專利名稱：一種電力線狀態(tài)監(jiān)測的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電カ線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于OFDM技術(shù)的電カ線通信系統(tǒng)傳輸線狀態(tài)監(jiān)測的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
電カ傳輸系統(tǒng)中，由于中長距離輸電線暴露于地上，受到風(fēng)霜雨雪等惡劣天氣的影響，會造成線路的老化。線 路的老化會導(dǎo)致電力線的傳輸效能降低，產(chǎn)生較多能量耗散，導(dǎo)致電網(wǎng)供電不穩(wěn)定，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患。為此，對于電カ線的監(jiān)測在電カ傳輸系統(tǒng)中是十分重要的，各種對抗電カ線老化的技術(shù)以及檢測電カ線狀態(tài)的方法都被提出并應(yīng)用。目前對電カ線老化狀態(tài)的檢測，在高壓和特高壓的情況下，主要是在傳輸節(jié)點處配置各種特性傳感器，用于對傳輸線路甚至外界環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)控，或者通過對傳輸導(dǎo)線的阻抗變化對線路狀態(tài)進行分析。利用在電カ線中預(yù)鋪設(shè)的光纖傳輸節(jié)點信息到中控室用于線路檢測。對于中低壓線路，由于線路較多且復(fù)雜，往往只能采用人工巡線的方式進行檢測和維護。然而，當(dāng)監(jiān)控電網(wǎng)的規(guī)模很大或者處于高危險區(qū)，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)以及光纖網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)和維護的成本都會大大增加，會造成電網(wǎng)的巨大開銷，而中低壓電路本身就很難鋪設(shè)通信輔助光纖和傳感器；同時阻抗分析的方法實時性也較低，也需要額外的專業(yè)儀器，靈活性不夠。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電カ線通信取得了長足的進步，受到了廣泛重視，與其他各種控制網(wǎng)絡(luò)通信方案相比，它的優(yōu)點是成本低、延伸廣、施工方便、ー線兩用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何利用電カ線傳輸信道提供ー種傳輸線狀態(tài)監(jiān)測的方法及裝置。(ニ)技術(shù)方案為了解決上述問題，本發(fā)明提供了ー種電カ線通信系統(tǒng)中電カ傳輸線狀態(tài)的監(jiān)測方法，包括以下步驟S1、節(jié)點A將已知訓(xùn)練序列和利用OFDM技術(shù)調(diào)制的待發(fā)送數(shù)據(jù)組幀，并通過耦合器將信號送入電カ線進行傳輸；S2、節(jié)點B通過耦合器接收發(fā)送信號，利用已知訓(xùn)練序列解調(diào)接收信號，提取傳輸數(shù)據(jù)；S3、節(jié)點B利用已知訓(xùn)練序列獲得傳輸信道頻率響應(yīng)或沖擊響應(yīng)；S4、節(jié)點B分析信道頻率響應(yīng)，提取傳輸線的相關(guān)信息，通過分析相關(guān)信息的變化得出傳輸線基本參數(shù)的變化信息，以計算信道參數(shù)；S5、節(jié)點B根據(jù)信道參數(shù)變化對電カ傳輸線信道狀態(tài)進行估計和預(yù)測。優(yōu)選地，所述訓(xùn)練序列包括時域訓(xùn)練序列、頻域訓(xùn)練序列。優(yōu)選地，所述OFDM組幀方式包括ZP-OFDM、CP-0FDM、以及TDS-0FDM。優(yōu)選地，步驟S4中，所述相關(guān)信息包括信道頻率響應(yīng)的極大值的幅度、極小值的幅度、相位、位置、相鄰極值之間的頻率間隔差、相鄰極值之間的頻率相位差、相位響應(yīng)的周期。優(yōu)選地，步驟S4中，所述傳輸線基本參數(shù)包括導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)εぃ相對磁導(dǎo)率μぃ損失角、電長度I。