CN111614376A - 一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于中压载波通讯装置的中压电力线路阻抗测试系统，其技术方案包括中压载波通讯终端和中压信号耦合设备，中压载波通讯终端用于检测发送电压、电流，并由SOC控制模块分析处理，推算10kV中压电力线阻抗状态，根据最大发送功率匹配要求，由SOC控制模块控制继电器控制模块动态调整阻抗匹配网络；中压信号耦合设备用于隔离中压电力线路的高压，并提供给中压载波通讯终端通信接口。本发明保持载波功率的最大发送，提高中压载波通讯系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及中压载波通讯领域，涉及一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统。
背景技术
电力线载波通讯是利用电力线作为传输通道来实现数据传输的通信方式，而中压载波通信系统以分布广泛的中压配电线作为传输通道，不需要重新敷设通信线路，信号在配电线中传输，不受地理环境的影响，配电线架设到哪里，通信就可以延伸到哪里，节省了敷设线缆、架设塔杆、开挖地面等的费用。且由于配电线属于电力公司所有，可以完全为电力公司所控制，便于管理。作为专用有线通信，不需要得到无线电管理委员会的许可，更保证了通信的可靠性和安全性。
但中压载波通信技术在实际应用中也有其缺陷，由于电力线存在各种各样不确定的背景噪声，且线路负载的实时变化，线路拓扑架构的复杂性都会对中压载波通讯的效果与可靠性带来很大的影响。所以研究10kV配电线路的信号传输特性和影响因素，并有针对性的制定相应的解决方案对于提升中压载波通信系统的可靠性，对提升中压载波通信系统的推广价值有重要意义。
而现阶段针对电力线载波信道的特征研究主要集中于低压电力线领域，由于应用范围，电压等级等因素限制，针对10kV中压配电线路的特征研究非常少，即使已有的方案研究目标大部分也是基于理论及概念的分析，很少有涉及具体方法、方案的实现或者在实际操作实现工程化应用中有很大的技术难度。由于工频变压器的存在，10kV中压配电线路的线路特征(如噪声、阻抗、衰减等)与低压电力线信道特征差别很大，无法直接套用低压研究的经验成果。
针对现有技术方案的不足，本发明专利提供了一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统，该系统应用中压载波设备检测10kV配电线路阻抗的测试方法，并结合对相关阻抗数据的分析，作为动态调整阻抗匹配网络的调整入口条件，从而保证中压载波设备具备对10kV配电线路的阻抗自适应能力，达到实时的阻抗精准匹配，保证中压载波设备的馈网功率，提高中压载波通讯系统的通信质量与系统稳定性。
发明内容
本发明针对上述问题，克服现有技术的不足，提出一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统，该阻抗测试系统应用二次侧低压设备采集电压、电流信息的方案，通过与中压配电线路连接的级联二端口网络，来推导计算中压配电线路的阻抗特征。并由此阻抗特征作为动态调整中压载波设备端口阻抗自适应匹配网络的科学依据，保证中压载波设备发送内阻匹配10kV配电线路阻抗，达到最大功率发送的目的。
本发明一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统由中压载波通讯设备和中压信号耦合设备组成。所述中压载波通讯设备包括开关电源模块、高性能SoC控制模块、扫频信号发送模块、载波发送模块、载波接收模块、载波发送电压-电流检测模块、载波耦合模块、阻抗自适应匹配网络模块、继电器控制模块、4G/光纤/网络通信接口模块组成。
所述开关电源模块用于产生系统正常工作所需要的不同电压等级的直流电源。
所述高性能SoC控制模块控制扫频信号发送模块产生特定载波信号。
所述扫频信号发送模块发送小信号给载波发送模块；可以根据程序控制，产生单独的载波信号，也可以产生宽频带扫频信号，以实现阻抗测试系统对配电线路在不同频带范围内的阻抗分析。
所述载波发送模块将小信号载波信号放大，发送至载波耦合模块。
所述载波接收模块用于接收配电线路上不同中压载波通讯节点终端设备发送的载波信号，实现载波通讯功能。
