CN114362177B - 一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，涉及智能电表技术领域，解决了现有户变拓扑关系识别抗干扰能力较差，信道占用时间长，影响电力线载波通信的技术问题。该方法包括将多频率特征电流信号的不同频率映射为不同的N位二进制码，并将多个N位二进制码编码形成特征码位；主站向智能电表、终端设备发送户变拓扑关系识别命令；智能电表接收到户变拓扑关系识别命令后，在电力线上产生特征码位对应的特征电流信号；终端设备收到户变拓扑关系识别命令后，对电力线上的特征码位进行检测，并将检测结果发送至主站；主站根据检测结果确定智能电表的户变拓扑关系。本发明降低了对电力线载波通信的影响，也提高了抗干扰能力。

Description

一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法
技术领域
本发明涉及智能电表技术领域，尤其涉及一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法。
背景技术
户变拓扑关系是台区内用电客户与变压器的连接关系，是线损分析、拓扑识别、故障定位的基础。准确的户变拓扑关系识别，能够提高线损分析的精细化程度、合理安排新增负荷、提升故障抢修效率，进一步促进智能电网深化应用业务的开展。
随着电力线载波通信技术的发展和用电信息采集系统的建设，低压配电台区户变拓扑关系识别主要有以下几种方法：基于台区信息相关性的方法，如工频过零序列相关性、电压曲线相关性等；基于电信号畸变的方法，包括工频电压畸变、工频电流畸变；基于大数据的方法，通过对采集的电能表电压、电流、用电量等数据，进行分析获取户变拓扑关系结果；基于特征电流的户变拓扑关系识别方法，电能表侧通过通断负载的方式产生特定频率的谐波电流实现户变拓扑关系的识别。其中，基于特征电流方法中，在电能表相线与零线之间加装恒阻负载通断模块或者恒流通断模块，通过控制负载通断规律，即可在电力线上馈送特定频率的谐波电流信号。
现有技术中，特征电流的产生，一般选取负载通断的中心频率为fc=833.3Hz，采样率fs=5000Hz，工频电流f0=50Hz，则馈入到电力线的谐波电流频率为f1=783.3Hz（833.3Hz-50Hz）和f2=883.3Hz（833.3Hz+50Hz）。恒阻负载特征电流时域波形如图1所示，其频谱特征如图2所示，恒流负载特征电流时域波形如图3所示。
特征电流的电流信号编码采用16位二进制信息，前8位为起始符[1 0 1 0 1 0 10]，用于解码时的信号同步，后8位为控制码[1 1 1 0 1 0 0 1]，可用来表示所携带信息，同时用于区分电网背景噪声，避免因噪声引起的误识别。控制码长度可变，可进一步扩展长度，增加发送信息。每一位二进制信息的发送时间为0.6s，当信息比特为1时，发送特征电流信号，当信息比特为0时，无特征电流信号发送。特征电流信号编码位示意如图4所示。
但现有电力线信道是噪声大、干扰强、衰落剧烈的快变化信道，当台区的电网干扰在833.3Hz附近时，无法正确同步和接收特征电流信号，特征电流抗干扰能力差。同时，特征电流的信道占用时间长，在不扩展控制码的条件下，一个节点发送完特征电流编码需要9.6s，每个节点至少发送一次。在发送特征电流信号时需要暂停载波通信，对以电力线载波为传输介质的本地通信网络产生严重影响。亟需一种新的特征电流信号产生方法用于户变拓扑关系识别。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
