CN210839563U - 一种低压配电网端到端传输时延测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低压配电网端到端传输时延测量系统，该系统设置于低压配电网用户终端内或分支开关处，包括电力线、电力线载波通信模块、微处理器和可编程器件，信号输出模电路和信号接收电路；所述电力线载波通信模块通过电线与所述电力线连接，所述微处理器通过TTL‑232串口与所述电力线载波通信模块电性连接，所述微处理器通过SPI接口与所述可编程器件电性连接。该设计的有益效果是通过所述电力线载波通信模块完成测量端和被测量端的测量身份确认。本实用新型提供一种在不影响电网工作的前提下，可以实现多个终端的，高精度、小体积、低成本在线端到端传输时延测量系统。

Description

一种低压配电网端到端传输时延测量系统

技术领域

本实用新型涉及时延测量领域，具体涉及一种低压配电网端到端传输时延测量系统。

背景技术

现有的传输时延测量系统，主要有三类：第一类是基于通信的端到端网络传输时延测试系统，第二类基于脉冲反射的传输时延测量系统，第三类是全球卫星定位系统。

第一类系统主要应用于计算机网络通信端到端创世时延测试和无线通信网络端到端传输时延测试。在时延测量时，测量方向被测量方发送一个数据包，被测量方收到这个数据包后，返回一个应答包。测量方记录发送数据包的时刻和接收到应答包的时刻，计算出信号从测量端到被测量端的端到端传输时延。

第二类系统要应用于雷达系统、网线长度测试仪、电缆长度测试仪、光纤长度测试仪、矢量网络分析仪等系统中。雷达系统通过向被探测目标发射一个电磁脉冲，然后等待被测物体间该脉冲反射回来，记录脉冲的发出时刻和反射脉冲的接收时刻，得到传输时延。网线长度测试仪、电缆长度测试仪、光纤长度测试仪都是在被测系统的一端安装设备，该设备通过在这个端口发射脉冲信号后，等待脉冲信号在末端或者断点出被反射回来，记录脉冲发射时刻和反射脉冲的接收时刻，获得传输时延。矢量网络分析仪通过两个端口测量被测线缆的长度，一个端口发射脉冲信号，另一个端口接收该脉冲信号，通过记录发射端口脉冲信号发出时间和接收端口收到脉冲的时刻，计算出传输时延。

第三类系统，采用多个发射端，同时发射不同的信号，达到同一个接收端，接收端通过计算这些信号的到达时间差，结合不同发射源的位置已知的条件，计算出地理位置。系统要求所有发射端存在一个共有的高精度的绝对时钟。发送的数据中，包含了该数据发送时间的标签，接收端在接收到数据时，利用接收到的数据时刻，减去数据中的标签时刻，得到相对传输时延。

现有第一类系统，受限于通信的传输速率及物理层传输控制机制，该时延测量精度通常都在us级以上。

现有的第二类系统中，雷达技术，不能直接应用于电力线网端到端传输时延测量；矢量网络分析仪中的技术，必须要求被测电缆的两头能够放在同一地点，显然不适用于各终端处于不同地理位置的电力线网络；网线长度测试仪、电缆长度测试仪和光纤长度测试仪要求被测线缆、光纤的一端必须与系统断开，且只有一个反射信号，而典型的电力线网络，存在多个分支开关和终端，每一个分支开关和终端都会引起阻抗的不连续，从而产生反射信号，导致测量失败，同时测量电力线网络中端到端传输时延，也不能将电线与电网断开。

现有的第三类技术，需要系统具有全网统一的高精度时间，高精度的时钟体积大，成本高，不能嵌入到对成本、体积和功耗敏感的用电设备端，因此也不适用于电力线网络中端到端传输时延的测量。

实用新型内容

本实用新型的目的提供一种低压配电网端到端传输时延测量系统，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。

根据本实用新型一种低压配电网端到端传输时延测量系统，该系统设置于低压配电网用户终端内或分支开关处，包括电力线、电力线载波通信模块、微处理器和可编程器件，信号输出模电路和信号接收电路；

