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1、10申请公布号CN102025194A43申请公布日20110420CN102025194ACN102025194A21申请号201010506243422申请日20101009H02J13/00200601H04L7/0420060171申请人华北电力大学地址102206北京市德胜门外朱辛庄华北电力大学72发明人卢文冰罗应立闫迎王义龙李卫国胡宾74专利代理机构北京众合诚成知识产权代理有限公司11246代理人史双元54发明名称用于工业电网的工频通信同步检测方法及装置57摘要本发明公开了属于电力系统系统网络结构及通信技术领域的一种用于工业电网的工频通信同步检测方法及装置。其工业电网的工频通信同步。
2、检测装置由主站装置和配电变压器端的远程通信终端连接在变电所的高压输电线路上组成；主站装置中的下行驱动设备在发送下行数据信息下行数据信息前，先发送基于M序列编码的同步信息，通信终端在接收信号时，调根据制编码形成合成信号，通过短窗MORLET复小波变换对合成信号实现同步检测，同步检测成功后，通信终端就能够进行数据解调；由于同步信息能够得到增强而且无须判决门限，本发明适应工业电网恶劣的信道环境，可利用变电所的所用变压器作为信号调制变压器，大大方便工频通信在工业电网的应用。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图3页CN102025208A1/2页21。
3、一种用于工业电网的工频通信同步检测装置，其特征在于，所述工业电网的工频通信同步检测装置由主站装置和配电变压器端的远程通信终端连接在变电所的高压输电线路上组成；所述主站装置以工控机为核心，工控机通过RS485接口连接下行信号驱动装置，下行信号驱动装置通过变电所变压器连接在高压输电线路上；工控机内的A/D转换器连接信号调理电路，信号调理电路通过电压互感器PT和电流互感器CT连接至输电线路；所述远程通信终端通过电压互感器PT、配电变压器连接在高压输电线路上。2根据权利要求1所述用于工业电网的工频通信同步检测装置，其特征在于，所述下行信号驱动装置由微处理器分别连接双向可控硅的触发电路、正负比较电路和M。
4、AX485；双向可控硅通过保护电路和电感L连接，正负比较电路连接信号调理电路构成；所述下行信号驱动装置分别由电感L通过相线选择、信号调理电路通过电压互感器PT连接至变电所变压器的副边。3根据权利要求1所述用于工业电网的工频通信同步检测装置，其特征在于，所述远程通信终端有110组并联在高压输电线路上。4根据权利要求1所述用于工业电网的工频通信同步检测装置，其特征在于，所述远程通信终端包括由DSP处理器、16位A/D转换器和信号调理电路组成中央处理模块，DSP处理器连接双向可控硅的触发电路，双向可控硅的漏极通过电感L接地，源极连接配电变压器380V端；中央处理模块的信号调理电路通过信号传感器模块连。
5、接配电变压器380V端。5一种用于工业电网的工频通信同步检测方法，其特征在于，所述工业电网的工频通信同步检测方法，具体包括1主站装置以工控机为核心，包括上行解调装置和下行信号驱动装置；通过电压互感器PT和工控机进行工频通信系统管理，当主站装置需要获取远程通信终端的数据时，工控机通过RS485接口向下行信号驱动装置发送控制指令，下行信号驱动装置通过变电所变压器产生调制电流，然后通过变电所主变压器的漏感产生下行畸变电压，包括出站同步信息和数据；在下行电压畸变信号的调制中，采用基于伪噪声编码进行同步信息的调制；2下行信号的接收由配电变压器低压侧的工频通信终端完成，由于工频通信终端处于被动接收状态，因。
6、此首先要进行同步检测，判断是否出现电压调制信号、同步及数据信息的起始周期，然后才能进行数据解调，即判断调制信息的起始周期，然后根据数据信息的编码进行数据解调，工频通信终端在每个电压周期都进行信号合成运算，将相邻周期的N个电压差分信号通过与发送端一致的M序列编码产生合成信号，然后计算合成信号中符合下行电压畸变信号特征的频域能量参数，同时判断其中调制信号的方向；频域能量参数由短窗MORLET复小波进行分析完成，调制信号的方向通过互相关方法完成；当前工频周期与同步信息起始周期一致时，合成信号的频域能量参数最大且调制方向为正，由于同步信息能够得到增强而且无须判决门限，当同步检测成功后，通过互相关方式判。
