CN111929634B - 基于n线的信号注入拓扑识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于N线的信号注入拓扑识别装置及方法，包括：电源模块、MCU主控模块、与MCU主控模块连接的过零检测模块、HPLC模块、信号接收模块、信号注入模块以及485模块，该方案可以方便、快捷的接入到分支箱中，实现台区下分支箱和电能表的拓扑识别，方便故障点的排查、锁定，第一时间切断故障点电能供给，及时维修故障，确保电力正常、高效的供应，同时，也可有效的推进泛在电力物联网的快速发展。

Description

基于N线的信号注入拓扑识别装置及方法

技术领域

本发明涉及拓扑识别技术领域，尤其是涉及一种基于N线的信号注入拓扑识别装置及方法。

背景技术

2019年国家电网公司提出“三型两网、世界一流”的战略目标，“两网”是指：坚强智能电网、泛在电力物联网。泛在电力物联网围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。在全面感知挂网设备分布的过程中提出了很多新技术。如下专利提出了挂网设备拓扑识别技术。

中国发明专利CN109256856A，公开日2019年1月22日，基于电力线宽带载波(HPLC)实现的台区拓扑识别系统及方法，该专利采用系统由信号发送装置和信号接收终端组成，信号发送装置内置电力线宽带载波（HPLC）通信模块，安装在变压器根部；信号接收终端内置陷波器，阻断50Hz信号，通过特定频率信号，具有全网唯一的ID码，安装在分支箱和电表箱的进线或出线端。信号发送装置首先获得所有信号接收终端的ID码，发送信号，控制信号接收终端的状态，检测电流走向，根据电流走向，自动识别各分支箱和电表箱的父节点，从而得到整个台区的拓扑图。该专利提出了一种比较超前的拓扑识别技术，缺点在于：1）设计方法复杂，由于HPLC的带宽很宽，穿透能力强，很容易引起串扰，导致识别率大大降低；2）该方案通过给电力线注入特定频率的电流信号，通过多路开关进行切换。由于电力线为强电，在开关切换的过程中存在很大的冲击、浪涌，容易引起测量设备的损坏，存在安全隐患。3）设备现场接线繁琐，接线错误的概率很大，实施起来困难重重。

中国发明专利CN109873501A，公开日2019年6月11日，一种低压配电网拓扑自动识别方法，该专利利用用户侧表箱和分支箱的用电数据计算功率阶跃，利用聚类处理进行分支箱和用户侧表箱匹配，进而得出相对应的台区拓扑图。该方案的可以称为一种理想化的分析方法，该方案忽略了电网上的线损，计量设备自身的功率损耗等情况，所以计算出来的电能比对表很难形成一一对应的关系，从而难以得出实际的拓扑关系。

中国发明专利CN111262340A，公开日2020年6月9日，一种基于电力线载波N线电流监测的低压配网拓扑识别系统及方法，该专利的的拓扑识别装置是通过监听电力线N线上的载波信号完成分支拓扑识别的，是在现有的技术基础上，通过外加传感器、485通信电路和处理电路实现载波信号的监听、传输、处理任务，存在以下缺陷：1）集中器采用的是群发操作，每个表都能够收到指令，但只有ID对应的表才能识别集中器命令并返回应答帧，完成电能等数据的抄读；2）载波信号传感器进行信号监听的两步骤有缺陷，因为现阶段的载波信号都是电压信号，驮载在电力线上的，电表发出的回应信号在电力线上可以传播的范围能是无处不在的，所以电力线上的传感器都可以收到这样的信号，即无法起到准确识别的作用；3）对关键技术特征电流注入电路，未进行具体说明。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于N线的信号注入拓扑识别装置及方法，可准确定位位置信息，方便故障点的排查、锁定，确保电力正常、高效的供应。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于N线的信号注入拓扑识别装置， 包括：电源模块、MCU主控模块、与MCU主控模块连接的过零检测模块、HPLC模块、信号接收模块、信号注入模块以及485模块，所述的电源模块用来给各个模块提供电能，所述的过零检测模块用来监测市电过零点时刻，所述的HPLC模块完成信号的接收与发送，所述的信号注入模块用来发送拓扑识别特征电流信号，所述的信号接收模块用来接收特征电流信号，所述的485模块用来与同一分支箱内的电能表进行通信。