电力线，为低压电力线，通常电压为220V或者380V配电系统传输线；

电力线载波通信模块，基于所述电力线进行数据收发，完成测量端和被测量端的测量身份确认；微处理器通过电力线载波通信模块和电力线收发身份确认命令来完成身份确认。

微处理器，负责通过所述电力线载波通信模块与外界通信、并与可编程器配合完成测量的任务调度和结果的输出；

可编程器件，负责测量信号的产生、调制、发射、解调和时延测量，并接受所述微处理器的控制以及向所述微处理器汇报测量结果；

所述电力线载波通信模块通过电线与所述电力线连接，所述微处理器通过TTL-232串口与所述电力线载波通信模块电性连接，所述微处理器通过SPI 接口与所述可编程器件电性连接；上层通过电力线对测量端m的电力线载波通信模块m1对微处理器m2输入时延测量命令，此时延测量命令包含了被测端n的位置信息，m端点的微处理器m2通过电力线载波通信模块m1和电力线发出测量命令，测量命令通过被测端n的电力线载波通信模块n1进入微处理器n2，微处理器n2接收到测量命令后再发出确认命令，测量端m的微处理器m2通过微处理器和电力线接收到确认命令，确认测量端m和被测量端n 身份，开始进行测量时延；该设计的有益效果是通过所述电力线载波通信模块完成测量端和被测量端的测量身份确认，选中低压配电网中测量的两个终端，避免非测量终端的干扰，可编程器件实现高精度时间的采集。

在一些实施方式中，所述信号发射电路包括数模转换器、低通滤波器、射频功放和耦合电路；所述可编程器件产生的信号经过所述数模转换器转换，再进入所述低通滤波器进行滤波，再有所述射频功放放大进入所述耦合电路，最后进入所述电力线传输到接收端点；

所述可编程器件通过并口与所述数模转换器电性连接，所述数模转换器通过PCB上的导线与所述低通滤波器电性连接，所述低通滤波器通过PCB上的导线与所述射频功放电性连接，所述射频功放通过PCB上的导线电性连接至所述耦合电路的一个端口，所述耦合电路的第二个端口通过电线连接至所述电力线。该设计的有益效果是对输出信号进行限幅调制，避免了传统数字通信系统中高成本、高功耗的模数转换模块和可控制增益放大模块。

在一些实施方式中，还包括信号发射电路，所述信号发射电路包括数模转换器、低通滤波器、射频功放和耦合电路；所述可编程器件产生的信号经过所述数模转换器转换，再进入所述低通滤波器进行滤波，再有所述射频功放放大进入所述耦合电路，最后进入所述电力线传输到接收端点；

所述耦合电路的第三个端口通过PCB上的导线电性连接与所述低噪声放大器，所述低噪声放大器通过PCB上的导线与所述带通滤波器电性连接，带通滤波器通过PCB上的导线与所述放大器电性连接，所述放大器通过PCB上的导线与所述高速比较器电性连接，所述高速比较器通过PCB上的导线连接至所述可编程器件的一个IO接口。该设计的有益效果是可以屏蔽信号的多次反射信号的干扰，保证了测量的有效性和准确性。

在一些实施方式中，所述可编程器件产生的时延测量信号由伪随机码k1 和k2的调制信号构成扩频正交m序列，采用BPSK调制方式；该设计的有益效果是伪随机码具有良好的自相关性和互相性，且相关时刻包含了多个码片的统计特性，因此具有良好的抗干扰性，提高了测量的稳定性，测量信号属于扩频信号，可以以较低的功率发射，对电力线载波通信系统影响较小。

在一些实施方式中，所述可编程器件采用限幅放大1bit采样方式，采样了经过限幅后的k1调制信号；该设计进一步降低成本，对1bit采样后的k1 调制信号，直接进行相关运算，避免了复杂的解调过程，降低了对FPGA资源的要求。

在一些实施方式中，所述可编程器件所产生的时延信号K1和K2是正交的m序列；有益效果是利用了m序列良好的自相关性和抗干扰能力，提高了时延测量的精度，避免了现有高精度测量系统，采用脉冲法，抗噪声干扰能力差的缺点。

根据本实用新型一种低压配电网端到端传输时延测量系统，时延测量采用伪随机码k1和k2构成。由于伪随机码具有良好的自相关性和互相性，且相关时刻包含了多个码片的统计特性，因此具有良好的抗干扰性，提高了测量的稳定性。为解决低压配电网多个分支节点和终端对测量信号反射，导致测量模糊的问题，特采用被测量端回复正交的k2信号，屏蔽k1信号的多次反射信号的干扰，保证了测量的有效性和准确性。由于采用了伪随机码调制信号，测量信号属于扩频信号，可以以较低的功率发射，对电力线载波通信系统影响较小；同时电力线载波通信模块的通信信号，相对于测量系统是窄带通信信号，其信号对测量系统的干扰相当于窄带干扰，根据扩频通信技术特点，窄带干扰在扩频信号解扩时，会被大大降低，因此本实用新型所提的测量系统，可以与电力线载波通信系统共存。

