基于电流型整流桥和无功功率变化的电力线回路通信方法与流程

1.本发明涉及电力线通信技术领域，尤其涉及一种基于电流型整流桥和无功功率变化的电力线回路通信方法。


背景技术：

2.电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的。它同电力系统的安全稳定控制系统、调度自动化系统被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。它更是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础；是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段；是电力系统的重要基础设施。
3.随着电力线载波通信技术的推进，其低成本、高稳定，经济效益与场景适应力强的特点正愈发彰显。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于电流型整流桥和无功功率变化的电力线回路通信方法，通信过程中，能耗低，不仅可以在电力通信中能够广泛和深入的应用，在特定的场矿，局部通信系统也具有良好的应用前景。
5.为达到上述目的，本发明提供了一种基于电流型整流桥和无功功率变化的电力线回路通信方法，包括：
6.电流型整流桥直流侧维持的电流通过pwm控制后传输到整流桥交流侧，使得整流桥交流侧的无功功率发生变化；
7.基于二进制数字通信码元，调整整流桥开关管的pwm控制信号，使得整流桥交流侧无功功率的变化与二进制数字通信码元变化相同；
8.所述整流桥交流侧在供电线路的远端位置根据无功功率的变化，还原出二进制数字通信码元。
9.进一步地，所述整流桥直流侧，设置续流电感ld与放电电阻r
l
串联，放电电阻r
l
并联放电旁路控制开关；
10.启动通信功能时，接通放电旁路控制开关；关闭通信功能时，通过断开放电旁路控制开关，将续流电感ld的电流经过放电电阻r
l
衰减释放。
11.进一步地，在每个pwm控制的调制周期tm，分别产生以的tm/4为中心宽度为t
mp
的正脉冲和以3tm/4为中心宽度为t
mn
的负脉冲；正脉冲对应通过整流桥开关管直流侧正端接通交流电源的火线，直流侧负端接通交流电源的零线；负脉冲对应通过整流桥开关管直流侧正端接通交流电源的零线，直流侧负端接通交流电源的火线；无正负脉冲时，整流桥开关管直流侧正端和负端短接于交流电源的火线或者零线的一端，续流电感ld中的电流续流；正负脉冲宽度的差，用于为续流电感ld提供维系电流。
12.进一步地，pwm控制过程中设定整流桥交流侧目标电流瞬时值为：
13.14.其中，v
rms
为交流侧电源电压有效值，g
l
(m)为第m个工频周期的等效电抗，对应有功功率消耗，x
l
(m)是第m个工频周期的等效导抗，对应从交流侧吸收的无功功率；
15.在每个调制周期的tm/4、3tm/4时刻，分别获取所述整流桥直流侧电流值i
d1
(k)和i
d2
(k)，计算第k个调制周期δt
′
(k)：
[0016][0017]
当δt
′
(k)≥0时，t
mp
(k)＝tm/2，t
mn
(k)＝max(tm/2-δt(k),0)；
[0018]
当δt
′
(k)《0时，t
mn
(k)＝tm/2，t
mp
(k)＝max(tm/2+δt(k),0)；
[0019]
其中，is((k+0.5)
·
tm)表示第k个调制周期对应的整流桥交流侧目标电流。
[0020]
进一步地，电流型整流桥直流侧维持的电流通过pwm控制，还包括：采用比例积分反馈控制调节第m个工频周期的等效电抗g
l
(m)，以维持续流电感ld中的电流为目标电流id。
[0021]
进一步地，调节第m个工频周期的等效电抗g
l
(m)包括：
[0022]
计算中间参数：
[0023][0024]
其中，id为设定的电感ld中目标电流，t0为工频周期，id(m)为第m个周期起始时刻电感ld的瞬时电流；
[0025]
依据比例积分控制，得到g
l
(m)：
[0026]gl
(m)＝max(min(g
l
(m-1)+(k
p
+ki)d(m)+(k
i-k
p
)d(m-1)，g
lmax
)，g
lmin
)
[0027]
其中，k
p
为等效电抗控制的比例系数，ki为等效电抗控制的积分系数，g
lmax
为g
l
(m)的上限阈值，g
lmin
为g
l
(m)的下限阈值。
[0028]
