WO2015172430A1 - 基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法 - Google Patents

基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法 Download PDF

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赵剑锋
季振东
刘巍
孙毅超
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东南大学
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    • H04L25/40—Transmitting circuits; Receiving circuits
    • H04L25/49—Transmitting circuits; Receiving circuits using code conversion at the transmitter; using predistortion; using insertion of idle bits for obtaining a desired frequency spectrum; using three or more amplitude levels ; Baseband coding techniques specific to data transmission systems
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/10—Frequency-modulated carrier systems, i.e. using frequency-shift keying
    • H04L27/12—Modulator circuits; Transmitter circuits

Definitions

  • the invention belongs to the technical field of power electronic and power line data transmission, and particularly relates to a method for data transmission without communication line between power electronic devices based on composite modulation, which is a method for simultaneously realizing power line energy transmission and power line data transmission by using power electronic devices.
  • power line network has great potential utilization value.
  • power network communication technology also has a very important position because the power network needs to have data transmission functions such as control signal transmission and dispatching automatic data transmission.
  • data transmission functions such as control signal transmission and dispatching automatic data transmission.
  • degree of power informatization is deepening, and there is an increasingly obvious trend of mutual penetration between the power grid and the power information network.
  • the use of existing power transmission lines to complete data communication is not only low cost, but also simple to build and maintain.
  • the object of the present invention is to make up for the defects and shortcomings of current power line data transmission and communication through power electronic devices, and to propose a method for transmitting data without communication line between power electronic devices based on composite modulation, and a method of compound modulation in data transmission process.
  • the PWM modulation process includes unique data information, and then the driving pulse signal is sent to the power line through the power electronic main circuit to complete the data transmission process; during the data receiving process, the signal is extracted by the power line voltage and current, and then the data is passed.
  • the data information is demodulated to complete the data receiving process, thereby realizing the simultaneous completion of energy transmission and data transmission on the power line based on the power electronic device.
  • the invention provides a communication line data transmission method between power electronic devices based on composite modulation, which comprises the following contents:
  • the method used in the invention is based on a power electronic device, and the connection manner between the main circuit of the power electronic device and the power line may be either a series type or a parallel type, and the overall implementation manner of the invention is:
  • the PWM modulation process includes the unique data information through the composite modulation method, and then the driving pulse signal is sent to the power line through the power electronic main circuit to complete the data transmission process; during the data receiving process, the power line voltage and current are performed. The signal is extracted, and then the data is demodulated to obtain the data information, and the data receiving process is completed;
  • the controller of the power electronic device includes a communication processing module, and the communication processing module functions as receiving, transmitting, processing, judging, etc. of the power line communication signal; when the data needs to be transmitted, the communication processing module generates the data signal;
  • the controller of the power electronic device controls the power electronic main circuit by using a PWM modulation method, and the controller includes a main control algorithm, and the main control algorithm generates an original modulated wave according to the grid voltage, current, and control command;
  • the composite modulation can be used in two ways: The first is to The data signal is frequency-shifted to generate a carrier with a frequency change, and then the carrier is compared with the original modulated wave to form a driving pulse, and the second is to modulate the data signal into a high-frequency modulated wave, and the original The modulated wave is superimposed to form a new modulated wave, and the new modulated wave is compared with a carrier of a fixed frequency to form a driving pulse; the driving pulse drives the power electronic main circuit to realize transmission of communication data.
  • the implementation of the data communication processing function can use the core control hardware and software resources of the power electronic device (such as ARM, DSP, etc.) to make full use of resources;
  • 1 is a block diagram of a method for data transmission without communication lines between power electronic devices based on composite modulation
  • Figure 2 is a schematic diagram of the first composite modulation method
  • Figure 3 is a block diagram of a frequency shift carrier generation method
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the second composite modulation scheme. detailed description
  • the method for transmitting data without communication line between power electronic devices based on composite modulation used in the present invention is as follows:
  • the method used in the invention is based on a power electronic device, and the connection manner between the main circuit of the power electronic device and the power line may be either a series type or a parallel type, and is controlled by a PWM modulation method.
  • the control module of the power electronic device includes a main control algorithm module, a signal extraction module, a data demodulation module, a communication processing module, and a composite modulation module.
  • the function of the main control algorithm module is to control the output voltage or current of the power electronic device to generate the original modulated wave;
  • the function of the signal extraction module is to extract the harmonics containing the frequency of the data information by using software or hardware, the module
  • the input is from the measured voltage and current of the grid side of the sensor;
  • the function of the data demodulation module is to demodulate the information contained in the harmonics extracted by the signal extraction module, obtain the communication data, and send the communication data to the communication processing module.
  • the function of the communication processing module is to process the received data information, send a control command to the main control algorithm module, and send the data information in real time;
  • the function of the composite modulation module is the communication data and the main control algorithm sent by the communication processing module.
  • Module modulation wave is compounded Modulation, forming a drive pulse.
  • the overall implementation manner of the invention is as follows: During the data transmission process, the communication processing module sends out data, and the data includes a specific data information in the PWM modulation process by the composite modulation method, and then passes the power through the driving pulse signal.
  • the electronic main circuit is sent to the power line to complete the data transmission process.
  • the data is extracted by the power line voltage and current, and then the data is demodulated to obtain the data information, and the data receiving process is completed.
  • the method adopts the following control methods:
  • the communication processing module needs to send information during the working process, the information is digitally coded according to a specific format to form a digital signal containing communication information, and the digital signal is represented by a data frame, including a frame header, a synchronization string, and information.
  • Data, frame tail composition
  • the main control algorithm module of the power electronic device generates the original modulated wave according to the grid voltage, the grid current and the control command, and the main control algorithm may adopt an open loop control, a closed loop control or a double closed loop control;
  • the digital signal generated by the communication processing module and the original modulated wave generated by the main control algorithm are sent to the composite modulation module for composite modulation;
  • the composite modulation can be used in two ways:
  • the first composite modulation method is shown in FIG. 2
  • the digital signal generated by the communication processing module is subjected to frequency shift control to generate a carrier wave containing the communication information, and the carrier wave is compared with the original modulated wave to form a driving pulse;
  • the method for generating the frequency shift carrier is as shown in FIG. 3
  • the signal to be transmitted S(t) is input to the selection circuit, thereby controlling the on and off of the two carriers f Q .
  • the second composite modulation method is shown in Fig. 4.
  • the digital signal generated by the communication processing module is modulated into a high frequency modulated wave, and is superposed with the original modulated wave to form a new modulated wave, and the new modulated wave is compared with a fixed frequency carrier.
  • Drive pulse The driving pulse generated by the two composite modulation methods drives the power electronic main circuit to realize the transmission of communication data.
  • the method adopts the following control methods:
  • a phase-recovery phase-locked loop circuit is used in the demodulation process to ensure that the frequency and phase of the transmitted and received signals are the same.

