路、光电隔离电路、门控制电路和PWM控制电路，经过分压电路一的工频电压信号通过零点检测电路检测过零点时刻，作为相位同步信号的起始时刻，产生相位同步信号的前沿；经过分压电路二的工频电压信号通过电压检测电路，当电压上升到设定电压阈值时产生相位同步信号的后沿；零点检测电路和电压检测电路产生的信号经光电隔离电路输出至门控制电路，由PWM控制电路控制门控制电路对信号进行调制，输出具有频率调制的脉冲信号作为相位同步信号至特征量脉冲电流发射单元，所述PWM控制电路的控制信号由中央处理单元输出。
如图3所示，L为火线，N为零线，所述特征量脉冲电流发射单元由中央处理单元控制，用于接收相位同步信号，并在电网线路网络中产生并发送测量电网拓扑结构的特征量脉冲电流信号。所述特征量脉冲电流发射单元包括可控硅控制器、压敏电阻、过流保护电路和扼流线圈，可控硅控制器、压敏电阻并联，火线、扼流线圈、可控硅控制器、过流保护电路和零线组成工频电流回路，电压双通道相位检测单元输出的相位同步信号用于控制可控硅控制器的开断，产生特征量脉冲电流信号，由中央处理单元控制特征量脉冲电流发射单元发送特征量脉冲电流信号。通过中央处理单元输出PWM控制信号控制相位同步信号的频率，实现对特征量脉冲电流信号幅度和强度的控制。压敏电阻、过流保护电路和扼流线圈电路用于保护特征量脉冲电流发射单元。
如图4所示，所述特征电流信号检测单元用于检测电网线路网络中的脉冲电流信号，并将脉冲电流信号发送至中央处理单元，判断电网线路网络中是否存在其他节点的电力线载波通信模块的特征量脉冲电流发射单元产生的特征量脉冲电流信号。所述特征电流信号检测单元包括转换电路、工频滤波电路、信号放大电路、高速AD采样电路和数字滤波电路，在电力线载波上传输的脉冲电流信号通过转换电路转换为电压信号，经工频滤波电路去掉工频成分，经过信号放大电路进行信号放大，高速AD采样电路对放大后的模拟信号进行数字采样，经过数字滤波电路后输出数字信号，传输至中央处理单元进行数据处理，判断电网线路里是否存在特征量脉冲电流信号。AD采样率2MSa/s，采样位19位。
所述判断电网线路里是否存在特征量脉冲电流信号具体方法为：计算特征电流信号检测单元输出的数字信号的过零点，由过零点计算信号的频率，根据频率进行插值，等均分成n个点，得到一个周波的采样值，基于相邻两个周波的采样值进行差分计算，若差分计算结果大于设定阈值则存在特征量脉冲电流信号。
双模通信单元用于实现电网中各个节点的电力线载波通信模块之间的通信，并在通过发送和接收特征量脉冲电流的状态确认了双方的拓扑位置后进行数据的交换。电网中各个节点的电力线载波通信模块之间通过双模通信单元建立数据、命令交互。
所述双模通信单元采用宽带电力线载波通信和微功率无线通信的组合方式在各个节点的电力线载波通信模块之间进行通信，宽带电路线载波带宽为0.7MHz～3MHz,采用OFDM的调制方式；微功率无线通信频段为470MHz～510MHz，采用GFSK的调制方式。
中央处理单元根据特征量脉冲电流信号的发送和接收状态，通过数据的运算建立起电网的拓扑结构，并通过上行通信口将数据上传至国家电网服务器主台系统。中央处理单元采用ARM处理器，用于实现对各个功能单元的控制，对电网结构内所采集的感知数据的分析处理，从而实现台区拓扑结构的自动识别。实现台区拓扑结构的自动识别具体方法为：感知节点的电力线载波通信模块的中央处理单元控制双模通信模块发送固定编码信号，bit值为1表示发送特征量脉冲电流信号，bit值为0表示不发送特征量脉冲电流信号；其他节点的电力线载波通信模块的双模通信模块将接收到的固定编码信号传输至中央处理单元作为参考编码，同时其他节点的电力线载波通信模块的特征电流信号检测单元持续检测脉冲电流信号传输到中央处理单元进行处理，判断是否存在特征量脉冲电流信号，若存在特征量脉冲电流信号，则编码为1，否则编码为0；中央处理单元对每次的编码进行移位运算，与参考编码进行相关性运算，计算值大于预设值，则判定两个节点之间信号同步，建立上下相邻的拓扑位置。
一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，还包括停电感知检测单元，用于电网停电检测和停电上报，停电感知检测单元内置超级电容，在电网发生停电时由超级电容供电，停电感知检测单元通过检测工频电压的相位来判别是否停电，如识别到停电状态则产生停电上报事件。
拓扑结构建立的工作过程：中央处理单元控制产生电压双通道相位检测单元的相位同步信号，在产生相位同步信号后，中央处理单元延迟一段时间，根据固定编码信号控制特征量脉冲电流发射单元发送特征脉冲电流，bit值为1时表示发送特征量脉冲电流信号，bit值为0时表示不发送特征量脉冲电流信号，同时通过控制电压双通道相位检测单元的相位同步信号来控制特征量脉冲电流信号的宽度和频率；中央处理单元控制双模通信模块，发送上述固定编码信号，本实施例中的固定编码信号为11位的巴克码；
其他节点的电力线载波模块的双模通信模块接收固定编码信号，并传输至中央处理单元作为参考编码；同时相邻节点的电力线载波模块的特征电流信号检测单元持续采集脉冲电流信号，并将采集到的脉冲电流信号传输到中央处理单元进行处理，判断是否存在特征量脉冲电流信号，若存在特征量脉冲电流信号，则编码为1，否则编码为0；
同时，相邻节点的电力线载波模块的中央处理单元对每次的编码进行移位运算，与参考编码进行相关性运算，计算值大于预设值，则判定两个节点之间信号同步，建立上下相邻的拓扑位置。
