低压电力线载波信道阻抗测试终端的设计与应用.pdf
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1、总第 4 9卷第 5 5 3期 2 0 1 2年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e nt a t i o n Vo 1 4 9 NO 5 5 3 J a n 2 0 1 2 低压电力线载波信道阻抗测试终端的设计与应用 齐传凤 , 王学伟 , 韩东 , 陆以彪 ( 1 北京化工大学 信息科学与技术学院, 北京 1 0 0 0 2 9 ; 2 黑龙江省 电力科学研究院, 哈 尔滨 1 5 0 0 3 0 ) 摘要:依据自由坐标轴阻抗测试原理, 设计了低压电力线载波信道阻抗测试终端,实现了载波信道阻抗模
2、值和阻 抗相位的实时测量、 数据远程传输以及主站监控计算机对信道阻抗特性的远程监控。阻抗测试终端依据主站监 控计算机的控制命令, 能够实现在1 0 0 5 0 0 k H z 频率范围内的任意5 个载波频率点或单一载波频率点处, 同时对A、 B 、 c 三相或某一相的循环阻抗测试,且载波频率点间的最小间隔为0 1 k H z 。 阻抗测试范围与精度可达到( 5 1 0 Q) 1 0 、 ( 1 0 - 5 0 0 1 ) 5 。 本文分析了公用建筑不同季节和住宅小区冬季载波通信性能较差情况下的电力线信 道阻抗测量结果, 为电力线阻抗监测及改善 电力线载波系统通信性能提供有力手段。 关键词:低压
3、电力线载波通信; 信道阻抗测试; 数据传输 中图分类号: T M9 3 0 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 5 7 0 6 De s i g n a nd Appl i c a t i o n o f Lo w- v o l t a g e Po we r Li n e Ca r r i e r Cha n ne l I m p e d a nc e Te s t i ng Te r m i na l 1 l 2 2 Q I C h u a n - f e n g, WA NG X u e - w e i , H AN D
4、o n g , L U Y i b i a o ( 1 C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e mi c a l T e c h n o l o gy, B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 , C h i n a 2 E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e o f He i l o n g
5、j i a n g P r o v i n c e , Ha r b i n 1 5 0 0 3 0 , C h i n a ) Abs t r a c t : I n t hi s p a p e r ,a l o w-v o l t a g e p o we r l i n e c a r r i e r c h a n n e l i mp e da nc e t e s t i n g t e r mi na l i s d e s i g n e d a c c o r d i ng t o i mp e d a nc e me a s u r e p r i nc i p l e
6、o f f r e e - a x i s , wh i c h r e ali z e s r e a l t i me me a s u r e me n t f o r i mp e da n c e a n d ph a s e s o f c a r r i e r c h a n n e l ,d a t a r e mo t e t r a ns mi s s i o n a nd r e mo t e mo n i t o r i n g f o r t h e i mpe da n c e c ha r a c t e ris t i c s o f c a r r i e
7、r c ha nn e l b y t h e ma s t e r mo n i t o r c o mp u t e r Ac c o r d i n g t o t h e c o mma n d s f r o m t he ma s t e r mo n i t o r c o mp u t e r , a t t h e f r e q ue n c y o f 1 0 0- 5 00 k Hz , t he i mpe da nc e t e s t i n g t e r mi n a l c a n r e a l i z e c y c l e t e s t i n g
8、for t he i mp e da nc e p h a s e A, B,C a t t h e s a me t i me o r o n e o f t h e t h r e e p h a s e s a t a n y fi v e c a r r i e r f r e q u e n c i e s o r s i n g l e c a r r i e r f r e q u e n c y , a n d t h e mi n i mu m i n t e r v a l b e t we e n c a r r i e r f r e q u e n c i e s i
