CN204859178U - 抑制用电信息采集系统干扰信号的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，所述系统包括：用电设备、电网、所述用电设备与所述电网连接的电路及至少一个巴特沃思型低通滤波器；其中，所述用电设备与所述电网连接的电路的三个相线中的至少一个相线和其中性线之间连接有用于抑制所述用电设备中高频谐波对电力线载波通信信号产生干扰的所述巴特沃思型低通滤波器。本实用新型的系统通过巴特沃思型低通滤波器可有效消除电力载波通信电路中的干扰信号。

Description

抑制用电信息采集系统干扰信号的系统

技术领域

本实用新型涉及电力技术领域，尤其涉及一种抑制用电信息采集系统干扰信号的系统。

背景技术

用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的基础，是建设统一坚强智能电网的重要组成部分。用电信息采集系统从物理上可根据部署位置分为主站、通信信道、采集设备三部分。通信信道是连接终端设备与采集系统主站的桥梁和纽带，目前低压抄表集中器所采用的通信信道主要为电力线载波。电力线载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，这种通信方式不需要重新架设网络，只要有电力线，就能进行数据传递。但是，变压器、变频电机、电梯以及电力电子设备等会产生高频谐波，对电力线载波通信产生干扰，影响用电信息的采集成功率。

为了抑制高频谐波，现有技术中，在电源和负载间加装旁路电容器，电容器的两极分别接相线和中性线，相线中的高频谐波通过电容器流向中性线进入大地，从而降低对用电信息采集系统电力线载波通信信号的干扰。

然而，在电源和负载间加装电容器时，由于不同用电设备产生的谐波频段范围不同，需要重复加装容值不同的电容器，然后检验加装电容器后电力线载波通信信号是否还会被干扰，如果通信信号正常，则证明相应容值的电容器符合要求。这一过程较为繁琐，随机性较强，需要在现场准备容值不同的多种电容器，使工作效率降低，影响提高用电信息采集成功率的工作进程。

实用新型内容

本实用新型提供一种抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，以解决现有技术中的一项或多项缺失。

本实用新型还提供一种抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，所述系统包括：用电设备、电网、所述用电设备与所述电网连接的电路及至少一个巴特沃思型低通滤波器；其中，所述用电设备与所述电网连接的电路的三个相线中的至少一个相线和其中性线之间连接有用于抑制所述用电设备中高频谐波对电力线载波通信信号产生的干扰所述巴特沃思型低通滤波器。

一个实施例中，所述巴特沃思型低通滤波器包括根据谐波干扰信号的干扰频段、产生所述谐波干扰信号的所述用电设备、所述用电设备与所述电网连接的电路、设定阶数及考尔梯形电路实现的输入端阻抗选取的电感和电容。

一个实施例中，所述巴特沃思型低通滤波器包括：第一端钮、第二端钮、第一电感、第一电容、第二电感、第二电容、第三电感及负载电阻；所述用电设备与所述电网连接的电路包括相线和中性线；所述第一端钮的一端连接所述相线，另一端依次通过所述第一电感、第二电感、第三电感及负载电阻连接至所述第二端钮的一端，所述第二端钮的另一端连接所述中性线；所述第一电容一端连接在所述第一电感与第二电感之间，另一端连接在所述第二端钮与所述负载电阻之间；所述第二电容一端连接在所述第二电感与第三电感之间，另一端连接在所述第一电容与所述负载电阻之间。

本实用新型的抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，通过至少一个巴特沃思型低通滤波器可有效消除用电设备中高频谐波对电力线载波通信信号产生的干扰。巴特沃思型低通滤波器采用电感和电容元件实现，是模拟电路的低通滤波器，相对于数字滤波器而言，该滤波器无需对信号进行数字采样及运算，安装调试方便。滤波器中电感和电容的参数重分考虑了各部分相关因素，包括用电设备、连接电路及滤波器阶数，最终实现了巴特沃思型低通滤波器。本实用新型预先生成用于专门抑制电力载波通信中干扰信号的巴特沃思型低通滤波器，再将实现的巴特沃思型低通滤波器安装于电网和易产生高频干扰信号的用电设备之间，可以有效抑制用电设备中高频谐波对电力线载波通信产生的干扰，提高用电信息的采集成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。在附图中：