现有户变拓扑关系识别的特征电流信号抗干扰能力较差，信道占用时间长，影响电力线载波通信。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，以解决现有技术中存在户变拓扑关系识别的特征电流信号抗干扰能力较差，信道占用时间长，影响电力线载波通信的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，通过2N个不同频率的多频率特征电流信号进行户变拓扑关系识别，包括以下步骤：S100：将多频率特征电流信号的不同频率映射为不同的N位二进制码，并将多个所述N位二进制码编码形成特征码位；S200：主站向智能电表、终端设备发送户变拓扑关系识别命令；S300：所述智能电表接收到户变拓扑关系识别命令后，在电力线上产生所述特征码位对应的所述特征电流信号；S400：所述终端设备收到所述户变拓扑关系识别命令后，对所述电力线上的特征码位进行检测，并将检测结果发送至所述主站；S500：所述主站根据所述检测结果确定所述智能电表的户变拓扑关系；所述特征码位包括前导码、分隔码和信息码；所述多频率特征电流信号以采样率fs对工频电流采样，并通过不同频率的通断控制，在通断占空比为1:2条件下产生。
优选的，所述N的取值为2，所述多频率特征电流信号的中心频率分别为fc0=476.2Hz、fc1=666.7Hz、fc2=1111.1Hz、fc3=1666.7Hz，或fc0=303.3Hz、fc1=370.4Hz、fc2=416.7Hz、fc3=476.2Hz。
优选的，所述N的取值为3，所述多频率特征电流信号的中心频率分别为fc0=222.2Hz、fc1=256.4Hz、fc2=277.8Hz、fc3=303.3Hz、fc4=333.3Hz、fc5=370.4Hz、fc6=416.7Hz、fc7=476.2Hz。
优选的，所述前导码的长度为8个所述N位二进制码，通过两个或多个不同频率的所述特征电流信号进行交替发送。
优选的，所述分隔码的长度为4个所述N位二进制码。
优选的，所述信息码对应的二进制码长度为N的整数倍，或通过高位补0使其长度为N的整数倍。
优选的，每个所述N位二进制码的发送时长为0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s中的任意一个。
实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：
本发明包括2N个不同频率的特征电流信号，从而多频率特征电流信号刚好可以用N位二进制数表示，从而每一种频率的特征电流信号能够携带相应最多的比特数，发送相同比特长度的信息序列所需的特征电流序列可以得到有效缩短，进而提高了编码效率，降低了户变拓扑关系识别对信道的占用时间，进而降低对电力线载波通信的影响。同时，两个以上频率同时出现干扰的可能性大大降低，与现有技术中的特征电流中心频率fc=833.3Hz相比，更不容易受到台区的电网干扰，提高了抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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，附图中：
图1是现有技术中恒阻负载特征电流时域波形图；
图2是现有技术中恒阻负载特征电流频谱图；
图3是现有技术中恒流负载特征电流时域波形图；
图4是现有技术中特征电流信号编码为示意图；
图5是本发明实施例中户变拓扑关系识别方法的流程图；
图6是本发明实施例中4种多频率特征电流信号时恒阻负载fc0特征电流时域波形图；
图7是本发明实施例中4种多频率特征电流信号时恒阻负载fc1特征电流时域波形图；
图8是本发明实施例中4种多频率特征电流信号时恒阻负载fc2特征电流时域波形图；
图9是本发明实施例中4种多频率特征电流信号时恒阻负载fc3特征电流时域波形图；
图10是本发明实施例中4种多频率特征电流信号时恒流负载fc0特征电流时域波形图；
图11是本发明实施例中4种多频率特征电流信号时恒流负载fc1特征电流时域波形图；
图12是本发明实施例中4种多频率特征电流信号时恒流负载fc2特征电流时域波形图；
图13是本发明实施例中4种多频率特征电流信号时恒流负载fc3特征电流时域波形图；
图14是本发明实施例中4种多频率特征电流编码信号时频关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
实施例：
