CN114978241B - 一种基于hplc通信的自适应阻抗匹配方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法和系统，该方法包括根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间；对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致。该系统用于执行所述方法。本发明的自适应阻抗匹配方法和系统，在保证其接收功率电平大于最低可识别门限值的前提下，可使下游从载波机接收功率电平显著提升，该方法和系统自适应地解决了宽带电力线载波通信过程中的阻抗失配问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力线通信技术领域，尤其涉及一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法和系统。
背景技术
现有技术中的高速电力线载波(High-speed Power Line Carrier，HPLC)也称为宽带电力线载波，是在低压电力线上进行数据传输的宽带电力线载波技术，宽带电力线载波通信网络则是以电力线作为通信媒介，实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络，宽带电力线载波主要采用了正交频分复用(OFDM)技术，频段使用2MHz-12MHz。宽带电力线载波通信技术将加载信息的高频信号耦合到电力线路上，通过电力线路进行数据的传输，利用专用的电力线载波通信调制/解调设备将高频信号从电力线上耦合下来，传送到终端接收设备。该设备不需要专设通信通道，运行费用和维护成本相对较低。
但由于宽带电力线载波通信系统是将电力线路作为通信信道，而电力线的结构复杂，信道衰减、电磁兼容以及噪声干扰等多个方面的影响，电力线载波通信是在载有工频电力信号的通路上高速地传输数据信息，因而具有工作环境恶劣、时变性大、干扰严重等劣势，而低中压配网结构复杂，通常沿线跨接多条分支以及配变，信号很容易产生折反射、谐振、驻波等现象，使信号出现较强的频率选择性衰落问题，严重影响通信质量。上述问题造成使用低中压配网作为数据通道存在很多困难，主要是信号传输衰减严重，噪声电平高，耦合阻抗具有时变性等。因此，如何解决这些难题，提高信号传输的可靠性和稳定性是实现低中压配电网宽带电力线载波通信技术的关键，而阻抗匹配则是关键技术之一。
阻抗匹配是HPLC通信技术中常要考虑的一种工作状态，反映着输出电路和输入电路间的功率传输关系。当电路满足阻抗匹配时，会收到最大的传输功率；阻抗失配时，负载接收到的功率降低，输出的功率电平降低，负载端接收的信号电平也降低，使得信号噪声比下降、接收端收信质量差，导致通信质量下降，甚至无法识别信号。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法和系统，以提高电力线载波通信信号传输的可靠性和稳定性。
为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法，包括如下步骤：
步骤S100、根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间；
步骤S200、对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致。
进一步的，所述根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间的步骤包括：
步骤S110，从配网上游第二个主干节点开始，求取节点处的网络松散度；
步骤S120，判断该主干节点的网络松散度与中继节点处网络松散度的差是否大于标准值，大于则进行第S130步，小于则对下一个主干节点继续进行判断，直至节点判断完毕；
步骤S130，将该主干节点设为中继节点，并作为下一阻抗匹配区间的信源节点，节点判断完毕则结束，否则回到步骤S120继续判断。
进一步的，所述网络松散度WSi由下式进行计算：
其中，JS为相邻节点的松散度，i表示节点的序号，n为配网的总节点数。
进一步的，所述相邻节点的松散度由下式计算：
JSi＝|Γi-Γi-1|，(i＝2,3,…n) (2)
其中，Γi为第i个节点处的电压/电流反射系数。
进一步的，所述对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致的步骤包括：
步骤S210，从第一个阻抗匹配区间开始进行优化；
