CN115808588B - 基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法 - Google Patents
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本发明公开了基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法，具体涉及供电技术领域，包括步骤如下：首先采用罗氏线圈做为CT互感器接收高频特征微电流信号，得到实时高频有功微功率和无功微功率模拟信号与数字信号；本发明具体采用发射器发送特征功率脉冲信号，接收器接收并识别特征功率脉冲信号，解决了高频电流特征码在同台区串扰的问题，本发明通过功率脉冲特征码，达到了更高的识别准确性和可靠性的效果；充分利用了罗氏线圈对电流的高灵敏度特点，具备检测高频电流变化的特点，所以可以使用更小的功率脉冲，具有更低功耗，对待测台区产生的谐波影响降至极低。
Description
技术领域
本发明涉及供电技术领域，更具体地说，本发明涉及基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法。
背景技术
随着智慧电网的建设发展，压台区拓扑识别在其线路结构上、消耗电量上、信息更新上及管理识别上均存在不足之处，其中，脉冲特征信号电流识别是通过拓扑信号的识别而进行识别，采用罗氏线圈能够根据电磁感应原理获取高精度的脉冲电流信号，进一步对拓扑结构进行判断。
针对电网低压台区拓扑识别技术中，传统方法是采用电磁式互感器，使用电流脉冲发送和检测特征电流信号，用于识别台区纵向拓扑结构，但在实际使用过程中，单一的电流特征脉冲会发生串扰，使不该识别到该电流脉冲的上游节点，也接收到了该特征信号，无法100%的有效区分纵向拓扑结构，因此传统电磁式互感器采集得到的低频电流信号及低频功率信号而言，具有监测时间较长、不够节能、易受谐波影响导致特征信号频率远远高于谐波频率、效果不明显、有串扰现象及准确度不够高的问题。
现有的罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法是采用的罗氏线圈做为CT互感器，由于罗氏线圈对高频电流信号具有极高的接收灵敏度，因此可用于接收高频特征小电流变化的识别码，但如果仅识别高频电流识别码，会存在有频率更高线间串扰越大的弊端，且由于罗氏线圈的高接收灵敏度，会错误的在上游非供电分支节点上接收到错误信号而降低可用性的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法，通过采用发射器发送特征功率脉冲信号，接收器接收并识别特征功率脉冲信号，以解决上述背景技术中提出高频电流特征码在同台区串扰的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法，具体包括步骤如下：
S1、首先采用罗氏线圈做为CT互感器接收高频特征微电流信号，得到实时高频有功微功率和无功微功率模拟信号与数字信号；
在一个优选地实施方式中，所述罗氏线圈是交流电流传感器，通过空心环形的线圈，套在被测量的导体上检测交流电流，具有瞬间反应能力，适应于较宽频率范围的交流电测量，罗氏线圈是根据法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，强度为H，由安培环路定律的积分公式，式中，B为电磁场，为磁常数，I为总电流，得出结果；其截面为矩形时，互感系数M和自感系数L分别为：、，上式中，为真空磁导率，N为线圈匝数，a、 b分别为线圈横截面的内外径，h为截面高度；因此，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di/dt成正比，罗氏线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，只要将其输出经过的积分器，即可得到与一次电流成正比的输出电压。
S2、结合装置高频电压信号的同步采集器进行同步电压信号采样，对电流、电压信号结合相角同步计算后得到的有功微功率和无功微功率的模拟信号与数字信号，进行识别处理；