可选地，所述的信号注入模块包括，电源隔离模块，所述的电源隔离模块用来为后级传输能量，同时实现前级和后级强弱电隔离；与电源隔离模块连接的逻辑判断模块，与电源隔离模块、逻辑判断模块连接的光耦控制模块，所述的光耦控制模块用来将强、弱电隔离，同时将弱电端的控制信号作用到强电端控制强电电路动作；以及与光耦控制模块连接的继电器控制模块，所述的继电器控制模块用来控制强电侧的共用地。

可选地，所述的电源隔离模块由电容C1、芯片U1、电容C2、电容C3组成，所述芯片U1的引脚4和引脚5分别连接电源，引脚1和引脚7接地，所述的电容C1一端与芯片U1的引脚4连接，另一端接地，电容C2和电容C3一端与芯片U1的引脚5连接，另一端接地，所述的电容C1、电容C2为电解电容，用来储能、稳定波形，所述的电容C3为贴片电容，用来滤除杂波稳定电源波形，所述的芯片U1为隔离电源转化芯片，用来将弱电侧的电源转化为强电侧的电源。

可选地，所述的逻辑判断模块由电阻R1、电阻R2、电容C4和芯片U2组成，所述电阻R1一端与芯片U2的引脚2连接，另一端与电源连接，芯片U2的引脚3接地、引脚4与光耦控制模块连接、引脚5与电源连接，所述的电阻R2一端与芯片U2的引脚5连接，另一端与芯片U2引脚4连接，所述电容C4的一端与芯片U2的引脚5连接，另一端接地，所述的电阻R1和电阻R2为上拉电阻，所述的芯片U2为逻辑判断芯片。

可选地，所述的光耦控制模块由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻Rs1、电阻Rs2、电容C5、电容C6、电容C7、三极管Q1、MOS管N1、芯片U3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成，所述电阻R3的一端与电源连接，另一端与芯片U3的引脚1连接，所述电容C5一端与芯片U3的引脚1连接，另一端接地，所述芯片U3的引脚4接地，所述电阻R4的一端与芯片U3的引脚5连接，另一端与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的发射极与电源连接、集电极与MOS管N1的栅极连接，所述芯片U3的引脚6与电源连接、引脚4接地，所述电容C6一端与芯片U3的引脚6连接，另一端接地，所述MOS管N1的源极分别与电阻R6、电阻Rs1、电阻Rs2连接，所述MOS管N1的漏极分别与电容C7和电源连接，所述电阻R6的另一端与电容C7连接，所述电阻R6、电容C7形成RC串联滤波电路，所述电阻Rs1、电阻Rs2并联，电阻Rs1、电阻Rs2的另一端与二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4的正极连接，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4并联，所述的电阻R3、电阻R4、电阻R6为限流电阻，所述的电阻R5为下拉电阻，所述的MOS管N1为大功率MOS管，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4为单相导通二极管，所述的电阻Rs1、电阻Rs2选用大功率水泥电阻。

可选地，所述的继电器控制模块包括电阻R7、三极管QP1、二极管DP1、继电器RY1，所述电阻R7一端连接MCU主控模块，另一端与三极管QP1的基极连接，所述三极管QP1的集电极与二极管DP1的正极连接，所述三极管QP1的发射极接地，所述二极管DP1的负极连接电源，所述继电器RY1分别与二极管DP1的负极、三极管QP1的发射极连接。

第二方面，本发明提供了一种基于N线的信号注入拓扑识别方法，包括如下步骤：

S101：主站下发拓扑识别命令给集中器；

S102：集中器向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱（每个分支箱都有对应的唯一ID识别号）；

