CN103457635A - 低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法 - Google Patents

Abstract

低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，集中器载波模块在低压电力线配电网络中某一相线电压过零点时刻发送载波信号；通信节点接收载波信号，检测时间差，由时间差计算检测相位，当通信节点为中继节点时，由相对相位计算载波信号的延时发送时间，在自身相电压过零点时刻的延时发送时间后转发载波信号，当通信节点为目的节点时，由相对相位和已知的集中器载波信号发送相位计算自身相位并记录，然后在自身相电压过零点时刻发送载波信号；集中器载波模块接收目的节点或中继节点发来的载波信号，检测时间差，由已知的集中器载波信号发送相位计算目的节点的相位。相位信息识别后可用于载波通信***的路由组网。

Description

低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法

技术领域

本发明属于低压载波电力线通信技术领域，尤其涉及一种低压电力线载波抄表***中通信节点的相位识别方法。

背景技术

低压电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）是一种利用已有的低压电力线网络作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的技术。它利用电力线作为通信媒介，无需另外架设通信线路，也不占用现有的频谱资源，具有不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，市场潜力巨大，正越来越广泛地用于电力管理***、工业自动化控制***和智能化小区等领域。

在电力领域，随着电子式电能表/电能量计在计费***中得到越来越广泛的使用，同时伴随着国内外电力线载波通信技术的普及，抄表***中采用电力线载波的通信方式在所有抄表***的通信方式中所占的比例不断扩大。这是因为电力线路遍布各处，从发电厂到各个居民家庭无所不至，利用现有的电力网作为信道，不需重新布线，可以节省大量的人力物力，电力载波抄表已经成为最符合电力***特点的自动抄表方案。

电力线载波通信抄表***通常包括：主站、集中器、包括各类载波表及载波采集器的通信节点。电力线载波通信抄表***是一个以低压电网为主要通信信道、以GPRS、GSM、PSTN、CDMA等公用通信信道和部分RS485总线信道为辅助通信信道的通信网络。如图1所示，低压配电网络的主干线一般采用三相四线制供电，普通居民用户用电只取其中一相线作为火线（L），取地线作为零线（N）。电力线载波通信抄表***中大部分的通信节点为单相供电，如单相电能表，而对于低压载波通信而言，通信节点跨相通信时信号传输路径加长、噪声增大，因此低压载波通信在进行路由选择时，应尽可能选择同相的通信节点进行中继通信，以减少干扰，保证通信质量。

然而对于一个供电台区而言，目前电力管理部门没有强制要求统计电力用户节点的安装相位，在安装施工过程及通信节点档案整理过程中，也很难对每个载波通信节点的安装相位进行正确统计，因此，对电力线载波通信抄表***中各通信节点的相位进行识别是电力线载波通信抄表***使用过程中急需解决的技术问题。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的在于提供一种低压电力线载波通信***中的通信节点的相位识别方法，可以实时快速地获取通信节点的相位信息，用于载波通信***的路由组网，提高载波抄表***的稳定性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，包括以下步骤：

步骤A、集中器载波模块固定以低压电力线配电网络中某一相线的电压过零点时刻作为起始时刻，发送载波信号，执行下一步；

步骤B、通信节点接收到载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt计算检测相位P_Δ；

当所述通信节点为中继节点时，执行步骤C，当所述通信节点为目的节点时，执行步骤E；

步骤C、中继节点检测自身相电压过零点时刻，同时根据步骤B得到的检测相位P_Δ，计算中继节点的延时发送时间Δt'，在中继节点自身相电压过零点时刻的延时发送时间Δt'后立即中继转发载波信号，执行下一步；

步骤D、目的节点接收到中继节点转发的载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt计算检测相位P_Δ，执行步骤E；

步骤E、目的节点根据检测相位P_Δ计算自身的相位P_d，并记录，执行下一步；

步骤F、目的节点检测自身相电压过零点时刻，在自身相电压过零点时刻发送载波信号；

当目的节点接收到的载波信号来自中继节点时，执行步骤G，当目的节点接收到的载波信号来自集中器载波模块时，执行步骤H；

步骤G、中继节点接收到载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt计算检测相位P_Δ，同时中继节点检测自身相电压过零点时刻，根据检测相位P_Δ计算中继节点的延时发送时间Δt'，中继节点在自身相电压过零点时刻的延时发送时间Δt'后转发载波信号，执行下一步；