在一个优选地实施方式中，所述同步采集器是跟踪采样的硬件、软件设备，硬件同步是由硬件同步电路向CPU提出中断实现同步，如锁相环同步电路；软件同步则是由定时器中断实现，具体过程是先测量电网周期T，然后根据周期T和每周期内的采样点数N确定定时器的定时值T/N；其中，软件同步不需要专用的同步电路，与硬件同步相比其硬件结构简单，但它要求微机采样装置中具备电网频率跟踪测量环节；同步采样是采样频率fs始终与系统实际运行的频率f1保持固定的比例关系N=fs/f1，必须使采样频率随系统运行的频率的变化而实时地调整。
S3、然后通过发送和监测有功和无功的微功率脉冲做为特征信号来识别台区纵向拓扑结构；
在一个优选地实施方式中，所述微功率是无线电通信设备进行短距离的输送信号，是采集脉冲信号，脉冲是短暂起伏的电冲击的电流和电压，呈现波形，具有幅度、宽度和重复频率的特点，脉冲是相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号，大部分信号周期内没有信号。
S4、最后在50Hz交流电的正半周期中，使用高频脉冲仅发送1/4周期的特征周期，以及在接收端识别该特征周期规律和应有的微功率脉冲数量进行统计学运算和识别；
S5、在谐波严重干扰的低压台区，可将接收到的特征周期规律进行傅里叶展开，得到频域特性，从中提取出与发送频率一致的微功率频率幅值，与基础幅值比较分析得到隶属关系。
在一个优选地实施方式中，所述谐波是对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，谐波电流是设备引入的非正弦特性电流；谐波电压是由谐波电流和配电设备上产生的阻抗导致的电压降；所述频域特性是描述信号在频域方面时用到的坐标系，信号频域分析是采用傅里叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)。
在一个优选地实施方式中，基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别过程是通过发射器发送特征功率脉冲信号，接收器接收并识别特征功率脉冲信号组成智能识别系统，其中，发射器包括市电电源、总电流、总功率计、过零检测信号、开关管、开关管的控制信号、阻性负载及二极管组成；接收器包括前置放大电路、积分电路、数字带通滤波器、幅值和频率检波、二次增益放大、脉冲数占比鉴定及傅里叶变换。
在一个优选地实施方式中，所述发射器的电路原理是采用VG1为50Hz周期的220V有效值的市电电压源，为节省功率损失，具体是仅在正半周峰值的1/4周期，即5ms时间内发送N次相同调制频率的功率脉冲信号作为特征码，其中，调制频率可根据现场环境不同进行自定义。
在一个优选地实施方式中，所述调制频率通过改变信号的振幅改变信号的频率，当调制信号振幅位于正向最大值时，频率最高，当调制信号振幅位于负向最大值时，频率最低，通过改变信号振幅得到特征功率脉冲信号，最后发射器发送特征功率脉冲信号，接收器接收并识别特征功率脉冲信号，所述特征功率脉冲信号的发送是常规技术手段，特征功率脉冲信号为电流信号。
在一个优选地实施方式中，所述发射器的电路原理中的仅在正半周峰值1/4周期时间内发送N次相同频率的功率脉冲信号作为特征码是能够改变的，可根据需求，发送全周期特征码或发送变频率，提供一种变频技术，所述变频技术为正半周期发送一个频率，负半周期发送另一个频率，通过变频技术来规避和提高抗扰能力，上述仅在正半周峰值1/4周期发送和接收功率特征码，是出于为降低对台区的线损和谐波角度考虑，实际使用中，可以随意根据要求进行调整，可以替换为负半周峰值1/4周期，或发送正/负半周1/2周期，也可以间隔2个周期发送一次，功率特征码的频率为1MHz-50MHz，在该频段规避了谐波和载波通讯频段，其功率特征码频率主要受限于罗氏线圈的频率特性，因此低于50MHz以下的频率理论上都可以做为功率特征码来使用。
在一个优选地实施方式中，在检测到ZR_IN过零信号后，控制信号CTL延时2.5ms时间后开始调制，5ms后停止调制，以保证在正半周峰值的1/4周期内调制特征码波形，最后生成PM1波形的功率脉冲信号。