優(yōu)選地，步驟S5中，所述根據(jù)信道參數(shù)變化對電カ傳輸線信道狀態(tài)進行估計和預(yù)測包括以下的對應(yīng)關(guān)系導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)變小表示傳輸線的電老化或者傳輸線所處的環(huán)境溫度升高，相對磁導(dǎo)率變小表示傳輸線的磁老化或者由于壓カ的變化而導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生了非均勻的形變，損失角的増大表示傳輸線產(chǎn)生了電老化或者由于外界環(huán)境變化導(dǎo)致的損耗。優(yōu)選地，若采用時域訓(xùn)練序列，則用訓(xùn)練序列與接收序列的卷積來表示信道的沖擊響應(yīng)估計，然后經(jīng)過離散傅立葉變換(DFT)變換得到信道頻率響應(yīng)；若采用頻域訓(xùn)練序列，則用接收序列與發(fā)送序列的離散傅立葉變換(DFT)之商來表示信道的頻率響應(yīng)估計。本發(fā)明還提供了一種電カ通信系統(tǒng)中傳輸線狀態(tài)監(jiān)測的裝置，該裝置包括數(shù)據(jù) 產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；信號調(diào)制單元，用于根據(jù)系統(tǒng)的需求將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行OFDM調(diào)制，并將已知的訓(xùn)練導(dǎo)頻與OFDM符號進行組合、組幀，輸出到耦合器単元；耦合器単元，用于將信號調(diào)制單元輸出的信號耦合到電カ線上進行傳輸，或用于將電力線上的信號耦合接收下來并傳輸給信號解調(diào)單元進行處理；信號解調(diào)單元，用于將從耦合單元上接收到的信號進行同步并解調(diào)出攜帯的訓(xùn)練序列；信道頻率響應(yīng)估計単元，利用接收到的和已知的導(dǎo)頻序列進行信道的頻率響應(yīng)估計，得到頻率響應(yīng)參數(shù)；傳輸線參數(shù)計算單元，通過分析頻率響應(yīng)參數(shù)以及分析頻率響應(yīng)曲線中相關(guān)信息的變化，獲得對傳輸線基本參數(shù)的變化估計；傳輸線狀態(tài)預(yù)測単元，對傳輸線的基本參數(shù)變化進行匯總分析，得出對線路狀態(tài)的預(yù)測和監(jiān)測。(三)有益效果本發(fā)明利用電カ線通信技術(shù)，提出了一種基于OFDM技術(shù)的電カ線通信系統(tǒng)傳輸線狀態(tài)監(jiān)測、維護的方法及裝置，利用輸電線采集、傳輸和分析線路老化狀態(tài)，實時監(jiān)測電力線狀態(tài)信息，無需在輸電線路以外再布置數(shù)據(jù)采集裝置和通信系統(tǒng)，降低了成本，有效利用了豐富的現(xiàn)有電カ線網(wǎng)絡(luò)資源，符合創(chuàng)建節(jié)約型社會的要求。


下面參照附圖并結(jié)合實例來進ー步描述本發(fā)明。其中圖I為根據(jù)本發(fā)明實施例的監(jiān)測方法流程圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例一的系統(tǒng)發(fā)送和接收框圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例一的TDS-OFDM的幀結(jié)構(gòu)。圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的傳輸線的等效集總參數(shù)電路圖。圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例的電カ線截面和等效電容示意圖。圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例的電カ線電容耦合示意圖。圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例一中電カ線傳輸信道幅度響應(yīng)曲線的變化圖。圖9為根據(jù)本發(fā)明實施例ニ的CP-OFDM的幀結(jié)構(gòu)。圖10為根據(jù)本發(fā)明實施例ニ中電カ線傳輸信道幅度響應(yīng)曲線的變化圖。