7、断调制信号的方向就能够实现数据解调。6根据权利要求5所述用于工业电网的工频通信同步检测方法，其特征在于，所述每个数据信息由2个电压周期内的1个畸变信号代表，而每个同步信息由2N个电压周期内权利要求书CN102025194ACN102025208A2/2页3的N个畸变信号代表；同步检测实际上就是接收端判断出每个同步信息的起始周期；当同步检测成功后，接收端就能够在同步信息结束后通过判断调制信号方向来进行数据解调。7根据权利要求5所述用于工业电网的工频通信同步检测装置，其特征在于，所述下行电压信号传输方向是从变电所到终端，代表命令信息，以电压过零点附近电压的微弱畸变来实现信息的表示；所用变的低压输出。
8、经电压互感器PT和信号调理电路、正负比较电路后形成方波，下行驱动装置内的微处理器通过方波就能够判断电压过零点时刻，从而能够在电压过零前25至30进行调制，调制角度越小所需所用变功率就越小，为了工程安装方便，采用驱动器件固定，以调整调制角度的方法来适应工业电网所用变的不同容量。权利要求书CN102025194ACN102025208A1/5页4用于工业电网的工频通信同步检测方法及装置技术领域0001本发明属于电力系统网络结构及通信技术领域，特别涉及一种用于工业电网的工频通信同步检测方法及装置。背景技术0002在工业电网中，大功率电动机需要进行有效的管理，电力线工频通信方式的特点是能够实现跨变压器。
9、台区的长距离传输，由于无须在高压线路附加设备，系统设备成本低，而且没有通信服务费用，如果能够适应工业电网的信道环境，非常适合作为大功率电动机远程监测系统的数据传输信道。0003在工业电网中，如图1所示，在变电所的高压输电线路上连接主站设备、抽油电机D和配电变压器端的远程通信终端。主站设备中的下行驱动设备在发送下行数据信息前，先发送基于M序列编码的同步信息，通信终端在接收信号时，根据调制编码形成合成信号，通过短窗MORLET复小波变换对合成信号进行能量参数计算再结合M序列编码的特性来实现同步检测，同步检测成功后，通信终端就能够进行数据解调；由于同步信息能够得到增强而且无须判决门限，由于现场条件及。
10、运行管理的限制，在变电所安装专门的工频通信调制变压器很困难，只能通过变电所用的电压产生下行电压畸变；由于所用变容量的限制，电压畸变信号弱，同时抽油电机等设备产生的电网干扰又很强，应用于民用电网居民的工频通信方式难以在工业电网保证通信性能；工频通信终端难以区别来自变电所的电压畸变信号与电网干扰，同步检测无法实现，数据通信也就无法进行。发明内容0004本发明的目的是提供一种用于工业电网的工频通信同步检测方法及装置，其特征在于，所述工业电网的工频通信同步检测装置由主站装置和配电变压器PBYQ端的远程通信终端连接在变电所的高压输电线路上组成；0005所述主站装置以工控机为核心，工控机通过RS485接口。
11、连接下行信号驱动装置，下行信号驱动装置通过变电所内所用变压器SYB连接在高压输电线路上；工控机内的A/D转换器连接信号调理电路，信号调理电路通过电压互感器PT和电流互感器CT连接输电线路；0006所述下行信号驱动装置由微处理器分别连接双向可控硅VS的触发电路、正负比较电路和MAX485；双向可控硅通过保护电路和电感L连接，正负比较电路连接信号调理电路构成；所述下行信号驱动装置分别由电感L通过相线选择、信号调理电路通过电压互感器PT连接至所用变压器的副边；0007所述远程通信终端通过电压互感器PT、配电变压器连接在高压输电线路上。0008所述远程通信终端有110组并联在高压输电线路上。0009所。
12、述远程通信终端包括由DSP处理器、16位A/D转换器和信号调理电路组成中央处理模块，DSP处理器连接双向可控硅的触发电路，双向可控硅的漏极通过电感L接说明书CN102025194ACN102025208A2/5页5地，源极连接配电变压器380V端；中央处理模块的信号调理电路通过信号传感器模块连接配电变压器380V端。0010所述工业电网的工频通信同步检测方法，具体包括00111主站装置以工控机为核心，包括上行解调装置和下行信号驱动装置；通过电压互感器PT和工控机进行工频通信系统管理，当主站装置需要获取远程通信终端的数据时，工控机通过RS485接口向下行信号驱动装置发送控制指令，下行信号驱动装置。
13、通过所用变压器产生调制电流，然后通过变电所内主电变压器的漏感产生下行畸变电压，包括出站同步信息和数据；在下行电压畸变信号的调制中，采用基于伪噪声编码进行同步信息的调制；00122下行信号的接收由配电变压器低压侧的工频通信终端完成，由于工频通信终端处于被动接收状态，因此首先要进行同步检测，判断是否出现电压调制信号、同步及数据信息的起始周期，然后才能进行数据解调，即判断调制信息的起始周期，然后根据数据信息的编码进行数据解调，工频通信终端在每个电压周期都进行信号合成运算，将相邻周期的N个电压差分信号通过与发送端一致的M序列编码产生合成信号，然后计算合成信号中符合下行电压畸变信号特征的频域能量参数，同。