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Abstract

一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法，其中在数据发送过程中通讯处理模块产生数字信号，数字信号通过复合调制的方法使PWM调制过程中包含特有的数据信息，复合调制方式可以通过对PWM载波频率进行调制或对数据进行高频调制后叠加入PWM调制波，复合调制产生PWM驱动脉冲，通过驱动脉冲信号经过电力电子主电路发送至电力线路上，完成数据发送过程；在数据接收过程中通过软件或硬件方法对电力线电压、电流进行信号的提取，再经过数据解调得到数据信息，完成数据接收过程。从而实现了能量与数据同时在电力线路上的传输，无需通讯线路，节约成本，符合未来电力网的发展趋势。

Description

基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法 技术领域
本发明属于电力电子与电力线路数据传输技术领域， 尤其涉及一种基于复合调制的 电力电子装置间无通讯线数据传输方法， 是一种利用电力电子装置同时实现电力线路能 量传输与电力线路数据传输的方法。 背景技术
电力线网络作为目前覆盖范围最广的网络， 有着巨大的潜在利用价值； 同时， 由于 电力网需要具有控制信号传输、 调度自动化数据传输等数据传输功能， 电力网通信技术 也具有非常重要的地位。 随着电力行业的发展， 电力信息化程度不断加深， 电力网与电 力信息网之间也具有越来越明显的互相渗透趋势。 利用已有的电力传输线路完成数据通 信， 不仅成本低， 而且建网和维护也变得简单。
早在上世纪二十年代， 通过电力线路进行数据传输就开始引起人们的关注， 此后该 技术得到了快速的发展， 随着电力线路通信技术的不断发展与成熟， 其已经广泛应用于 高、 中、 低压等不同的输电线网络， 例如电力载波通信技术就是利用电力线路进行数据 的传输。 但传统的电力线通信技术需要通过专门的设备对数据信号进行调制、 滤波、 解 调等操作， 这些专门设备不仅增加了成本， 还需要承担故障风险。
自从大功率半导体开关器件的发明以来， 电力电子技术获得了快速的进步和发展， 电力电子变流电路在电力系统中的应用也日益广泛。 尤其八十年代以来， 随着半导体器 件制造技术的发展， 开关器件的功率处理能力和开关速度有了显著提高， 电力电子装置 的应用范围日益广泛， 几乎涉及从发电、 储电、 输电到用电的所有电能应用领域。 应用 于电力网中的电力电子装置与电力线路相连， 其主要功能是实现能量传输控制， 如果利 用电力电子装置同时在电力线路上实现能量传输与数据传输， 不仅可以省去专用通信设 备从而节约成本， 而且在电力网电力电子功率控制技术快速发展的趋势下， 有着广阔的 应用前景。
发明内容 本发明的目的是弥补目前通过电力电子装置实现电力线路数据传输通信的缺陷与不 足， 提出一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法， 在数据发送过程 中通过复合调制的方法使 PWM调制过程中包含特有的数据信息， 进而通过驱动脉冲信 号经过电力电子主电路发送至电力线路上， 完成数据发送过程； 在数据接收过程中通过 对电力线电压、 电流进行信号的提取， 再经过数据解调得到数据信息， 完成数据接收过 程， 从而实现基于电力电子装置同时完成电力线路上的能量传输和数据传输。
本发明提供一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法， 包括以下 内容：
1. 该发明所用的方法是基于电力电子装置， 所述的电力电子装置主电路与电力线路 的连接方式既可以是串联型， 也可以是并联型， 该发明的总体实现方式为： 在数据发送 过程中通过复合调制的方法使 PWM调制过程中包含特有的数据信息， 进而通过驱动脉 冲信号经过电力电子主电路发送至电力线路上， 完成数据发送过程； 在数据接收过程中 通过对电力线电压、 电流进行信号的提取， 再经过数据解调得到数据信息， 完成数据接 收过程；
2.所述的数据发送过程采用如下的控制方式：
1 ) 电力电子装置的控制器中包含通讯处理模块， 通讯处理模块的作用为电力线路通 讯信号的接收、 发送、 处理、 判断等； 当需要发送数据时， 通讯处理模块产生数据信号；
2) 所述的电力电子装置的控制器采用 PWM调制方式对电力电子主电路进行控制， 控制器中包含主控制算法， 主控制算法根据电网电压、 电流以及控制指令产生原始调制 波；
