CN115701005A - 一种基于z平面零极点设计的台区识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，包括以下步骤：步骤1，电网内的待识别设备即发射设备向电网中发射包含特定编码的特征电流；步骤2，电网中的接收设备对电流进行缩小并对电流信号进行采样，得到采样结果；步骤3，对采样结果进行特征电流提取并解调，得到解调信息；步骤4，比较解调信息和预期数据，完成所述的台区识别，建立台区关系；本发明减小特征电流提取的计算复杂度和识别成功率。即能提高性能，又能降低设备成本；简化了运算公式，降低了硬件成本和***方案的复杂度；极大的消除工频50Hz及其谐波的大信号的干扰，提高了性能。

Description

一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法

技术领域

本发明涉及一种台区识别方法，特别是一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法。

背景技术

台区是一台变压器输电至用户电表侧的供电区域，台区内有连接着大量的电气设备，这些设备部署在台区内的各个地方，其布线复杂，上下游关系不明。这些设备的线路连接网络拓扑关系，对于电力运管部门的管理及服务提供了至关重要的依据，对于线路故障点位置及线损等问题排查提供了快速的定位作用。

因此，如何提供一种用于低压台区拓扑关系识别的信号调制解调方法来明确台区内电气设备的上下游关系是本领域技术人员亟需解决的问题。

户表内发射出特定频率的特征电流信号并叠加在户表原有的工频电流信号中传输，

接收模块，设置于表箱的断路器位置，用于接收户表传输给表箱的工频电流信号，并能够提取工频电流信号中的特征电流信号；

台区内的大量电器设备，会对电力线产生各种干扰，这样会影响特征电流的识别成功率。

由于特征电流提取，需要数字信号处理，运算量大。但是终端设备价格低廉，对成本控制要求很高，因此要在保证识别成功率的基础上，尽量减小计算的复杂度。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，包括以下步骤：

步骤1，电网内的待识别设备即发射设备向电网中发射包含特定编码的特征电流；

步骤2，电网中的接收设备对电流进行缩小并对电流信号进行采样，得到采样结果；

步骤3，对采样结果进行特征电流提取并解调，得到解调信息；

步骤3中所述的特征电流提取并解调的方法包括：

步骤3-1，根据Z平面特性设计滤波器，方法包括：

步骤3-1-1，根据特征电流的频点设置极点和零点；，具体包括：

设置极点：

在Z平面中，特征电流对应的两个频点分别设置一个极点；

设置零点：

在Z平面上每隔

的弧度，设置n个零点；其中，n满足工频50Hz和50Hz谐波对应的Z平面单位圆上的点，落在这n个零点里面。

步骤3-1-2，计算得到Z平面的传递函数，具体包括：

根据步骤3-1-1设置的零点，对应的多项式为：

根据步骤3-1-1设置的极点，对应的多项式为：

1-e^2*π*f/fsZ^-1

则Z平面的传递函数为：

其中，n为零点的最大阶数；f为预设频率即为特征电流对应的频点，fs是电流数据采集的采样率。

设定fs＝6400Hz，n＝3456。

设定f＝783.333Hz或883.333Hz。

步骤3-2，使用所述滤波器提取特征电流，并解调，具体方法包括：

根据Z平面传递函数H(Z)的逆Z变换原理，计算得到m时刻处理后的数据h(m)：

h(m)＝x(m)-x(m-t)+e^2*π*f/fs*h(m-1)

其中，x(m)代表m时刻的采样数据；x(m-t)代表m-t时刻的采样数据。

所述的解调的方法为：根据h(m)，得到解调后的解调信息，具体方法如下：

对处理后的数据h(m)，在0.6s时间内的数据绝对值积分，根据积分大小判断，得到二进制值0或1；最终通过判断是否收到所述特定编码，来确定是否收到特征电流。

所述特定编码是0xAAE9。

步骤4，比较解调信息和预期数据，完成所述的台区识别，建立台区关系。

有益效果：

减小特征电流提取的计算复杂度和识别成功率。即能提高性能，又能降低设备成本。

简化了运算公式，降低了硬件成本和***方案的复杂度。

极大的消除工频50Hz及其谐波的大信号的干扰，提高了性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明工作流程示意图。

