基于载波通信的电力相位识别方法与流程

本发明涉及一种相位识别方法，具体是指一种基于载波通信的电力相位识别方法。

背景技术：

低压载波通信技术是电力物联网中所使用的一种重要通信方式。其利用电力线进行数据传输，已经广泛应用在用电信息采集系统。

随着供电营销系统信息化管理程度的提高、以及用电信息采集设备的功能需要，需要对台区内的单相工作的电表及采集设备的相位信息精确获取。由于不能通过停电的方式进行相位检测，因此必须采用一些新的技术手段来实现。

利用载波通信技术来进行台区内的相位识别可以在不影响用户用电情况下实现。但是由于载波信号会在台变或电缆内跨相耦合，使得在某一相加载信息后，其他两相也可以接收到，即产生“信号串相”的问题。因此，只有在耦合很弱的情况下，这种分别在三相发送不同相位信息然后直接接收获取的方法才有效。

基于上述，目前亟需提出一种计算简单、方便部署、识别高速准确的基于载波通信的电力相位识别方法，以克服现有技术中存在的限制和缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于载波通信的电力相位识别方法，利用窄带电力载波通信的跨相耦合特点，通过报文通信的方式进行相位识别，计算简单、方便部署、识别高速准确。

为实现上述目的，本发明提供一种基于载波通信的电力相位识别方法，包含以下步骤：

s1、基于工频交流电，在电力线已知相位的相线上设置载波通信的发送端，在该相线相位的过零时刻，发送端启动，通过载波通信向电力线周期性的发送含有该相线相位信息的通信报文，同时计算发送通信报文的消耗时间tm；

s2、基于工频交流电，在电力线待检测相位的相线上设置载波通信的接收端，该接收端通过载波通信接收并还原完整的通信报文，同时记录通信报文接收完成的时刻至后续最近一次的相位过零时刻之间的时间间隔tz；

s3、根据发送通信报文的消耗时间tm、通信报文接收完成的时刻至后续最近一次的相位过零时刻之间的时间间隔tz、以及工频交流电的周期t，接收端计算余数值δt，并根据余数值δt获取所在相线的相位。

所述的发送端和接收端均包含：处理器模块；载波通信模块，分别与电力线以及处理器模块连接；单方向过零检测模块，分别与电力线以及处理器模块连接；计时模块，与处理器模块连接。

所述的通信报文包含以下字段：同步头，标识有效通信报文的开始；报文长度，为发送端地址到结束符的字节总数；发送端地址；发送端相位信息，取a、b、c分别表示三相相位；报文校验，由发送端地址和发送端相位进行异或运算得到；结束符，标识通信报文的结束。

其中，b相相位落后a相相位c相相位落后a相相位

所述的s1中，具体包含以下步骤：

s11、在电力线已知相位的相线上设置载波通信的发送端；

s12、发送端的处理器模块启动单方向过零检测模块，检测得到后续最近一次的相位过零时刻t0；

s13、在该相位过零时刻t0，发送端的处理器模块将含有该相线相位信息的通信报文的每个字节按位通过载波通信模块发送至电力线，形成载波数据进行传输，并计算发送通信报文的消耗时间tm；

s14、在该相位过零时刻t0，发送端的处理器模块同时启动计时模块，当计时间隔达到ts后，返回执行s12，周期性的发送通信报文。

所述的s13中，发送通信报文的消耗时间tm为：

tm＝l/v；

且ts>tm>t；

其中，l为通信报文的总发送数据位数，v为载波通信速率。

所述的s2中，具体包含以下步骤：

s21、在电力线需要检测识别相位的相线上设置载波通信的接收端；

s22、接收端的载波通信模块始终处于接收模式，检测并接收电力线上所传输的连续有效的载波数据，并将接收到的每位载波数据发送至处理器模块；

s23、接收端的处理器模块将载波通信模块接收到的前若干位载波数据合并形成字节，与通信报文的同步头长度相同，并与同步头进行匹配；如一致，继续执行s24；如不一致，返回执行s22；

s24、接收端的处理器模块将载波通信模块接收到的全部载波数据合并形成字节，还原获取通信报文；并对其中的发送端地址和发送端相位进行异或运算，如计算结果与报文校验一致，继续执行s25；否则，返回执行s22；

s25、接收端的载波通信模块在接收到通信报文的最后一个数据时，处理器模块启动计时模块，记录通信报文接收完成的时刻t1，并开始计时；

s26、接收端的载波通信模块在接收到通信报文的最后一个数据时，处理器模块同时启动单方向过零检测模块，检测得到后续最近一次的相位过零时刻t2；并获取通信报文接收完成的时刻至后续最近一次的相位过零时刻之间的时间间隔tz＝t2-t1。