9、 s 0 1 k Hz T h e r a n g e a n d a c c u r a c y o f t h e i mp e d a n c e t e s t i n g c a n r e a c h( 5 - 1 0 )1 0 a n d ( 1 0 5 0 0 ) 5 I n t h i s p a p e r , t h e i m p e d a n c e me a s u r e me n t r e s u l t s o f p o w e r l i n e c h a n n e l a r e d i s c u s s e d , w h i c h w e
10、 r e me a s u r e d i n p u b l i c b u i l d i n g i n d i f f e r e n t s e a s o n s a n d i n r e s i d e n t i a l d i s t r i c t u n d e r t h e l o w - v o l t a g e p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n wi t h p o o r p e r f o r ma n c e i n wi n t e r , a n d p r o v i d
11、e p o w e rf u l me a n s f o r p o we r l i n e i mp e d a n c e mo n i t o r i n g a n d c o mmu n i c a t i o n p e rfo r ma n c e o f p o we r l i n e c a r r i e r s y s t e m i mp r o v i n g K e y wo r ds : l o w- v o l t a g e P LC, c h a n ne l i mp e d a n c e me a s ur e me n t , da t a t
12、 r a n s mi s s i o n 0引 言 电力 线 载 波 通 信( P o w e r L i n e C o mm u n i c a t i o n , P L C) 技术是指利用工频 电力传输线作为传输媒介来 实现数据传递和信息交换的通信方式。 其中利用高压 电力线 ( 3 5 k V及 以上 电压等级 ) 和 中压电力线 ( 1 0 k V 电压等级) 的电力线载波通信研究起步早、 时间长、 技 术成熟 ; 而低压电力线( 2 2 0 V 3 8 0 V) 载波通信的研究 相对较晚,始于2 0 世纪9 0 年代。由于低压电力线载波 通信与 中高压电力线载波通信在通信方式
13、、 信道衰减 特性、 布线方式 、 载波耦合方式等方面存在很大的不 同 1 1 , 并且低压 电力线不是为了满足传输通信数据需 求所设计的, 再加上我国电网环境恶劣、 受电力线信 道衰减 、噪声干扰和用电设备电磁兼容性 的影响, 导 致 电力线阻抗随时问 、 频率 、 负载接入和切出的变化 而随机变化, 造成低压 电力线信道阻抗与发射和接收 设备阻抗不匹配, 严重影响了通信质量。因此, 对电力 一 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 3期 2 0 1 2年第 1 期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s
14、ur e me n t& I ns t r u m e nt a t i o n 线阻抗特性参数 的准确测量与分析显得尤为重要 。 虽然国内外研究人员已经提出了一些电力线信 道 阻抗 的测 量 方 法,但 这些 方 法 大 多是针 对 5 0 0 k H z 5 0 0 MH z 频段 1 K w a s n i o k 等人提f I 利用双电 流探头法测量5 0 0 k H z 5 0 0 MH z fl 电力线 阻抗 ; 张有 兵等人利用求得恒定电阻上的电压与插座上的电压 之比来测量1 0 0 k H z 2 M H z 压电力线载波通信信道 A 的输入阻抗。 。一 ;其他人的研究则主要利
15、用矢量网络 分析仪测量低压 电网的反射系数及耦合器的散射参 数, 从而间接地计算出低压电力线阻抗值 5 1。对于 1 0 0 5 0 0 k H z 频段, 阻抗测量方法 的研究较少, 如李家 生等人依据L c 谐振原理提出了5 0 1 3 0 k H z 低压 电力 线阻抗测量方案 ; 文献 7 设计 了基于F P G A 的电力线 阻抗测量仪, 但其只能测量单相的电力线阻抗值 。综 上所述, 目前的电力线阻抗测量方法存在载波测量频 率点有限 、仅能测量阻抗模值不能测量阻抗相位 、 不 能同时测量A B C 三相 电力线阻抗 、 缺少溯源标定方法 以及不能长期 自动测量等问题。 为了解决上述