14、时判断其中调制信号的方向；频域能量参数由短窗MORLET复小波进行分析完成，调制信号的方向通过互相关方法完成；当前工频周期与同步信息起始周期一致时，合成信号的频域能量参数最大且调制方向为正，由于同步信息能够得到增强而且无须判决门限，当同步检测成功后，通过互相关方式判断调制信号的方向就能够实现数据解调。0013所述每个数据信息由2个电压周期内的1个畸变信号代表，而每个同步信息由2N个电压周期内的N个畸变信号代表；同步检测实际上就是接收端判断出每个同步信息的起始周期；当同步检测成功后，接收端就能够在同步信息结束后通过判断调制信号方向来进行数据解调。0014所述下行电压信号传输方向是从变电所到终端，。
15、代表命令信息，以电压过零点附近电压的微弱畸变来实现信息的表示；所用变的低压输出经电压互感器PT和信号调理电路、正负比较电路后形成方波，下行信号驱动装置内的微处理器通过方波就能够判断电压过零点时刻，从而能够在电压过零前25至30进行调制，调制角度越小所需所用变功率就越小，为了工程安装方便，采用驱动器件固定，以调整调制角度的方法来适应工业电网所用变的不同容量。0015本发明的有益效果是根据工业电网供电线路的特点，在变电所的下行信号驱动装置用M序列编码进工频通信出站信号的同步信息调制，工频通信终端通过电压采样，根据编码形成合成信号，结合小波分析与相关运算进行同步检测，抗干扰能力大太提高，即便在电压畸。
16、变信号较弱的条件下也能够成功实现工频信号的同步检测；当同步检测成功后，由于能够确知调制信号的起始工频周期，工频通信的数据解调就能够容易地实现；与传统工频通信方式比较，本方法在同步检测时无需设置判决门限，能够适应各种不同的工况，虽然同步信息量开销比传统工频通信方式大，但工业电网中每台变压器供电的大功率电机数量少，所需要传输的信息量比民用电网的抄表系统少得多，能够被生产单位接受。基于该方案的工频通信系统已经在工业电网现场试验运行，应用于电机远程监测，同步检测效果良好。说明书CN102025194ACN102025208A3/5页6附图说明0016图1为工频通信系统同步检测装置示意图。0017图2为。
17、工频通信系统设备结构示意图。0018图3为下行驱动装置示意图。0019图4为出站信号编码示意图。0020图5为远程通信终端结构示意图。具体实施方式0021本发明是一种用于工业电网的工频通信同步检测方法及装置。如图2所示，工频通信同步检测装置由主站装置和配电变压器端的远程通信终端连接在变电所的高压输电线路上组成。主站装置以工控机为核心，工控机通过RS485接口连接下行信号驱动装置，下行信号驱动装置通过所用变压器连接在高压输电线路上；工控机内的A/D转换器连接信号调理电路，信号调理电路通过电压互感器PT和电流互感器CT连接输电线路。远程通信终端通过电压互感器PT、配电变压器连接在高压输电线路上。在。
18、高压输电线路上有110组远程通信终端并联。0022如图3所示下行驱动装置由微处理器分别连接双向可控硅的触发电路、正负比较电路和MAX485；可控硅通过保护电路和电感L连接，正负比较电路连接信号调理电路构成；所述下行驱动装置分别由电感L通过相线选择、信号调理电路通过电压互感器PT连接至所用变压器的副边。0023从变电所传输至配电变压器端的信号是出站信号，又称下行信号，通过电压畸变实现，从配电变压器传输至变电所的信号是入站信号，又称上行信号，通过电流畸变实现；工频通信采用轮询方式工作，数据信息采用多工频周期编码调制，远程通信终端需要确定数据信息的起始周期，所以必需同步检测成功后才能进行数据解调，而。
19、上行数据可以通过协议事先确定起始时间，无须同步检测；出站信号的同步检测是在电网噪声环境中判断调制信号是否存在，其难度大大高于数据解调，是工频通信的关键。0024在下行信号驱动过程中，微处理器适合工业电网的编码方式将下行指令形成控制编码进行驱动。0025工频通信下行信号又称为出站信号，其编码方式如图4所示，包括同步信息和数据两部分；数据部分采用曼切斯特编码方式，每两个工频周期携带一个编码信息，通过调制位置的前后来代表，同步信息采用基于伪噪声M序列进行的调制，设M序列为双级性码PK，其特点是1序列长度N2R1，2周期性3具有尖锐的自相关特性，0026在同步信号调制时，每个同步信息通过N个序列码片来。
20、表示，每个码片用两个工频电压周期中畸变信号位置的前后来代表，每个同步信息的调制信号表示为00270028其中，T是工频周期，VT为电压畸变信号，PK是7位双级性M序列码说明书CN102025194ACN102025208A4/5页71110100，它决定了畸变信号所在周期。0029下行信号的接收由工频通信终端完成，首先要进行同步检测，判断是否出现电压调制信号及同步及数据信息的起始周期，然后才能进行数据解调。根据本专利的设计，每个数据信息由2个电压周期内的1个畸变信号代表，而每个同步信息由2N个电压周期内的N个畸变信号代表；同步检测实际上就是接收端判断出每个同步信息的起始周期；当同步检测成功后，。