圖11為根據(jù)本發(fā)明實施例三的ZP-OFDM的幀結(jié)構(gòu)。圖12為根據(jù)本發(fā)明實施例三中電カ線傳輸信道幅度響應(yīng)曲線的變化圖。圖13為根據(jù)本發(fā)明實施例四中電カ線傳輸信道幅度響應(yīng)曲線的變化圖。圖14為根據(jù)本發(fā)明實施例四中電カ線傳輸信道相位響應(yīng)曲線的變化圖。圖15為根據(jù)本發(fā)明實施例的用于電カ線傳輸系統(tǒng)中基于OFDM技術(shù)來進行系統(tǒng)傳輸線狀態(tài)的監(jiān)測方法的裝置圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 實施例一實施例一給出了本發(fā)明提出的方案用于電カ線傳輸系統(tǒng)中基于TDS-OFDM技術(shù)來進行系統(tǒng)傳輸線狀態(tài)監(jiān)測和維護的ー種具體實施方式
。本實施方式針對PLC系統(tǒng)的ー種典型的多載波工作模式,具體參數(shù)如下載波模式Z=3780，發(fā)射端星座圖映射方式為16QAM，幀頭模式PN945，F(xiàn)EC碼率為O. 4。如圖2所示，依照本發(fā)明實施方案監(jiān)測和維護本實施例所述的系統(tǒng)電カ線狀態(tài)的方法，節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其具體步驟如下SI、節(jié)點A將已知訓(xùn)練序列和利用TDS-OFDM技術(shù)調(diào)制的待發(fā)送數(shù)據(jù)組幀，并通過耦合器將信號送入電カ線傳輸；本實施例中，待發(fā)送數(shù)據(jù)首先經(jīng)過FEC編碼，然后進行16QAM星座映射獲得頻域的符號Xk，每3780個頻域符號Xk構(gòu)成ー個OFDM符號，經(jīng)過長度為3780的IDFT (IFFT)將每一個頻域符號Xk變換到時域ー個相應(yīng)的子載波上；在時域，符號長度為420的PN序列被置于OFDM符號的前端作為幀頭進行組幀，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示然后利用均方根升余弦脈沖進行時域成型濾波將信號的帶寬進行限制，對處理過的信號進行上變頻和功率放大后進行信號的傳輸。S2、節(jié)點B通過耦合器接收發(fā)送信號，利用已知訓(xùn)練序列解調(diào)接收信號，提取傳輸數(shù)據(jù)；本實施例中，節(jié)點B通過耦合器從電カ線中接收信號，接收到的信號被下變頻，經(jīng)過均方根升余弦脈沖濾波和采樣；采樣后的數(shù)據(jù)相應(yīng)進行同步、信道估計和FFT。S3、節(jié)點B利用已知訓(xùn)練序列獲得傳輸信道頻率響應(yīng)；本實施例中，在進行信號同步之后，就可以進行信道頻率響應(yīng)估計了。由于一段具有良好自相關(guān)性的已知PN序列(時域訓(xùn)練序列)作為幀頭在步驟SI中被插入，我們利用PN序列作為信道監(jiān)測信號。對于每ー個信號幀，將接收到的PN序列和本地的PN序列進行相關(guān)就可以獲得信道的沖激響應(yīng)h(t)。再對沖激響應(yīng)序列進行DFT，得到信道的頻率響應(yīng)H(f)。具體的原理如下電カ線信道可以用ー個多徑函數(shù)來建模，沖擊響應(yīng)如下
Xhit)* (I ~ Ti)( J )
^ I其中，gi是每一徑的衰減參數(shù)，其表達式和涵義將在下文從傳輸線理論予以解釋。
假設(shè)待傳輸?shù)脑夹盘枙rs (η)，加性的噪聲為η (η)，那么接收信號的采樣可以表達為
Ny(n) = s(//) + n(n) g^in-r,) + //(//)(2)
#=!由于PN序列具有良好的自相關(guān)性，信道的沖擊響應(yīng)估計可以表示為接收信號與已知PN序列的相關(guān)h (n) =Rpy (η)(3)然后再做傅里葉變換，即可獲得信道的頻率響應(yīng)函數(shù)。
S4、節(jié)點B分析頻率響應(yīng)，提取關(guān)鍵信息以計算信道參數(shù)；具體的，對電カ線的信道進行建模，一般采用描述時域特性的多徑模型，根據(jù)傳輸線理論進行分析，中低壓電カ線作為數(shù)據(jù)傳輸通道時，可以采用傳統(tǒng)的ニ線均勻傳輸線模型(雙線模型)近似等效，即通信信號在兩相之間傳輸，而非単相-中線方式。把分布參數(shù)線路看成由許多無限小長度Ax的集總參數(shù)電源電路串聯(lián)組成，如圖5所示。其中，u (t, X)、u (t, t+ Δ X)分別表示X和X+ Δ X處電壓瞬時值；i (t, X)、i (t, χ+Δχ)分別表示X和χ+Δχ處電流瞬時值；R。、G0> L0> C0分別表示單位長度的電阻、漏電導(dǎo)、電感、線間電容。由式(I)可知電カ線信道多徑模型的傳輸函數(shù)為//(/} = Xft. ■C4)
