CN111585616A - 一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案，将侵入式PLC通信模块与与之连接的用电器之间实现信息交互；具体交互过程包括：侵入式PLC通信模块采集与之连接的用电器的工作信号；工作信号通过数模转换的数字化调制器得到调制信号；将获得的调制信号通过电力传输通道传输至智能电表；智能电表接收属于该智能电表的用电器的侵入式PLC通信模块传输的数据，以预设的频率将包含用电器工作信息的报文通过现有的电力通道传输至上一级的电力设备；如需要进行电力调整，则对对应的智能电表进行下传关断报文或者调节指令报文，并将控制码传输至相应的标志码对应的用电器的PLC模块，PLC模块对接收的信号进行解调，并做出相应的动作。
Description
技术领域
本发明涉及泛在电力物联网、电力线载波通信领域，具体涉及一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案。
背景技术
随着全球能源互联网和我国泛在电力物联网(Ubiquitous power Internet ofThings,UPIOT)的提出与建设，国家电网公司急需建立全面的物联网应用管理体系。在公司现有的物联网应用基础上，想要达到“三型两网、世界一流”的战略目标，物联网的整体建设深度与应用广度仍不足，主要表现在配电信息采集覆盖不全，用户用能信息感知不及时、不全面等。
目前在整个电力物联网体系中，电力信息的采集已经延伸到低压用户端的智能电表。智能电表作为底层的感知层，具有远程通信的能力，目前大多采用本地通讯网把收集的用电设备总功率上传给电力系统侧。然而，随着智能电网的发展，管理侧只采集用户端的总功率是远远不够的，如果能够获取用户侧各终端设备的详细用电信息，并对各用电终端进行控制管理，这对泛在电力物联网建设将是一个有意义的促进。这就要求建立起针对低压用户侧中家用电器的信息网的采集系统，该系统的信息通信方法与现有的远程和本地电力通信方法不同，现有的通信方法不太适合家用电器信息网，主要体现如下：远程通信中NB-IOT技术存在数据传输的安全性和稳定性问题，不利于在家庭住房内传输。光纤通信前期的投资成本和维护成本太大，不同的开发商制定的标准也不一样，所以依靠光纤进行HEIN通信是不现实的。在现有的PLC技术中无论是宽带PLC还是窄带PLC，都要借助高等级的处理芯片完成，导致其通信模块的制作成本高昂，不符合HEIN通信的低成本应用需求，难以推广。
低压用户侧电器设备是指低压配电网末端连接的各种家庭用电设备，本发明针对低压用户侧电器设备，利用低成本的智能设备对其进行用能信息采集，是实现UPIOT智能化管理和电能质量分析的重要依据。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
为了解决上述技术问题，本发明提出一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案，本方法采用低成本的电力线载波通信方法即临频差分键控电力线载波技术，实现家用电器的泛在电力物联网组网；在降低通信复杂程度的情况下，通过电力线进行信息传输，实现对家庭用电侧设备进行监测和控制。
2、技术方案：
一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案，其特征在于：
将低压用户的电路中的中大型用电设备均对应安装侵入式PLC通信模块；所述侵入式PLC通信模块与与之连接的用电器之间实现信息交互；具体交互过程包括：
步骤一：所述侵入式PLC通信模块采集与之连接的用电器的工作信号；所述工作信号包括用电器的实时电流信号、实时电压信号、通断时间以及用电器的工作目标；所述工作信号通过数模转换的数字化调制器得到调制信号；并将获得的调制信号通过电力传输通道传输至智能电表。
步骤二：智能电表接收属于该智能电表的用电器的侵入式PLC通信模块传输的数据，以预设的频率将包含用电器工作信息的报文通过现有的电力通道传输至上一级的电力设备；所述报文信息包括设备地址、设备的标识码、记载设备的工作信息及控制信息的信息区和设备校验码。
步骤三：上一级的电力设备将接收到的各个用电器的信息传输至所属的地方电力物联管理平台；地方电力物联管理平台解调各个用电器的信息，根据预设的电力指标判断是否需要对该智能电表网络中对应的用电电路的用电情况进行调整。