3 )将所述的通讯处理模块产生的数据信号和所述的主控制算法产生的原始调制波送 入复合调制模块， 实现复合调制； 复合调制可以使用两种方式： 第一种是将所述的数据 信号经过频移键控生成频率变化的载波， 再将该载波与所述的原始调制波比较形成驱动 脉冲， 第二种是将所述的数据信号调制为高频调制波， 并与原始调制波叠加形成新调制 波， 将新调制波与固定频率的载波比较形成驱动脉冲； 驱动脉冲驱动电力电子主电路， 实现通讯数据的发送。
3. 所述的数据接收过程采用如下的控制方式：
1 )对网侧电压、 网侧电流进行采集， 对其中所含的通讯数据信息进行提取， 提取方 式既可通过软件方式实现， 也可通过硬件方式实现；
2)对所述的数据信息进行解调，得到解调后的通讯数据，将数据送入通讯处理模块， 实现通讯数据的接收。
相对于现有技术， 本发明的有益效果有：
( 1 )实现了能量与数据同时在电力线路上的传输，两者都是通过电力电子装置实现;
(2)省去了数据通信网络的建设和专用数据收发设备， 利用了现有资源， 节约了成 本， 建网与维护成本低；
(3 ) 电力电子装置在电力网中的应用范围越来越广泛， 本发明符合并利用了未来电 力系统的发展趋势；
(4) 数据通讯处理功能的实现可以使用电力电子装置的核心控制硬件与软件资源 (例如 ARM、 DSP等）， 充分利用了资源； 附图说明
图 1 为基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法框图；
图 2 为第一种复合调制方式示意图；
图 3 为频移载波产生方法框图；
图 4 为第二种复合调制方式示意图。 具体实施方式
对本发明所采用的一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法结合 附图介绍如下：
该发明所用的方法是基于电力电子装置， 所述的电力电子装置主电路与电力线路的 连接方式既可以是串联型， 也可以是并联型， 采用 PWM调制方式进行控制。
如图 1所示， 在电力电子装置的控制模块中， 包括主控制算法模块、 信号提取模块、 数据解调模块、 通讯处理模块、 复合调制模块。 其中主控制算法模块的作用是对电力电 子装置的输出电压或电流进行控制， 产生原始调制波； 信号提取模块的作用是使用软件 或硬件的方法对包含数据信息频率的谐波进行提取， 该模块的输入来自传感器测得的网 侧电压与电流； 数据解调模块的作用是对信号提取模块所提取的谐波中所含信息进行解 调， 得到通讯数据， 并将通讯数据送入通讯处理模块； 通讯处理模块的作用是对接收的 数据信息进行处理， 向主控制算法模块发送控制命令， 并实时向外发送数据信息； 复合 调制模块的作用是对通讯处理模块发出的通讯数据与主控制算法模块的调制波进行复合 调制， 形成驱动脉冲。 根据图 1所示， 该发明的总体实现方式为： 在数据发送过程中， 通讯处理模块发出数据， 数据通过复合调制的方法使 PWM调制过程中包含特有的数据 信息， 进而通过驱动脉冲信号经过电力电子主电路发送至电力线路上， 完成数据发送过 程； 在数据接收过程中， 通过对电力线电压、 电流进行信号的提取， 再经过数据解调得 到数据信息， 完成数据接收过程。
在数据发送过程中， 该方法采用如下的控制方式：
1 )通讯处理模块在工作过程中需要发送信息时， 根据特定的格式对信息进行数字编 码， 形成包含通讯信息的数字信号， 数字信号由数据帧的形式表示， 包括帧头、 同步字 符串、 信息数据、 帧尾组成；
2) 电力电子装置的主控制算法模块根据电网电压、 电网电流以及控制指令产生原始 调制波， 主控制算法可以采用开环控制、 闭环控制或双闭环控制等控制方式；
3 )将通讯处理模块产生的数字信号和主控制算法产生的原始调制波送入复合调制模 块， 进行复合调制； 复合调制可以使用两种方式： 第一种复合调制方式如图 2所示， 是 将通讯处理模块产生的数字信号经过频移控制生成包含通讯信息的载波， 再将该载波与 所述的原始调制波比较形成驱动脉冲； 频移载波的产生采用的方法如图 3所示， 使用待 发送信号 S(t)输入选择电路， 从而控制两个载波 fQ与 的通断。 第二种复合调制方式如 图 4所示， 是将通讯处理模块产生的数字信号调制为高频调制波， 并与原始调制波叠加 形成新调制波， 将新调制波与固定频率的载波比较形成驱动脉冲。 两种复合调制方式产 生的驱动脉冲驱动电力电子主电路， 实现通讯数据的发送。 在数据接收过程中， 该方法采用如下的控制方式：
1 )对网侧电压、 网侧电流进行采集， 对其中所含的通讯数据信息进行提取， 提取方 式既可通过软件方式实现， 也可通过硬件方式实现；
2)对提取的数据信息进行解调，得到解调后的通讯数据，将数据送入通讯处理模块， 实现通讯数据的接收。 解调过程中采用相位恢复锁相环电路来保证发送与接收信号的频 率与相位相同。