图1是本实用新型实施例的抑制用电信息采集系统干扰信号的系统的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中的巴特沃思型低通滤波器的电路结构示意图；

图3是本实用新型一实施例中加装电源和负载的巴特沃思型低通滤波器的两端口网络的电路示意图；

图4是本实用新型一实施例中考尔梯形电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

本实用新型实施例提供一种抑制用电信息采集系统干扰信号的系统及方法。该系统和方法基于巴特沃思型低通滤波器抑制用电设备中高频谐波对电力线载波通信信号产生的干扰。

图1是本实用新型实施例的抑制用电信息采集系统干扰信号的系统的结构示意图。如图1所示，抑制用电信息采集系统干扰信号的系统包括用电设备110、电网120、用电设备与电网连接的电路130及三个巴特沃思型低通滤波器140。

用电设备与电网连接的电路130的相线A、B及C中的每一个相线和电路130的中性线N之间连接有一个巴特沃思型低通滤波器140，以通过上述巴特沃思型低通滤波器140抑制用电设备110中高频谐波对电路130中的电力线载波通信信号产生的干扰。

可选地，抑制用电信息采集系统干扰信号的系统只包括一个或两个上述巴特沃思型低通滤波器140，电路130的相线A、B及C中只有一个或两个相线，通过巴特沃思型低通滤波器140与电路130的中性线N相连，以抑制用电设备110对电路130中连接有巴特沃思型低通滤波器140的相线上的电力载波通信信号产生的干扰。

本实用新型实施例的抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，通至少一个巴特沃思型低通滤波器直接连接至相线和中性线之间，可有效消除用电设备中高频谐波对电力线载波通信信号产生的干扰。安装方便，使得用电采集工作效率高。

一个实施例中，如图1所示的抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，其中的巴特沃思型低通滤波器140中含有至少一个电感元件和至少一个电容元件，上述电感元件和电容元件参数根据谐波干扰信号的干扰频段、产生该谐波干扰信号的用电设备110、用电设备与电网连接的电路130、设定的巴特沃思型低通滤波器的阶数及考尔梯形电路实现的输入端阻抗计算分析得到。

本实用新型实施例中，根据干扰频段、用电设备、连接电路、合理的滤波器阶数及考尔梯形电路，最终实现预先设计出用于专门抑制电力载波通信中干扰信号的巴特沃思型低通滤波器，无需如同现有技术中的电容器消除干扰信号的装置那样重复加装，即可有效消除用电设备对电力载波通信信号的干扰。通过电感和电容元件实现了模拟电路的巴特沃思型低通滤波器，无需如同数字滤波器对信号进行数字采样及运算，安装调试方便。

图2是本实用新型一实施例中的巴特沃思型低通滤波器的电路结构示意图。如图2所示，上述各实施例中，巴特沃思型低通滤波器140可包括第一端钮1、第二端钮1’、第一电感L1、第一电容C2、第二电感L3、第二电容C4、第三电感L5及负载电阻RL。

结合图1所示的用电设备与电网连接的电路130中的相线A、B、C和中性线N，第一端钮1的一端连接相线(A或B或C)，另一端依次通过第一电感L1、第二电感L3、第三电感L5及负载电阻RL连接至第二端钮1’的一端，所述第二端钮1’的另一端连接中性线N；第一电容C2一端连接在第一电感L1与第二电感L3之间，另一端连接在第二端钮1’与负载电阻RL之间；第二电容C4一端连接在第二电感L3与第三电感L5之间，另一端连接在第一电容C2与负载电阻RL之间；

其中，上述的第一电感L1、第一电容C2、第二电感L3、第二电容C4及第三电感L5的参数值，根据谐波干扰信号的干扰频段、产生谐波干扰信号的用电设备110、用电设备与电网连接的电路130、设定阶数及考尔梯形电路实现的输入端阻抗确定；负载电阻RL的参数值根据用电设备与电网连接的电路130确定。

本实用新型实施例中，通过干扰频段、用电设备及连接电路分析得到合理的电感和电容元件的参数，并结合考尔梯形电路实现巴特沃思型系统函数的滤波功能，滤波器实现过程简便，对电力载波通信干扰信号的滤波效果佳。