一种户变拓扑关系识别方法，通过2N个不同频率多频率特征电流信号进行户变拓扑关系识别，其中N为正整数，N的取值可根据不同的场景进行设定，如1、2、3、4，对应特征电流信号的不同频率数为2个、4个、8个、16个，当然N还可以选择其他数字，此处不再赘述。从而多频率特征电流信号刚好可以用N位二进制数表示，每一种频率的特征电流信号能够携带相应最多的比特数，发送相同比特长度的信息序列所需的特征电流序列可以得到有效缩短，进而提高了编码效率。因此，特征电流的频率至少包括2个，两个以上频率同时出现干扰的可能性大大降低，较现有技术中的特征电流中心频率fc=833.3Hz不容易受到台区的电网干扰，从而提高了抗干扰能力。同时，两个以上频率的特征电流更便于进行编码，可以在单位时间内发送更多比特的信息，从而提高户变拓扑关系识别过程中的信息传输效率，降低了户变拓扑关系识别对信道的占用时间，进而降低对电力线载波通信的影响。如图5所示，包括以下步骤。S100：将多频率特征电流信号的不同频率映射为不同的N位二进制码，并将N位二进制码编码形成特征码位，特征码位即为N位二进制码组成的比特流。即将不同频率的特征电流信号用N比特信息进行表示，且不同频率对应一种N位二进制码，特征电流信号的频率数量与N位二进制码的数量相等。S200：主站向智能电表、终端设备发送户变拓扑关系识别命令，开始启动户变拓扑关系识别。S300：智能电表接收到户变拓扑关系识别命令后，在电力线上产生特征码位对应的特征电流信号，产生相应频率的特征电流信号采用现有技术即可。S400：终端设备收到户变拓扑关系识别命令后，对电力线上的特征码位进行检测，并将检测结果发送至主站。终端设备对特征码位进行检测后，识别出特征码位比特流所对应的各种频率特征电流信号。S500：主站根据检测结果确定智能电表的户变拓扑关系。基于检测结果对应的各种频率特征电流信号，主站实现对智能电表户变拓扑关系的识别。
作为可选的实施方式，N的取值为2，因此多频率特征电流信号包括4种不同频率的特征电流信号。多频率特征电流信号的中心频率分别为fc0=476.2Hz、fc1=666.7Hz、fc2=1111.1Hz、fc3=1666.7Hz，如图6-13所示，则相对应的馈入到电力线的谐波电流频率为f01=426.2Hz和f02=526.2Hz、f11=616.7Hz和f12=716.7Hz、f21=1061.1Hz和f22=1161.1Hz、f31=1616.7Hz和f32=1716.7Hz。通信信号采样率fs=10kHz，工频电流比=50Hz。通信信号的产生首先用采样率fs对工频电流采样，并通过不同频率的通断控制，通断占空比为1:2条件下产生。如对于谐波电流f01=426.2Hz和 f02=526.2Hz，首先用fs采样工频电流，以频率fc0=476.2Hz进行通断控制，即一个通断周期为21个采样点，按照通断占空比1：2产生，前7个采样点为通，保持工频电流采样值，后14点为断开状态，采样值为0，周期重复获得频率为f01和f02的电流信号。频率为f1l=616.7Hz和f12=716.7Hz的信号，以频率fc1=666.7Hz进行通断控制，即一个通断周期为15个采样点，按照通断占空比1:2产生。频率为f21=1061.1Hz和f22=1161.1Hz的信号，以频率fc2=1111.1Hz进行通断控制，即一个通断周期为9个采样点，按照通断占空比1:2产生。频率为f31=1616.7Hz和f32=1716.7Hz的信号，以频率fc3=1666.7Hz进行通断控制，即一个通断周期为6个采样点，按照阿断占空比1:2产生。多频率特征电流信号的中心频率也可为fc0=303.3Hz、fc1=370.4Hz、fc2=416.7Hz、fc3=476.2Hz。如表1所示，为4种频率特征电流信号与二进制码的对应关系，4种频率特征电流对应两位二进制码，即用2bit表示。当然，表1中只是特征电流信号频率与N位二进制码的一种对应关系，这种对应关系也可根据需要进行调整（如将fc0对应11、fc1对应10、fc2对应00、fc3对应01等），保持两者一一对应即可，此处不再赘述。通过特征码位可以实现不同频率特征电流信号之间的组合，并与相应的编码规则相对应，实现智能电表端信息的发送。
表1 4种特征电流信号频率与N位二进制码的映射关系
特征电流信号频率 N位二进制码
fc0 00
fc1 01
fc2 11
fc3 10
