CN113890570A - 一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统及通信方法，包括第一串/并转换模块，其特征在于：所述第一串/并转换模块的输出端与编码映射模块的输入端连接，所述编码映射模块的输出端与IFFT的输入端连接，所述IFFT的输出端与并/串转换模块的输入端连接，所述并/串转换模块的输出端与D/A变换模块的输入端连接，所述D/A变换模块的输出端与第一LPF模块的输入端连接，所述第一LPF模块的输出端与上变频模块的输入端连接，所述上变频模块的输出端与电力线通道的输入端连接，所述电力线通道的输出端与下变频模块的输入端连。本发明，可以有效的解决现有技术中电力载波电路的工作状态控制，减少线路衰减影响通信距离和通信质量的问题。

Description

一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及直流微电网以及直流系统技术领域，具体是一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统及通信方法。

背景技术

电能路由器是指一种可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制的设备；作为配电网中分布式电源、无功补偿设备、储能设备、负荷等的智能接口，应该在保证电能质量的前提下，灵活地管理区域电网内部及整个配电网中的动态电能。与信息技术的融合使电能路由器拥有通讯和智能决策能力，可根据网络运行状态以及用户和控制中心的指令，实现对电力网络能量流的主动管理。

在接入了分布式电源的配电系统中，不同的分布式电源、同一分布式电源在不同时刻具有多种不同供电能力和供电电能质量；同时，负荷侧电力用户的各种负载对电源的供电能力及电能质量的需求也不尽相同。如何实现电源与负载的匹配运行，建立一个电源与负载协调运行的电力网络控制系统势在必行。电能路由器的概念及其能量管理方法，是为解决上述问题而提出的，电能路由器的控制目标是实现电源与负载的最优化匹配运行。

电力线载波通信是指利用电力线这种介质作为信道来进行载波通信的种通信技术，它是在电力系统中所特有的一种通信方式，不需另外架设通信线路，特别适用于以电力系统各发电厂、变电所和开关站为对象的电力系统调度电话、远动，以及在被保护的电力线路两端间传送保护信息和的远方保护系统。其在经济性、便利性等方面都优于其他通信方式。从20世纪40年代开始，高压电力线载波技术就开始应用在我国的长距离电力调度的通信之中，其相关技术不断进步，已经发展成为可以传输数据、语音、视频和电力为一线的“四网合一”的通信技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统及通信方法，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统及通信方法，包括第一串/并转换模块，所述第一串/并转换模块的输出端与编码映射模块的输入端连接，所述编码映射模块的输出端与IFFT的输入端连接，所述IFFT的输出端与并/串转换模块的输入端连接，所述并/串转换模块的输出端与D/A变换模块的输入端连接，所述D/A变换模块的输出端与第一LPF模块的输入端连接，所述第一LPF模块的输出端与上变频模块的输入端连接，所述上变频模块的输出端与电力线通道的输入端连接，所述电力线通道的输出端与下变频模块的输入端连，所述下变频模块的输出端与第二LPF模块的输入端连接，所述第二LPF模块的输出端与A/D变换模块的输入端连接，所述A/D变换模块的输出端与串/并转换模块的输入端连接，所述串/并转换模块的输出端与FFT的输入端连接，所述FFT的输出端与译码映射模块的输入端连接，所述译码映射模块的输出端与第二串/并转换模块输出端连接。

优选的，所述并/串转换模块中包括保护隔离模块，所述串/并转换模块中包括保护隔离模块。

一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统的通信方法，包括一下步骤：

S1：将发送端输入的串行数据经过串并变换器变成多路并行信号；

S2：将各路信号分别进行基带调制，通过快速傅立叶反变化，将基带信号调制到各个子载波上；

S3：在OFDM信号中加入保护间隔，再将并行信号转为串行信号；

S4：经过数模转化器把数字信号转变为模拟信号后，通过射频电路将信号发射出去；

S5：通过载波通道后，接收端通过一系列相反的变换恢复出原始数据，从而实现高速数据传输。

优选的，还包括电能路由器与分布式电源和分布式电源及储能单元电力载波通信，其包括以下步骤：

S1：电能路由器与分布式电源和分布式电源及储能单元成功建立连接；

S2：电能路由器首先向分布式电源和分布式电源及储能单元发出电缆线是否连接正确的信息；

S3：分布式电源和分布式电源及储能单元收到信息后，根据系统内部的电压大小进行判断，如果连接顺利开始下一步工作；如果没有正确连接，那么电能路由器会提示连接错误；在电缆线连接正确后，电能路由器向分布式电源和分布式电源及储能单元发出用电请求；