在一个优选地实施方式中，所述接收器的工作流程是罗氏线圈接收电流变化率，经前置放大电路和积分电路，还原出高频特征电流，经数字带通滤波后，滤除特征码频率外的其余频段电流值，幅值和频率检波模块用以识别出正确幅值的特征码，再经二次增益放大后，即可送入MCU进行脉冲占比鉴定，以识别出的特征码占比率来做为信噪比。
在一个优选地实施方式中，所述接收器中的待测台区中如果谐波较严重，通过采用傅里叶变换得到频域特性，再得到微功率特征码频率的幅值，与发送前的电流进行对比，即可在复杂环境下完成特征码的识别，其中，傅里叶变换是表示能将满足特殊条件的一个函数表示成三角函数或者它们的积分的线性组合，三角函数是正弦和余弦函数。
本发明的技术效果和优点：
本发明具体采用发射器发送特征功率脉冲信号，接收器接收并识别特征功率脉冲信号，解决了高频电流特征码在同台区串扰的问题，本发明通过功率脉冲特征码，达到了更高的识别准确性和可靠性的效果；充分利用了罗氏线圈对电流的高灵敏度特点，具备检测高频电流变化的特点，所以可以使用更小的功率脉冲，具有更低功耗，对待测台区产生的谐波影响降至极低；通过借助于罗氏线圈，改为采用1/4周期的高频调制方式，进一步降低对待测台区的影响；在接收端采用脉冲占比鉴定和傅里叶变换两种方式检定信噪比，也可以结合使用，进一步加强了识别准确度，以及通过采用容性负载而发送无功功率特征码，从两个不同的层面进一步提升了识别精度。
附图说明
图1为本发明的基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法流程图。
图2为本发明的发射器电路原理图。
图3为本发明的发射器信号仿真图。
图4为本发明的接收器工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。
本实施例提供了如图1所示基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法，具体包括步骤如下：
S1、首先采用罗氏线圈做为CT互感器接收高频特征微电流信号，得到实时高频有功微功率和无功微功率模拟信号与数字信号；
本实施例中，具体说明的是所述罗氏线圈是交流电流传感器，通过空心环形的线圈，套在被测量的导体上检测交流电流，具有瞬间反应能力，适应于较宽频率范围的交流电测量，罗氏线圈是根据法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，强度为H，由安培环路定律的积分公式，式中，B为电磁场，为磁常数，I为总电流，得出结果；其截面为矩形时，互感系数M和自感系数L分别为：、，上式中，为真空磁导率，N为线圈匝数，a， b分别为线圈横截面的内外径，h为截面高度；因此，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di/dt成正比，罗氏线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，只要将其输出经过的积分器，即可得到与一次电流成正比的输出电压。
S2、结合装置高频电压信号的同步采集器进行同步电压信号采样，对电流、电压信号结合相角同步计算后得到的有功微功率和无功微功率的模拟信号与数字信号，进行识别处理；
本实施例中，具体说明的是所述同步采集器是跟踪采样的硬件、软件设备，硬件同步是由硬件同步电路向CPU提出中断实现同步，如锁相环同步电路；软件同步则是由定时器中断实现，具体过程是先测量电网周期T，然后根据周期T和每周期内的采样点数N确定定时器的定时值T/N；其中，软件同步不需要专用的同步电路，与硬件同步相比其硬件结构简单，但它要求微机采样装置中具备电网频率跟踪测量环节；同步采样是采样频率fs始终与系统实际运行的频率f1保持固定的比例关系N=fs/f1，必须使采样频率随系统运行的频率的变化而实时地调整。
S3、然后通过发送和监测有功和无功的微功率脉冲做为特征信号来识别台区纵向拓扑结构；