所述载波发送电压-电流检测模块负责采集载波发送的电压、电流幅值及相位信息，并将采集结果传到高性能SoC控制模块进行处理，最后由高性能SoC控制模块计算得到载波耦合模块端口等效阻抗大小及负载的阻容感属性。
所述载波耦合模块负责处理载波收发信号信道隔离，并提供发送电压、电流信号采样接口。
所述阻抗自适应匹配网络模块由继电器控制模块控制，用于实现载波耦合模块与中压配电线路之间的阻抗匹配。
所述继电器控制模块由双继电器控制网络实现4个档位的阻抗匹配切换功能，可以满足10Ω～300Ω宽阻抗范围内的匹配自适应功能。
所述4G/光纤/网络通信接口模块负责将中压载波通讯终端采集信息配合不同应用场景，以不同的通讯方式将采集信息传回主站系统。
所述中压信号耦合设备由内置隔离变压器模块、防雷模块、高压电容隔离模块组成，并由该三个功能模块组成一个高通滤波网络，可以有效隔离10kV工频电压，并提供低压设备的通信接口。
本发明基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统所采集的中压信号耦合设备高压接线端子位置的10kV配电线路阻抗，一方面可以应用于对线路阻抗的实时分析，作为对阻抗自适应匹配网络调整的参数依据，保证中压载波通讯终端的最大发送效率，提高中压载波通讯可靠性。另一方面所采集分析数据可以通过4G无线通信，光通信，网络通信等接口传输回主站系统，便于对10kV配电线路信道特征的实时分析监控。
本发明基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统可以根据设计需求采集10kV单相或10kV三相的线路特征参数，正常通讯应用场景下，只需接单相中压信号耦合器设备，满足阻抗自适应匹配通讯需求。如果三相都安装中压信号耦合器设备，则可以实现对10kV三相配电线路的阻抗状态监控功能。
本发明基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统应用中压载波设备检测10kV配电线路阻抗的测试方法，并结合对相关阻抗数据的分析，作为动态调整阻抗匹配网络的调整入口条件，从而保证中压载波设备具备对10kV配电线路的阻抗自适应能力，达到实时的阻抗精准匹配，保证中压载波设备的馈网功率，提高中压载波通讯系统的通信质量与系统稳定性。
本发明涉及中压电力线载波信道阻抗特征的研究，包括在低压二次侧通过复合二端口网络等效推算中压电力线的阻抗特征，并基于最大功率传输定理，通过动态调整阻抗匹配网络的方法，保持载波功率的最大发送，保证通信可靠性，应用该发明提供的中压电力线阻抗测试方法，可提供一种有效的测试中压线路阻抗的方法，相对于传统的理论技术验证，该方案可以达到实际工程化应用的水平。更重要的是由于中压电力线阻抗特征会随着环境、线路拓扑、负载等变化而产生动态的变化，导致传统的中压载波发送技术无法实时匹配中压线路的阻抗变换特点，从而导致载波发送功率无法达到预期的设计值，载波通讯效果变差。本发明技术可以极大的提高中压载波通讯系统的可靠性，对于打造电力公司专属有线通信网络，提高采集、配电自动化的覆盖范围与应用水平，有极大的经济效益与社会效益。
附图说明
图1为中压电力线阻抗测试系统阻抗测试与阻抗动态匹配调整流程图；
图2为中压载波通讯设备与电力线阻抗测试系统原理框图；
图3为二端口网络的简化示意图；
图4为复合二端口网络示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，以具体阐述本发明的技术方案。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。
一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统由中压载波通讯设备和中压信号耦合设备组成。图1为中压电力线阻抗测试系统阻抗测试与阻抗动态匹配调整流程图，中压载波通讯终端检测发送电压、电流，并由SOC控制模块分析处理，推算10kV中压电力线阻抗状态，根据最大发送功率匹配要求，由SOC控制模块控制继电器控制模块动态调整阻抗匹配网络；中压信号耦合设备用于隔离中压电力线路的高压，并提供给中压载波通讯终端通信接口。本发明保持载波功率的最大发送，提高中压载波通讯系统的可靠性。