进一步地，开始通讯后，等待续流电感ld中的电流充电达到目标电流id后，依据通信码元为0时，在对应码元周期时间的n个工频周期内设置等效导抗x
l
(m)为x
l0
，通信码元为1时，在对应码元周期时间的n个工频周期内设置等效导抗x
l
(m)为x
l1
，从而改变本电路吸收的无功功率大小，在整流桥交流侧的供电线路远端位置采集无功功率的变化，还原出二进制数字通信码元。
[0029]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0030]
(1)本发明以单相交流电流型整流桥回路电路为基础，依靠电路中产生变化可控的无功功率电流作为通信信号，通信发射端利用电路中产生的无功功率电流通过算法将二进制数字通信码元对应不同大小的无功功率电流在回路中传导，调制的无功功率电流以电力线为传输介质，通信接收端以检测电路中无功功率为解调方法，将检测到的无功功率解调为接收信息，从而实现电力线回路通信。
[0031]
(2)传输信号的载体是无功功率，本发明对无功损耗进行了控制，使其具有了通信功能，在不增加有功消耗的情况的下，利用回路无功实现电力线通信，较传统电力线回路通信减少了能耗。
[0032]
(3)本发明的通讯方法适用于集中器与电表之间的通讯，电表端通过产生变化可控的无功功率电流作为通信信号，集中器采集无功功率的变化情况，获得通讯信息。
[0033]
(4)本发明的通讯方法不仅可以在电力通信中能够广泛和深入的应用，在特定的场矿，局部通信系统也具有良好的应用前景。
附图说明
[0034]
图1为通信基本原理图；
[0035]
图2为基于pwm电流源型整流桥调制电路模型；
[0036]
图3为电感ld中的电流id充电过程；
[0037]
图4为基于无功控制对pwm电流源型整流器的matlab仿真；
[0038]
图5为pwm电流源型整流器在0.8s增加3var无功的电流和功率输出；
[0039]
图6为基于无功功率变化的通信系统收发系统；
[0040]
图7为仿真结果对应的有功功率、无功功率、通信输入数据和通信输出数据曲线；
[0041]
图8为仿真结果过程交流侧电流、直流侧电流和控制系统测量的整流桥等效电导。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0043]
如图1所示，展示了一种基于电流型整流桥和无功功率变化的电力线回路通信方法的工作原理。该方法以单相交流电流型整流桥回路电路为基础，依靠电路中产生变化可控的无功功率电流作为通信信号，通信发射端利用电路中产生的无功功率电流通过算法将二进制数字通信码元对应不同大小的无功功率电流在回路中传导，调制的无功功率电流以电力线为传输介质，通信接收端以检测电路中无功功率为解调方法，将检测到的无功功率解调为接收信息，从而实现电力线回路通信。
[0044]
如图2为基于pwm电流源型整流桥调制电路模型。单相交流源端和线路等效为电压源vs和线路阻抗rs+jωls。事实上，从电网到配电变压器，再经过配电线路，分支箱，再到负荷端，其等效模型可能非常复杂，也包含各种互感器传入阻抗、线路杂散阻抗，其他分支的负荷阻抗影响，对应该无法预知的阻抗情况，特别是有可能对应不同频率不同特性的阻抗情况，无法用固定的、单一参数进行描述，实际可能是：rs(f)+jxs(f)，如果没有自激振荡，总有rs(f)》0。
[0045]
整理桥接入端的并联阻抗视为电容cf引起，对应阻抗1/(jωcf)。源端并联阻抗的实际值也不是很确定。例如在电力线载波场景下，对应每个hplc的sta模块，220v就并联有4.7nf或10nf的阻抗。同时一个表箱中某一相上多个表，并联电容cf的值就会翻倍。也存在220v上负荷对应的并联阻抗，且可能随频率变化，随周期等效变化。
[0046]
采用基于mos管的全控整流桥。开关控制如下表所示：
[0047]
表1单相pwm电流源型的开关状态和空间电流矢量表
[0048]
[0049]
整理桥单独一个管子导通，不在源端形成电流通路。但s1和s3导通、或s2和s4导通，会将220v电源短路。
[0050]
零开关状态对应两种情况，分别是：s1和s2导通，s3和s4断开；s3和s4导通，s1和s2断开。
[0051]
非零开关状态对应两种情况，分别是：s1和s4导通，s2和s3断开，此时源端电流iw＝id；s3和s4导通，s1和s2断开。
[0052]
由此，如果忽略直流侧电流id的波动，pwm电流源型的整流器产生的特征调制电流仍然是-id、0、id三值。