附图说明

图1为本实用新型的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量系统的结构示意图；

图2为本实用新型的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量系统的工作流程示意图；

图3为本实用新型的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量系统的本地存储的m序列调制限幅信号示意图；

图4为本实用新型的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量系统的输出的相关峰示意图；

图5为本实用新型的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量系统的输出最大相关峰时刻示意图；

图6为本实用新型的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量系统的时延测量仿真1的示意图；

图7为本实用新型的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量系统的时延测量仿真2的示意图；

图8为本实用新型的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量系统的时延测量仿真3的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型进行进一步详细的说明。

如图1-图2所示，所提时延测量系统的流程描述如下：

①上层通过电力线载波通信模块给节点m发送时延测量命令，发起时延测量过程。该命令里包含了被测量的节点ID，此处假定为节点n。

②节点m的微处理器m1通过电力线载波通信模块m3向节点n的微处理器n1发送时延测量命令；

③节点n的微处理器n1收到时延测量命令后，通过电力线载波通信模块 n3给节点m回复测量确认命令；

④节点m的微处理器m1收到节点n的测量确认命令后，向节点m的可编程器件m2发出时延测量开始命令；

⑤节点m的可编程器件m2收到时延测量开始命令后，产生自相关性性能优异的k1序列的调制信号，然后控制节点m的数模转换器m4发送出去,可编程器件m2发送完，记录当前时间t1。

⑥节点m的数模转换器m4输出的k1序列的调制信号，通过节点m的低通滤波器m5、射频功放m6、耦合电路m7和电力线0后，到达节点n,然后经过节点n后的耦合电路n7、低噪声放大器n8、带通滤波器n9、放大器n10 和比较器n11后，送往节点n的可编程器件n2的IO脚；

⑦在节点n的可编程器件n2中，收到的k1序列的调制信号经过信号处理后，与本地保存的k1信号做相关运算，寻找相关峰达到最大值的时刻，寻找到后，立即将提前产生好的自相关性性能优异的k2(k1与k2序列相互正交)序列的调制信号发送给节点n的数模转换器n4；

⑧节点n的数模转换器n4模块输出的k2序列的调制信号，经过节点n 的低通滤波器n5、射频功放n6、耦合电路n7、电力线0到达节点m，然后经过节点m的耦合电路m7、低噪声放大器m8、带通滤波器m9、放大器m10和比较器m11后，送到节点m的可编程器件m2的IO管脚；

⑨节点m的可编程器件m2在发送完k1序列调制信号后，一直在等待k2 调制序列的到来。k2序列调制信号到来后，经过信号处理与节点m本地存储的k2信号做相关运算，寻找相关峰最大的时刻，寻找到后，记录此时时刻 t2；则传输时延t_传输＝(t2-t1-t_处理-t_发送时长)/2。此处，t_处理为各种数字信号处理所花去的时间，它为一个确定值，t_发送时长为k1和k2调制信号通过模数转换器发射的时间，跟k1、k2序列长度和数据传输速率相关，也是一个确定值。节点m的可编程逻辑器m2把测量结果t_传输发送给节点m的微处理器m1；

⑩节点m的微处理器m1将测量结果，通过电力线载波通信模块m3向上层汇报测量结果。

如图3-5图所示，采用BPSK调制方式，载波频率4MHz，k1和k2序列选用15位m码，其中k1＝[1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,-1,-1,-1], k2＝[1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1]。DA采用AD9807，输出采样转换速率为100Msps，低噪声放大器和放大器均采用AD847构成的电路，高速比较器采用TLV3502构成，FPGA采用EP4CE15，MCU采用STM32F407，带通滤波器采用3.5MHZ～4.5MHZ的5阶无源切比雪夫滤波器，电力线载波通信模块采用深国电TXHX13-GD31001模块。FPGA对扩频信号的采样率频率为 100MHz。图,3给出了时延系统本地存储的m序列调制限幅信号，图4是输出相关峰，图5是输出最大相关峰时刻。