步骤S220，以待优化的阻抗匹配区间末端中继节点作为优化的目标，设定区间内各从载波机的功率接收门限值Smini，调整区间内其他可调从载波机，使得各从载波机的功率接收值Spi符合条件Spi＞Smini，计算并记录此时的本区间中继节点传输功率Spk；
步骤S230，测量并保存优化后的各从载波机的等效内阻，使得等效内阻与对应线路的接电阻抗一致；
步骤S240，将上一个优化的中继节点作为下一个优化阻抗匹配区间的信源，对下一个优化阻抗匹配区间进行优化，重复上述步骤S220和步骤S230，直至整个配网匹配完成。
进一步的，采用如下步骤对所述等效内阻进行测量：
采集各从载波机对应电力线上的电压信号V1和电流信号A1，电压信号V1经过90度移相电路后转为电压信号V2；
将上述三个信号作为输入信号分别经过乘法器电路，电流信号A1、电压信号V2经由乘法器电路1处理后输出W1，电流信号A1、电压信号V1经由乘法器电路2处理后输出W2，电流信号A1、电流信号A1经由乘法器电路3处理后输出W3；
将上述W1、W2、W3信号分别通过低通滤波器1、2、3滤波后得到信号S1、S2、S3；
以信号S1、S2、S3作为除法器输入端信号分别经过预设的除法器：信号S1、信号S3经过除法器1处理后输出Resu1,信号S2、信号S3经过除法器2处理后输出Resu2，其中Resu1、Resu2分别为所述等效内阻阻抗的实部和虚部。
本发明的第二方面提供了一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配系统，包括：
阻抗匹配区间划分模块，根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间；
阻抗匹配优化模块，对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致。
进一步的，所述阻抗匹配区间划分模块按照如下步骤进行阻抗匹配区间的划分：
从配网上游第二个主干节点开始，求取节点处的网络松散度；
判断主干节点的网络松散度与中继节点处网络松散度的差是否大于标准值，大于则进行下一步，小于则对下一个主干节点继续进行判断，直至节点判断完毕；
将该主干节点设为中继节点，并作为下一阻抗匹配区间的信源节点，节点判断完毕则结束，否则回到上一步继续判断。
进一步的，所述阻抗匹配优化模块按照如下步骤进行优化：
从第一个阻抗匹配区间开始进行优化；
以待优化的阻抗匹配区间末端中继节点作为优化的目标，设定区间内各从载波机的功率接收门限值Smini，调整区间内其他可调从载波机，使得各从载波机的功率接收值Spi符合条件Spi＞Smini，计算并记录此时的本区间中继节点传输功率Spk；
测量并保存优化后的各从载波机的等效内阻，使得等效内阻与对应线路的接电阻抗一致；
将上一个优化的中继节点作为下一个优化阻抗匹配区间的信源，对下一个优化阻抗匹配区间进行优化，重复上述第二步和第三步，直至整个配网匹配完成。
进一步的，还包括阻抗测量模块，用于测量优化后的各从载波机的等效内阻，按照如下步骤进行测量：
采集各从载波机对应电力线上的电压信号V1和电流信号A1，电压信号V1经过90度移相电路后转为电压信号V2；
将上述三个信号作为输入信号分别经过乘法器电路，电流信号A1、电压信号V2经由乘法器电路1处理后输出W1，电流信号A1、电压信号V1经由乘法器电路2处理后输出W2，电流信号A1、电流信号A1经由乘法器电路3处理后输出W3；
将上述W1、W2、W3信号分别通过低通滤波器1、2、3滤波后得到信号S1、S2、S3；
以信号S1、S2、S3作为除法器输入端信号分别经过预设的除法器：信号S1、信号S3经过除法器1处理后输出Resu1,信号S2、信号S3经过除法器2处理后输出Resu2，其中Resu1、Resu2分别为所述等效内阻阻抗的实部和虚部。
综上所述，本发明提供了一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法和系统，该方法包括根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间；对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致。该系统用于执行所述方法。本发明的自适应阻抗匹配方法和系统，在保证其接收功率电平大于最低可识别门限值的前提下，可使下游从载波机接收功率电平显著提升，该方法和系统自适应地解决了宽带电力线载波通信过程中的阻抗失配问题。
附图说明
图1是本发明实施例的基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的将配网划分为若干个阻抗匹配区间的流程示意图；
图3是本发明一具体实施例的将配网划分为若干个阻抗匹配区间的配网示意图；