[0053]
整理桥从一个非零开关状态会先切换到零开关状态，再进入另一个非零开关状态，由此，固定零开关状态选择[34]，以便每次只有一次管子通断变化。
[0054]
整流桥输出先采用电感为ld的续流电感，再串入负荷控制开关sd和电阻r
l
的的并联电路。当负荷控制开关sd导通时，对应负荷电阻为rd＝0；当负荷控制开关sd断开时，对应负荷电阻为rd＝r
l
。
[0055]
负载电路也可以采用限流的mos管电路，将导通电路限制在i
dmax
范围内。
[0056]
上述电路要实现mos管的全控整流桥在非零开关状态下，接入峰值为311v的电压下，在调制周期一半时间内电流增长不超过10ma，假设调制频率833.3hz，调制周期为1.2ms，则：
[0057][0058]
本发明的通讯流程方法，包括：
[0059]
(1)整流桥直流侧产生的无功功率电流传输到整流桥交流侧，使得整流桥交流侧的无功功率发生变化。
[0060]
所述整流桥直流侧，设置续流电感ld与负载r
l
串联，负载r
l
并联负荷控制开关；需要通信时，接通放电旁路控制开关；关闭通信功能时，通过断开放电旁路控制开关，将续流电感ld的电流经过放电电阻r
l
衰减释放。。
[0061]
(2)基于二进制数字通信码元，调整整流桥mos管的pwm控制信号，使得整流桥交流侧无功功率的变化与二进制数字通信码元变化相同。例如，整流桥交流侧无功功率没有发生变化或变化比例没有超过阈值对应“0”，变化比例超过阈值对应“1”。
[0062]
进一步地，在每个pwm控制的调制周期tm，分别产生以的tm/4为中心宽度为t
mp
的正脉冲和以3tm/4为中心宽度为t
mn
的负脉冲；正脉冲对应通过整流桥开关管直流侧正端接通交流电源的火线，直流侧负端接通交流电源的零线；负脉冲对应通过整流桥开关管直流侧正端接通交流电源的零线，直流侧负端接通交流电源的火线；无正负脉冲时，整流桥开关管直流侧正端和负端短接于交流电源的火线或者零线的一端，续流电感ld中的电流续流；正负脉冲宽度的差，用于为续流电感ld提供维系电流。
[0063]
进一步地，pwm控制过程中设定整流桥交流侧目标电流瞬时值为：
[0064][0065]
其中，v
rms
为交流侧电源电压有效值，g
l
(m)为第m个工频周期的等效电抗，对应有功功率消耗，g
l
(m)越大则吸收有功越大，续流电感ld的电流id增加，x
l
(m)是第m个工频周期的等效导抗，对应从交流侧吸收的无功功率。
[0066]
在每个调制周期的tm/4、3tm/4时刻，分别获取所述整流桥直流侧电流值i
d1
(k)和i
d2
(k)，计算第k个调制周期δt
′
(k)：
[0067][0068]
当δt
′
(k)≥0时，t
mp
(k)＝tm/2，t
mn
(k)＝max(tm/2-δt(k),0)；
[0069]
当δt
′
(k)《0时，t
mn
(k)＝tm/2，t
mp
(k)＝max(tm/2+δt(k),0)；
[0070]
其中，is((k+0.5)
·
tm)表示第k个调制周期采集的整流桥交流侧单向交流电源电流。
[0071]
(3)所述整流桥交流侧根据无功功率的变化，还原出二进制数字通信码元。
[0072]
开始通讯后，等待续流电感ld中的电流充电达到目标电流id后，依据通信码元为0时，在对应码元周期时间的n个工频周期内设置等效导抗x
l
(m)为x
l0
，通信码元为1时，在对应码元周期时间的n个工频周期内设置等效导抗x
l
(m)为x
l1
，从而改变本电路吸收的无功功率大小，在整流桥交流侧的供电线路远端位置采集无功功率的变化，还原出二进制数字通信码元。
[0073]
进一步地，控制电流id包括：
[0074]
为了获得较大的调制电流，在每个调制周期中，以tm/4为中心产生宽度为t
wp
正脉冲，以3tm/4为中心产生宽度为t
wn
负脉冲。正负脉冲宽度的差，用于给电感ld提供维系电流，使得电流均值为id。当需要id增加时，如果单相交流电源电压为正，则t
wp
》t
wn
，可以取t
wp
最大为tm/2，要最大量增加续流电流id时取t
wn
＝0；如果单相交流电源电压为负，则t
wp
《t
wn
，可以取t
wn
最大为tm/2，要最大量增加续流电流id时取t
wp
＝0。
[0075]
能量损耗包括：全控整流桥的mos管开关损耗；电感中电阻损耗、磁损耗；负载rd的损耗。由此，如果电感ld中的电流id趋于设定的电流均值id为控制目标，采用pi控制策略的控制方式为：