作为可选的实施方式，N的取值为3，因此多频率特征电流信号包括8种不同频率的特征电流信号。多频率特征电流信号的中心频率分别为fc0=222.2Hz、fc1=256.4Hz、fc2=277.8Hz、fc3=303.3Hz、fc4=333.3Hz、fc5=370.4Hz、fc6=416.7Hz、fc7=476.2Hz。则相对应的馈入到电力线的谐波电流频率为f01=172.2Hz和f02=272.2Hz、f11=206.4Hz和f12=306.4Hz、f21=227.8Hz和f22=327.8Hz、f31=253.3Hz和f32=353.3Hz、f41=283.3Hz和f42=383.3Hz、f51=320.4Hz和f52=420.4Hz、f61=366.7Hz和f62=466.7Hz、f71=420.2Hz和f72=520.2Hz。如表2所示，为8种频率特征电流信号与二进制码的对应关系，8种频率特征电流对应三位二进制码，即用3bit表示。当然，表2中只是特征电流信号频率与N位二进制码的一种对应关系，这种对应关系也可根据需要进行调整，保持两者一一对应即可，此处不再赘述。通过特征码位可以实现不同频率特征电流信号之间的组合，并与相应的编码规则相对应，实现智能电表端信息的发送。
表2 8种特征电流信号频率与N位二进制码的映射关系
特征电流信号频率 N位二进制码
fc0 000
fc1 001
fc2 011
fc3 010
fc4 110
fc5 111
fc6 101
fc7 100
作为可选的实施方式，特征码位包括前导码、分隔码和信息码，从而便于通过编码实现信息的传输。前导码使接收端可以找到一帧的帧头，保证接收端能接收完整连续的信号，前导码同步上以后就能与智能电表端开始通信。分隔码用于接收端分隔前导码和信息码。信息码为扩展域，可根据需要确定是否发送，其中的比特数也可自定义。
作为可选的实施方式，前导码的长度为8个N位二进制码，即连续发送8次特征电流信号，通过两个或多个不同频率的特征电流信号进行交替发送，优选两个特征电流信号的频率不相邻，而间隔较大。具体而言，特征电流信号频率为fc0=476.2Hz、fc1=666.7Hz、fc2=1111.1Hz、fc3=1666.7Hz时，第1、3、5、7个符号（即发送次数）可发送中心频率为fc0=476.2Hz的特征电流信号，第2、4、6、8个符号发送中心频率为fc2=1666.7Hz的特征电流信号的，当然也可为fc1、fc3的组合。特征电流频率信号为fc0=222.2Hz、fc1=256.4Hz、fc2=277.8Hz、fc3=303.3Hz、fc4=333.3Hz、fc5=370.4Hz、fc6=416.7Hz、fc7=476.2Hz时，第1、3、5、7个符号发送中心频率为fc2=277.8Hz的特征电流信号，第2、4、6、8个符号发送中心频率为fc7=476.2Hz的特征电流信号，当然也可为其他两组特征电流信号频率，此处不再赘述。前导码使用两个频率间隔较大的不同频率特征电流信号交替发送，接收端可以通过检测两个频率，或者其中一个频率，提取同步信息。
作为可选的实施方式，分隔码的长度为4个N位二进制码，即发送4个特征电流信号。当特征电流信号频率为fc0=476.2Hz、fc1=666.7Hz、fc2=1111.1Hz、fc3=1666.7Hz时，如分隔码发送8比特序列[1 1 1 0 0 1 0 0]，对应4个特征电流符号，频率序列为[fc2 fc3fc1 fc0]。特征电流频率信号为fc0=222.2Hz、fc1=256.4Hz、fc2=277.8Hz、fc3=303.3Hz、fc4=333.3Hz、fc5=370.4Hz、fc6=416.7Hz、fc7=476.2Hz时，如分隔码发送12比特序列[1 11 0 0 0 1 0 0 1 0 1]，对应4个特征电流符号，频率序列为[fc5 fc0 fc7 fc6]。
作为可选的实施方式，信息码对应的二进制码长度为N的整数倍，当发送信息序列比特数为2的整数倍时，则不进行补零操作，直接映射为频率序列发送。当发送信息序列比特数不为2的整数倍时，通过高位补0使其长度为N的整数倍。特征电流信号频率为fc0=476.2Hz、fc1=666.7Hz、fc2=1111.1Hz、fc3=1666.7Hz时，当需要发送的信息序列为7比特序列[1 1 0 1 0 0 1]，对序列高位补0使比特数为2的整数倍，即[0 1 1 0 1 0 0 1]，则发送的信息码编码后多频率特征电流信号的中心频率序列为[fc1 fc3 fc3 fc1]。