图2是极点位置示意图。

图3是幅度响应特性示意图。

图4是处理数据流程图。

图5是特征电流码位示意图。

图6是特征电流波形示意图。

图7是特征电流处理后绝对值波形示意图。

图8是fs＝6400Hz采集到原始数据的频域数据示意图。

图9是f＝783.333Hz时经过处理后的频域数据示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，包括以下步骤：

步骤1，电网内的待识别设备即发射设备向电网中发射包含特定编码的特征电流；

步骤2，电网中的接收设备对电流进行缩小并对电流信号进行采样，得到采样结果；

步骤3，对采样结果进行特征电流提取并解调，得到解调信息；

步骤3中所述的特征电流提取并解调的方法包括：

步骤3-1，根据Z平面特性设计滤波器，方法包括：

步骤3-1-1，根据特征电流的频点设置极点和零点；，具体包括：

设置极点：

在Z平面中，特征电流对应的两个频点分别设置一个极点；

设置零点：

在Z平面上每隔

的弧度，设置n个零点；其中，n满足工频50Hz和50Hz谐波对应的Z平面单位圆上的点，落在这n个零点里面。

步骤3-1-2，计算得到Z平面的传递函数，具体包括：

根据步骤3-1-1设置的零点，对应的多项式为：

根据步骤3-1-1设置的极点，对应的多项式为：

1-e^2*π*f/fsZ^-1

则Z平面的传递函数为：

其中，n为零点的最大阶数；f为预设频率即为特征电流对应的频点，fs是电流数据采集的采样率。

设定fs＝6400Hz，n＝3456。

设定f＝783.333Hz或883.333Hz。

步骤3-2，使用所述滤波器提取特征电流，并解调，具体方法包括：

根据Z平面传递函数H(Z)的逆Z变换原理，计算得到m时刻处理后的数据h(m)：

h(m)＝x(m)-x(m-t)+e^2*π*f/fs*h(m-1)

其中，x(m)代表m时刻的采样数据；x(m-t)代表m-t时刻的采样数据。

所述的解调的方法为：根据h(m)，得到解调后的解调信息，具体方法如下：

对处理后的数据h(m)，在0.6s时间内的数据绝对值积分，根据积分大小判断，得到二进制值0或1；最终通过判断是否收到所述特定编码，来确定是否收到特征电流。

所述特定编码是0xAAE9。

步骤4，比较解调信息和预期数据，完成所述的台区识别，建立台区关系。

实施例：

台区拓补关系识别用来判断用户电表的相位归属、线路归属及变压器归属。

台区拓扑关系识别就是通过设备节点发射特征电流，台区主节点通过识别特征电流，识别出该台区下有多少个设备节点。

信号发送：

开关通断的方式会在线路产生围绕开关频率正负50Hz偏移的电流信号，以5000/6＝833.3Hz频率通断开关(1.2ms为一个周期，通400us，断800us)，发送电流信号峰值为420mA(220V电压下)，在电路上会产生频率为783.3Hz和883.3Hz的电流信号。通过检测此两点信号的有无，进行识别。

具体为16位二进制编码：1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1。其中，码位0时，无特征电流发送，码位1时，有特征电流发送。图5和图6为相应示意图。其中，图5是特征电流码位示意图，图6是特征电流波形示意图。

单次发送时间为9.6s，即每位编码发送时间长度为0.6s。单次发送总体时间偏差±40ms，每位编码允许发送时间偏差为±15ms。

信号识别：

在接收端，对电流取样信号进行AD转换，采用本发明设计的识别方法，实时提取线路上的电流信号，计算783Hz和883Hz频域分量幅值，用二者的和作为判断标准，进行解码

如图7所示，为电流信号处理后绝对值波形图，能清晰的看到1010 1010 11101001的，也就是0xAAE9，当启动某个节点发射特征电流，只有具有供电关系的所有源节点才能收到特征信号。从而实现了分支识别。