如图2所示，所述中压载波通讯设备包括开关电源模块、高性能SoC控制模块、扫频信号发送模块、载波发送模块、载波接收模块、载波发送电压-电流检测模块、载波耦合模块、阻抗自适应匹配网络模块、继电器控制模块、4G/光纤/网络通信接口模块组成。
开关电源模块兼容交直流输入模式，交流电源输入电压范围90VAC～486VAC，直流电源输入范围20VDC～60VDC,可以兼容在变压器二次侧，PT二次侧，环网柜二次侧等不同安装场景的工作电压。开关电源输出隔离的12V，5V，3.3V，1.2V直流电压，以满足中压载波通讯设备不同功能模块的工作电源需求。
本发明所述高性能SoC控制模块所用SoC处理器为XILINX XC7Z020,由两颗ARM A9核和一颗FPGA核心Artix-7集成的高性能，低功耗处理器，具备强大的数据运算处理能力。
本发明所述扫频信号发送模块可由高性能SoC控制模块控制进行单一频点载波信号发送，也可进行40kHz-40MHz的扫频信号发送功能。
本发明所述载波发送模块直接接收扫频信号发送模块的小信号，并进行载波信号放大处理，放大发送电路由4颗ADI PA芯片ADA4870并联和功率合成电路组成，保证信号馈网功率的同时，保证信号无失真放大与传输。
本发明所述载波耦合模块为一个处理载波信号发送、载波信号接收，载波电压、电流信号采集的多端口网络，用于接收载波发送模块的载波信号和中压配电线路接收的载波信号。保证载波信号发送、接收信道隔离，互相不受影响。
本发明所述载波发送电压-电流检测模块，可直接采集载波发送电压U(t)和发送电流I(t)的幅度与相位信息，将采集的信号经FFT变换后得到的结果是复数，具有虚部和实部，对实部和虚部的平方和求平方根就是幅值；对实部和虚部的比求反正切就是相位。通过采集的电压、电流信息，可以得到载波耦合模块的输出端口阻抗特征信息ZO；
如以下公式所示，ak代表第k次谐波的实部，bk代表第k次谐波的虚部，N代表工频周波的数据点数，k代表谐波次数。
其中对实部和虚部的平方和求平方根得到端口阻抗的幅值；
对实部和虚部的比求反正切就是相位
电子技术工程的实际应用中，很多电路都是通过端口和外部电路相连的，例如耦合电路、滤波电路，都属于二端口网络，对于此类电路一般不考虑电路内部的情况，只对各个端口的功能及其特性予以研究。对于无源二端口网络的分析，是通过对二端口网络端口处的电压和电流特征，来规定一组参数来表征该二端口网络的性能，在分析问题过程中并不涉及网络内部电路的工作状况，由此给实际问题的分析和研究带来了极大的方便。同时利用相关参数和传递函数来评估比较不同二端口网络在传递信号方面的性能，评估相关信号质量，这就是二端口网络研究的意义。
常用的二端口网络参数有Z参数、Y参数、A参数和H参数，二端口网络的参数都是由二端口网络内部结构和元件参数所决定的常量，即这些参数仅取决于网络的内部结构、网络内部元件的参数和网络的使用频率，与外加电压、电流无关。在电力通信系统研究中，通常希望将自变量取在同一端口，便于问题的分析，所以A参数或T参数主要应用于电力和通信系统中或有不同的二端口级联构成的电路系统中，本发明专利就是应用两个二端口网络级联的原理，通过二次侧的端口阻抗推算10kV配电线路侧的线路阻抗特征。
如图3所示为二端口网络的简化示意图。
取U2、-I2为自变量，取U1、I1为因变量，则
得到A参数(T参数)矩阵为：
其中
对于一个复杂的电路系统，在二端口电路应用时，必要要将若干个二端口网络联接成一个完整的系统功能电路，二端口网络常见的联接方式之一就是级联，即一个二端口的输入和另外一个二端口的输出直接相连，即复合二端口网络如图4所示。
如果已知P1，P2的T参数分别为[T']和[T”]，则有
级联时有：
可见：对于由级联形成的复合二端口，其T参数为：
[T]＝[T'][T”]
对应到本发明专利中，T'代表阻抗自适应匹配网络的传输函数；T”代表中压信号耦合设备的传输函数，由于阻抗自适应匹配网络和中压信号耦合设备内部均为无源器件，相关器件参数和器件的频率特性为已知，可以预先计算出T'，T”的参数。由于载波耦合模块发送电压、电流参数已知，T'，T”无源二端口网口的参数已知，依照级联复合二端口的传输函数公式，结合高性能SoC处理器强大的数字运算处理能力，即可推算出10kV线路的等效阻抗ZL.