21、接收端就能够在同步信息结束后通过判断调制信号方向来进行数据解调。0030为了实现同步检测，接收端在每个电压周期都进行信号合成运算，将相邻周期的N个电压差分信号通过与发送端一致的M序列编码产生合成信号，然后计算合成信号中符合畸变信号特征的频域能量参数，同时判断其中调制信号的方向。0031合成信号与当前工频周期与同步信息码元起始时间的相差周期数P之间的关系可以表示为00320033其中，为畸变信号的衰减系数，与电网的负载及线路阻抗有关，合成信号中既有调制信号也有噪声，当完全同步时，合成信号中调制信号成份能够得到N倍的增强，而且调制方向为正。0034工频通信下行信号的频谱在200HZ到600HZ之间。
22、，由于工业电网中奇次谐波干扰较强的特点，本专利通过2083HZ、3125HZ、4166HZ、500HZ这4个工频偶次谐波附近的频率成份有效值来反映合成信号中电压畸变信号的能量。由于很多大型企业有自备发电厂，还有大量的小型天然气发电站，电网频率不如公共电网稳定，同时电网存在非整数次谐波干扰，本专利通过短窗MORLET复小波进行分析能够更准确地获得合成信号中指定频率成份的有效值。0035本专利设计每电压周期采样200点，离散化的MORLET复小波实部和虚部如下003600370038其中，N为离散序列，K为计算数据窗口内该频率的周期数，B为调节系数，M为数据窗口的长度48或50采样点，当K分别是1。
23、、15、2、25时，对应的频率为2083HZ、3125HZ、4166HZ、500HZ该频率采用的M为50个采样点。调节系数B决定了对高频分量的抑制情况，B的选择与所计算的频率有关，当对2083HZ、3125HZ、4166HZ、500HZ频率进行计算时，B分别取为2295、175、131、112。0039小波分析属于线性变换，将各频率单独根据短窗MORLET复小波分析计算其说明书CN102025194ACN102025208A5/5页8有效值，对指定频率分的有效值为再考虑归一化系数，就能够得到合成信号中符合畸变信号特征的能量参数，表示为0040由于下行调制信号的大致波形事先已知，而且出现在电压过。
24、零附近，因此通过参考信号VT与合成信号ST之间的互相关参数就能够判断合成信号中的调制信号方向。0041互相关参数RSV表示为该参数的正负反映了调制信号的方向。0042能量参数W与调制信号的衰减系数、电网噪声以及与当前工频周期与同步信息码起始时刻相差周期数P有关，而互相关参数只与P有关，在同一判断变压器处的终端，衰减系数一样，多个工频周期形成的合成噪声强弱基本相同，合成信号的能量系数大小主要由P决定，所以无须设置判决门限就可以通过寻找合成信号的能量最大且互相关参数为正来进行同步检测。0043当同步检测成功后，由于确知了数据编码的起始工频周期，数据解调的难度低得多，通过前后周期电压差分信号与标准调。
25、制信号的互相关参数来判断调制信号的方向就实现。0044在以所用变作为工频通信下行调制变压器，电压调制信号弱，且工业电网噪声又强的环境下，本专利设计的系统也能够保证通信质量，由于同步检测时无须如传统工频通信方式设置判决门限，能够适应工业电网中的各种工况。0045如图5所示为远程通信终端包括由DSP处理器、16位A/D转换器和信号调理电路组成中央处理模块，DSP处理器连接双向可控硅的触发电路，双向可控硅的漏极通过电感L接地，源极连接配电变压器380V端；中央处理模块的信号调理电路通过信号传感器模块连接配电变压器380V端。0046远程通信终端的功能是下行电压畸变信号解调、通信协议处理、上行电流调制。
26、，这些功能都是以DSP运算处理为核心完成；DSP通过16位A/D采集、处理电压信号实现下行数据解调，其同步检测和数据解调方法如前所述，其中DSP选择TMS320LF2407，16位A/D选择ADS8364。由于无须判决门限就能实现同步检测，即使所用变产生下行调制，畸变信号微弱而工业电网噪声强烈的环境中，本发明也能够保证通信性能，当数据解调完成后，通信协议的处理比较简单，需要适应大功率电机远程监测的信息传输特点。说明书CN102025194ACN102025208A1/3页9图1图2说明书附图CN102025194ACN102025208A2/3页10图3图4说明书附图CN102025194ACN102025208A3/3页11图5说明书附图CN102025194A。