[0076]
在每个调制周期的tm/4、3tm/4时刻，获取两次直流侧的电流值i
d1
(k)和i
d2
(k)。
[0077]
δi(k)＝(i
d1
(k)+i
d2
(k))/2-id[0078]ip
(k)＝k
p
·
δi(k)
[0079]ii
(k)＝ki·
δi(k)+ii(k-1)
[0080]
其中，k
p
为等效电抗控制的比例系数，ki为等效电抗控制的积分系数。当2|vs(k)|《|vs(k-1)|(该条件含盖|vs(k)|《|vs(k-1)|)，则取t
mp
(k)＝t
mn
(k)＝0；否则，计算
[0081][0082]
当vs(t)》0，δt(k)≥0时，t
mn
(k)＝tm/2，t
mp
(k)＝max(tm/2-δt(k),0)；
[0083]
当vs(t)》0，δt(k)《0时，t
mp
(k)＝tm/2，t
mn
(k)＝max(tm/2+δt(k),0)；
[0084]
当vs(t)《0，δt(k)≥0时，t
mp
(k)＝tm/2，t
mn
(k)＝max(tm/2-δt(k),0)；
[0085]
当vs(t)《0，δt(k)《0时，t
mn
(k)＝tm/2，t
mp
(k)＝max(tm/2+δt(k),0)；
[0086]
进一步地，为了实现软启动，需要进行如下控制：
[0087]
关于电感ld中电流最大调整值，如果忽略其他损耗，电流平均调整率的计算如下：
[0088][0089]
按照当前仿真参数，交流侧电源电压有效值v
rms
＝220v，ld＝20h，上式计算结果为d
id
＝4.95a
·
s，一个周期的电流变化为δ
id
＝0.099a，图3是仿真电流id上升过程，数据基本吻合。数据差异对应：仿真误差、脉宽控制对应有开关保护时间和过零不发脉冲的处理。
[0090]
上述充电，没有考虑充电电流的谐波、功率因数问题。假设充电过程等效的电导为g
max
，且经过m
chg
个周期后电感ld的电流充电到id，m
chg
应该满足：
[0091][0092]
当id＝0.2a，t0＝0.02s时，有m
chg
》2.02。
[0093]
按照充电后能量守恒进行计算，电感能量为：
[0094][0095]
由此：
[0096][0097]
当m
chg
＝6时，g
lmax
＝6.887
×
10-5
。
[0098]
如果设定本装置的充电等效电导g
chg
为控制目标，每个周期调整一次输出控制参数g
chg
(m)，并且假设系统损耗为电导g
loss
，本装置整体电导为g
l
(m)＝g
loss
+g
chg
(m)。维持电感ld中的电流，则g
chg
(m)趋于0，g
l
(m)趋于g
loss
。对应一个周期前后ld中电流和则g
loss
的估算公式为：
[0099][0100]
其中，m为周期计数。由于上式中电感量ld、电源电压v
rms
存在误差，依据电导参数设置pwm调制输出的反馈控制。当系统收敛时，电流趋于设置值id，于是有和上式近似为：
[0101][0102]
如果损耗主要是直流回路电阻rd引起，则有：
[0103][0104]
由g
loss
《g
lmax
，v
rms
＝220v，id＝0.05a，可得rd《1333ω。
[0105]
由g
loss
《g
lmax
，v
rms
＝220v，id＝0.2a，可得rd《83.33ω。
[0106]
基于电导的控制可以实现软起动，并进一步实现功率因数控制。
[0107]
基于电导的控制通过交流侧瞬时电流波形控制，可以实现功率因数控制。每个周期t0调节一次控制电导g
l
(m)；再由同步的工频电压获得目标的交流侧电流瞬时值：
[0108][0109]
其中符号前的部分对应有功，控制电感ld充放电；x
l
(m)对应无功功率的导抗，可以依据需要设定。假设x
l
(m)为0，单就g
l
(m)的控制，进行比例积分调控。计算中间参数：
[0110][0111]
其中，id为设定的电感ld中目标电流。进一步进行比例积分控制，得到g
l
(m)：
[0112]gl
(m)＝max(min(g
l
(m-1)+(k
p
+ki)d(m)+(k
i-k
p
)d(m-1)，g
lmax
)，g
lmin
)
[0113]
其中，取g
lmin
＝-g
lmax
/10。其中，k
p
为等效电抗控制的比例系数，ki为等效电抗控制的积分系数，g
lmax
为g
l
(m)的上限阈值，g
lmin