Claims

权利要求书
1. 一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方法， 其特征在于： 在数 据发送过程中通过复合调制的方法使 PWM调制过程中包含特有的数据信息， 进而通过驱 动脉冲信号经过电力电子主电路发送至电力线路上， 完成数据发送过程； 在数据接收过 程中通过对电力线电压、 电流进行信号的提取， 再经过数据解调得到数据信息， 完成数 据接收过程。
2. 根据权利要求 1 所述的一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方 法， 其特征在于： 所述的电力电子装置主电路与电力线路的连接方式既可以是串联型， 也可以是并联型。
3. 根据权利要求 1 所述的一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方 法， 其特征在于： 电力电子装置的控制模块包括主控制算法模块、 信号提取模块、 数据 解调模块、 通讯处理模块、 复合调制模块， 所述的数据发送过程采用如下的控制方式：
1 ) 所述通讯处理模块用于电力线路通讯信号的接收、 发送、 处理、 判断， 当需要发 送数据时， 通讯处理模块产生数据信号；
2) 所述的电力电子装置的控制器采用 PWM 调制方式对电力电子主电路进行控制， 控制器中包含主控制算法， 主控制算法根据电网电压、 电流以及控制指令产生原始调制 波；
3 ) 将所述的通讯处理模块产生的数据信号和所述的主控制算法产生的原始调制波送 入复合调制模块， 实现复合调制。
4. 根据权利要求 3 所述的一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方 法， 其特征在于： 复合调制采用如下方式： 将所述的数据信号经过频移键控生成频率变 化的载波， 再将该载波与所述的原始调制波比较形成驱动脉冲。
5. 根据权利要求 3 所述的一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方 法， 其特征在于： 复合调制采用如下方式： 将所述的数据信号调制为高频调制波， 并与 原始调制波叠加形成新调制波， 将新调制波与固定频率的载波比较形成驱动脉冲； 驱动 脉冲驱动电力电子主电路， 实现通讯数据的发送。
6. 根据权利要求 3 所述的一种基于复合调制的电力电子装置间无通讯线数据传输方 法， 其特征在于： 所述的数据接收过程采用如下的控制方式：
1 ) 对网侧电压、 网侧电流进行采集， 对其中所含的通讯数据信息进行提取； 2) 对所述的数据信息进行解调， 得到解调后的通讯数据， 将数据送入通讯处理模 块， 实现通讯数据的接收。
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