S4：分布式电源和分布式电源及储能单元会请求电能路由器传递有功功率和无功功率等数据，并且在用电过程中保持这些数据的动态传输，使电能路由器能够灵活和精准地调节电压电流。

优选的，还包括电力载波设备自适应运行，所述电力载波设备自适应运行包括接收数据、通信信道质量估计、自适应算法选择运行参数、调整运行参数和发送数据，所述接收数据与通信信道质量估计连接，所述通信信道质量估计与自适应算法选择运行参数连接，所述自适应算法选择运行参数与调整运行参数连接，所述调整运行参数与发送数据连接。

优选的，电力载波设备自适应运行方法包括以下步骤：

S1：通信信道质量估计：确定合适的物理量，采用导频信号的算法，对信道的传递函数直接做估计；物理量包括信噪比、比特误码率、误帧率，结合误比特率和误帧率作为通道质量估计参数，自适应模块根据需要测量载波通道通信质量，设置门限值，当通信质量低于门限值时，电力载波设备根据需要改变通信参数，以改变通信质量；

S2：自适应算法选择运行参数：获得当前载波通道的质量状况后，自适应算法来改变设备的运行参数，可以改变的参数有波特率、发送频率、发送功率、阻抗等。选择最佳的运行参数，在限定条件下电力载波设备的运行能力有限，从历史记录中选择较优的参数组合。对每个参数的组合都进行载波通信质量的检测，从测得的通信质量中选择最优的一组作为新的运行参数，从而达到自适应运行

S3：调整运行参数：当确定最佳运行参数后，电能路由器电力载波设备根据通信协议发送相应控制信息，通知相应的电力载波设备，一段的时间内采用此组参数来进行通信，直到下一个自适应调整过程。

直流电能路由器通信方法，包括：直流电能路由器之间的相互通信，与各分布式电源的通信，与负荷的之间的通信，与储能单元之间的通信，满足供电形式多样性和能量多向流动以及功率流的主动调控等要求，使得微电网在并网和形成孤岛时能够保持微电网系统的稳定；分布式能源接入电能路由器的接口，通过电力载波实时通信，实现即插即用；在电力线上实现电力线载波通信，需要根据电力线介质的特点采用合适的调制技术及相应的编码、均衡、同步及自适应技术，将载有信息的高频信号加载到电力线上；电力载波通信加入电能路由器的结构和功能之中，电能路由器是指一种可完成能量的多向流动能力和对功率流的自动操控的设备；作为配电网中分布式电源、无功补偿设备、储能设备、负荷等的智能接口，应该在确保电能质量的前提下，灵敏地管理区域电网内部及整个配电网中的动态电能；电力载波通信技术可以不用单独的架设网络实现信号传递，不会给当前得电力系统带来额外的压力，做好电力载波通信在电能路由器上的应用，使得微电网系统更为智能且高效；电力载波通信是将整个信息传递分为十个步骤，在传输系统中，对应的设备完成相应的工作，能将各个分布式电源、负载的信息能够准确的传递到电能路由器，包括分布式电源电压、电流、功率、设备是否故障等；然后电能路由器会针对这些信息，做出相应的反馈；电能路由器电力载波设备自适应，电力载波设备的自适应运行定义为，当电力线载波通道发生变化时，载波设备为了达到更好的载波通信能力，在了解其当前的运行参数的基础上，改变其运行参数，以对抗外部变化引起的通信质量衰落，使得载波设备的通信性能能够保持不变甚至得到提高；电能路由器根据电力母线参数确定载波频率，生成和确定的载波频率对应的配置指令，包括：根据电力母线的参数生成模型，确定载波频率对应的载波频率范围；电能路由器将生成的配置指令发送至电力载波模块电路，使电力载波模块根据配置指令配置其工作状态，电能路由器收到反馈指令，根据反馈指令选取最优的载波频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：电能路由器在控制电力载波频率的时，考虑不同的母线的特征参量，根据反馈指令寻找最优电力载波频率，进而对电力载波模块电路进行控制，这种控制方式可以有效的解决现有技术中电力载波电路的工作状态控制，减少线路衰减影响通信距离和通信质量的问题。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是直流微电网中配网的电能路由器的结构示意图；