S103：HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析；

S104：MCU主控模块解析判断是否为拓扑识别命令，若不是拓扑识别命令，重复步骤S103；若为拓扑识别命令，则接收拓扑识别命令，进行下一步；

S105：MCU主控模块使能继电器动作，同时控制逻辑判断模块并监测过零点信号；

S106：MCU主控模块是否监测到过零点信号，若监测到过零点信号，则触发信号注入模块工作，完成特征电流信号注入；若未监测到过零点信号，重复步骤S105；

S107：检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱；

S108：从接收到的分支箱中逐一选择作为特征信号发送模块；

S109：重复上述步骤S106~ S108，逐一遍历完成，形成同一台区下分支箱的拓扑图。

可选地，所述的S106中的MCU主控模块监测到过零点信号，触发信号注入模块工作，完成特征电流信号注入，包括如下步骤：

S601：MCU主控模块监测到过零点信号后，光耦控制模块工作，使能三极管Q1、MOS管N1，规定特征信号发送的阈值时间为T，实际发送时间为t；

S602：控制MOS管N1的开关频率向N线注入特征信号；

S603：判断特征信号的实际发送时间t和阈值时间T的大小，若实际发送时间t小于阈值时间T，则重复步骤602；若实际发送时间t大于阈值时间T，则进入下一步，检测信号接收模块，即步骤S107。

可选地，作为优选，所述的阈值时间T的取值范围为1ms~20ms；实际发送时间t的取值范围为200us~400us。

可选地，本发明提供了一种基于N线的信号注入拓扑识别方法，包括如下步骤：

S201：主站下发拓扑识别命令给集中器；

S202：集中器向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱（每个分支箱都有对应的唯一ID识别号）；

S203：HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析；

S204：MCU主控模块解析判断是否为拓扑识别命令，若不是拓扑识别命令，重复步骤S203；若为拓扑识别命令，则接收拓扑识别命令，进行下一步；

S205： MCU主控模块使能继电器动作，同时控制逻辑判断模块并监测过零点信号；

S206： MCU主控模块是否监测到过零点信号，若监测到过零点信号，则触发信号注入模块工作，完成特征电流信号注入；若未监测到过零点信号，则直接发出特征电流注入信号，完成特征电流信号注入；

S207：检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱；

S208：从接收到的分支箱中逐一选择作为特征信号发送模块；

S209：重复上述步骤S206~ S208，逐一遍历完成，形成同一台区下分支箱的拓扑图。

可选地，所述的S206中的MCU主控模块监测到过零点信号，触发信号注入模块工作，完成特征电流信号注入，包括如下步骤：

S601：MCU主控模块监测到过零点信号后，光耦控制模块工作，使能三极管Q1、MOS管N1，规定特征信号的发送时间为T，实际发送时间为t；

S602：控制MOS管N1的开关频率向N线注入特征信号；

S603：判断特征信号的实际发送时间t是否大于发送时间T，若大于，则重复步骤602；若小于，则进入下一步，检测信号接收模块，即步骤S207。

可选地，作为优选，所述的阈值时间T的取值范围为1ms~20ms；实际发送时间t的取值范围为200us~400us。

可选地，本发明还提供了一种基于N线的信号注入拓扑识别方法，包括如下步骤：

S301：主站下发拓扑识别命令给集中器；

S302：集中器向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱（每个分支箱都有对应的唯一ID识别号）；

S303：HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析；

S304：MCU主控模块解析判断是否为拓扑识别命令，若不是拓扑识别命令，重复步骤S303；若为拓扑识别命令，则接收拓扑识别命令，发出特征电流注入信号，完成特征电流信号注入；

S305：检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱；

S306：从接收到的分支箱中逐一选择作为特征信号发送模块；

S307：重复上述步骤S305~ S306，逐一遍历完成，形成同一台区下分支箱的拓扑图。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供的基于N线的信号注入拓扑识别装置及方法，采用MCU主控模块和逻辑判断模块，双重逻辑控制，提高了复杂环境中设备的安全性、可靠性；该方案的特征电流的注入一致采用N线信号注入技术，减少成本投入的同时提高了安全性；该方案可以方便、快捷的接入到分支箱中，实现台区下分支箱和电能表的拓扑识别，方便故障点的排查、锁定，第一时间切断故障点电能供给，及时维修故障，确保电力正常、高效的供应；本发明采用的设计方案巧妙，多种识别方法都可以实现；同时，也可有效的推进泛在电力物联网的快速发展。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于N线的信号注入拓扑识别装置的拓扑识别装置整体框图；