图3是本实用新型一实施例中加装电源和负载的巴特沃思型低通滤波器的两端口网络的电路示意图。如图3所示，高频谐波信号源含有内电阻R_s，其高频谐波源电压E_s(jω)信号频谱为巴特沃思型低通滤波器140提供输入电压U₁(jω)频谱。巴特沃思型低通滤波器140输出电压U₀(jω)频谱。从端口1-1’看去，巴特沃思型低通滤波器140含有输入阻抗Z_in。在巴特沃思型低通滤波器140的端口2-2’连接有负载电阻R_L。上述各频谱具有角频率ω。

以高频谐波信号的输出电压U₀(jω)和高频谐波源电压E_s(jω)的比值作为系统函数，该高频谐波信号的频率特性为：

$H\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{U_0\left(j\mathrm{\ω}\right)}{E_s\left(j\mathrm{\ω}\right)}.---\left(1\right)$

建立基于系统函数幅频特性|H(jω)|平方的模方函数|H(jω)|²，其计算表达式为：

|H(jω)|²＝H(jω)H(-jω)。(2)

巴特沃思型低通滤波器的模方函数为：

${\left|H\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}^2=\frac{1}{1+{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^{2N}}.---\left(3\right)$

其中，N表示巴特沃思型低通滤波器的阶数，N为整数，ω_c为巴特沃思型低通滤波器的截止角频率。

将该模方函数(公式(3))进行复频率延拓，即用复频率s置换角频率jω，可以得到：

$H\left(s\right)H(-s)=\frac{{\left({\mathrm{j\ω}}_c\right)}^{2N}}{s^{2N}+{\left({\mathrm{j\ω}}_c\right)}^{2N}}.---\left(4\right)$

复频率延拓后的模方函数(公式(4))的全部极点为：

$s_p={\mathrm{j\ω}}_c{(-1)}^{\frac{1}{2N}}={\mathrm{\ω}}_c{e}^{j\mathrm{\π}(\frac{1}{2}+\frac{2p-1}{2N})},p=1,2,...,2N.---\left(5\right)$

当p＝1，2，…，N时，极点均匀地分布在复平面的左半平面内；当p＝N+1，N+2，…，2N时，极点均匀地分布在复平面的右半平面。

一个实施例中，仅考虑分布复平面的左半平面内的极点，可得到巴特沃思型低通滤波器的系统函数为：

$H\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\ω}}_c}^N}{\underset{p=1}{\overset{N}{\Π}}(s-s_p)},---\left(6\right)$

其中，N为上述设定阶数，ω_c是上述截止角频率，s是复数频率，s_p是在左半部分复平面上的系统函数模方的极点，s_p具体为公式(5)所示。

本实用新型实施例中，通过仅考虑分布在左半复平面的极点来求取系统函数，使得所设计的巴特沃思型低通滤波器成为稳定的因果系统。

再次参见图3，其中的巴特沃思型低通滤波器是一个两端口电路，当在其输出端2-2’端接负载电阻R_L后，便成为一个单端口电路。申请人考虑，通过单端口电路来实现巴特沃思型低通滤波器的两端口电路。

图4是本实用新型一实施例中考尔梯形电路的结构示意图。如图4所示，考尔梯形电路是一种形式简单的单端口电路。

首先，由图4可知，该梯形电路的输入阻抗为：

$Z_{in}=Z_1+\frac{1}{Y_2+\frac{1}{Z_3+\frac{1}{Y_4+\frac{1}{Z_5+R_L}}}},---\left(7\right)$

其中，Z_in是输入阻抗，Z₁、Z₃及Z₅是串臂阻抗，Y₂及Y₄是并臂导纳。

然后，用电感元件L₁、L₃及L₅分别实现串臂阻抗Z₁、Z₃及Z₅，用电容元件C₂及C₄分别实现并臂导纳Y₂及Y₄，则公式(7)可表示为：

$Z_{in}\left(s\right)={\mathrm{sL}}_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2+\frac{1}{{\mathrm{sL}}_3+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_4+\frac{1}{{\mathrm{sL}}_5+R_L}}}},---\left(8\right)$