作为可选的实施方式，每个N位二进制码（即每个特征电流信号）的发送时长为0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s中的任意一个，优选为0.2s。根据实际的使用场景进行选择，提高户变拓扑关系识别的灵活性，当然也可以选择其他时长，此处不再举例赘述。
作为可选的实施方式，特征电流信号频率为fc0=476.2Hz、fc1=666.7Hz、fc2=1111.1Hz、fc3=1666.7Hz时，前导码第1、3、5、7个符号发送中心频率为fc0=476.2Hz的特征电流信号，第2、4、6、8个符号发送中心频率为fc2=1666.7Hz的特征电流信号，分隔码发送8比特序列[1 1 1 0 0 1 0 0]，当需要发送的信息序列为7比特序列[1 1 0 1 0 0 1]时，发送的编码后多频率特征电流信号中心频率序列为[fc0 fc2 fc0 fc2 fc0 fc2 fc0 fc2fc2fc3 fc1 fc0 fc1 fc3 fc3 fc1]，如图14所示。
实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，其特征在于，通过2N个不同频率的多频率特征电流信号进行户变拓扑关系识别，包括以下步骤：
S100：将多频率特征电流信号的不同频率映射为不同的N位二进制码，并将多个所述N位二进制码编码形成特征码位；
S200：主站向智能电表、终端设备发送户变拓扑关系识别命令；
S300：所述智能电表接收到户变拓扑关系识别命令后，在电力线上产生所述特征码位对应的所述特征电流信号；
S400：所述终端设备收到所述户变拓扑关系识别命令后，对所述电力线上的特征码位进行检测，并将检测结果发送至所述主站；
S500：所述主站根据所述检测结果确定所述智能电表的户变拓扑关系；
其中，所述特征码位包括前导码、分隔码和信息码；
所述多频率特征电流信号以采样率fs对工频电流采样，并通过不同频率的通断控制，在通断占空比为1:2条件下产生。
2.根据权利要求1所述的一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，其特征在于，所述N的取值为2，所述多频率特征电流信号的中心频率分别为fc0=476.2Hz、fc1=666.7Hz、fc2=1111.1Hz、fc3=1666.7Hz，或fc0=303.3Hz、fc1=370.4Hz、fc2=416.7Hz、fc3=476.2Hz。
3.根据权利要求1所述的一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，其特征在于，所述N的取值为3，所述多频率特征电流信号的中心频率分别为fc0=222.2Hz、fc1=256.4Hz、fc2=277.8Hz、fc3=303.3Hz、fc4=333.3Hz、fc5=370.4Hz、fc6=416.7Hz、fc7=476.2Hz。
4.根据权利要求1所述的一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，其特征在于，所述前导码的长度为8个所述N位二进制码，通过两个或多个不同频率的所述特征电流信号进行交替发送。
5.根据权利要求1所述的一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，其特征在于，所述分隔码的长度为4个所述N位二进制码。
6.根据权利要求1所述的一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，其特征在于，所述信息码对应的二进制码长度为N的整数倍，或通过高位补0使其长度为N的整数倍。
7.根据权利要求1所述的一种基于多频率特征电流信号的户变拓扑关系识别方法，其特征在于，每个所述N位二进制码的发送时长为0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s中的任意一个。
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