图2为本发明实施例提供的基于N线的信号注入拓扑识别装置的信号注入模块电路图；

图3为本发明实施例提供的基于N线的信号注入拓扑识别方法的第一种拓扑识别过程流程图；

图4为本发明实施例提供的基于N线的信号注入拓扑识别方法的第二种拓扑识别过程流程图；

图5为本发明实施例提供的基于N线的信号注入拓扑识别方法的一种特征电流信号注入方法流程图；

图6为本发明实施例提供的基于N线的信号注入拓扑识别方法的第三种拓扑识别过程流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于N线的信号注入拓扑识别装置的拓扑识别装置整体框图，如图1所示，包括：电源模块、MCU主控模块、与MCU主控模块连接的过零检测模块、HPLC模块（HPLC：High PowerLine Carrier，高速电力线载波，也称为宽带电力线载波，电力线宽带载波）、信号接收模块、信号注入模块以及485模块，所述的电源模块用来给各个模块提供电能，所述的过零检测模块用来监测市电过零点时刻，如：监测220V市电过零点时刻，所述的HPLC模块完成信号的接收与发送，所述的过零检测模块与HPLC模块配合完成触发信号发送机制的功能，所述的信号注入模块用来发送拓扑识别特征电流信号，所述的信号接收模块用来接收特征电流信号，所述的信号接收模块包含特征电流感应传感器，亦即电流互感器，通过电流互感器与N线连接，所述的485模块用来与同一分支箱内的电能表进行通信，抄读标号信息及对应的电量等参数信号。

为了简化器件图中从A线和N线之间取电，如图1所示，实际还可以分别从B线和N线，C线和N线上取电，但特征电流信号注入的对象一致，都是从N线上注入的。

信号注入模块的电路图如图2所示，包括，电源隔离模块、逻辑判断模块、光耦控制模块以及继电器控制模块。

电源隔离模块用来为后级传输能量，同时实现前级和后级强弱电隔离。如图2所示，由电容C1、芯片U1、电容C2、电容C3组成，所述芯片U1的引脚4和引脚5分别连接电源，引脚1和引脚7接地，所述的电容C1一端与芯片U1的引脚4连接，另一端接地，电容C2和电容C3一端与芯片U1的引脚5连接，另一端接地，所述的电容C1、电容C2为电解电容，用来储能、稳定波形，所述的芯片U1为隔离电源转化芯片，用来将弱电侧的5V电源转化为强电侧的+5V电源，所述的电容C3为贴片电容，用来滤除杂波稳定电源波形，输出的电能为芯片U3和三极管Q1供电。

逻辑判断模块由电阻R1、电阻R2、电容C4和芯片U2组成，所述电阻R1一端与芯片U2的引脚2连接，另一端与电源连接，芯片U2的引脚3接地、引脚4与光耦控制模块连接、引脚5与电源连接，所述的电阻R2一端与芯片U2的引脚5连接，另一端与芯片U2引脚4连接，所述电容C4的一端与芯片U2的引脚5连接，另一端接地，所述的电阻R1和电阻R2为上拉电阻，确保常态下线路的电平维持在高电平，避免线路波动引起误动作，所述的电容C4为普通的贴片电容，起到稳定3.3V电源的作用，所述的芯片U2为逻辑判断芯片，本电路中的逻辑判断芯片U2为二输入一输出或门芯片；当芯片U2的引脚1和引脚2同时为低电平时，芯片U2的引脚4才能够输出低电平，即当主控芯片MCU使能芯片U2的引脚1（低电平有效），同时芯片U2的引脚2检测到AC 220V过零信号时（此时，芯片U2的引脚2为低电平有效），此时芯片U2的引脚4输出低电平，即芯片U2的引脚3变为低电平。

