CN115410359A - 一种工频畸变通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工频畸变通信方法，所述方法应用于工频畸变通信装置的控制单元中；所述方法包括：接收电力网中的电流信息；以所述电流信息计算畸变电流的峰值；将所述峰值与预设的电流范围进行对比，并根据对比结果，生成针对可控硅的开启指令，所述开启指令用于控制所述可控硅的开启时长；其中，在所述开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。本发明提供的技术方案，能够提升通信效果并且避免空开跳闸。

Description

一种工频畸变通信方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种工频畸变通信方法及装置。

背景技术

工频畸变通信技术被大量应用于电网通信，台区识别，以及相变关系识别。现有的工频畸变通信中，一般是通过开启可控硅来实现电流调制，从而实现电压变化。一般可控硅在过零点30度前开启，由于电网环境比较复杂，变压器容量和线路阻抗变化较大，从而导致畸变电流差别非常大。在线路阻抗较小的地方，经过可控硅调制产生的畸变电流非常大，从而导致空开跳闸，甚至出现安全事故。在线路阻抗很大或变压器容量较小的地方，经过可控硅调制产生的畸变电流较小，从而导致通信效果较差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施方式提供了一种工频畸变通信方法及装置，能够提升通信效果并且避免空开跳闸。

本申请一个实施方式提供一种工频畸变通信方法，所述方法应用于工频畸变通信装置的控制单元中；所述方法包括：接收电力网中的电流信息；以所述电流信息计算畸变电流的峰值；将所述峰值与预设的电流范围进行对比，并根据对比结果，生成针对可控硅的开启指令，所述开启指令用于控制所述可控硅的开启时长；其中，在所述开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。

在一个实施方式中，所述生成针对可控硅的开启指令，包括：当所述峰值大于所述预设的电流范围的情况下，所述开启指令用于缩短所述可控硅的开启时长；当所述峰值小于所述预设的电流范围的情况下，所述开启指令用于延长所述可控硅的开启时长。

在一个实施方式中，在接收电力网中的电流信息之前，所述方法包括：初始化可控硅的开启参数，所述可控硅开启在电力网中产生畸变电流；将电力网中的电流转换为符合采样条件的电流；对所述符合采样条件的电流进行采样得到采样信号；将所述采样信号转换为数字信号输入到所述控制单元。

在一个实施方式中，所述方法还包括：以所述电流信息计算畸变电流的平均值；将所述平均值与预设的平均值范围进行对比，并根据对比结果，生成针对可控硅的开启时间间隔的控制指令。

在一个实施方式中，当所述平均值超过所述预设的平均值范围，所述开启指令用于延长可控硅的开启时间间隔，以降低输出编码信号的频率。

在一个实施方式中，所述装置包括：调制模块，互感器模块，采样模块，模数转换模块，控制单元和开关模块，其中：调制模块的一端连接电力网，另一端连接所述互感器模块；所述互感器模块连接开关模块并且还与采样模块连接，所述互感器模块用于将电力网中的电流转换为符合采样条件的电流并输出到采样模块；所述采样模块还连接模数转换模块，所述采样模块用于对输入的所述符合采样条件的电流进行采样，得到采样信号并输出到模数转换模块；所述模数转换模块与还所述控制单元连接，所述模数转换模块用于将所述采样信号转换为数字信号并输出到控制单元；所述控制单元还与所述开关模块连接，所述控制单元用于计算畸变电流的峰值和平均值；将所述峰值以及所述平均值与预设的电流范围进行对比，并根据对比结果，生成针对开关模块的开启指令；所述开关模块还连接电力网，所述开关模块用于在所述开启指令的控制下实现对电路的开关，以输出编码信号。