所述的s3中，具体包含以下步骤：

s31、接收端的处理器模块计算余数值δt：

δt＝(tz+tm)％t；

s32、相位判决：

当或时，判定接收端所在相线与发送端所在相线的相位相同；

当时，判定接收端所在相线延迟发送端所在相线1个相位；

当时，判定接收端所在相线延迟发送端所在相线2个相位。

综上所述，本发明所提供的基于载波通信的电力相位识别方法，利用窄带电力载波通信的跨相耦合特点，通过报文通信的方式进行相位识别，避免因干扰较大导致误判的问题，提高相位识别的速度和精度；并且本方法判别区域宽，对硬件设备的计时精度和计算速度要求低，可方便的部署在现有的用电信息采集终端上，实施成本低。

附图说明

图1为本发明中的基于载波通信的电力相位识别方法的流程图；

图2为本发明中的发送端和接收端的结构示意图；

图3为本发明中的报文的结构示意图；

图4为本发明中的基于载波通信的电力相位识别的时序图。

具体实施方式

以下结合图1～图4，详细说明本发明的一个优选实施例。

我国的工频交流电的频率f为50hz、周期t为20ms，其abc三相的相位差是120度，在时间上，三相交流电信号的正向过零点(或者反向过零点)相间隔的时间为t/3。比如，a相正向过零后间隔t/3时间，b相正向过零，再间隔t/3时间，c相正向过零。在此过程中，如果工作在b相或c相的电力设备能够记录a相正向过零时刻与所在相线的接下来第一个过零时刻之间的间隔，就可以识别所在相线的相位。但工作在b相或c相的电力设备要同步获取a相的过零时刻是非常困难的，因此本发明通过利用载波通信进行数据发送接收的方法来估算这一时刻。

如图1所示，为本发明所提供的基于载波通信的电力相位识别方法，包含以下步骤：

s1、基于工频交流电，在电力线已知相位的相线上设置载波通信的发送端，在该相线相位的过零时刻，发送端启动，通过载波通信向电力线周期性的发送含有该相线相位信息的通信报文，同时计算发送通信报文的消耗时间tm；

s2、基于工频交流电，在电力线待检测相位的相线上设置载波通信的接收端，该接收端通过载波通信接收并还原完整的通信报文，同时记录通信报文接收完成的时刻至后续最近一次的相位过零时刻之间的时间间隔tz；

s3、根据发送通信报文的消耗时间tm、通信报文接收完成的时刻至后续最近一次的相位过零时刻之间的时间间隔tz、以及工频交流电的周期t，接收端计算余数值δt，并根据余数值δt获取所在相线的相位。

如图2所示，所述的发送端和接收端均包含：处理器模块；载波通信模块，分别与电力线以及处理器模块连接；单方向过零检测模块，分别与电力线以及处理器模块连接；计时模块，与处理器模块连接；其他功能电路模块，与处理器模块连接；系统电源，为发送端和接收端提供工作电源。

如图3所示，所述的通信报文m包含以下字段：4字节的同步头，标识有效通信报文的开始；1字节的报文长度，为发送端地址到结束符的4个字段的字节总数；4字节的发送端地址；1字节的发送端相位信息，取a、b、c分别表示三相相位；1字节的报文校验，由发送端地址和发送端相位共5个字节进行异或运算得到；1字节的结束符，以特定的字符标识通信报文的结束。其中，每个字节包含8位数据。

其中，b相相位落后a相相位c相相位落后a相相位

所述的s1中，具体包含以下步骤：

s11、在电力线已知相位的相线上设置载波通信的发送端；

s12、发送端的处理器模块启动单方向过零检测模块，检测后续最近一次的相位过零时刻，单方向过零检测模块在t0时刻检测到相位过零时，向处理器模块发出过零信号并停止检测；

s13、在该相位过零时刻t0，发送端的处理器模块启动载波通信模块，将含有该相线相位信息的通信报文m的每个字节按位通过载波通信模块发送至电力线，形成载波数据进行传输，并计算发送通信报文m的消耗时间tm；

s14、在该相位过零时刻t0，发送端的处理器模块同时启动计时模块开始计时，当计时间隔达到ts后，计时模块向处理器模块发出准备再一次发送通信报文m的信号，并返回执行s12，实现周期性的发送通信报文m。