光耦控制模块是为了将强、弱电隔离，同时将弱电端的控制信号作用到强电端控制强电电路动作，由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻Rs1、电阻Rs2、电容C5、电容C6、电容C7、三极管Q1、MOS管N1、芯片U3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成。所述电阻R3的一端与电源连接，另一端与芯片U3的引脚1连接，所述电容C5一端与芯片U3的引脚1连接，另一端接地，所述芯片U3的引脚4接地，所述电阻R4的一端与芯片U3的引脚5连接，另一端与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的发射极与电源连接、集电极与MOS管N1的栅极连接，所述芯片U3的引脚6与电源连接、引脚4接地，所述电容C6一端与芯片U3的引脚6连接，另一端接地，所述MOS管N1的源极分别与电阻R6、电阻Rs1、电阻Rs2连接，所述MOS管N1的漏极分别与电容C7和电源连接，所述电阻R6的另一端与电容C7连接，所述电阻R6、电容C7形成RC串联滤波电路，可以吸收开关尖峰，降低尖峰电压对MOS管N1的冲击，所述电阻Rs1、电阻Rs2并联，电阻Rs1、电阻Rs2的另一端与二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4的正极连接，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4并联，所述的三极管Q1为普通三极管，优选开关频率高的三极管，所述的芯片U3为TLP116A高速光耦芯片，开关速率可达到20 Mbit/s，所述的电阻R3、电阻R4、电阻R6为限流电阻，所述的电阻R5为下拉电阻，确保常态下，三极管Q1的集电极为低电平，所述的MOS管N1为大功率N型MOS管，在本电路中用作开关，当三极管Q1的集电极为低电平时，MOS管N1处于为导通状态，此时无电流经电阻Rs1、电阻Rs2流入N线；当芯片U3的引脚3为低电平时，芯片U3的引脚1和引脚3导通，引脚5输出低电平，三极管Q1导通，MOS管N1的引脚1变为高电平，MOS管N1导通，这时有电流经过电阻Rs1、电阻Rs2流入N线，从而实现特性信号的注入，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4为单相导通二极管，可以控制电压的单相导通特性，阻止220V强电侧电压留有24V电压侧，所述的电阻Rs1、电阻Rs2选用大功率水泥电阻，用来通过大电流信号。

所述的继电器控制模块包括电阻R7、三极管QP1、二极管DP1、继电器RY1，所述电阻R7一端连接MCU主控模块，另一端与三极管QP1的基极连接，所述三极管QP1的集电极与二极管DP1的正极连接，所述三极管QP1的发射极接地，所述二极管DP1的负极连接电源，所述继电器RY1分别与二极管DP1的负极、三极管QP1的发射极连接。继电器控制模块用来控制强电侧的共用地，当MCU检测到终端发来的拓扑识别命令后，通过发出控制命令作用于继电器电路，即电阻R7的左侧，电气连接标号为RLYON。当RLYON为高电平时，三极管QP1导通，此时继电器RY1动作，使得大地端Ground作为强电侧共用的地。此外，需要注意的是24V电压也是通过隔离变压器过来的，具有大的输出功率，它的地通过继电器RY1来控制，与强电侧地同步切换。

通过以上设计可以看到，本发明采用MCU主控模块和逻辑判断模块，双重逻辑控制，提高了复杂环境中设备的安全性、可靠性；该方案的特征电流的注入一致采用N线信号注入技术，减少成本投入的同时提高了安全性；通过对MOS管N1开关频率的控制，有效的将特征电流信号注入到电网的N线当中，在通过接收端的有效处理，即安全又能够有效的实现拓扑识别功能，本发明采用的设计方案巧妙，多种识别方法都可以实现，为泛在物联网建设提供创造性的引领技术。

为便于对本实施例进行理解，对本发明实施例所公开的一种基于N线的信号注入拓扑识别方法进行详细介绍。

实施例一：

一种基于N线的信号注入拓扑识别方法，具体的拓扑识别过程流程图如图3和图5所示，包括如下步骤：

S101：主站下发拓扑识别命令给集中器；

S102：集中器向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱；

S103：HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析；

S104：MCU主控模块解析判断是否为拓扑识别命令，若不是拓扑识别命令，重复步骤S103；若为拓扑识别命令，则接收拓扑识别命令，进行下一步；

S105： MCU主控模块使能继电器动作，同时控制逻辑判断模块并监测（220V AC）过零点信号；

S106：MCU主控模块是否监测到过零点信号，若监测到过零点信号，则触发信号注入模块工作，完成特征电流信号注入；若未监测到过零点信号，重复步骤S105；

S107：检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱；

S108：从接收到的分支箱中逐一选择作为特征信号发送模块；

S109：重复上述步骤S106~ S108，逐一遍历完成，形成同一台区下分支箱的拓扑图。

所述的步骤106，MCU主控模块监测到过零点信号，触发信号注入模块工作，完成特征电流信号注入，具体包括如下步骤：

S601：MCU主控模块监测到过零点信号后，光耦控制模块工作，使能三极管Q1、MOS管N1（如：芯片U2的引脚2输入变为低电平，此时芯片U2的引脚4输出低电平，使得芯片U3的引脚5输出低电平，三极管Q1导通，紧接着MOS管N1导通），规定特征信号发送的阈值时间为T，实际发送时间为t，阈值时间T的取值范围为1ms~20ms；实际发送时间t的取值范围为0~2ms ，本实施例中实际发送时间t的优选范围为200us~400us；