步骤H、集中器载波模块接收到中继节点转发的载波信号或目的节点发送的载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt计算出检测相位P_Δ，根据检测相位P_Δ计算目的节点的相位P'_d。

进一步的，所述相电压过零点时刻均取同一个方向的过零点，即所有通信节点均取相电压向上过零点，或所有通信节点均取相电压向下过零点。

进一步的，所述时间差Δt为通信节点所接收到的载波信号的起始时刻与该时刻之后所述通信节点的第一个自身相电压过零点时刻之间的差值，时间差Δt∈[0,20]。

进一步的，所述时间差检测通过定时器减计数实现，在每次相电压过零点时刻重置定时器初值为20ms，当检测到有载波信号时停止定时器计数，定时器计数余值即为时间差Δt。

进一步的，所述步骤中的检测相位P_Δ是指该步骤中接收信号的通信节点的检测相位。

进一步的，所述各步骤中的检测相位P_Δ由分段函数公式（1）计算：

其中，Δt为时间差。

进一步的，所述中继节点的延时发送时间Δt'由公式（2）计算：

Δt'＝P_Δ×6.67               （2）。

进一步的，所述步骤E中目的节点通过公式（3）计算自身的相位P_d：

P_d＝(3+P_s-P_Δ)MOD3         （3）

其中，P_d为目的节点自身的相位，P_s为集中器载波模块发送相位，P_Δ为检测相位，MOD表示取模运算；

进一步的，所述步骤H中集中器载波模块通过公式（4）计算目的节点的相位P'_d：

P'_d＝(P_s+P_Δ)MOD3           （4）

其中，P'_d为目的节点的相位，P_s为集中器载波模块发送相位，P_Δ为检测相位，MOD表示取模运算。

由以上技术方案可知，本发明利用低压电力线配电网络电压曲线周期不变及各相电压过零点时刻的时间间隔固定的特性，通过检测通信节点自身相电压过零点时刻和接收到的载波信号起始时刻的时间差，计算接收信号通信节点的检测相位，并计算出目的表计自身的相位信息，实现实时快速地获取通信节点的相位信息，将相位信息上报给集中器路由模块用于载波通信***的路由组网，用于载波通信***的路由组网，提高载波抄表***的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是低压电力线载波通信抄表***的结构示意图。

图2为本发明方法的流程图。

图3是低压电力线配电网络三相电压曲线特性示意图。

图4是集中器载波模块信号发送时刻示意图。

图5是电表中继节点下行中继转发时载波信号发送时刻示意图。

图6是目的电表节点数据响应时载波信号发送时刻示意图。

图7是电表中继节点上行中继转发时载波信号发送时刻示意图。

图8是集中器载波模块所接收的目的载波信号发送时刻与自身过零点时间示意图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

具体实施方式

如图2所示，根据低压电力线配电网络的固有特性可知，低压电力线配电网络中A、B、Ｃ各相线对地线（N）的电压曲线都是周期为20ms正弦波，该周期恒定不变，且Ａ、B、C各相间的夹角为2π/3，相应地，A、Ｂ、C相各相电压过零点的时间间隔为6.67ms。

基于低压电力线配电网络的以上特点，申请人提出了一种低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法。参照图3，图3为本发明方法的流程图，本发明方法设定集中器载波模块固定以低压电力线配电网络中某一相线的电压过零点时刻作为起始时刻，发送载波信号；通信节点（电表载波模块）接收到载波信号时，检测所接收的载波信号的起始时刻与自身相电压过零点时刻的时间差，根据时间差计算出检测相位，①当该通信节点为中继节点时，根据检测相位计算载波信号的延时发送时间，在所接收到的载波信号的发送节点的相电压过零点时刻中继转发载波信号，②当该通信节点为目的节点时，根据检测相位和已知的集中器载波信号发送相位计算自身相位，并进行记录，然后在自身相电压过零点时刻发送载波信号，进行数据响应；集中器载波模块在接收到目的节点发来的载波信号或由中继节点中继转发的载波信号时，检测接收到的载波信号的起始时刻与自身相电压过零点时刻的时间差，并计算出检测相位，进而根据固定的集中器载波模块发送相位，计算出目的节点的相位。这些相位信息上报给集中器路由模块后可用于载波通信***的路由组网，进而提高载波抄表***的稳定性和可靠性。