图4是本发明实施例的对每个阻抗匹配区间进行优化的流程示意图；
图5是本发明实施例的阻抗测量模块示意图。
具体实施方式
本发明的第一方面提供了一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S100、根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间。
步骤S200、对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致。
在复杂的配电网络中，由于配电出线上挂接多个配电变压器及分支线路，接收端众多，且存在不同特性参数的线路混联，使得整个网络中所有从载波机间功率协调变得困难。无论各载波机匹配阻抗怎样调整，位于网络后半部分的接收节点收到的载波信号强度均无法识别解析。故对于复杂的配电网络而言，需要结合网络拓扑结构及线路的参数型号，将一个大的复杂配电通信网络划分为若干个小的阻抗匹配区间，使得从载波机在各自的阻抗匹配区间内进行协调匹配。
具体的，如图2所示，步骤S100包括：
步骤S110，从配网上游第二个主干节点开始，求取节点处的网络松散度。其中第一个主干节点处的网络松散度设为0。
步骤S120，判断主干节点的网络松散度与中继节点处网络松散度的差是否大于标准值，大于则进行第S130步，小于则对下一个主干节点继续进行判断，直至节点判断完毕。特别地，第一阻抗匹配区间内直接判断节点网络松散度是否大于标准值即可。
步骤S130，将该主干节点设为中继节点，并作为下一阻抗匹配区间的信源节点，节点判断完毕则结束，否则回到步骤S120继续判断。
下面以一个具体实施例对区间划分方法进行进一步的说明。
以图3所示三分支网络为例。设S为图3中节点1到节点2的功率传输比，即：
其中，P1、P2分别为节点1和节点2(分别在图3中U1、U2标记处)的功率，U1、U2分别为节点1和节点2的电压，I11、I12分别为节点1和节点2流入的电流。由电力线传输理论，有：
Γi＝Γu (4)
其中，Γu、Γi，分别为节点2处的电压、电流反射系数。将式(2),(3),(4)代入式(1)得:
其中，γ为电力线的传输常数，l为电力线的长度。R、L、C、G分别为传输电力线单位电阻、电感、电容、电导。由式(5)可以得出电压/电流反射系数的值。
在阻抗匹配区间划分过程中，引用节点松散度的概念，将相邻节点的松散度记为JSi。JSi为相邻两节点间反射系数差的绝对值，其值的大小反应i节点与相邻i-1节点的匹配复杂度。
JSi＝|Γi-Γi-1|，(i＝2,3,…n)
其中，n为配网的总节点数。
另以网络松散度来表示i节点与上游网络的匹配复杂度，记为WSi，WSi为i节点上游所有节点的节点松散度累加，即:
WSi数值越大表明载波信号到达i节点的衰减越严重，即i节点与其上游网络的匹配复杂度越高。故以WSi的大小来确定网络中的区域分界点(中继节点)，若WSi小于规定限值，则将i节点与上游网络划为同一阻抗匹配区间；若WSi大于规定限值，则i节点不属于上游网络的匹配区间，设置i-1节点作为中继节点，i节点划为以i-1节点为中继节点的下一个阻抗匹配区间，由此将一个大的复杂配电通信网划分为若干个小的阻抗匹配区间。
具体的，如图4所示，步骤S200包括：
步骤S210，从第一个阻抗匹配区间开始进行优化。
步骤S220，以待优化的阻抗匹配区间末端中继节点作为优化的目标，设定区间内各从载波机的功率接收门限值Smini，调整区间内其他可调从载波机，使得各从载波机的功率接收值Spi符合条件Spi＞Smini，计算并记录此时的本区间中继节点传输功率Spk。
步骤S230，测量并保存优化后的各从载波机的等效内阻，使得等效内阻与对应线路的接电阻抗一致。
步骤S240，将上一个优化的中继节点作为下一个优化阻抗匹配区间的信源，重组网络，对下一个优化阻抗匹配区间进行优化，重复上述步骤S220和步骤S230，直至整个配网匹配完成。
具体的，在步骤S230中，采用如图5中的阻抗测量模块进行等效内阻的测量。
阻抗测量模块主要负责实时读取各从载波机对应的电力线上的电压电流值。该阻抗测量模块分别采集电力线上的电压信号V1和电流信号A1，电压信号V1经过90度移相电路后转为电压信号V2，此时，将上述三个信号作为输入信号分别经过乘法器电路，具体地，电流信号A1、电压信号V2经由乘法器电路1处理后输出W1，电流信号A1、电压信号V1经由乘法器电路2处理后输出W2，电流信号A1、电流信号A1经由乘法器电路3处理后输出W3，上述W1、W2、W3信号分别通过低通滤波器1、2、3滤波后得到信号S1、S2、S3，此时以信号S1、S2、S3作为除法器输入端信号分别经过程序式除法器，具体地，信号S1、信号S3经过程序式除法器1处理后输出Resu1,信号S2、信号S3经过程序式除法器2处理后输出Resu2，其中Resu1、Resu2分别为阻抗的实部和虚部。该程序式除法器的实现不是硬件除法器，而是软件除法逻辑，该测量模块中的除法器单元采用430系列单片机作为主控器进行除法逻辑的实现。