S602：控制MOS管N1的开关频率向N线注入特征信号；

S603：判断特征信号的实际发送时间t和阈值时间T的大小，若实际发送时间t小于阈值时间T，则重复步骤602；若实际发送时间t大于阈值时间T，则进入下一步，检测信号接收模块，即步骤S107。

实施例二：

一种基于N线的信号注入拓扑识别方法，具体的拓扑识别过程流程图如图4和图5所示，包括如下步骤：

S201：主站下发拓扑识别命令给集中器；

S202：集中器向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱；

S203：HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析；

S204：MCU主控模块解析判断是否为拓扑识别命令，若不是拓扑识别命令，重复步骤S203；若为拓扑识别命令，则接收拓扑识别命令，进行下一步；

S205： MCU主控模块使能继电器动作，同时控制逻辑判断模块并监测（220V AC）过零点信号；

S206： MCU主控模块是否监测到过零点信号，若监测到过零点信号，则触发信号注入模块工作，完成特征电流信号注入；若未监测到过零点信号，则直接发出特征电流注入信号，完成特征电流信号注入；

S207：检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱；

S208：从接收到的分支箱中逐一选择作为特征信号发送模块；

S209：重复上述步骤S206~ S208，逐一遍历完成，形成同一台区下分支箱的拓扑图。

所述的步骤206，MCU主控模块监测到过零点信号，触发信号注入模块工作，完成特征电流信号注入，具体包括如下步骤：

S601：MCU主控模块监测到过零点信号后，光耦控制模块工作，使能三极管Q1、MOS管N1（如：芯片U2的引脚2输入变为低电平，此时芯片U2的引脚4输出低电平，使得芯片U3的引脚5输出低电平，三极管Q1导通，紧接着MOS管N1导通），规定特征信号发送的阈值时间为T，实际发送时间为t，阈值时间T的取值范围为1ms~20ms；实际发送时间t的取值范围为0~2ms ，本实施例中实际发送时间t的优选范围为200us~400us；

S602：控制MOS管N1的开关频率向N线注入特征信号；

S603：判断特征信号的实际发送时间t和阈值时间T的大小，若实际发送时间t小于阈值时间T，则重复步骤602；若实际发送时间t大于阈值时间T，则进入下一步，检测信号接收模块，即步骤S107。

实施例三：

一种基于N线的信号注入拓扑识别方法，具体的拓扑识别过程流程图如图6所示，包括如下步骤：

S301：主站下发拓扑识别命令给集中器；

S302：集中器向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱（每个分支箱都有对应的唯一ID识别号）；

S303：HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析；

S304：MCU主控模块解析判断是否为拓扑识别命令，若不是拓扑识别命令，重复步骤S303；若为拓扑识别命令，则接收拓扑识别命令，发出特征电流注入信号，完成特征电流信号注入；

S305：检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱；

S306：从接收到的分支箱中逐一选择作为特征信号发送模块；

S307：重复上述步骤S305~ S306，逐一遍历完成，形成同一台区下分支箱的拓扑图。

检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱，其统计原理为，根据电流总是沿阻抗最小路线流向原理，该信号注入模块所在的分支箱所注入的特征电流信号会向着它的上级分支箱路径传输，所以该分支箱的上级分支箱都能收到该特征电流信号，而其下游的子分支箱不能接受到此特征电流信号。所以越靠近上级的分支箱，其上级分支箱越少，接收到它所发送的特征电流信号的分支箱就越少，从而复现分支结构，再通过简单的统计计算，完成拓扑识别。