步骤四：如需要进行电力调整，则对对应的智能电表进行下传关断报文或者调节指令报文，并通过电力线传输将关断报文或者调节报文传输至智能电表；智能电表识别报文中的设备标志码与信息区的控制码，并将控制码传输至相应的标志码对应的用电器的PLC模块，PLC模块对接收的信号进行解调，并做出相应的动作。
进一步地，所述数模转换的数字化调制器得到调制信号的具体过程包括步骤S11至S12：
S11将工作信号通过MCU预设的码元编码成二进制形式，生成两条预设频率的信号波，其中MCU中存储着“0”、“1”码元对应的信号波形如公式(1)：
(1)式中，g0(t)和f0(t)对应“0”码元的调制波形；g1(t)和f1(t)对应“1”码元的调制波形；fc1、fc2为预设的两条载波的频率；A、B分别对应不同时间段内载波幅值；T＝N/fc为一对码元周期，N为一对码元持续时间内载波周期的个数；τ＝k/fc为幅值跳变时间，k为跳变时间内幅值变化的载波周期数，且k＜N。
S12将获取的两个信号波进行滤波；滤波后的两条波形分别进行幅度检测，得到对应的两条包络信号；将得到的两条包络信号进行差分比较；如果差值为正时，判定为“1”如果差值为负时，判定为“0”；判决后得到的是一组以脉冲二进制序列信号形式的方波信号；后将判决输出的脉冲二进制值序列送入MCU进行解码；进行解码后就可以得到包含工作信息的调制信号。
进一步地，所述进行解码后就能够得到包含工作信息的调制信号的过程包括：将包含控制信号的波形从电力线中耦合出来，再经滤波器后得到波形的包络信号。
进一步地，所述进行解码后就能够得到包含工作信息的调制信号的过程还包括经过滤波器去除信道中的噪声；电力线中包含大量的信道噪声和电磁干扰，经滤波后的工作波形能够有效去除无关的噪声干扰。
3、有益效果：
(1)本发明涉及到的电力线载波方法，采用一种新的临频差分键控调制解调技术，在实现信息有效传输的同时，大大降低了通信的复杂度，降低了设备成本。
(2)本发明采用侵入式设备，不仅能够实现对用电信息的采集，还能实现对家用电器的控制与调节。
(3)本发明中的本发明中电力线载波通讯模块主动将终端设备的用电信息上传至智能电表，大大降低了智能电表的工作量，使通信效率得到提高。
附图说明
图1为现有的低压用户侧家用电器信息网结构图；
图2位本发明中采用的侵入式低压用户侧家用电器信息网结构图；
图3为本发明中调制信号“1010”的时域波形；
图4为针对本发明中的HEIN的通信协议的整体功能框架；
图5为本发明中采用的一种报文的长度的实例；
图6为实现本发明的信号调制过程的调制器；
图7为实现本发明的信号解调器方案的结构简图。
具体实施方式
如附图2所示，一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案，其特征在于：
将低压用户的电路中的中大型用电设备均对应安装侵入式PLC通信模块；所述侵入式PLC通信模块与与之连接的用电器之间实现信息交互；具体交互过程包括：
步骤一：所述侵入式PLC通信模块采集与之连接的用电器的工作信号；所述工作信号包括用电器的实时电流信号、实时电压信号、通断时间以及用电器的工作目标；所述工作信号通过数模转换的数字化调制器得到调制信号；并将获得的调制信号通过电力传输通道传输至智能电表。
步骤二：智能电表接收属于该智能电表的用电器的侵入式PLC通信模块传输的数据，以预设的频率将包含用电器工作信息的报文通过现有的电力通道传输至上一级的电力设备；所述报文信息包括设备地址、设备的标识码、记载设备的工作信息及控制信息的信息区和设备校验码。
步骤三：上一级的电力设备将接收到的各个用电器的信息传输至所属的地方电力物联管理平台；地方电力物联管理平台解调各个用电器的信息，根据预设的电力指标判断是否需要对该智能电表网络中对应的用电电路的用电情况进行调整。
步骤四：如需要进行电力调整，则对对应的智能电表进行下传关断报文或者调节指令报文，并通过电力线传输将关断报文或者调节报文传输至智能电表；智能电表识别报文中的设备标志码与信息区的控制码，并将控制码传输至相应的标志码对应的用电器的PLC模块，PLC模块对接收的信号进行解调，并做出相应的动作。
进一步地，所述数模转换的数字化调制器得到调制信号的具体过程包括步骤S11至S12：