在一个实施方式中，所述调制模块包括电阻和电感，其中：所述电阻的一端连接电力网，另一端连接所述电感的一端；所述电感的另一端连接互感器模块。

在一个实施方式中，所述互感器模块包括电流互感器，所述电流互感器的一次侧连接调制模块中的电感，所述电流互感器的二次侧连接所述采样模块中的采样电阻。

在一个实施方式中，所述模数转换模块包括A/D转换器，所述A/D转换器的一端连接所述采样模块中的采样电阻，另一端连接所述控制端元。

在一个实施方式中，所述开关模块包括一个或多个可控硅；当所述可控硅开启，装置中产生畸变电流以输出编码信号。

本申请上述各实施方式提供的技术方案，利用控制单元实时接收电力网中的电流信息并计算畸变电流的峰值，控制单元根据计算出的峰值与预设的电流范围的对比结果，生成可控硅的开启指令，以实时对产生的畸变电流进行调整，使其在指定的范围内。可控硅按照开启指令开启，在电力网中产生畸变电流进行编码信号的输出，使得在开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。本身请提供的技术方案，能够提升通信效果并且避免空开跳闸。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施方式中工频畸变通信方法的步骤示意图；

图2示出了本发明一个实施方式中工频畸变通信装置的功能模块结构示意图；

图3示出了本发明一个实施方式中工频畸变通信装置的电路结构示意图；

图4示出了本发明一个实施方式中畸变电压的示意图。

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。

工频畸变通信中，利用电力网电压和电流波形的微小畸变携带信息。具体地，将微小畸变定义成“0”或“1”。微小的畸变一般是通过电压接近过零点时开启可控硅，瞬时导通而产生，进而实现电流调制，最终实现电压变化。一般可控硅在过零点30度前开启。

如图1所示，本申请一个实施方式提供一种工频畸变通信方法，所述方法应用于工频畸变通信装置的控制单元中，所述方法包括以下步骤。

S1：接收电力网中的电流信息。

控制单元(Microcontroller Unit，MCU)接收的电力网中的电流信息是转化为数字信号的用于计算畸变电流的电流值所对应的电压值。为了使MCU能够识别出该电压值，将电压值以数字信号的形式传输进MCU的输入端。通过所述电压值可以计算出电力网中的电流值，进而利用前后周期的电流值计算畸变电流的电流值。例如，电力网中第1个周期的电流是经过调制的电流，即电力网中的电流中附带有可控硅开启后产生的畸变电流，第2个周期的电流没有附带畸变电流，两者相减可以得到畸变电流的电流值。

在一个实施方式中，在接收电力网中的电流信息之前，所述方法包括：初始化可控硅的开启参数，所述可控硅开启产生畸变电流，所述开启参数包括可控硅的开启节点和可控硅的开启时间间隔。在实际中，控制可控硅在电压临近过零点前30度开启。将电力网中的电流转换为符合采样条件的电流，由于电力网中的电流值较大，需将大电流通过电流互感器转换为较小的电流以符合采样条件，再进行采样。对所述符合采样条件的电流进行采样得到采样信号，所述采样信号为流经采样电路中电阻的电流转换为电阻两端的电压值。将所述采样信号转换为数字信号输入到所述控制单元，实际中可以利用A/D转换器将采样电阻两端的电压值转换为数字信号输入到控制单元，以便于控制单元对输入的信号进行别并计算。

如图3所示，初始化可控硅的开启参数后，可控硅按照开启参数中的开启节点和间隔进行开启，所述开启节点一般在电压即将过零点前30度开启可控硅。当可控硅k1或可控硅k2开启时，由于可控硅开启并且在电压过零点时关闭，相当于一次瞬间短路，在电力网中产生畸变电流，电力网中的电流Ic′中附带有畸变电流，电流Ic′经电阻R1和电感L2输入到电流互感器(Current Transformer，CT)。由于电流Ic′的电流值较大，不将电流降低，会损坏控制单元等元件，故采用电流互感器将电流Ic′转换为符合采样条件的电流，即转换为一定电流值范围的电流，例如不超过5A。经过电流互感器转换为符合采样条件的电流输入到采样电路进行采样。在实际中，采样电路的电阻阻值一般为4-10欧姆。符合采样条件的电流经采样电路，得到采样信号，所述采样信号为采样电路中的电阻两端的电压值。利用采样电路中电阻两端的电压值和采样电路的阻值可以计算出流经采样电路的电流值。为了能将采样信号输入到控制单元并由控制单元进行计算，还需要将采样信号转换为数字信号输入到控制单元，即采样电路输出的采样信号经模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)输入到控制单元。其中模数转换器又称A/D转换器，考虑到最终控制单元计算出结果的精度，采用高精度的A/D转换器，例如16位的A/D转换器。