本发明是通过Z平面的极点和零点规划来设计特征电流信号提取的一种方法，具体方法如下：

接收设备会通过载波通道，让某个设备开始发射特征电流。这个设备的特征电流会在固定的频率点发射调制信号。本发明的目标是解调这个信号，把解调的结果数据和预期的数据(默认情况下是0xAAE9,也可以接收设备通过载波通信下发给需要发送特征电流的设备)做比较。如果解调得到的数据和预期的数据一直，就说明收到特征电流，可以认定这个设备在接收设备的台区里面，可以建立台区关系。

经过OOK调制的特征电流发射的频点是833.333Hz(中国仪器仪表行业协会，《基于特征电流的台区拓扑关系识别技术规范》规定)，经过电力线上50Hz的混频，会在接收设备端出现783.333Hz和883.333Hz的特征电流信号。我们的目标是经过滤波得到这两个频点的信号，然后解调OOK调制的信息，得到特征电流传输的信息内容。

由于电力线上各种干扰很多，尤其是50Hz的工频干扰很强，进而50Hz的谐波干扰也很强。另外收特征电流发射端，受散热，功率消耗，体积等方面的影响，特征电流发射不能很大。而且接收设备的下面挂了很大电表，总电流会很大，所以接收设备端的电流采集器需要把电流缩小8000倍或更多的倍数后，才能采集，否则采集设备会溢出。在这种情况下采集得到的特征电流要远小于干扰信号。

在这种情况下，就需要一个过渡带很窄，阻带抑制很大的滤波器，把特征电流对应的两个频点信号滤出来。满足这样的滤波器，阶数很长，完成运算需要比较多的算力。

Z平面单位圆附近的零点会在滤波器幅频特性的相应频率处产生陷落，零点离单位圆越近，陷落越深；而Z平面单位圆附近的极点会在滤波器幅频特性的相应频率处产生凸峰，极点离单位圆越近，凸峰越高。

本发明的设计方法是根据Z平面这个特性，来直观的设计一个滤波器。在特征电流对应的两个频点分别放置一个极点，而且在特征电流的工作频点尽量近的两边都放置零点，使得滤波器得过渡带尽可能得窄，在原理特征电流工作频点的地方也放置一些零点。特别是在50Hz和50Hz对应的谐波位置分别放置零点，以消除50Hz工频和50Hz的谐波带来得干扰。根据这个思路，在z平面上画出极点图，如图2所示，783.333Hz对应的极点为2*π*783.333/fs弧度对应Z平面单位圆对应的点；如图3所示，883.333Hz对应的极点为2*π*883.333/fs弧度对应Z平面单位圆对应的点。fs是采样率，可以取6400Hz(后面提到取值原因)。

为了简化计算，本发明在Z平面上每隔

的弧度，设置n个零点，为了消除工频50Hz以及50Hz谐波的强干扰，n要满足工频50Hz和50Hz谐波对应的Z平面单位圆上的点，落在这n个零点里面。

根据上面提到的Z平面的零点和极点位置，可以得到统函数如下：

零点对应的多项式为：

极点对应的多项式为：1-e^2*π*f/fsZ^-1

那么Z平面的传递函数为：

这里f＝783.333Hz或883.333Hz，fs是电流数据采集的采样率。为了消除工频50Hz的强干扰，工频50Hz和50Hz谐波对应的Z平面单位圆上的点即H(e^2*π*50*k/fs),k＝1,2,3,5...代表谐波次数，要满足H(e^2*π*50*k/fs)＝0，即50Hz要是(fs/n)的整数倍。根据奈奎斯特采样定理，fs>2f。根据这2个条件个条件，可以得到很多组满足条件的fs和n的值。其中s＝6400Hz，n＝3456是其中一组。

得到滤波器的幅度响应特性：

根据Z平面传递函数H(Z)的逆Z变换原理,得到h(m)：

H(Z)→逆Z变换原理得到h(m)＝x(m)-x(m-n)+e^2*π*f/fs*h(m-1)

x(m)代表m时刻的采样数据。x(m-n)代表m-n时刻的采采样数据。h(m)代表m时刻处理后的数据。h(m-1)代表m-1时刻处理后的数据。(然后对处理后的h(m)(图7)数据，在0.6s时间内的数据绝对值积分，根据积分大小判断，得到二进制值0或1。最终通过判断是否收到0xAAE9，来决定是否收到特征电流。)