以上，是本发明实施例的基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法的说明。
本发明的第二方面提供了于一种HPLC通信的自适应阻抗匹配系统，包括阻抗匹配区间划分模块，根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间；阻抗匹配优化模块，对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致。
进一步的，所述阻抗匹配区间划分模块按照如下步骤进行阻抗匹配区间的划分：
从配网上游第二个主干节点开始，求取节点处的网络松散度；
判断主干节点的网络松散度与中继节点处网络松散度的差是否大于标准值，大于则进行下一步，小于则进行继续对下一个主干节点继续判断，直至节点判断完毕；
将该主干节点设为中继节点，并作为下一阻抗匹配区间的信源节点，节点判断完毕则结束，否则回到上一步继续判断。
进一步的，所述阻抗匹配优化模块按照如下步骤进行优化：
从第一个阻抗匹配区间开始进行优化；
以待优化的阻抗匹配区间末端中继节点作为优化的目标，设定区间内各从载波机的功率接收门限值Smini，调整区间内其他可调从载波机，使得各从载波机的功率接收值Spi符合条件Spi＞Smini，计算并记录此时的本区间中继节点传输功率Spk；
测量并保存优化后的各从载波机的等效内阻，使得等效内阻与对应线路的接电阻抗一致；
将上一个优化的中继节点作为下一个优化阻抗匹配区间的信源，对下一个优化阻抗匹配区间进行优化，重复上述第二步和第三步，直至整个配网匹配完成。
进一步的，还包括阻抗测量模块，用于测量优化后的各从载波机的等效内阻，按照如下步骤进行测量：
采集各从载波机对应电力线上的电压信号V1和电流信号A1，电压信号V1经过90度移相电路后转为电压信号V2；
将上述三个信号作为输入信号分别经过乘法器电路，电流信号A1、电压信号V2经由乘法器电路1处理后输出W1，电流信号A1、电压信号V1经由乘法器电路2处理后输出W2，电流信号A1、电流信号A1经由乘法器电路3处理后输出W3；
将上述W1、W2、W3信号分别通过低通滤波器1、2、3滤波后得到信号S1、S2、S3；
以信号S1、S2、S3作为除法器输入端信号分别经过预设的除法器：信号S1、信号S3经过除法器1处理后输出Resu1,信号S2、信号S3经过除法器2处理后输出Resu2，其中Resu1、Resu2分别为所述等效内阻阻抗的实部和虚部。
综上所述，本发明提供了一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法和系统，该方法包括根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间；对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致。该系统用于执行所述方法。本发明的自适应阻抗匹配方法和系统，在整合阻抗测量模块和自适应网络结构阻抗匹配优化模块后，经过测量发现，加上自适应匹配网络后，输出功率相比提高15％左右，由此可以得出，该系统能够自适应地解决宽带电力线载波通信过程中的阻抗失配问题。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (6)
1.一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100、根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间；
步骤S200、对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致，包括：
步骤S210，从第一个阻抗匹配区间开始进行优化；
步骤S220，以待优化的阻抗匹配区间末端中继节点作为优化的目标，设定区间内各从载波机的功率接收门限值Smini，调整区间内其他可调从载波机，使得各从载波机的功率接收值Spi符合条件Spi＞Smini，计算并记录此时的本区间中继节点传输功率Spk；
步骤S230，测量并保存优化后的各从载波机的等效内阻，使得等效内阻与对应线路的接电阻抗一致；