/ I其中衰減參數(shù)g, β /Η a (f)為線路衰減常數(shù)，Ii為傳輸信號行經(jīng)路徑長度，Bi反映了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，稱為權(quán)重系數(shù)，它是信號傳輸行經(jīng)路徑中在各節(jié)點的折反射的疊加效果綜合，與線路參數(shù)、節(jié)點數(shù)量、支路連接方式等等有夫。下面給出中低壓電カ線基本參數(shù)的計算方法，電カ線的截面圖如圖6。式中，C。為真空中光速；μ。= 4 π · 10_7H/m為真空磁導(dǎo)率，ε Q = 10_9/36 π F/m為真空介電常數(shù)；σ c、μ ^分別為導(dǎo)體電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率；μぃεぃ分別為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率、相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率；tan δ為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的損失角。R0 =............{Ι^...............................](Ω / /”)(5 )L0 = ( mh 1 (―) + ________ " (H/iff)(6)(レ(陶⑴G0=2 n fC0tan δ (S/m)(8)γ =. a + j fi = j{R + j(oL%G +』ω(、)(9)一般情況下，由于存在衰減和耦合，需要對單位長度電阻、電容和電感進行修正單位長度的總電阻值為Rtot=XE · R0(10)其中Xk是修正系數(shù)。
電容耦合示意圖如圖7所示，為了簡化計算，可以用圖8所示電路計算其等效電容值
權(quán)利要求
1.一種電カ傳輸線狀態(tài)監(jiān)測的方法，其特征在于，包括以下步驟51、節(jié)點A將已知訓(xùn)練序列和利用OFDM技術(shù)調(diào)制的待發(fā)送數(shù)據(jù)組幀，并通過耦合器將信號送入電カ線進行傳輸；52、節(jié)點B通過耦合器接收發(fā)送信號，利用已知訓(xùn)練序列解調(diào)接收信號，提取傳輸數(shù)據(jù)；53、節(jié)點B利用已知訓(xùn)練序列獲得傳輸信道頻率響應(yīng)或沖擊響應(yīng)；54、節(jié)點B分析信道頻率響應(yīng)，提取傳輸線的相關(guān)信息，通過分析相關(guān)信息的變化得出傳輸線基本參數(shù)的變化信息，以計算信道參數(shù)；55、節(jié)點B根據(jù)信道參數(shù)變化對電カ傳輸線信道狀態(tài)進行估計和預(yù)測。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干所述訓(xùn)練序列包括時域訓(xùn)練序列、頻域訓(xùn)練序列。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干所述OFDM組幀方式包括ZP-OFDM、CP-0FDM、以及TDS-0FDM。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干步驟S4中，所述相關(guān)信息包括信道頻率響應(yīng)的極大值的幅度、極小值的幅度、相位、位置、相鄰極值之間的頻率間隔差、相鄰極值之間的頻率相位差、相位響應(yīng)的周期。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干步驟S4中，所述傳輸線基本參數(shù)包括導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)εぃ相對磁導(dǎo)率μ P損失角、電長度I。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干步驟S5中，所述根據(jù)信道參數(shù)變化對電カ傳輸線信道狀態(tài)進行估計和預(yù)測包括以下的對應(yīng)關(guān)系導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)變小表示傳輸線的電老化或者傳輸線所處的環(huán)境溫度升高，相對磁導(dǎo)率變小表示傳輸線的磁老化或者由于壓カ的變化而導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生了非均勻的形變，損失角的増大表示傳輸線產(chǎn)生了電老化或者由于外界環(huán)境變化導(dǎo)致的損耗。