S11将工作信号通过MCU预设的码元编码成二进制形式，生成两条预设频率的信号波，其中MCU中存储着“0”、“1”码元对应的信号波形如公式(1)：
(1)式中，g0(t)和f0(t)对应“0”码元的调制波形；g1(t)和f1(t)对应“1”码元的调制波形；fc1、fc2为预设的两条载波的频率；A、B分别对应不同时间段内载波幅值；T＝N/fc为一对码元周期，N为一对码元持续时间内载波周期的个数；τ＝k/fc为幅值跳变时间，k为跳变时间内幅值变化的载波周期数，且k＜N。
S12将获取的两个信号波进行滤波；滤波后的两条波形分别进行幅度检测，得到对应的两条包络信号；将得到的两条包络信号进行差分比较；如果差值为正时，判定为“1”如果差值为负时，判定为“0”；判决后得到的是一组以脉冲二进制序列信号形式的方波信号；后将判决输出的脉冲二进制值序列送入MCU进行解码；进行解码后就可以得到包含工作信息的调制信号。
进一步地，所述进行解码后就能够得到包含工作信息的调制信号的过程包括：将包含控制信号的波形从电力线中耦合出来，再经滤波器后得到波形的包络信号。
进一步地，所述进行解码后就能够得到包含工作信息的调制信号的过程还包括经过滤波器去除信道中的噪声；电力线中包含大量的信道噪声和电磁干扰，经滤波后的工作波形能够有效去除无关的噪声干扰。
如附图1所示为现有的低压用户侧家用电器信息网结构图，包含现有电力通信线路、家用电器能控云平台和家用电器信息网。本发明采用的是如附图2所示所示的侵入式低压用户侧家用电器信息网组网；是在原有电力信息通信网络的基础上，增加了HEIN层。HEIN以居民家用电表为核心节点，与各中大功率的家用电器间构成通信网。其中的智能电表，不仅要负责收集家用电器的工作状态并进行居民用电电量的计算，还要负责家电控制器与电器设备之间的连接。为排除室外电力线中大部分干扰图2中室外电力线与智能电表之间安装了阻波器，安装在中大功率家用电器内的PLC通信模块主动将终端设备的用电信息上传至智能电表；智能电表不仅可以收发数据，还能把下一级的数据转发给上一级或者将上一级的指令数据进行转发并传递给各用电终端，以实现对整个网络中家用电器的控制和管理。
本方法在调制时，使用双路频率相近且幅值交变的载波进行信号传输，如图3为信号“1010”时域波形。
由于以前家用电器信息网的研究工作国内外开展的不多，所以用于该方面的通信协议少之又少，且市场上智能家居方面的通信协议侧重点又与本方案有所不同。所以需要设计出一套针对HEIN的通信协议，协议的整体功能框架如图4所示，现对该协议的报文格式和传输数据做简要分析。
参考DL/T645-2007通信规约，提出的报文格式主要由设备地址、标识码、信息区和校验码组成。该报文格式中设备地址由智能电表端分配，由于我国家庭用电器数量一般都在几十台以内，不会超过两百台，所以该地址用八位二进制来表示，最多可有256种不同的地址号，可以很好的满足实际需求。标识码用以说明报文的类型，即用8位二进制数来表示该报文传输的数据类型，具体分配见下文。信息区用来存放有效报文发送的数据或者各类具体指令，各类数据的信息区长度各不相同，接收方通过识别标识码进行下一步操作。最后是校验码，用于校验报文在发送过程中是否出错。
在不考虑信息加密的情况下，上行数据包括特征数据和工作数据等，下行数据有设备联络数据和控制数据等。为满足各类数据的传输要求，采用ASCII码对数据信息进行编码。其中特征数据用于表示用电终端的类型、生产厂家以及详细参数，经实际调查家用电器铭牌后得出，最多需要12个字节便可描述相关信息。由于设备额定功率等相关信息可由铭牌抄录可知，所以工作数据需要包含的信息有：实时电压电流、通断时间以及设备工作的目标参数，如空调的设定温度和电热水器温度等。目标参数的采集可用于电力系统端对终端设备调控的参考，例如家用电热水器的设定温度是90℃，而此时采集到的温度是80℃，为了满足该区域电力分配需求，可先将该家庭的热水器关断，等后期电力稳定了再控制其开通。联络数据用于判定终端设备是否在线，以及传输智能电表回复给设备的时间数据。控制数据携带了上层的控制指令信息，一方面用于控制设备的开通与关断，另一方面也可用于调节空调或风扇等可调节功率的用电终端。经过上述分析可以看出，各类数据报文的基本组成相同但每种数据的长度又各不相同，导致系统每个节点一次发送的报文长度不一，图5列出了各基本报文的长度。