图2是本发明的电能路由器电力载波通信原理图；

图3为电力载波设备自适应运行的实现图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明实施例中，一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统及通信方法，包括第一串/并转换模块，所述第一串/并转换模块的输出端与编码映射模块的输入端连接，所述编码映射模块的输出端与IFFT的输入端连接，所述IFFT的输出端与并/串转换模块的输入端连接，所述并/串转换模块的输出端与D/A变换模块的输入端连接，所述D/A变换模块的输出端与第一LPF模块的输入端连接，所述第一LPF模块的输出端与上变频模块的输入端连接，所述上变频模块的输出端与电力线通道的输入端连接，所述电力线通道的输出端与下变频模块的输入端连，所述下变频模块的输出端与第二LPF模块的输入端连接，所述第二LPF模块的输出端与A/D变换模块的输入端连接，所述A/D变换模块的输出端与串/并转换模块的输入端连接，所述串/并转换模块的输出端与FFT的输入端连接，所述FFT的输出端与译码映射模块的输入端连接，所述译码映射模块的输出端与第二串/并转换模块输出端连接。

优选的，所述并/串转换模块中包括保护隔离模块，所述串/并转换模块中包括保护隔离模块。

一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统的通信方法，包括一下步骤：

S1：将发送端输入的串行数据经过串并变换器变成多路并行信号；

S2：将各路信号分别进行基带调制，通过快速傅立叶反变化，将基带信号调制到各个子载波上；

S3：在OFDM信号中加入保护间隔，再将并行信号转为串行信号；

S4：经过数模转化器把数字信号转变为模拟信号后，通过射频电路将信号发射出去；

S5：通过载波通道后，接收端通过一系列相反的变换恢复出原始数据，从而实现高速数据传输。

优选的，还包括电能路由器与分布式电源和分布式电源及储能单元电力载波通信，其包括以下步骤：

S1：电能路由器与分布式电源和分布式电源及储能单元成功建立连接；

S2：电能路由器首先向分布式电源和分布式电源及储能单元发出电缆线是否连接正确的信息；

S3：分布式电源和分布式电源及储能单元收到信息后，根据系统内部的电压大小进行判断，如果连接顺利开始下一步工作；如果没有正确连接，那么电能路由器会提示连接错误；在电缆线连接正确后，电能路由器向分布式电源和分布式电源及储能单元发出用电请求；

S4：分布式电源和分布式电源及储能单元会请求电能路由器传递有功功率和无功功率等数据，并且在用电过程中保持这些数据的动态传输，使电能路由器能够灵活和精准地调节电压电流。

优选的，还包括电力载波设备自适应运行，所述电力载波设备自适应运行包括接收数据、通信信道质量估计、自适应算法选择运行参数、调整运行参数和发送数据，所述接收数据与通信信道质量估计连接，所述通信信道质量估计与自适应算法选择运行参数连接，所述自适应算法选择运行参数与调整运行参数连接，所述调整运行参数与发送数据连接。

优选的，电力载波设备自适应运行方法包括以下步骤：

S1：通信信道质量估计：确定合适的物理量，采用导频信号的算法，对信道的传递函数直接做估计；物理量包括信噪比、比特误码率、误帧率，结合误比特率和误帧率作为通道质量估计参数，自适应模块根据需要测量载波通道通信质量，设置门限值，当通信质量低于门限值时，电力载波设备根据需要改变通信参数，以改变通信质量；

S2：自适应算法选择运行参数：获得当前载波通道的质量状况后，自适应算法来改变设备的运行参数，可以改变的参数有波特率、发送频率、发送功率、阻抗等。选择最佳的运行参数，在限定条件下电力载波设备的运行能力有限，从历史记录中选择较优的参数组合。对每个参数的组合都进行载波通信质量的检测，从测得的通信质量中选择最优的一组作为新的运行参数，从而达到自适应运行

S3：调整运行参数：当确定最佳运行参数后，电能路由器电力载波设备根据通信协议发送相应控制信息，通知相应的电力载波设备，一段的时间内采用此组参数来进行通信，直到下一个自适应调整过程。

如图1：电能路由器与电力网成功建立连接后，电能路由器首先向电力网发出电缆线是否连接正确的信息，电力网收到信息后，根据系统内部的电压大小进行判断，如果连接顺利开始下一步工作；如果没有正确连接，那么电能路由器会提示连接错误；在电缆线连接正确后，电能路由器向电力网发出用电请求，然后，电力网会请求电能路由器传递有功功率和无功功率等数据，并且在用电过程中保持这些数据的动态传输，这样可以做好用电过程评价，智能化的选择用电时间和用电参数，有助于提升电能质量和效率。

如图2：在电力线上实现电力载波通信，需要根据电力线介质的特点而采用合适的调制技术及相应的编码、均衡、同步及自适应技术，将载有信息的高频信号加载到电力线上，用电力线进行数据传输，通过专门的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送至终端载波设备；