为g
l
(m)的下限阈值。
[0114]
基于调整pwm脉冲宽度，具体控制方式为：在每个调制周期的tm/4、3tm/4时刻，获取两次直流侧的电流值i
d1
(k)和i
d2
(k)。每个脉宽调制周期tm中，计算：
[0115][0116]
当δt
′
(k)≥0时，t
mp
(k)＝tm/2，t
mn
(k)＝max(tm/2-δt(k),0)；
[0117]
当δt
′
(k)《0时，t
mn
(k)＝tm/2，t
mp
(k)＝max(tm/2+δt(k),0)；
[0118]
3)、无功控制
[0119]
进一步可以由本整流器输出一定的无功功率，以实现功率因数调控。pwm的最大峰值电流，约为0.5*id，即0.1a。于是，无功功率最大为依据设定无功qc，获得无功部分导抗x
l
：
[0120][0121]
于是，目标的交流侧电流瞬时值：
[0122][0123]
基于is(t)调整pwm脉冲宽度，具体控制方式为：在每个调制周期的tm/4、3tm/4时刻，获取两次直流侧的电流值i
d1
(k)和i
d2
(k)。每个脉宽调制周期tm中，计算：
[0124][0125]
当δt(k)≥0时，t
mp
(k)＝tm/2，t
mn
(k)＝max(tm/2-δt(k),0)；
[0126]
当δt(k)《0时，t
mn
(k)＝tm/2，t
mp
(k)＝max(tm/2+δt(k),0)；
[0127]
如图4，为基于无功控制对pwm电流源型整流器的matlab仿真
[0128]
图4设置fun_currentmod_addpq_pwm第2个输入为无功设置，即3var，并设置在
0.2s锁相稳定后，才启动gl的调控；在0.8s电感ld电流稳定后，启动无功功率调控。
[0129]
如图5，为pwm电流源型整流器在0.8s增加3var无功的电流和功率输出
[0130]
本发明在以上理论基础上采用基于mos管的全控整流桥，整流桥直流侧输出采用续流电感，再串入负荷控制开关和电阻并联电路。根据pwm电流源型整流器的基本特征，整流桥可输出一定的无功功率，以实现功率因数调控。依据设定无功，获得无功部分导抗，可得目标的交流侧电流瞬时值，基于该交流测瞬时值调整pwm脉冲宽度。其matlab仿真电路如图6所示，其描述了基于以上理论搭建的仿真通信模型，其具体实施参数可参照图中所给的具体参数进行搭建验证。
[0131]
将整流桥直流侧续流电感产生的无功功率转换成可控无功功率信号的算法是将脉宽调制频率、码元对应的设定转换比率的无功功率、交流侧电压瞬时相位测量值、交流侧电压有效值共同作为输入，获得等效导抗；同时依据续流电感电流的反馈控制逻辑，获得等效电导；依据等效电导、等效导抗，计算出交流侧等效电流瞬时值；在每个调制周期，依据交流侧等效电流瞬时值，等比例转化为以调制周期1/4为中心的正向电流脉冲宽度和以调制周期3/4时刻为中心的反向电流脉冲宽度，由此作为控制全控整流桥每个mos管的pwm控制信号；在该信号的控制下使全控整流桥直流侧续流电感保持设定的电流，并在交流侧产生所需的无功功率电流。如图7所示，展示基于以上理论搭建的仿真通信系统输入及输出波形。
[0132]
通信数据流以每0.1s一个比特输入上图的通信系统，对应比特0，则无功功率输入控制为0var；对应比特1，则无功功率输入控制为5var。在终端和分支箱的无功检测电路，测量延时小于2个周波，即0.04s，检测无功功率变化，每0.1s超出前0.1s如果有2.5var的增大，则输出1；每0.1s超出前0.1s如果有超过2.5var的缩小，则输出0；否则，输出数据保持不变。
[0133]
如图7所示，由于cs本身具有-3.0var的无功，所以仿真系统随通信输入数据0和1无功输出-3var和2var。过程交流侧电流、直流侧电流和控制系统测量的整流桥等效电导如图8所示。
[0134]
综上所述，本发明提供了一种基于电流型整流桥和无功功率变化的电力线回路通信方法。该方法以单相交流电流型整流桥回路电路为基础，依靠电路中产生变化可控的无功功率电流作为通信信号，通信发射端利用电路中产生的无功功率电流通过算法将二进制数字通信码元对应不同大小的无功功率电流在回路中传导，调制的无功功率电流以电力线为传输介质，通信接收端以检测电路中无功功率为解调方法，将检测到的无功功率解调为接收信息，从而实现电力线回路通信。
[0135]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。