也就是说，本实施例中，发送端启动报文发送的时刻为相位的正向过零时刻，接着必须间隔ts时间之后，在后续到来的第一个正向过零时刻再次发送通信报文m，并依此循环。

所述的s13中，发送通信报文m的消耗时间tm为：

tm＝l/v；

其中，l为通信报文m的总发送数据位数，v为载波通信速率；本实施例中，根据图2所示，每个通信报文m包含12个字节，因此通信报文m的总发送数据位数l为96；

由于载波通信速率v较低，因此发送通信报文m的消耗时间tm远大于工频交流电的周期t，即：

ts>tm>t。

所述的s2中，具体包含以下步骤：

s21、在电力线某一地理位置需要检测识别相位的相线上设置载波通信的接收端；

s22、接收端的载波通信模块始终处于接收模式，检测并接收电力线上所传输的连续有效的载波数据，并将接收到的每位载波数据发送至处理器模块；

由于存在跨相耦合，无论接收端是否和发送端处于同相线相位，都可以接收到通信报文m；

s23、接收端的处理器模块将载波通信模块接收到的前32位载波数据合并形成字节，并与通信报文m的同步头进行匹配；如一致，则确定当前接收的为通信报文m，并继续执行s24；如不一致，则确定当前接收的为干扰信号数据，不进行任何处理，并返回执行s22，从而能够有效排除干扰，防止误判；

s24、接收端的处理器模块将载波通信模块接收到的全部载波数据合并形成字节，还原获取通信报文m；并对其中的发送端地址和发送端相位的5个字节进行异或运算，如计算结果与报文校验一致，认为接收正确，继续执行s25；否则，返回执行s22；

s25、接收端的载波通信模块在接收到通信报文m的最后一个数据时，处理器模块启动计时模块，记录通信报文接收完成的时刻t1，并开始计时；

s26、接收端的载波通信模块在接收到通信报文m的最后一个数据时，处理器模块同时启动单方向过零检测模块，检测后续最近一次的相位过零时刻，单方向过零检测模块在t2时刻检测到相位过零时，向处理器模块发出过零信号并停止检测；处理器模块从计时模块处获取通信报文接收完成的时刻至后续最近一次的相位过零时刻之间的时间间隔tz＝t2-t1。

所述的s3中，具体包含以下步骤：

s31、接收端的处理器模块计算余数值δt：

δt＝(tz+tm)％t；

s32、相位判决：

当或时，判定接收端所在相线与发送端所在相线的相位相同；

当时，判定接收端所在相线延迟发送端所在相线1个相位；

当时，判定接收端所在相线延迟发送端所在相线2个相位。

所述的s32中，相位判决的具体过程如下所述：忽略模块间的交互时间和电信号的传输时间，可以估算到发送端的通信报文发送时刻t0＝t1-tz-tm，即t1-t0＝tz+tm，取时间段tk＝tz+tm。

假设发送端的相线相位为a相：如果接收端的相线相位同样为a相，那么tk应该为工频交流电周期t的整数倍，即δt＝tk％t≈0；如果接收端的相线相位为b相或c相，那么δt应该分别近似为和刚好是与a相同方向过零的时间差。

由于忽略了模块间的交互时间和电信号的传输时间，并且考虑到还存在计时误差，因此将判决相位的判别点扩大至一个区间范围，即：当或时，判定接收端与发送端同相位；当时，判定接收端延迟发送端1个相位；当时，判定接收端延迟发送端2个相位。

如图4所示，通过一个详细实施例说明本发明的相位识别方法。以发送端位于a相发送通信报文m为例，详细说明整个过程中的相关时序。t0时刻发送端在a相开始发送通信报文m，t0也是a相的一次正向过零时刻。经过tm时间，通信报文m发送完毕。a相的接收端在收到通信报文m最后一个数据后经过tza时间到达下一个过零时刻t1a；b相的接收端在收到通信报文m最后一个数据后经过tzb时间到达下一个过零时刻t1b；c相的接收端在收到通信报文m最后一个数据后经过tzc时间到达下一个过零时刻t1c。

以c相为例，能够得到：tkc＝tzc+tm，可以看到t<tm<tkc<ts。并且，对于a相：δt＝(tza+tm)％t≈0；对于b相：对于c相：

综上所述，本发明所提供的基于载波通信的电力相位识别方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明充分利用了窄带电力载波通信存在的跨相耦合这一特点，仅需在某一已知相位的相线发送含该相位信息的通信报文即可，接收端通过接收到该通信报文的时间差以及发送端的相位信息来识别其所在相线的相位；避免了采用物理层信号识别时干扰较大导致误判的问题，通过采用简单的通信协议来保证通信报文的正确接收，从而提高相位识别的速度和精度。

本发明判别区域宽，对硬件设备的计时精度和计算速度要求低，计时精度达到0.1ms、处理器速度达到1mhz即可，有效降低对硬件设备的要求。

本发明可方便的部署在现有的用电信息采集终端上，实施成本低，不需采用专用的硬件设备；由于采集终端结构简单，发送端可部署到载波集中器或者手持设备上，接收端可直接部署到载波采集器或载波单向智能电表上。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。