16、问题, 本文依据 自由坐标轴阻抗测 试原理, 设计了低压电力线载波信道阻抗测试终端, 实 现了1 0 0 5 0 0 k H z 、 5 5 0 0 Q范 围内对低压电力线载波 信道阻抗的准确测量。 同时为了实现长期远程监控不 同地点 、不 同时间的低压电力线载波信道的阻抗特 性, 本文还设计了基于G P R S 技术的远程数据实时传 输功能, 通过静态公网I P 的G P R S 网络组网方案和面 向 连接的T C P 协议来实现主站监控计算机与阻抗测试 终端的双向数据传输阎 。 1 低压电力线载波信道阻抗测试终端结构与功能 在低压电力线载波信道阻抗特性测试系统中, 阻 抗测试终端安装在低压
17、 电网台区变压器端 ( 集 中器 端 ) 和用户端( 电能表端 ) , 对指定载波频率下 的阻抗 和相位值进行测量,并将测得的数据通过 G P R S 无线 模块传输到主站监控计算机, 以实现对信道阻抗特性 的远程监控。系统整体安装结构如图1 所示 。 1 1 阻抗测 试终 端 的构成 阻抗测试终端的结构如图2 所示,主要 由嵌人式 单片机系统、 嵌入式通信系统、 G P R S 模块、 天线、 阻抗 测试单元、 可变频率信号源、 高频功率放大器、 信号耦 合单元等部分构成。 ( 1 ) 可变频率信号源 本 文 采 用 直 接 数 字 频 率 合 成( D i r e c l D i g i
18、t a l S y n t h e s i z e r , D D S )技术设计可变频率信号源, 采用该 方法能得到具有稳定频率和波形 良好 的可调频率正 弦波。 设计中所选用的D D S 芯片可以产生多个频率点, 一 5 8一 Vo i 4 9 NO 5 5 3 J a n 2 0 1 2 图l 低压电力线载波信道 阻抗特性测试 系统安 装 结构 Fi g 1 I n s t a l l a t i o n s t r u c t u r e o f l o w -v o l t a g e p o we r l i n e c a r r i e r i mp e d a nc e c
19、h a r a c t e r i s t i c s t e s t i n g s y s t e m 图2 低压 电力线载波信道 阻抗测试终端结构 F i g 2 S t r uc t u r e o f l o w-v o l t a g e I 】 ( ) we r l i n e c a r r i e r i mp e da n c e t e s t i n g t e r mi n a l 以产生阻抗测试巾所需要的1 0 0 5 0 0 k H z 正弦波信 号 源, 且频率分辨率可达0 1 k H z 。 ( 2 ) 功率放大器 由于D D S 信号源的输 I 功率有限,
20、在设计If 1采用 加入高频功率放大器的方法, 提高正弦信 弓 的输 m功 率。 ( 3 ) 频率耦合电路 低压电力载波通信巾, 信 号耦合 电路大多采用 电 容来实现。本文采用L C 串联谐振 电路以减少频率点 处相移的失真。该方法选用的器件少, 并且能构成 良 好耦合谐振电路 。 ( 4 ) 阻抗测试单冗 本文依据 自由坐标轴阻抗测试原理并结合A D 转 换器, 设计了阻抗测试单元。 对内附标准化的阻抗z 与 被测阻抗z 均采用矢量测量, 通过比较法计 箅得到阻 抗模值, 并确定阻抗 的感性 、 容性相位, 还能实现对小 阻抗的测试。 自由坐标轴阻抗测试原理如图3 所示 。 学兔兔 w w
21、 w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 3期 2 0 1 2年第 1 期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e n t at i o n Vo 1 4 9 NO 5 5 3 Ja n2 0 1 2 图3 自由坐标轴 阻抗测试原理 Fi g 3 I mp e d a n c e me a s u r e p r i n c i pl e o f f r e e a x i s 按图3 , 有 : 一 U r , X =zs U x 。 x + j U x y S Y 。 J
22、 :&( U x x U s x + U x y U s Y 2 2 4 -j Vx y Us x -Vx x Vs Y 2 2 ) ( 1 ) x + Y x+ Y 1 2 阻抗 测试 终 端的功 能 阻抗测试终端依据主站监控计算机发 出的各种 控制命令, 主要实现以下功能 : ( 1 ) 可以对 1 0 0 5 o 0 k H z 频率范围内的任意5 个载 波频率点或单一载波频率点进行循环阻抗测试, 且最 小频率间隔为0 1 k Hz ; ( 2 ) 可以同时测试A、 B 、 C 三相或单独某一相的低 压 电力线阻抗, 阻抗测试范 围与精度可达到( 5 l 0 n) 1 0 、 ( 1 0
23、 5 o o ) 5 ; ( 3 ) 可实现实时阻抗测 量, 或依 据设定 的测量 时 间与频点, 自动定时进行阻抗测量, 无需人工操作 ; ( 4 ) 自动存储每天的测量数据, 并可通过主站监 控计算机读取和清除存储在阻抗测试终端的数据。 2 数据传输功能与技术方案 由于电力线分布广 、 数量多, 需采用无线通信技 术来实现阻抗测量数据的远程传输和对阻抗测试终 端的远程监控。 本文综合考虑系统对实时性与可 靠性 的要求和 应用成本,采用G P R S 技术设计并实现 了阻抗测试终 端的远程数据传输功能。通过静态公网I P 的G P R S 网 络组网方案 和面向连接的T C P 协议实现主站
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