根据最大功率传输定理，当负载阻抗等于含源单口网络输出阻抗的共轭复数时，负载可以获得最大的平均功率。
结合二端口网络特性 |ZL|＝[T'][T”]|Zk|
其中：
T'代表阻抗自适应匹配网络的传输函数；
T”代表中压信号耦合器设备的传输函数；
ZL代表10kV线路侧的复阻抗；
Zk代表载波耦合器模块载波发送端口采集计算到的复阻抗；
根据此原理，SoC控制器可根据计算得到的10kV线路端口阻抗，来控制继电器控制模块，调整阻抗自适应匹配网络的网口参数，使载波耦合模块发送阻抗等于或者接近10kV线路阻抗，以保证中压载波通讯设备处于最大功率输出状态，保证载波通讯成功率及系统通讯可靠性。
综上所述，本发明应用中压载波设备检测10kV配电线路阻抗的测试方法，并结合对相关阻抗数据的分析，作为动态调整阻抗匹配网络的调整入口条件，从而保证中压载波设备具备对10kV配电线路的阻抗自适应能力，达到实时的阻抗精准匹配，保证中压载波设备的馈网功率，提高中压载波通讯系统的通信质量与系统稳定性。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统，其特征在于，所述系统包括：中压载波通讯设备和中压信号耦合设备，所述中压载波通讯设备包括开关电源模块、高性能SoC控制模块、扫频信号发送模块、载波发送模块、载波接收模块、载波发送电压-电流检测模块、载波耦合模块、阻抗自适应匹配网络模块、继电器控制模块、4G/光纤/网络通信接口模块组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统，其特征在于，所述开关电源模块用于产生系统正常工作所需要的不同电压等级的直流电源；
所述高性能SoC控制模块控制扫频信号发送模块产生特定载波信号；
所述扫频信号发送模块发送小信号给载波发送模块；可以根据程序控制，产生单独的载波信号，也可以产生宽频带扫频信号，以实现阻抗测试系统对配电线路在不同频带范围内的阻抗分析；
所述载波发送模块将小信号载波信号放大，发送至载波耦合模块；
所述载波接收模块用于接收配电线路上不同中压载波通讯节点终端设备发送的载波信号，实现载波通讯功能；
所述载波发送电压-电流检测模块负责采集载波发送的电压、电流幅值及相位信息，并将采集结果传到高性能SoC控制模块进行处理，最后由高性能SoC控制模块计算得到载波耦合模块端口等效阻抗大小及负载的阻容感属性；
所述载波耦合模块负责处理载波收发信号信道隔离，并提供发送电压、电流信号采样接口；
所述阻抗自适应匹配网络模块由继电器控制模块控制，用于实现载波耦合模块与中压配电线路之间的阻抗匹配；
所述继电器控制模块由双继电器控制网络实现4个档位的阻抗匹配切换功能，可以满足10Ω～300Ω宽阻抗范围内的匹配自适应功能；
所述4G/光纤/网络通信接口模块负责将中压载波通讯终端采集信息配合不同应用场景，以不同的通讯方式将采集信息传回主站系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统，其特征在于，所述中压信号耦合设备由内置隔离变压器模块、防雷模块、高压电容隔离模块组成，并由该三个功能模块组成一个高通滤波网络，可以有效隔离10kV工频电压，并提供低压设备的通信接口。
4.根据权利要求1所述的一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统，其特征在于，基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统所采集的中压信号耦合设备高压接线端子位置的10kV配电线路阻抗，一方面可以应用于对线路阻抗的实时分析，作为对阻抗自适应匹配网络调整的参数依据，保证中压载波通讯终端的最大发送效率，提高中压载波通讯可靠性；另一方面所采集分析数据可以通过4G无线通信，光通信，网络通信等接口传输回主站系统，便于对10kV配电线路信道特征的实时分析监控。
5.根据权利要求1所述的一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统，其特征在于，基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统可以根据设计需求采集10kV单相或10kV三相的线路特征参数，正常通讯应用场景下，只需接单相中压信号耦合器设备，满足阻抗自适应匹配通讯需求；如果三相都安装中压信号耦合器设备，则可以实现对10kV三相配电线路的阻抗状态监控功能。
6.根据权利要求1所述的一种基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统，其特征在于，基于中压载波通讯装置的中压电力线阻抗测试系统应用中压载波设备检测10kV配电线路阻抗的测试方法，并结合对相关阻抗数据的分析，作为动态调整阻抗匹配网络的调整入口条件，从而保证中压载波设备具备对10kV配电线路的阻抗自适应能力，达到实时的阻抗精准匹配，保证中压载波设备的馈网功率，提高中压载波通讯系统的通信质量与系统稳定性。
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