一种基于N线的信号注入拓扑识别方法的工作过程，当主站下发拓扑识别命令给集中器后，集中器分时段向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱（每个分支箱都有对应的唯一ID识别号），HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析，当MCU响应该指令并解析得到该指令为拓扑识别指令时，接下来MCU先进行485模块供电电路电源的切换，当切换完成后，跳转到中断服务子程序中，监测电力线过零点信号，当MCU监测到过零点信号后，触发特征电流信号发送模块工作，完成特征电流信号注入。该线路上的上级分支箱N线均有特征电流流过，上级电路的特征电流接收模块均可接收到该信号，如此分级完成各级信号的发送与其上级信号的接收，如此整合确定不同分支箱之间的网络拓扑图，知道了分支箱的网络拓扑图，即可得出同一台区每块电能表的拓扑图。

集中器分时段向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱中时段的概念：集中器下发某一分支箱的ID信息，启动该分支箱模块发送特征电流信号。当某个分支箱模块识别到集中器发出的命令后，该分支箱模块向电力线注入特征电流注入信号，特征电流所经过的上级分支箱都安装有特征电流接收模块，这些模块都可以检测到处于分支下游的特征电流信号，并做事件记录，进而启动上游分支箱模块向它的上游分支箱发送特征电流信号，如此遍历性的得到事件记录，从而得到拓扑图，即可以实现该分支箱所处的分支图，完成这个过程所用的时间记为一个时段。集中器再向其它的分支箱发送命令启动其它分支箱的拓扑识别功能，如此完成整个台区下的所有分支箱的拓扑识别。

以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于N线的信号注入拓扑识别装置，其特征在于，包括：电源模块、MCU主控模块、与MCU主控模块连接的过零检测模块、HPLC模块、信号接收模块、信号注入模块以及485模块，所述的电源模块用来给各个模块提供电能，所述的过零检测模块用来监测市电过零点时刻，所述的HPLC模块完成信号的接收与发送，所述的信号注入模块用来发送拓扑识别特征电流信号，所述的信号接收模块用来接收特征电流信号，所述的485模块用来与同一分支箱内的电能表进行通信，所述的信号注入模块包括，电源隔离模块，所述的电源隔离模块用来为后级传输能量，同时实现前级和后级强弱电隔离；与电源隔离模块连接的逻辑判断模块，所述的逻辑判断模块是一个二输入一输出或门判断逻辑；与电源隔离模块、逻辑判断模块连接的光耦控制模块，所述的光耦控制模块用来将强、弱电隔离，同时将弱电端的控制信号作用到强电端控制强电电路动作；以及与光耦控制模块连接的继电器控制模块，所述的继电器控制模块用来控制强电侧的共用地。

2.根据权利要求1所述的一种基于N线的信号注入拓扑识别装置，其特征在于，所述的电源隔离模块由电容C1、芯片U1、电容C2、电容C3组成，所述芯片U1的引脚4和引脚5分别连接电源，引脚1和引脚7接地，所述的电容C1一端与芯片U1的引脚4连接，另一端接地，电容C2和电容C3一端与芯片U1的引脚5连接，另一端接地，所述的电容C1、电容C2为电解电容，用来储能、稳定波形，所述的电容C3为贴片电容，用来滤除杂波稳定电源波形，所述的芯片U1为隔离电源转化芯片，用来将弱电侧的电源转化为强电侧的电源。

3.根据权利要求1所述的一种基于N线的信号注入拓扑识别装置，其特征在于，所述的逻辑判断模块由电阻R1、电阻R2、电容C4和芯片U2组成，所述电阻R1一端与芯片U2的引脚2连接，另一端与电源连接，芯片U2的引脚3接地、引脚4与光耦控制模块连接、引脚5与电源连接，所述的电阻R2一端与芯片U2的引脚5连接，另一端与芯片U2引脚4连接，所述电容C4的一端与芯片U2的引脚5连接，另一端接地，所述的电阻R1和电阻R2为上拉电阻，所述的芯片U2为二输入一输出或门芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于N线的信号注入拓扑识别装置，其特征在于，所述的光耦控制模块由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻Rs1、电阻Rs2、电容C5、电容C6、电容C7、三极管Q1、MOS管N1、芯片U3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成，所述电阻R3的一端与电源连接，另一端与芯片U3的引脚1连接，所述电容C5一端与芯片U3的引脚1连接，另一端接地，所述芯片U3的引脚4接地，所述电阻R4的一端与芯片U3的引脚5连接，另一端与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的发射极与电源连接、集电极与MOS管N1的栅极连接，所述芯片U3的引脚6与电源连接、引脚4接地，所述电容C6一端与芯片U3的引脚6连接，另一端接地，所述MOS管N1的源极分别与电阻R6、电阻Rs1、电阻Rs2连接，所述MOS管N1的漏极分别与电容C7和电源连接，所述电阻R6的另一端与电容C7连接，所述电阻R6、电容C7形成RC串联滤波电路，所述电阻Rs1、电阻Rs2并联，电阻Rs1、电阻Rs2的另一端与二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4的正极连接，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4并联，所述的电阻R3、电阻R4、电阻R6为限流电阻，所述的电阻R5为下拉电阻，所述的MOS管N1为大功率MOS管，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4为单相导通二极管，所述的电阻Rs1、电阻Rs2选用大功率水泥电阻。