电能路由器电力载波通信采多载波正交频分多址技术，正交频分多址技术处理技术的实现也变的越来越简单和高效。多载波正交频分多址技术的原理是，把所需传输的高速的串行数据转换成若千个低速数据流，然后将这些并行的数据流调制在相互正交的子载波上，最后将这些子载波合并成一路，实现并行数据传输；

其具体实现为，先将发送端输入的串行数据经过串并变换器变成多路并行信号，然后将各路信号分别进行基带调制，通过快速傅立叶反变化，将基带信号调制到各个子载波上，在实际应用上，为了消除码间干扰，在OFDM信号中加入保护间隔，再将并行信号转为串行信号；经过数模转化器把数字信号转变为模拟信号后，通过射频电路将信号发射出去；在通过载波通道后，接收端通过一系列相反的变换恢复出原始数据，从而实现高速数据传输；

电能路由器与分布式电源和分布式电源及储能单元电力载波通信，其原理是由电能路由器与分布式电源和分布式电源及储能单元成功建立连接后，电能路由器首先向分布式电源和分布式电源及储能单元发出电缆线是否连接正确的信息，分布式电源和分布式电源及储能单元收到信息后，根据系统内部的电压大小进行判断，如果连接顺利开始下一步工作；如果没有正确连接，那么电能路由器会提示连接错误；在电缆线连接正确后，电能路由器向分布式电源和分布式电源及储能单元发出用电请求，然后，分布式电源和分布式电源及储能单元会请求电能路由器传递有功功率和无功功率等数据，并且在用电过程中保持这些数据的动态传输，使电能路由器能够灵活和精准地调节电压电流等；

电能路由器与负载电力载波通信，其通信原理与电能路由器和分布式电源及储能单元一致。

如图3：电力载波设备的自适应运行定义为，当电力线载波通道发生变化时，载波设备为了达到更好的载波通信能力，在当前的运行参数的基础上，改变其运行参数，以对抗外部变化引起的通信质量衰落，使得载波设备的通信性能能够保持不变甚至得到提高。电力线载波因为信道衰减、噪声干扰等方面的影响，其阻抗会随时间随机变化，严重影响载波通信的质量。为了解决这个问题，途径之一是对载波通信设备的负载阻抗实现自适应阻抗匹配，也就是对通信设备的阻抗进行实时测量，选择补偿电感或者电容的值来抵消电抗，从而让载波通信设备的负载维持在一个恒定值上；

电力载波设备自适应运行的实现，自动应答式载波通道测试系统可以动态的测量当前载波通道的通信质量，其功能包括调整物理层的通信参数，如频率、波特率来测量不同条件下，当前电力线载波通道的运行质量。因此，借鉴此功能的实现技术，在主站控制端载波设备。上拓展实现类似的功能模块，可以让其具有很好的自适应运行的能力。自适应技术主要分为三个部分：对变化情况的测量、估计或预测；所需改变参数的选择；给其它部分传递有关改变的消息；

自适应运行模块实现为由自适应模块接受数据，然后对通信信道质量的估计，自适应算法选择运行参数，自动调整运行参数，发送数据；

一、通信信道质量估计：信道估计确定合适的物理量，采用导频信号的算法，对信道的传递函数直接做估计。一些常用的物理量还有信噪比、比特误码率、误帧率等，根据实际需要，结合误比特率和误帧率作为通道质量估计参数，自适应模块根据需要测量载波通道通信质量，设置门限值，当通信质量低于门限值时，电力载波设备根据需要改变通信参数，以改变通信质量。

二、自适应算法选择运行参数：获得当前载波通道的质量状况后，自适应算法来改变设备的运行参数，可以改变的参数有波特率、发送频率、发送功率、阻抗等。选择最佳的运行参数，在限定条件下电力载波设备的运行能力有限，从历史记录中选择较优的参数组合。对每个参数的组合都进行载波通信质量的检测，从测得的通信质量中选择最优的一组作为新的运行参数，从而达到自适应运行；

三、自动调整运行参数：当确定最佳运行参数后，电能路由器电力载波设备根据通信协议发送相应控制信息，通知相应的电力载波设备，一段的时间内采用此组参数来进行通信，直到下一个自适应调整过程；