步骤S240，将上一个优化的中继节点作为下一个优化阻抗匹配区间的信源，对下一个优化阻抗匹配区间进行优化，重复上述步骤S220和步骤S230，直至整个配网匹配完成；
其中，采用如下步骤对所述等效内阻进行测量：
采集各从载波机对应电力线上的电压信号V1和电流信号A1，电压信号V1经过90度移相电路后转为电压信号V2；
将上述三个信号作为输入信号分别经过乘法器电路，电流信号A1、电压信号V2经由乘法器电路1处理后输出W1，电流信号A1、电压信号V1经由乘法器电路2处理后输出W2，电流信号A1、电流信号A1经由乘法器电路3处理后输出W3；
将上述W1、W2、W3信号分别通过低通滤波器1、2、3滤波后得到信号S1、S2、S3；
以信号S1、S2、S3作为除法器输入端信号分别经过预设的除法器：信号S1、信号S3经过除法器1处理后输出Resu1,信号S2、信号S3经过除法器2处理后输出Resu2，其中Resu1、Resu2分别为所述等效内阻阻抗的实部和虚部。
2.根据权利要求1所述的基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法，其特征在于，所述根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间的步骤包括：
步骤S110，从配网上游第二个主干节点开始，求取主干节点处的网络松散度；
步骤S120，判断主干节点的网络松散度与中继节点处网络松散度的差是否大于标准值，大于则进行第S130步，小于则对下一个主干节点继续进行判断，直至节点判断完毕；
步骤S130，将该主干节点设为中继节点，并作为下一阻抗匹配区间的信源节点，节点判断完毕则结束，否则回到步骤S120继续判断。
3.根据权利要求2所述的基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法，其特征在于，所述网络松散度WSi由下式进行计算：
其中，JS为相邻节点的松散度，i表示节点的序号，n为配网的总节点数。
4.根据权利要求3所述的基于HPLC通信的自适应阻抗匹配方法，其特征在于，所述相邻节点的松散度由下式计算：
JSi＝|Γi-Γi-1|，(i＝2,3,L n) (2)
其中，Γi为第i个节点处的电压/电流反射系数。
5.一种基于HPLC通信的自适应阻抗匹配系统，其特征在于，包括：
阻抗匹配区间划分模块，根据网络松散度将配网划分为若干个阻抗匹配区间；
阻抗匹配优化模块，对每个阻抗匹配区间进行阻抗匹配协调，优化阻抗匹配区间内各从载波机的阻抗匹配参数，使各从载波机的等效内阻与对应线路的接电阻抗一致；
所述阻抗匹配优化模块按照如下步骤进行优化：
第一步：从第一个阻抗匹配区间开始进行优化；
第二步：以待优化的阻抗匹配区间末端中继节点作为优化的目标，设定区间内各从载波机的功率接收门限值Smini，调整区间内其他可调从载波机，使得各从载波机的功率接收值Spi符合条件Spi＞Smini，计算并记录此时的本区间中继节点传输功率Spk；
第三步：测量并保存优化后的各从载波机的等效内阻，使得等效内阻与对应线路的接电阻抗一致；
第四步：将上一个优化的中继节点作为下一个优化阻抗匹配区间的信源，对下一个优化阻抗匹配区间进行优化，重复上述第二步和第三步，直至整个配网匹配完成；
还包括阻抗测量模块，用于测量优化后的各从载波机的等效内阻，按照如下步骤进行测量：
采集各从载波机对应电力线上的电压信号V1和电流信号A1，电压信号V1经过90度移相电路后转为电压信号V2；
将上述三个信号作为输入信号分别经过乘法器电路，电流信号A1、电压信号V2经由乘法器电路1处理后输出W1，电流信号A1、电压信号V1经由乘法器电路2处理后输出W2，电流信号A1、电流信号A1经由乘法器电路3处理后输出W3；
将上述W1、W2、W3信号分别通过低通滤波器1、2、3滤波后得到信号S1、S2、S3；
以信号S1、S2、S3作为除法器输入端信号分别经过预设的除法器：信号S1、信号S3经过除法器1处理后输出Resu1,信号S2、信号S3经过除法器2处理后输出Resu2，其中Resu1、Resu2分别为所述等效内阻阻抗的实部和虚部。
6.根据权利要求5所述的基于HPLC通信的自适应阻抗匹配系统，其特征在于，所述阻抗匹配区间划分模块按照如下步骤进行阻抗匹配区间的划分：
从配网上游第二个主干节点开始，求取节点处的网络松散度；
判断该主干节点的网络松散度与中继节点处网络松散度的差是否大于标准值，大于则进行下一步，小于则对下一个主干节点继续进行判断，直至节点判断完毕；
将该主干节点设为中继节点，并作为下一阻抗匹配区间的信源节点，节点判断完毕则结束，否则回到上一步继续判断。
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