其中，Z_k＝sL_k，k＝1、3或5，Y_k＝sC_k，k＝2或4，s是复频率。

由公式(8)可以看出，梯形电路输入组抗的分子多项式阶数比分母多项式阶数高一阶，申请人考虑，依据上述特点，根据上述输入阻抗来确定巴特沃思型低通滤波器的电路结构及电路元件的参数。

接下来，说明本实用新型实施例中无源LC模拟/巴特沃思型低通滤波器的电路实现。结合图3和图4，当输入阻抗Z_in＝R_s时，即图4所示电路为匹配情况时，高频谐波信号源E_s可以为滤波器提供最大的输入功率P₁ ⁺，即

$P_1^{+}=\frac{{\left|E_s\right|}^2}{4R_s},---\left(9\right)$

其中，输入功率P₁ ⁺又可称为滤波器输入端的入射功率。

此时，滤波器输入端电压U₁为：

$U_1=U_1^{+}=\frac{1}{2}{E}_s,---\left(10\right)$

其中，被称为滤波器输入端的入射电压。

当输入阻抗Z_in不等于信号源内阻R_s时，滤波器输入端电压U₁为：

$U_1=\frac{Z_{in}}{Z_{in}+R_s}{E}_s.---\left(11\right)$

申请人考虑到，反映滤波器的输入阻抗Z_in与信号源内阻R_s的失配情况，定义滤波器输入端的反射电压为：

$U_1^{-}=U_1-U_1^{+}=\frac{Z_{in}}{Z_{in}+R_s}{E}_s-\frac{1}{2}{E}_s=\frac{1}{2}\frac{Z_{in}-R_s}{Z_{in}+R_s}{E}_s.---\left(12\right)$

将反射电压与入射电压之比定义为滤波器输入端的电压反射系数ρ₁(s)，即：

${\mathrm{\ρ}}_1\left(s\right)=\frac{U_1^{-}}{U_1^{+}}=\frac{Z_{in}\left(s\right)-R_s}{Z_{in}\left(s\right)+R_s}.---\left(13\right)$

一个实施例中，申请人考虑到，如果先求得电压反射系数ρ₁(s)，从公式(13)可以求出滤波器输入端的输入阻抗Z_in(s)为：

$Z_{in}\left(s\right)=\frac{1+{\mathrm{\ρ}}_1\left(s\right)}{1-{\mathrm{\ρ}}_1\left(s\right)}{R}_s,---\left(14\right)$

其中，s是复数频率，ρ₁(s)是电压反射系数，R_s是高频谐波信号源内阻值。

由公式(14)可以看出，要求得Z_in(s)，需先得到滤波器输入端的电压反射系数ρ₁(s)，下面说明本实用新型实施例中电压反射系数ρ₁(s)的求解方法。

根据公式(13)电压反射系数ρ₁(s)的定义，可以得到电压反射系数的平方：

${\mathrm{\ρ}}_1^2\left(s\right)={\left(\frac{U_1^{-}}{U_1^{+}}\right)}^2=\frac{{\left(U_1^{-}\right)}^2}{\frac{1}{4}{\left(E_s\right)}^2}=\frac{\frac{{\left(U_1^{-}\right)}^2}{R_s}}{\frac{{\left(E_s\right)}^2}{4R_s}}=\frac{P_1^{-}}{P_1^{+}},---\left(15\right)$

在公式(15)中，将P₁ ^-称为滤波器输入端阻抗失配产生的反射功率。由于LC电路是无源且无损的，因此滤波器输入端的输入功率P₁应等于滤波器输出端的负载功率P_L，输入功率P₁、入射功率P₁ ⁺及反射功率P₁ ^-之间的关系为：

P₁ ^-＝P₁ ⁺-P₁＝P₁ ⁺-P_L。(16)

将公式(16)代入公式(15)，可得到电压反射系数的平方为：

${\mathrm{\ρ}}_1^2\left(s\right)=\frac{P_1^{-}}{P_1^{+}}=1-\frac{P_L}{P_1^{+}}=1-\frac{\frac{U_0^2}{R_L}}{\frac{E_s^2}{4R_s}}=1-\frac{4R_s}{R_L}{\left(\frac{U_0}{E_s}\right)}^2=1-\frac{4R_s}{R_L}{H}^2\left(s\right),---\left(17\right)$