以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明所提及的低压电力线载波通信***中的各通信节点（集中器、电表、采集器、三相表）模块均具有相电压过零点检测电路，可实时监测各自的相电压过零点时刻。各通信节点（包括集中器和电表等通信节点）的相电压过零点时刻均取同一个方向的过零点，即所有通信节点均取相电压向上过零点，或所有通信节点均取相电压向下过零点，以避免由于过零点选取不匹配而造成的相位识别不正确的问题。

本发明的时间差Δt是指通信节点所接收到的载波信号的起始时刻与该时刻之后该通信节点的第一个自身相电压过零点时刻之间的差值，单位为ms，由于低压电力线的相电压曲线的周期为20ms，因此Δt∈[0,20]。

时间差检测可通过定时器减计数实现，通信节点在每次自身相电压过零点时刻重置定时器初值为20ms，当检测到有载波信号时停止定时器计数，则此时定时器计数余值即为时间差Δt。

下面结合图3，以一个具体实施例对本发明的低压电力线载波通信***的相位识别方法做详细说明。为了便于描述，首先作以下设定：

设定各通信节点的相电压过零点均取相电压向上过零点，集中器载波模块固定在A相电压向上过零点时刻发送载波信号，集中器通过安装于B相的电表M_B进行载波信号中继转发，抄读安装于C相的电表M_C的某一数据项。

集中器载波模块、电表M_B载波模块及电表M_C载波模块在上电初始化完成后，启动载波信号接收及相电压过零点时刻实时检测，并在各自相电压过零点时刻重置定时器的初值，进行减计数，定时器的初值为20ms，定时器在接收到载波信号时停止计数。

步骤一、集中器载波模块以低压电力线配电网络中A相电压过零点时刻作为起始时刻，即在A相电压过零点时刻发送载波信号，如图4所示，图4为集中器载波模块载波信号发送时刻示意图；

步骤二、作为中继节点的电表M_B接收到集中器载波模块发来的载波信号，电表M_B载波模块启动时间差检测，根据得到的时间差Δt，由分段函数公式（1）计算检测相位P_Δ，本发明的检测相位是指各步骤中接收信号的通信节点的检测相位，本步骤中电表M_B接收来自集中器载波模块的载波信号，因此本步骤中接收信号的通信节点是电表M_B，则检测相位P_Δ即是指电表M_B的检测相位，

步骤三、根据步骤二得到的电表M_B的检测相位P_Δ，由公式（2）计算出电表M_B载波模块的延时发送时间Δt'，电表M_B载波模块检测自身相电压过零点时刻，在自身相电压过零点时刻启动定时器，在自身相电压过零点时刻的延时发送时间Δt'后（即对应于集中器载波模块发送载波信号的起始时刻）启动载波信号发送，进行载波信号的中继转发；

Δt'＝P_Δ×6.67             （2）；

如图5所示，为电表M_B（中继节点）在下行中继转发载波信号的发送时刻示意图；中继节点在自身相电压过零点刻的延时发送时间Δt'后发送载波信号，也就是在所接收到的载波信号的发送节点（集中器载波模块）的起始时刻发送信号，中继节点载波信号的发送时间与所接收到的载波信号的原发送节点的发送时间相同，由此保持载波信号发送节点的相对相位不变；

步骤四、作为目的节点的电表M_C接收到由位于B相的电表M_B载波模块转发的载波信号，电表M_C载波模块启动时间差检测，根据时间差Δt由分段函数公式（1）计算检测相位P_Δ，本步骤中电表M_C接收来自电表M_B的载波信号，因此本步骤中接收信号的通信节点是电表M_C，则检测相位P_Δ即是指电表M_C的检测相位，根据电表M_C的检测相位P_Δ由公式（3）计算出电表M_C自身的相位，并进行记录，