S3：以所述电流信息计算畸变电流的峰值。

控制单元以A/D转换器输入的电流信息进行计算，计算出畸变电流的峰值。输入的电流信息是经过A/D转换器转换为数字信号的采样电阻两端的电压值。利用采样电阻两端的电压值和采样电阻的阻值以及电流互感器的参数可以计算出电流Ic′。通过前后周期电流Ic′值相减可以得到畸变电流的电流值，利用畸变电流的电流值可以计算得到畸变电流的峰值。此外，还可以根据畸变电流的电流值计算出畸变电流的平均值。

S5：将所述峰值与预设的电流范围进行对比，并根据对比结果，生成针对可控硅的开启指令，所述开启指令用于控制所述可控硅的开启时长。其中，在所述开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。

在一个实施方式中，控制单元将计算出的畸变电流的峰值和预设的电流范围进行对比，例如预设的电流范围为峰值电流15A-20A。控制单元根据对比结果，生成针对可控硅的开启指令，所述开启指令用于控制所述可控硅的开启时长。其中，在所述开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。所述开启时长根据每个电压或电流信号的周期以及可控硅在电压即将过零点前的开启角度进行计算。通过开启可控硅产生的畸变电流输出到电力网，定义为“0”或“1”，不同的“0”或“1”的组合为输出的编码信号，即输出的编码信号由不同的畸变电流组合而成。输出的编码信号的峰值在指定范围内可以确保不会因为在线路阻抗较小的地方产生的畸变电流过大导致空开跳闸，也不会因为畸变电流过小在接收端被当作噪声滤除而使通信效果变差。

在一个实施方式中，当所述峰值在预设的电流范围内时，说明产生的畸变电流不会影响电力网的正常工作，也不会发生通信效果差的情况。控制单元控制可控硅按照初始化时的开启参数将编码信号输出到电力网中。

具体地，当控制单元计算出的峰值和平均值均在预设的电流范围内时，即峰值在预设峰值电流范围内，平均值在预设的平直值范围内。控制单元控制可控硅按照初始化时的开启参数中的开启节点和间隔进行开启，以将编码信号输出到电力网中。例如控制单元控制可控硅在电压即将过零点前30度时开启可控硅，电压过零点时可控硅关闭，利用工频一个电压周期的时长以及开启可控硅时电压即将过零点前的角度可以计算出可控硅的开启时长，则可控硅的开启时长为t＝30/360*20毫秒。

如图3所示，控制单元在电压信号的前半周期中电压过零点前30度通过控制2向可控硅k2发送高电平信号，可控硅k2导通，由于可控硅的特性，在电压过零点时，可控硅k2关闭。从可控硅k2开启到可控硅k2关闭的时长为可控硅k2的开启时长t。控制单元控制可控硅产生的畸变电流在电力网中的畸变电压如图4所示，畸变电压的持续时长为t。假设控制单元在电压信号的后半周期中电压过零点前30度通过控制1向可控硅k1发送高电平信号，可控硅k1导通，在电压过零点时，可控硅k1关闭。可控硅的两次相邻的开启之间的时间间隔即可控硅的开启时间间隔。控制单元通过控制可控硅k1或可控硅k2的开启，利用在电力网中产生的畸变电流输出编码信号。

在一个实施方式中，当所述峰值大于所述预设的电流范围的情况下，所述开启指令用于缩短所述可控硅的开启时长。当所述峰值小于所述预设的电流范围的情况下，所述开启指令用于延长所述可控硅的开启时长。

具体地，当控制单元计算出的峰值超过预设的电流范围时，所述开启指令用于缩短所述可控硅的开启时长，以使得在所述开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。由于峰值较大，过大的畸变电流会导致空开跳闸甚至出现安全事故。在电压即将过零点前开启可控硅，即处于电压的下降过程中开启可控硅，在越靠近零点的位置，电压越小，则产生的畸变电流也就越小。因此在电压即将过零前小于30度的时候开启可控硅，以减小产生的畸变信号，避免安全事故。其中，在电压即将过零前小于30度的时候开启可控硅即可控硅的开启时长缩短。在实际中，以工频为50赫兹为例，一个电压信号周期为20毫秒，同时一个周期为360度。当按照电压即将过零点30度时进行计算，从开启可控硅到电压过零点时可控硅关闭，可控硅的开启时长为t＝30/360*20毫秒。由于可控硅的在电压即将过零点前小于30度的时候开启，故可控硅的开启时长缩短。通过控制可控硅的开启时长可以控制可控硅在电压即将过零点前的开启角度。当峰值电流小于预设的电流范围时，输出到电力网中的编码信号可能会被当作噪声滤除，从而影响通信效果。为此，控制单元生成的开启指令用于延长可控硅的开启时长，以使得在所述开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。通过延长可控硅的开启时长，即在电压下降过程中，在电压更大的时候开启可控硅，电压越大，则产生的畸变电流越大，通过合理的调节可控硅的开启时长，以使得在开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。