本实施例中，具体说明的是所述微功率是无线电通信设备进行短距离的输送信号，是采集脉冲信号，脉冲是短暂起伏的电冲击的电流和电压，呈现波形，具有幅度、宽度和重复频率的特点，脉冲是相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号，大部分信号周期内没有信号。
S4、最后在50Hz交流电的正半周期中，使用高频脉冲仅发送1/4周期的特征周期，以及在接收端识别该特征周期规律和应有的微功率脉冲数量进行统计学运算和识别；
S5、在谐波严重干扰的低压台区，可将接收到的特征周期规律进行傅里叶展开，得到频域特性，从中提取出与发送频率一致的微功率频率幅值，与基础幅值比较分析得到隶属关系。
本实施例中，具体说明的是所述谐波是对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，谐波电流是设备引入的非正弦特性电流；谐波电压是由谐波电流和配电设备上产生的阻抗导致的电压降；所述频域特性是描述信号在频域方面时用到的坐标系，信号频域分析是采用傅里叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)。
如图2的电路原理图中可见，从VG1开始顺时针开始，英文标识依次为AM1、PM1、ZR_IN、CTL、T1、R1、R2、R3、D1、W，英文标识对应关系为：VG1、市电电源；AM1、总电流；PM1、总功率计；ZR_IN、过零检测信号；CTL、开关管T1的控制信号；T1、开关管；R1、阻性负载；R2、阻性负载；R3、阻性负载；D1、二极管；W、电位器。
如图2、4所示本实施例中，具体说明的是基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别过程是通过发射器发送特征功率脉冲信号，接收器接收并识别特征功率脉冲信号组成智能识别系统，其中，发射器包括市电电源、总电流、总功率计、过零检测信号、开关管、开关管的控制信号、阻性负载及二极管组成；接收器包括前置放大电路、积分电路、数字带通滤波器、幅值和频率检波、二次增益放大、脉冲数占比鉴定及傅里叶变换。
如图3所示本实施例中，具体说明的是所述发射器的电路原理是采用VG1为50Hz周期的220V有效值的市电电压源，为节省功率损失，具体是仅在正半周峰值的1/4周期，即5ms时间内发送N次相同频率的功率脉冲信号作为特征码，其中，调制频率可根据现场环境不同进行自定义。
进一步的，所述调制频率通过改变信号的振幅改变信号的频率，当调制信号振幅位于正向最大值时，频率最高，当调制信号振幅位于负向最大值时，频率最低，通过改变信号振幅得到特征功率脉冲信号，最后发射器发送特征功率脉冲信号，接收器接收并识别特征功率脉冲信号，所述特征功率脉冲信号的发送是常规技术手段，特征功率脉冲信号为电流信号。
进一步的，所述发射器的电路原理中的仅在正半周峰值1/4周期时间内发送N次相同频率的功率脉冲信号作为特征码是能够改变的，可根据需求，发送全周期特征码或发送变频率，提供一种变频技术，所述变频技术为正半周期发送一个频率，负半周期发送另一个频率，通过变频技术来规避和提高抗扰能力，上述仅在正半周峰值1/4周期发送和接收功率特征码，是出于为降低对台区的线损和谐波角度考虑，实际使用中，可以随意根据要求进行调整，可以替换为负半周峰值1/4周期，或发送正/负半周1/2周期，也可以间隔2个周期发送一次，功率特征码的频率为1MHz-50MHz，在该频段规避了谐波和载波通讯频段，其功率特征码频率主要受限于罗氏线圈的频率特性，因此低于50MHz以下的频率理论上都可以做为功率特征码来使用。
如图3所示本实施例中，具体说明的是在检测到ZR_IN过零信号后，控制信号CTL延时2.5ms时间后开始调制，5ms后停止调制，以保证在正半周峰值的1/4周期内调制特征码波形，最后生成PM1波形的功率脉冲信号。
如图4所示本实施例中，具体说明的是所述接收器的工作流程是罗氏线圈接收电流变化率，经前置放大电路和积分电路，还原出高频特征电流，经数字带通滤波后，滤除特征码频率外的其余频段电流值，幅值和频率检波模块用以识别出正确幅值的特征码，再经二次增益放大后，即可送入MCU进行脉冲占比鉴定，以识别出的特征码占比率来做为信噪比。