为了实现本发明的临频差分键控电力线载波的调制，可以采用图6所示的数模转换方式实现调制器。图中MCU中存储着“0”、“1”码元对应的信号波形，将需要传输的信息经过MCU编码成二进制形式，再根据该二进制序列依次从MCU中选取出对应的波形，最后经数模转换器输出调制波形。
为针对本发明解调方案如附图7所示，对比传统PSK调制信号的解调器主要利用冲击滤波器实现，本发明是一种基于FIR带通滤波器的解调方案，将(1)式表示的调制信号经过FIR带通滤波器后，对滤波器的输出波形进行放大处理，再将得到的两路波形分别进行幅度检测，得到包络后再进行差分比较，差值为正时，判定为“1”，差值为负时，判定为“0”。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (4)
1.一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案，其特征在于：
将低压用户的电路中的中大型用电设备均对应安装侵入式PLC通信模块；所述侵入式PLC通信模块与与之连接的用电器之间实现信息交互；具体交互过程包括：
步骤一：所述侵入式PLC通信模块采集与之连接的用电器的工作信号；所述工作信号包括用电器的实时电流信号、实时电压信号、通断时间以及用电器的工作目标；所述工作信号通过数模转换的数字化调制器得到调制信号；并将获得的调制信号通过电力传输通道传输至智能电表；
步骤二：智能电表接收属于该智能电表的用电器的侵入式PLC通信模块传输的数据，以预设的频率将包含用电器工作信息的报文通过现有的电力通道传输至上一级的电力设备；所述报文信息包括设备地址、设备的标识码、记载设备的工作信息及控制信息的信息区和设备校验码；
步骤三：上一级的电力设备将接收到的各个用电器的信息传输至所属的地方电力物联管理平台；地方电力物联管理平台解调各个用电器的信息，根据预设的电力指标判断是否需要对该智能电表网络中对应的用电电路的用电情况进行调整；
步骤四：如需要进行电力调整，则对对应的智能电表进行下传关断报文或者调节指令报文，并通过电力线传输将关断报文或者调节报文传输至智能电表；智能电表识别报文中的设备标志码与信息区的控制码，并将控制码传输至相应的标志码对应的用电器的PLC模块，PLC模块对接收的信号进行解调，并做出相应的动作。
2.根据权利要求1所述的一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案，其特征在于：，所述数模转换的数字化调制器得到调制信号的具体过程包括：
S11将工作信号通过MCU预设的码元编码成二进制形式，生成两条预设频率的信号波，其中MCU中存储着“0”、“1”码元对应的信号波形如公式(1)：
(1)式中，g0(t)和f0(t)对应“0”码元的调制波形；g1(t)和f1(t)对应“1”码元的调制波形；fc1、fc2为预设的两条载波的频率；A、B分别对应不同时间段内载波幅值；T＝N/fc为一对码元周期，N为一对码元持续时间内载波周期的个数；τ＝k/fc为幅值跳变时间，k为跳变时间内幅值变化的载波周期数，且k＜N；
S12将获取的两个信号波进行滤波；滤波后的两条波形分别进行幅度检测，得到对应的两条包络信号；将得到的两条包络信号进行差分比较；如果差值为正时，判定为“1”如果差值为负时，判定为“0”；判决后得到的是一组以脉冲二进制序列信号形式的方波信号；后将判决输出的脉冲二进制值序列送入MCU进行解码；进行解码后就能够得到包含工作信息的调制信号。
3.根据权利要求2所述的一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案，其特征在于：所述进行解码后就能够得到包含工作信息的调制信号的过程包括：将包含控制信号的波形从电力线中耦合出来，再经滤波器后得到波形的包络信号。
4.根据权利要求2所述的一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案，其特征在于：所述进行解码后就能够得到包含工作信息的调制信号的过程还包括经过滤波器去除信道中的噪声；电力线中包含大量的信道噪声和电磁干扰，经滤波后的工作波形能够有效去除无关的噪声干扰。
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