在一个实施方式中，将所述平均值与预设的平均值范围进行对比，并根据对比结果，生成针对可控硅的开启时间间隔的控制指令。

具体地，当平均值超过预设的平均值范围时，说明电路中整体的电流较大，若持续频繁的发送畸变信号到电力网中即持续输出编码信号，可能会出现安全事故。为此控制单元生成针对可控硅的开启时间间隔的控制指令，延长可控硅的开启时间间隔，降低输出编码信号的频率。也即是在一段时间内，电力网中出现的畸变信号的数量比按照预设时间间隔输出编码信号时出现畸变信号的数量少。

在一些应用场景中，工频畸变通信装置可以安装的变电站，也可以安装在变压器。以安装在变压器中为例，控制单元初始化可控硅的开启时长t和开启时间间隔T，并获取待发送的已编码信息。控制单元控制可控硅开启时，电力网中产生畸变电流。此时电力网中的电流通过电流互感器、采样电路和A/D转换器输入到控制单元。控制单元对电流信息进行计算，计算出变压器中的Ic′，利用前后周期的Ic′计算出畸变电流的峰值和平均值。控制单元根据计算出的结果和存储在存储介质中预设的电流范围进行对比，其中所述存储介质例如内存。

若计算出的峰值和平均值均在预设的各自的电流范围内，即峰值在预设的峰值电流范围内，平均值在预设的平均值电流范围内。控制单元控制可控硅按照初始化的可控硅的开启时长t和开启时间间隔T开启。可控硅开启在电力网中产生畸变电流，以输出编码信号。若计算出的峰值大于预设的电流范围，控制单元控制可控硅的开启时长缩短以将已编码的信号发出，即在电压即将过零点前小于30度的时候开启可控硅，以输出编码信号。若计算出的峰值小于预设的电流范围，控制单元控制可控硅的开启时间延长，以输出编码信号，即在电压即将过零点前大于30度的时候开启可控硅。若计算出的平均值大于预设的平均值的电流范围，控制单元控制可控硅的开启时间间隔增大，即增大T，以降低输出编码信号的频率。通过实时对产生的畸变电流进行检测，并根据畸变电流峰值以及平均值与预设的电流范围进行比对，并生成针对可控硅的开启指令，使得在开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内，从而提升通信效果并且避免空开跳闸。

在一个实施方式中，存储介质中存储有开启指令表，其中记录着各个畸变电流值时，控制单元控制可控硅的开启时长t和可控硅的开启时间间隔T。每一个畸变电流的值，控制单元控制可控硅的开启时长t和可控硅的开启时间间隔T为一个开启指令。控制单元计算出计算结果并在开启指令表中查找到与之对应的开启指令，控制可控硅的开启时长，以使得在开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内，同时又不会因为平均电流过大，频繁的输出编码信号对电力网造成安全隐患。

如图2所示，本申请一个实施方式提供一种工频畸变通信装置，所述装置包括：调制模块，互感器模块，采样模块，模数转换模块，控制单元和开关模块，其中：调制模块的一端连接电力网，另一端连接所述互感器模块。所述互感器模块连接开关模块并且还与采样模块连接，所述互感器模块用于将电力网中的电流转换为符合采样条件的电流并输出到采样模块。所述采样模块还连接模数转换模块，所述采样模块用于对输入的所述符合采样条件的电流进行采样，得到采样信号并输出到模数转换模块。所述模数转换模块与还所述控制单元连接，所述模数转换模块用于将所述采样信号转换为数字信号并输出到控制单元。所述控制单元还与所述开关模块连接，所述控制单元用于计算畸变电流的峰值和平均值。将所述峰值以及所述平均值与预设的电流范围进行对比，并根据对比结果，生成针对开关模块的开启指令。所述开关模块还连接电力网，所述开关模块用于在所述开启指令的控制下实现对电路的开关，以输出编码信号。