如图3所示本实施例中，具体说明的是所述接收器中的待测台区中如果谐波较严重，通过采用傅里叶变换得到频域特性，再得到微功率特征码频率的幅值，与发送前电流进行对比，即可在复杂环境下完成特征码的识别，其中，傅里叶变换是表示能将满足特殊条件的一个函数表示成三角函数或者它们的积分的线性组合，三角函数是正弦和余弦函数。
如图3所示本实施例中，所述发射器的电路原理具体仅在正半周峰值1/4周期时间内发送N次相同频率的功率脉冲信号作为特征码是能够改变的，可根据需求，发送全周期特征码，也可发送变频率，比如，正半周期发送一个频率，以及负半周期发送另一个频率，通过变频技术来规避和提高抗扰能力。
最后：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，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 (4)
1.基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法，其特征在于：包括具体步骤如下：
S1、首先采用罗氏线圈做为CT互感器接收高频特征微电流信号，得到实时高频有功微功率和无功微功率模拟信号与数字信号；
S2、结合装置高频电压信号的同步采集器进行同步电压信号采样，对电流、电压信号结合相角同步计算后得到的有功微功率和无功微功率的模拟信号与数字信号，进行识别处理；
S3、然后通过发送和监测有功和无功的微功率脉冲做为特征信号来识别台区纵向拓扑结构；
S4、最后在50Hz交流电的正半周期中，使用高频脉冲仅发送1/4周期的特征周期，以及在接收端识别该特征周期规律和应有的微功率脉冲数量进行统计学运算和识别；
S5、在谐波严重干扰的低压台区，可将接收到的特征周期规律进行傅里叶展开，得到频域特性，从中提取出与发送频率一致的微功率频率幅值，与基础幅值比较分析得到隶属关系；
在检测到ZR_IN过零信号后，控制信号CTL延时2.5ms时间后开始调制，5ms后停止调制，以保证在正半周峰值的1/4周期内调制特征码波形，最后生成PM1波形的功率脉冲信号；
接收器的工作流程是罗氏线圈接收电流变化率，经前置放大电路和积分电路，还原出高频特征电流，经数字带通滤波后，滤除特征码频率外的其余频段电流值，幅值和频率检波模块用以识别出正确幅值的特征码，再经二次增益放大后，即可送入MCU进行脉冲占比鉴定，以识别出的特征码占比率来做为信噪比；
所述接收器中的待测台区中如果谐波较严重，通过采用傅里叶变换得到频域特性，再得到微功率特征码频率的幅值，与发送前的电流进行对比，即可在复杂环境下完成特征码的识别，其中，傅里叶变换是表示能将满足特殊条件的一个函数表示成三角函数或者它们的积分的线性组合，三角函数是正弦和余弦函数。
2.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法，其特征在于：基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别过程是通过发射器发送特征功率脉冲信号，接收器接收并识别特征功率脉冲信号组成智能识别系统，其中，发射器包括市电电源、总电流、总功率计、过零检测信号、开关管、开关管的控制信号、阻性负载及二极管组成；接收器包括前置放大电路、积分电路、数字带通滤波器、幅值和频率检波、二次增益放大、脉冲数占比鉴定及傅里叶变换。
3.根据权利要求2所述的基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法，其特征在于：所述发射器的电路原理是采用VG1为50Hz周期的220V有效值的市电电压源，为节省功率损失，具体是仅在正半周峰值的1/4周期，即5ms时间内发送N次相同频率的功率脉冲信号作为特征码，其中，调制频率可根据现场环境不同进行自定义。
4.根据权利要求3所述的基于罗氏线圈的脉冲特征信号台区拓扑识别方法，其特征在于：所述发射器中的，仅在正半周峰值1/4周期发送和接收功率特征码，可以替换为负半周峰值1/4周期，或发送正/负半周1/2周期，也可以间隔2个周期发送一次，功率特征码的频率为1MHz-50MHz。
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