采用上述方法，使得直流微电网电能路由器实现持续、高效和安全地运行。

本发明的工作原理是：先将发送端输入的串行数据经过串并变换器变成多路并行信号，然后将各路信号分别进行基带调制，通过快速傅立叶反变化，将基带信号调制到各个子载波上，在实际应用上，为了消除码间干扰，在OFDM信号中加入保护间隔，再将并行信号转为串行信号；经过数模转化器把数字信号转变为模拟信号后，通过射频电路将信号发射出去；在通过载波通道后，接收端通过一系列相反的变换恢复出原始数据，从而实现高速数据传输。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统，包括第一串/并转换模块，其特征在于：所述第一串/并转换模块的输出端与编码映射模块的输入端连接，所述编码映射模块的输出端与IFFT的输入端连接，所述IFFT的输出端与并/串转换模块的输入端连接，所述并/串转换模块的输出端与D/A变换模块的输入端连接，所述D/A变换模块的输出端与第一LPF模块的输入端连接，所述第一LPF模块的输出端与上变频模块的输入端连接，所述上变频模块的输出端与电力线通道的输入端连接，所述电力线通道的输出端与下变频模块的输入端连，所述下变频模块的输出端与第二LPF模块的输入端连接，所述第二LPF模块的输出端与A/D变换模块的输入端连接，所述A/D变换模块的输出端与串/并转换模块的输入端连接，所述串/并转换模块的输出端与FFT的输入端连接，所述FFT的输出端与译码映射模块的输入端连接，所述译码映射模块的输出端与第二串/并转换模块输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统，其特征在于：所述并/串转换模块中包括保护隔离模块，所述串/并转换模块中包括保护隔离模块。

3.根据权利要求1所述的一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统的通信方法，其特征在于：包括一下步骤：

S1：将发送端输入的串行数据经过串并变换器变成多路并行信号；

S2：将各路信号分别进行基带调制，通过快速傅立叶反变化，将基带信号调制到各个子载波上；

S3：在OFDM信号中加入保护间隔，再将并行信号转为串行信号；

S4：经过数模转化器把数字信号转变为模拟信号后，通过射频电路将信号发射出去；

S5：通过载波通道后，接收端通过一系列相反的变换恢复出原始数据，从而实现高速数据传输。

4.根据权利要求3所述的一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统的通信方法，其特征在于：还包括电能路由器与分布式电源和分布式电源及储能单元电力载波通信，其包括以下步骤：

S1：电能路由器与分布式电源和分布式电源及储能单元成功建立连接；

S2：电能路由器首先向分布式电源和分布式电源及储能单元发出电缆线是否连接正确的信息；

S3：分布式电源和分布式电源及储能单元收到信息后，根据系统内部的电压大小进行判断，如果连接顺利开始下一步工作；如果没有正确连接，那么电能路由器会提示连接错误；在电缆线连接正确后，电能路由器向分布式电源和分布式电源及储能单元发出用电请求；

S4：分布式电源和分布式电源及储能单元会请求电能路由器传递有功功率和无功功率等数据，并且在用电过程中保持这些数据的动态传输，使电能路由器能够灵活和精准地调节电压电流。

5.根据权利要求3所述的一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统的通信方法，其特征在于：还包括电力载波设备自适应运行，所述电力载波设备自适应运行包括接收数据、通信信道质量估计、自适应算法选择运行参数、调整运行参数和发送数据，所述接收数据与通信信道质量估计连接，所述通信信道质量估计与自适应算法选择运行参数连接，所述自适应算法选择运行参数与调整运行参数连接，所述调整运行参数与发送数据连接。

6.根据权利要求5所述的一种直流微电网电能路由器电力载波通信系统的通信方法，其特征在于：电力载波设备自适应运行方法包括以下步骤：

S1：通信信道质量估计：确定合适的物理量，采用导频信号的算法，对信道的传递函数直接做估计；物理量包括信噪比、比特误码率、误帧率，结合误比特率和误帧率作为通道质量估计参数，自适应模块根据需要测量载波通道通信质量，设置门限值，当通信质量低于门限值时，电力载波设备根据需要改变通信参数，以改变通信质量；

S2：自适应算法选择运行参数：获得当前载波通道的质量状况后，自适应算法来改变设备的运行参数，可以改变的参数有波特率、发送频率、发送功率、阻抗等。选择最佳的运行参数，在限定条件下电力载波设备的运行能力有限，从历史记录中选择较优的参数组合。对每个参数的组合都进行载波通信质量的检测，从测得的通信质量中选择最优的一组作为新的运行参数，从而达到自适应运行

S3：调整运行参数：当确定最佳运行参数后，电能路由器电力载波设备根据通信协议发送相应控制信息，通知相应的电力载波设备，一段的时间内采用此组参数来进行通信，直到下一个自适应调整过程。

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