如图3所示，在一个实施方式中，所述调制模块包括电阻和电感，其中：所述电阻的一端连接电力网，另一端连接所述电感的一端，所述电感的另一端连接互感器模块。所述互感器模块包括电流互感器，所述电流互感器的一次侧连接调制模块中的电感，所述电流互感器的二次侧连接所述采样模块中的采样电阻。所述模数转换模块包括A/D转换器，所述A/D转换器一端连接所述采样模块中的采样电阻，另一端连接所述控制端元。所述开关模块包括一个或多个可控硅；当所述可控硅开启，装置中产生畸变电流以输出编码信号。

本申请上述各实施方式提供的技术方案，利用控制单元实时接收电力网中的电流信息并计算畸变电流的峰值，控制单元根据计算出的峰值与预设的电流范围的对比结果，生成可控硅的开启指令，以实时对产生的畸变电流进行调整，使其在指定的范围内。可控硅按照开启指令开启在电力网中产生畸变电流进行编码信号的输出，使得在开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。本身请提供的技术方案，能够提升通信效果并且避免空开跳闸。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种工频畸变通信方法，其特征在于，所述方法应用于工频畸变通信装置的控制单元中；所述方法包括：

接收电力网中的电流信息；

以所述电流信息计算畸变电流的峰值；

将所述峰值与预设的电流范围进行对比，并根据对比结果，生成针对可控硅的开启指令，所述开启指令用于控制所述可控硅的开启时长；

其中，在所述开启时长内，输出的编码信号的峰值在指定范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成针对可控硅的开启指令，包括：

当所述峰值大于所述预设的电流范围的情况下，所述开启指令用于缩短所述可控硅的开启时长；

当所述峰值小于所述预设的电流范围的情况下，所述开启指令用于延长所述可控硅的开启时长。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在接收电力网中的电流信息之前，所述方法包括：

初始化可控硅的开启参数，所述可控硅开启在电力网中产生畸变电流；

将电力网中的电流转换为符合采样条件的电流；

对所述符合采样条件的电流进行采样得到采样信号；

将所述采样信号转换为数字信号输入到所述控制单元。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

以所述电流信息计算畸变电流的平均值；

将所述平均值与预设的平均值范围进行对比，并根据对比结果，生成针对可控硅的开启时间间隔的控制指令。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述平均值超过所述预设的平均值范围，所述开启指令用于延长可控硅的开启时间间隔，以降低输出编码信号的频率。

6.一种工频畸变通信装置，其特征在于，所述装置包括：调制模块，互感器模块，采样模块，模数转换模块，控制单元和开关模块，其中：

调制模块的一端连接电力网，另一端连接所述互感器模块；

所述互感器模块连接开关模块并且还与采样模块连接，所述互感器模块用于将电力网中的电流转换为符合采样条件的电流并输出到采样模块；

所述采样模块还连接模数转换模块，所述采样模块用于对输入的所述符合采样条件的电流进行采样，得到采样信号并输出到模数转换模块；

所述模数转换模块与还所述控制单元连接，所述模数转换模块用于将所述采样信号转换为数字信号并输出到控制单元；

所述控制单元还与所述开关模块连接，所述控制单元用于计算畸变电流的峰值和平均值；将所述峰值以及所述平均值与预设的电流范围进行对比，并根据对比结果，生成针对开关模块的开启指令；

所述开关模块还连接电力网，所述开关模块用于在所述开启指令的控制下实现对电路的开关，以输出编码信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述调制模块包括电阻和电感，其中：所述电阻的一端连接电力网，另一端连接所述电感的一端；所述电感的另一端连接互感器模块。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述互感器模块包括电流互感器，所述电流互感器的一次侧连接调制模块中的电感，所述电流互感器的二次侧连接所述采样模块中的采样电阻。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模数转换模块包括A/D转换器，所述A/D转换器的一端连接所述采样模块中的采样电阻，另一端连接所述控制端元。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述开关模块包括一个或多个可控硅；当所述可控硅开启，装置中产生畸变电流以输出编码信号。

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