5.根据权利要求4所述的一种基于N线的信号注入拓扑识别装置，其特征在于，所述的继电器控制模块包括电阻R7、三极管QP1、二极管DP1、继电器RY1，所述电阻R7一端连接MCU主控模块，另一端与三极管QP1的基极连接，所述三极管QP1的集电极与二极管DP1的正极连接，所述三极管QP1的发射极接地，所述二极管DP1的负极连接电源，所述继电器RY1分别与二极管DP1的负极、三极管QP1的发射极连接。

6.一种基于N线的信号注入拓扑识别方法，采用权利要求5所述的一种基于N线的信号注入拓扑识别装置，其特征在于，包括如下步骤：

S101：主站下发拓扑识别命令给集中器；

S102：集中器向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱；

S103：HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析；

S104：MCU主控模块解析判断是否为拓扑识别命令，若不是拓扑识别命令，重复步骤S103；若为拓扑识别命令，则接收拓扑识别命令，进行下一步；

S105：MCU主控模块使能继电器动作，同时控制逻辑判断模块并监测过零点信号；

S106：MCU主控模块是否监测到过零点信号，若监测到过零点信号，光耦控制模块工作，使能三极管Q1、MOS管N1，规定特征信号发送的阈值时间为T，实际发送时间为t，控制MOS管N1的开关频率向N线注入特征信号，判断特征信号的实际发送时间t和阈值时间T的大小，若实际发送时间t小于阈值时间T，则重复控制MOS管N1的开关频率向N线注入特征信号，若实际发送时间t大于阈值时间T，则进入下一步，检测信号接收模块；若未监测到过零点信号，重复步骤S105；

S107：检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱；

S108：从接收到的分支箱中逐一选择作为特征信号发送模块；

S109：重复上述步骤S106~ S108，逐一遍历完成，形成同一台区下分支箱的拓扑图。

7.一种基于N线的信号注入拓扑识别方法，采用权利要求5所述的一种基于N线的信号注入拓扑识别装置，其特征在于，包括如下步骤：

S201：主站下发拓扑识别命令给集中器；

S202：集中器向电力线发送拓扑识别命令给对应的分支箱；

S203：HPLC模块接收到电力线发来的信息，通过解调传送给MCU主控模块进行进一步解析；

S204：MCU主控模块解析判断是否为拓扑识别命令，若不是拓扑识别命令，重复步骤S203；若为拓扑识别命令，则接收拓扑识别命令，进行下一步；

S205：MCU主控模块使能继电器动作，同时控制逻辑判断模块并监测过零点信号；

S206：MCU主控模块是否监测到过零点信号，若监测到过零点信号，光耦控制模块工作，使能三极管Q1、MOS管N1，规定特征信号发送的阈值时间为T，实际发送时间为t，控制MOS管N1的开关频率向N线注入特征信号，判断特征信号的实际发送时间t和阈值时间T的大小，若实际发送时间t小于阈值时间T，则重复控制MOS管N1的开关频率向N线注入特征信号，若实际发送时间t大于阈值时间T，则进入下一步，检测信号接收模块；若未监测到过零点信号，则直接发出特征电流注入信号，完成特征电流信号注入；

S207：检测信号接收模块，统计接收到特征信号的分支箱个数和地址，形成该分支箱的上级分支箱；

S208：从接收到的分支箱中逐一选择作为特征信号发送模块；

S209：重复上述步骤S206~ S208，逐一遍历完成，形成同一台区下分支箱的拓扑图。

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