P_d＝(3+P_s-P_Δ)MOD3         （3）

其中，P_d为目的节点自身的相位，P_s为集中器载波模块发送相位，P_Δ为检测相位，MOD表示取模运算；

由于电表M_B载波模块是在集中器载波模块发送载波信号的同一时刻进行信号转发，因此并未改变载波信号的相位，即保持集中器载波模块发送相位未改变，因此可由所检测到的时间差Δt计算出电表M_C的检测相位；

步骤五、位于C相的电表M_C载波模块在进行数据响应时，检测自身相电压过零点时刻，在自身相电压过零点时刻进行载波信号的发送，如图6所示，为目的表计（电表M_C）数据响应时载波信号发送时刻示意图；

步骤六、作为中继节点的电表M_B载波模块接收到电表M_C载波模块发来的载波信号，启动时间差检测，根据分段函数公式（1）式计算电表M_B的检测相位P_Δ，然后采用公式（2）式计算电表M_B相对自身相电压过零点时刻的延时发送时间Δt'；

步骤七、电表M_B载波模块检测到自身相电压过零点时刻，启动定时器，在自身相电压过零点刻的延时发送时间Δt'后启动载波信号发送，进行载波信号的中继转发；如图7所示，为电表M_B上行中继转发载波信号发送时刻示意图；

步骤八、集中器载波模块接收到由位于B相的电表M_B转发的载波信号，由于电表M_B是在自身相电压过零点刻的延时发送时间Δt'后，也就是在目的电表M_C的相电压过零点时刻转发载波信号，并未改变载波信号的相对相位，因此可根据检测到的如图8所示的时间差Δt，由分段函数公式（1）式计算出检测相位，然后根据公式（4）计算出电表M_C（目的节点）的相位，本步骤中接收信号的通信节点是集中器载波模块，因此检测相位是指集中器的检测相位，

P'_d＝(P_s+P_Δ)MOD3         （4）

其中，P'_d为目的节点的相位，P_s为集中器载波模块发送相位，P_Δ为检测相位，MOD表示取模运算。

上述实施例说明的是载波信号经过中继节点转发时通信节点的相位识别方法，对于存在多个中继节点的情况，各中继节点的处理过程均与上述实例中的中继节点（电表M_B）处理过程一样——即中继节点在对应于所接收到的载波信号的发送节点的相电压过零点时刻进行载波信号的中继发送，即保持载波信号发送节点的相对相位不变。

以上说明了有中继节点对载波信号进行中继转发过程的相位识别方法，对于无中继节点的情况，即集中器载波模块直接将载波信号发送至目的表计（目的节点）时，省去了中继节点转发载波信号的步骤，相位识别的过程相对简单，过程如下：

集中器载波模块检测低压电力线配电网络中A相电压的过零点时刻，固定在A相电压过零点时刻发送载波信号；

目的表计载波模块接收到集中器载波模块发送的载波信号，启动时间差检测，根据得到的时间差Δt，由分段函数公式（1）计算检测相位P_Δ，本步骤中目的表计接收来自集中器的载波信号，目的表计为接收信号的通信节点，因此本步骤的检测相位是目的表计的检测相位；

目的表计载波模块采用公式（3）计算出自身的相位，并记录；

目的表计载波模块在自身相电压过零点时刻进行载波信号的发送；

集中器载波模块接收到目的表计载波模块发送的载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt，由分段函数公式（1）式计算出集中器的检测相位，进而根据公式（4）计算出目的表计的相位。