中央处理单元根据上述过程信号的检测及数据的运算建立相邻节点的位置。电网系统中每个节点上具有电网感知拓扑感知功能的电力线载波模块根据检测和计算都会建立上下相邻的位置，从而建立整个系统的树形网络拓扑结构，如图5。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，包括：电压双通道相位检测单元、特征量脉冲电流发射单元、特征电流信号检测单元、双模通信单元和中央处理单元，其中：
所述电压双通道相位检测单元由中央处理单元控制，用于输出相位同步信号至特征量脉冲电流发射单元；
所述特征量脉冲电流发射单元由中央处理单元控制，用于接收相位同步信号，并在电网线路网络中产生并发送测量电网拓扑结构的特征量脉冲电流信号；
所述特征电流信号检测单元用于检测电网线路网络中的脉冲电流信号，并将脉冲电流信号发送至中央处理单元，判断电网线路网络中是否存在其他节点的电力线载波通信模块的特征量脉冲电流发射单元产生的特征量脉冲电流信号；
所述双模通信单元由中央处理单元控制，用于实现电网中各个节点的电力线载波通信模块之间的通信；
所述中央处理单元用于控制其他单元，并对数据信号进行分析处理，实现台区拓扑结构的识别。
2.根据权利要求1所述的一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，所述电压双通道相位检测单元包括分压电路一、零点检测电路、分压电路二、电压检测电路、光电隔离电路、门控制电路和PWM控制电路，经过分压电路一的工频电压信号通过零点检测电路检测过零点时刻，作为相位同步信号的起始时刻，产生相位同步信号的前沿；经过分压电路二的工频电压信号通过电压检测电路，当电压上升到设定电压阈值时产生相位同步信号的后沿；零点检测电路和电压检测电路产生的信号经光电隔离电路输出至门控制电路，由PWM控制电路控制门控制电路对信号进行调制，输出具有频率调制的相位同步信号至特征量脉冲电流发射单元，所述PWM控制电路的控制信号由中央处理单元输出。
3.根据权利要求1所述的一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，所述特征量脉冲电流发射单元包括可控硅控制器、压敏电阻、过流保护电路和扼流线圈，可控硅控制器、压敏电阻并联，火线、扼流线圈、可控硅控制器、过流保护电路和零线组成工频电流回路，电压双通道相位检测单元输出的相位同步信号用于控制可控硅控制器的开断，产生特征量脉冲电流信号，由中央处理单元控制特征量脉冲电流发射单元发送特征量脉冲电流信号。
4.根据权利要求1所述的一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，所述特征电流信号检测单元包括转换电路、工频滤波电路、信号放大电路、高速AD采样电路和数字滤波电路，在电力线载波上传输的脉冲电流信号通过转换电路转换为电压信号，经工频滤波电路去掉工频成分，再经过信号放大电路进行信号放大，高速AD采样电路对放大后的模拟信号进行数字采样，然后经过数字滤波电路后输出数字信号，传输至中央处理单元进行数据处理，判断电网线路里是否存在特征量脉冲电流信号。
5.根据权利要求4所述的一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，所述判断电网线路里是否存在特征量脉冲电流信号具体方法为：计算特征电流信号检测单元输出的数字信号的过零点，由过零点计算信号的频率，根据频率进行插值，等均分成n个点，得到周波的采样值，基于相邻两个周波的采样值进行差分计算，若差分计算结果大于设定阈值则存在特征量脉冲电流信号。
6.根据权利要求1所述的一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，所述双模通信单元采用宽带电力线载波通信和微功率无线通信的组合方式在各个节点的电力线载波通信模块之间进行通信，宽带电路线载波带宽为0.7MHz～3MHz,采用OFDM的调制方式；微功率无线通信频段为470MHz～510MHz，采用GFSK的调制方式。
7.根据权利要求1所述的一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，所述实现台区拓扑结构的自动识别具体方法为：中央处理单元控制双模通信模块发送固定编码信号，bit值为1表示发送特征量脉冲电流信号，bit值为0表示不发送特征量脉冲电流信号；其他节点的电力线载波通信模块的双模通信模块将接收的固定编码信号传输至中央处理单元作为参考编码，同时其他节点的电力线载波通信模块的特征电流信号检测单元持续检测脉冲电流信号传输到中央处理单元进行处理，判断是否存在特征量脉冲电流信号，若存在特征量脉冲电流信号，则编码为1，否则编码为0；中央处理单元对每次的编码进行移位运算，与参考编码进行相关性运算，若相关性计算值大于预设值，则判定两个节点之间信号同步，建立上下相邻的拓扑位置。
8.根据权利要求1所述的一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，还包括停电感知检测单元，所述停电感知检测单元用于电网停电检测和停电上报。
9.根据权利要求8所述的一种具有电网拓扑感知功能的电力线载波通信模块，其特征在于，所述停电感知检测单元通过检测工频电压的相位来判别是否停电，若识别到停电状态则产生停电上报事件。
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