一个实施例中，将公式(17)变形得到，电压反射系数模方为：

${\mathrm{\ρ}}_1\left(s\right){\mathrm{\ρ}}_1(-s)=1-\frac{4R_s}{R_L}H\left(s\right)H(-s),---\left(18\right)$

其中，ρ₁(s)是电压反射系数，ρ₁(-s)是电压反射系数的复数共轭，s是复数频率，R_s是所述内阻值，R_L是所述负载电阻值，H(s)是所述系统函数，H(-s)是所述系统函数的复数共轭。

由公式(18)可知，巴特沃思型(无源LC模拟)低通滤器的实现方法如下：

(1)将巴特沃思型低通滤波器的系统函数H(s)代入式(18)，并求出电压反射系数模方ρ₁(s)ρ₁(-s)的全部极点和零点；

(2)将电压反射系数模方ρ₁(s)ρ₁(-s)的全部极点和零点按照在复平面的左半平面和右半平面分成两类；

(3)反射系数ρ₁(s)的所有极点应分布在复平面的左半平面，同时为使该巴特沃思型低通滤波器具有最小相位，反射系数ρ₁(s)的所有零点也分布在复平面的左半平面。这样，便根据分布在复平面左半平面的极点和零点来构造反射系数ρ₁(s)，从而得到因果系统稳定的巴特沃思型低通滤波器。

(4)将电压反射系数ρ₁(s)代入公式(14)，求巴特沃思型低通滤波器的输入端阻抗Z_in(s)，并用考尔梯形电路实现输入端阻抗Z_in(s)，即可实现巴特沃思型低通滤波器。

本实用新型的抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，通过至少一个巴特沃思型低通滤波器可有效消除用电设备中高频谐波对电力线载波通信信号产生的干扰。巴特沃思型低通滤波器采用电感和电容元件实现，是模拟电路的低通滤波器，相对于数字滤波器而言，该滤波器无需对信号进行数字采样及运算，安装调试方便。滤波器中电感和电容的参数重分考虑了各部分相关因素，包括用电设备、连接电路及滤波器阶数，最终实现了巴特沃思型低通滤波器。本实用新型预先生成用于专门抑制电力载波通信中干扰信号的巴特沃思型低通滤波器，再将实现的巴特沃思型低通滤波器安装于电网和易产生高频干扰信号的用电设备之间，可以有效抑制用电设备中高频谐波对电力线载波通信产生的干扰，提高用电信息的采集成功率。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，其特征在于，所述系统包括：用电设备、电网、所述用电设备与所述电网连接的电路及至少一个巴特沃思型低通滤波器；

其中，所述用电设备与所述电网连接的电路的三个相线中的至少一个相线和其中性线之间连接有用于抑制所述用电设备中高频谐波对电力线载波通信信号产生干扰的所述巴特沃思型低通滤波器。

2.如权利要求1所述的抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，其特征在于，所述巴特沃思型低通滤波器包括根据谐波干扰信号的干扰频段、产生所述谐波干扰信号的所述用电设备、所述用电设备与所述电网连接的电路、设定阶数及考尔梯形电路实现的输入端阻抗选取的电感和电容。

3.如权利要求2所述的抑制用电信息采集系统干扰信号的系统，其特征在于，

所述巴特沃思型低通滤波器包括：第一端钮、第二端钮、第一电感、第一电容、第二电感、第二电容、第三电感及负载电阻；所述用电设备与所述电网连接的电路包括相线和中性线；

所述第一端钮的一端连接所述相线，另一端依次通过所述第一电感、第二电感、第三电感及负载电阻连接至所述第二端钮的一端，所述第二端钮的另一端连接所述中性线；所述第一电容一端连接在所述第一电感与第二电感之间，另一端连接在所述第二端钮与所述负载电阻之间；所述第二电容一端连接在所述第二电感与第三电感之间，另一端连接在所述第一电容与所述负载电阻之间。