本发明利用低压电力线配电网络电压曲线周期不变及各相电压过零点时刻的时间间隔固定的特性，集中器载波模块固定在低压电力线配电网络中某一相线的电压过零点时刻发送载波信号，中继节点在接收到的载波信号的发送节点的过零点时刻中继转发载波信号，目的节点在自身相电压过零点时刻响应数据命令发送载波信号。各通信节点通过实时监测到的自身相电压过零点时刻与所接收到的载波信号起始时刻的时间差Δt计算接收信号通信节点的检测相位P_Δ，用于相位识别或确定信号的中继转发起始时刻，再结合集中器载波模块发送信号时固定的相位信息，集中器载波模块即可计算出目的表计的相位，目的表计也可计算出自身的相位。将这些相位信息上报给集中器路由模块用于载波通信***的路由组网，提高载波抄表***的稳定性和可靠性。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其它部分的不同之处，各个部分之间相同或相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (9)

1.低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤A、集中器载波模块固定以低压电力线配电网络中某一相线的电压过零点时刻作为起始时刻，发送载波信号，执行下一步； 

步骤B、通信节点接收到载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt计算检测相位P_Δ； 

当所述通信节点为中继节点时，执行步骤C，当所述通信节点为目的节点时，执行步骤E； 

步骤C、中继节点检测自身相电压过零点时刻，同时根据步骤B得到的检测相位P_Δ，计算中继节点的延时发送时间Δt'，在中继节点自身相电压过零点时刻的延时发送时间Δt'后立即中继转发载波信号，执行下一步； 

步骤D、目的节点接收到中继节点转发的载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt计算检测相位P_Δ，执行步骤E； 

步骤E、目的节点根据检测相位P_Δ计算自身的相位P_d，并记录，执行下一步； 

步骤F、目的节点检测自身相电压过零点时刻，在自身相电压过零点时刻发送载波信号； 

当目的节点接收到的载波信号来自中继节点时，执行步骤G，当目的节点接收到的载波信号来自集中器载波模块时，执行步骤H； 

步骤G、中继节点接收到载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt计算检测相位P_Δ，同时中继节点检测自身相电压过零点时刻，根据检测相位P_Δ计算中继节点的延时发送时间Δt'，中继节点在自身相电压过零点时刻的延时发送时间Δt'后转发载波信号，执行下一步； 

步骤H、集中器载波模块接收到中继节点转发的载波信号或目的节点发送的载波信号，启动时间差检测，根据检测到的时间差Δt计算出检测相位P_Δ，根据检测相位P_Δ计算目的节点的相位P'_d。 

2.如权利要求1所述的低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于：所述相电压过零点时刻均取同一个方向的过零点，即所有通信节点均取相电压向上过零点，或所有通信节点均取相电压向下过零点。 

3.如权利要求1所述的低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于：所述时间差Δt为通信节点所接收到的载波信号的起始时刻与该时刻之后所述通信节点的第一个自身相电压过零点时刻之间的差值，时间差Δt∈[0,20]。 

4.如权利要求1或3所述的低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于：所述时间差检测通过定时器减计数实现，在每次相电压过零点时刻重置定时器初值为20ms，当检测到有载波信号时停止定时器计数，定时器计数余值即为时间差Δt。 

5.如权利要求1所述的低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于：所述步骤中的检测相位P_Δ是指该步骤中接收信号的通信节点的检测相位。 

6.如权利要求1至5任一项所述的低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于：所述各步骤中的检测相位P_Δ由分段函数公式（1）计算： 

其中，Δt为时间差。 

7.如权利要求1至5任一项所述的低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于：所述中继节点的延时发送时间Δt'由公式（2）计算： 

Δt'＝P_Δ×6.67         （2）。 

8.如权利要求1至5任一项所述的低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于：所述步骤E中目的节点通过公式（3）计算自身的相位P_d： 

P_d＝(3+P_s-P_Δ)MOD3       （3） 

其中，P_d为目的节点自身的相位，P_s为集中器载波模块发送相位，P_Δ为检测相位，MOD表示取模运算。 

9.如权利要求1至5任一项所述的低压电力线载波通信***中通信节点的相位识别方法，其特征在于：所述步骤H中集中器载波模块通过公式（4）计算目的节点的相位P'_d： 

P'_d＝(P_s+P_Δ)MOD3       （4） 

其中，P'_d为目的节点的相位，P_s为集中器载波模块发送相位，P_Δ为检测相位，MOD表示取模运算。 

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