如图6所示：图6给出了SNR＝-10dB的白噪声下的性能。图6的上半部分为叠加了高斯白噪声的信号调制信号，下半部分的为相关峰，理论的相关峰出现位置应该是1501，最大值为1485。由图6可知，得益于扩频系统的良好抗干扰性，时延测量系统抗白噪声性能优异，即使在SNR＝-10dB下，也可在规定的误差(±10ns，及±1个采样点)下，准确的捕获到相关峰的位置，达到±10ns精度要求。

如图7所示：图7给出了信噪比为20dB，主信号和多径信号信干比为6dB 时，对测量的影响。图7中，上半部分为包含了干扰和噪声的调制信号，下半部分的为相关峰。本系统中的多径是由于阻抗不匹配而反射的信号，通常反射信号能量比主信号能量小10dB以上。由图可知，当信干比大于6dB时，可以准确的捕获到相关峰的位置(1501)，因此时延测量精度在高斯白噪声下的性能可以达到10ns精度要求。

如图8所示：图8给出了SNR＝20dB，4MHz单频干扰，信干比为0dB的仿真结果。图8中，上半部分为包含了噪声和干扰的调制信号，下半部分为相关峰。由图8可知，系统可以在0dB以上，正确的捕获到相关峰的位置(1501)。

以上所述仅是本实用新型的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也视为实用新型保护之内。

Claims (8)

1.一种低压配电网端到端传输时延测量系统，该系统设置于低压配电网用户终端内或分支开关处，其特征在于：包括电力线、电力线载波通信模块、微处理器和可编程器件；

电力线，为低压电力线，电压为220V或者380V配电系统传输线；

电力线载波通信模块，基于所述电力线进行数据收发，完成测量端和被测量端的测量身份确认；

微处理器，负责通过所述电力线载波通信模块与外界通信、并与可编程器配合完成测量的任务调度和结果的输出；

可编程器件，负责测量信号的产生、调制、发射、解调和时延测量，并接受所述微处理器的控制以及向所述微处理器汇报测量结果；

所述电力线载波通信模块通过电线与所述电力线连接，所述微处理器通过TTL-232串口与所述电力线载波通信模块电性连接，所述微处理器通过SPI接口与所述可编程器件电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种低压配电网端到端传输时延测量系统，其特征在于：还包括信号发射电路，所述信号发射电路包括数模转换器、低通滤波器、射频功放和耦合电路；所述可编程器件产生的信号经过所述数模转换器转换，再进入所述低通滤波器进行滤波，再有所述射频功放放大进入所述耦合电路，最后进入所述电力线传输到接收端点。

3.根据权利要求2所述的一种低压配电网端到端传输时延测量系统，其特征在于：所述可编程器件通过并口与所述数模转换器电性连接，所述数模转换器通过PCB上的导线与所述低通滤波器电性连接，所述低通滤波器通过PCB上的导线与所述射频功放电性连接，所述射频功放通过PCB上的导线电性连接至所述耦合电路的一个端口，所述耦合电路的第二个端口通过电线连接至所述电力线。

4.根据权利要求2所述的一种低压配电网端到端传输时延测量系统，其特征在于：还包括信号接收电路，所述信号接收电路包括低噪声放大器、带通滤波器、放大器和高速比较器，所述信号接收电路通过所述电力线接收从输出端点发出的信号，进入所述耦合电路，再进入所述低噪声放大器调制信号，输入所述带通滤波器进行滤波，再输入所述放大器放大信号进入所述高速比较器进行信号对比，反馈给所述可编程器件。

5.根据权利要求4所述的一种低压配电网端到端传输时延测量系统，其特征在于：所述耦合电路的第三个个端口通过PCB上的导线电性连接与所述低噪声放大器，所述低噪声放大器通过PCB上的导线与所述带通滤波器电性连接，带通滤波器通过PCB上的导线与所述放大器电性连接，所述放大器通过PCB上的导线与所述高速比较器电性连接，所述高速比较器通过PCB上的导线连接至所述可编程器件的一个IO接口。

6.根据权利要求1所述的一种低压配电网端到端传输时延测量系统，其特征在于：所述可编程器件产生的时延测量信号是由伪随机码k1和k2的调制信号构成扩频序列，采用BPSK调制方式。

7.根据权利要求1所述的一种低压配电网端到端传输时延测量系统，其特征在于：所述可编程器件采用限幅放大1bit采样方式，采样了经过限幅后的k1调制信号。

8.根据权利要求1所述的一种低压配电网端到端传输时延测量系统，其特征在于：所述可编程器件所产生的时延信号K1和K2是正交的m序列。

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