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于若采用時域訓(xùn)練序列，則用訓(xùn)練序列與接收序列的卷積來表示信道的沖擊響應(yīng)估計，然后經(jīng)過離散傅立葉變換(DFT)變換得到信道頻率響應(yīng)；若采用頻域訓(xùn)練序列，則直接用接收序列與發(fā)送序列的離散傅立葉變換(DFT)之商來表示信道的頻率響應(yīng)估計。
8.一種電カ通信系統(tǒng)中傳輸線狀態(tài)的監(jiān)測裝置，其特征在于，該裝置包括數(shù)據(jù)產(chǎn)生単元，用于產(chǎn)生待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；信號調(diào)制單元，用于根據(jù)系統(tǒng)的需求將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行OFDM調(diào)制，并將已知的訓(xùn)練導(dǎo)頻與OFDM符號進行組合、組幀，輸出到耦合器単元；耦合器単元，用于將信號調(diào)制單元輸出的信號耦合到電カ線上進行傳輸，或用于將電力線上的信號耦合接收下來并傳輸給信號解調(diào)單元進行處理；信號解調(diào)單元，用于將從耦合單元上接收到的信號進行同步并解調(diào)出攜帯的訓(xùn)練序列；信道頻率響應(yīng)估計単元，利用接收到的和已知的導(dǎo)頻序列進行信道的頻率響應(yīng)估計， 得到頻率響應(yīng)參數(shù)；傳輸線參數(shù)計算單元，通過分析頻率響應(yīng)參數(shù)以及分析頻率響應(yīng)曲線中相關(guān)信息的變化，獲得對傳輸線基本參數(shù)的變化估計；傳輸線狀態(tài)預(yù)測単元，對傳輸線的基本參數(shù)變化進行匯總分析，得出對線路狀態(tài)的預(yù)測和監(jiān)測。
9.如權(quán)利要求8所述的監(jiān)測裝置，其特征在干傳輸線參數(shù)計算單元中所述頻率響應(yīng)曲線中相關(guān)信息包括頻率響應(yīng)曲線的極大值幅度、極小值幅度、位置、極值間的間距、相位等。
10.如權(quán)利要求8所述的監(jiān)測裝置，其特征在干傳輸線參數(shù)計算單元中所述傳輸線基本參數(shù)包括導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)%、相對磁導(dǎo)率l·^、損失角δ、電長度I等。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電力線通信系統(tǒng)中電力傳輸線狀態(tài)的監(jiān)測方法，包括步驟S1、節(jié)點A將已知訓(xùn)練序列和利用OFDM技術(shù)調(diào)制的待發(fā)送數(shù)據(jù)組幀，并通過耦合器將信號送入電力線進行傳輸；S2、節(jié)點B通過耦合器接收發(fā)送信號，利用已知訓(xùn)練序列解調(diào)接收信號，提取傳輸數(shù)據(jù)；S3、節(jié)點B利用已知訓(xùn)練序列獲得傳輸信道頻率響應(yīng)或沖擊響應(yīng)；S4、節(jié)點B分析信道頻率響應(yīng)，提取傳輸線的相關(guān)信息，通過分析相關(guān)信息的變化得出傳輸線基本參數(shù)的變化信息，以計算信道參數(shù)；S5、節(jié)點B根據(jù)信道參數(shù)變化對電力傳輸線信道狀態(tài)進行估計和預(yù)測。根據(jù)本發(fā)明的方法，可實時監(jiān)測電力線狀態(tài)信息，無需在輸電線路以外再布置數(shù)據(jù)采集裝置和通信系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點。
文檔編號H04B3/46GK102832970SQ201210277888
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者任飛, 楊昉, 丁文伯, 李嘉, 宋健, 陽輝, 潘長勇 申請人:清華大學(xué), 四川長虹電器股份有限公司