根据h(m),可以画出数据流程图，如图4所示。h(m)的m时刻的输出值为：m时刻的输入值x(m)减去m-n时刻的输入值x(m-n)，然后加上h(m)的m时刻上一时刻的值h(m-1)乘上系数e^2*π*f/fs。

根据公式h(m)，识别783.333Hz的电流特性时候f＝783.333，这时候

e^2*π*f/fs＝0.7185816+0.6954426*1i

h(m)＝x(m)-x(m-n)+(0.7185816+0.6954426*1i)*h(m-1)

识别883.333Hz的电流特性时候f＝883.333，这时候

e^2*π*f/fs＝0.6469561+0.7625272*1i

h(m)＝x(m)-x(m-n)+(0.6469561+0.7625272*1i)*h(m-1)

处理一个采样点只需要一个复数乘法器和2个复数加减法器。极大的简化了运算，降低了硬件成本。

由于在工频50Hz和50Hz的谐波位置都设置了零点，极大的消除了工频50Hz及其产生谐波的大信号干扰，提高了特征识别的性能。如图8所示，是fs＝6400Hz采集到原始数据的频域数据。如图9所示，是f＝783.333Hz的情况下，经过处理后的频域数据，保留了783.333Hz处的特征电流能量，其他干扰电流都被抑制了。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机，MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，电网内的待识别设备即发射设备向电网中发射包含特定编码的特征电流；

步骤2，电网中的接收设备对电流进行缩小并对电流信号进行采样，得到采样结果；

步骤3，对采样结果进行特征电流提取并解调，得到解调信息；

步骤4，比较解调信息和预期数据，完成所述的台区识别，建立台区关系。

2.根据权利要求1所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，步骤3中所述的特征电流提取并解调的方法包括：

步骤3-1，根据Z平面特性设计滤波器；

步骤3-2，使用所述滤波器提取特征电流，并解调。

3.根据权利要求2所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，步骤3-1中所述的设计滤波器的方法包括：

步骤3-1-1，根据特征电流的频点设置极点和零点；

步骤3-1-2，计算得到Z平面的传递函数。

4.根据权利要求3所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，步骤3-1-1中所述的根据特征电流的频点设置极点和零点，具体包括：

设置极点：

在Z平面中，特征电流对应的两个频点分别设置一个极点；

设置零点：

在Z平面上每隔

的弧度，设置n个零点；其中，n满足工频50Hz和50Hz谐波对应的Z平面单位圆上的点，落在这n个零点里面。

5.根据权利要求4所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，步骤3-1-2中所述的计算得到Z平面的传递函数，具体包括：

根据步骤3-1-1设置的零点，对应的多项式为：

根据步骤3-1-1设置的极点，对应的多项式为：

1-e^2*π*f/fsZ^-1

则Z平面的传递函数为：

其中，n为零点的最大阶数；f为预设频率即为特征电流对应的频点，fs是电流数据采集的采样率。

6.根据权利要求5所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，步骤3-1-2中设定fs＝6400Hz，n＝3456。

7.根据权利要求6所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，步骤3-1-2中设定f＝783.333Hz或883.333Hz。

8.根据权利要求7所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，步骤3-2中使用所述滤波器提取特征电流，具体方法包括：

根据Z平面传递函数H(Z)的逆Z变换原理，计算得到m时刻处理后的数据h(m)：

h(m)＝x(m)-x(m-t)+e^2*π*f/fs*h(m-1)

其中，x(m)代表m时刻的采样数据；x(m-t)代表m-t时刻的采样数据。

9.根据权利要求8所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，步骤3-2中所述的解调的方法为：根据h(m)，得到解调后的解调信息，具体方法如下：

对处理后的数据h(m)，在0.6s时间内的数据绝对值积分，根据积分大小判断，得到二进制值0或1；最终通过判断是否收到所述特定编码，来确定是否收到特征电流。

10.根据权利要求9所述的一种基于Z平面零极点设计的台区识别方法，其特征在于，所述特定编码是0xAAE9。

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