電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電力電子設(shè)備通信【技術(shù)領(lǐng)域】，提供了一種電力系統(tǒng)中功率與信號復(fù)合通信的方法及裝置，該方法包括以下步驟：參考FSK調(diào)制方式對信源信號進(jìn)行調(diào)制，利用PWM調(diào)制技術(shù)將所述信源信號與功率復(fù)合調(diào)制后生成PWM調(diào)制信號，所述PWM調(diào)制信號以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸，所述數(shù)據(jù)幀中包含有發(fā)送方地址、目的地址和數(shù)據(jù)信息；采樣直流母線電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給陣列通信終端的信源信號；采樣斬波功率回路的電容支路電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給斬波單元的信源信號。本發(fā)明，利用PWM調(diào)制方式產(chǎn)生的PWM脈沖信號作為信源信號與功率復(fù)合傳輸?shù)妮d體，通過檢測線路中的電流信號進(jìn)行解調(diào)，還原得到相應(yīng)的信源信號，較好地實現(xiàn)了功率與信號復(fù)合傳輸。
【專利說明】電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子設(shè)備通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]電力電子設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各級電力系統(tǒng)，例如有源濾波器、無功補償設(shè)備、功率變換器等。其中，功率變換器用于調(diào)節(jié)不同的負(fù)載處于額定功率運行，同時不受電網(wǎng)波動的影響。對于功率變換器而言，其基本的控制技術(shù)為脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse WidthModulat1n-PWM)，調(diào)制產(chǎn)生的脈沖序列通過控制功率變換器中的開關(guān)管的通斷進(jìn)而控制輸出功率。
[0003]功率變換器的協(xié)調(diào)運行，需要可靠的信息通信作保證。根據(jù)通信線路是否與功率線路復(fù)合，可分為專用通信和復(fù)合通信兩種。
[0004]專用通信是指在功率變換器運行時，信息通信采用專門設(shè)計的通信線路。根據(jù)通信介質(zhì)的不同，專用通信又可進(jìn)一步分為有線通信和無線通信兩種，有線通信一般包括CAN總線通信、串行通訊和以太網(wǎng)通信等，而無線通信主要指ZigBee通信、藍(lán)牙(Bluetooth)通信和無線以太網(wǎng)通信等。
[0005]復(fù)合通信是指在功率變換器運行時，其功率傳輸與信息傳輸基于同一信道完成，在信息通信的同時能實現(xiàn)功率控制。根據(jù)通信方式的不同，又可進(jìn)一步將復(fù)合通信分為以下三種:
[0006](I)簡單復(fù)合傳輸。
[0007]該方式中，信息通信僅依賴于交、直流電力線路某些參數(shù)的變化實現(xiàn)，如電壓幅值波動、頻率或相位偏移，有功功率或無功功率的波動等，依據(jù)對這些載體主動實施擾動，從而間接實現(xiàn)通信的目的，如微網(wǎng)的下垂控制。簡單復(fù)合通信，由于表達(dá)信息的過程不可靠，所表達(dá)的信息比較有限，因此只能實現(xiàn)簡單的通信聯(lián)絡(luò)功能，不適合作為各功率變換器之間可靠的通信方式。
[0008](2)時分復(fù)合傳輸。
[0009]該方式將傳輸信道按時間分割為不同時段，功率傳送與信號傳送占據(jù)不同的時間區(qū)段。該方式以通信為主體，功率在傳輸過程中不易控制。時分復(fù)用傳輸?shù)耐ㄐ殴δ芎凸β士刂茖嶋H上是互斥的，在供電時無法通信，在通信時功率可控性又很差。
[0010](3)頻分復(fù)合傳輸。
[0011 ] 該方式中，功率傳輸功能和信號傳輸功能是同時進(jìn)行的，不同信號占據(jù)不同的頻段范圍，經(jīng)調(diào)制后隨功率一同傳送出去。電力線載波通信(Power LineCommunicat1n-PLC)技術(shù)是其中一種主要的實現(xiàn)方式。
[0012]目前PLC技術(shù)在電力系統(tǒng)通信中有著廣泛應(yīng)用，其利用電力線路作為信息傳輸?shù)拿浇?，將語音或數(shù)據(jù)信息調(diào)制到線路中，隨功率信號一同進(jìn)行傳輸。
[0013]中國發(fā)明CN102624427A公開了一種能量與信息的同步傳輸系統(tǒng)(專利申請?zhí)?201210055396.0)，在無需額外調(diào)制電路的前提下實現(xiàn)了能量與信息的同步傳輸，減小了系統(tǒng)的體積及相應(yīng)元器件的使用，不需要額外的連接線，且通信信道的特性也可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計。
[0014]中國發(fā)明CN103368609A公開了一種基于f禹合電感的功率信號復(fù)合傳輸系統(tǒng)(專利申請?zhí)?01310251539.X)，充分利用開關(guān)電源自身的特性，將DC-DC變換器在開關(guān)動作過程中存在的紋波作為通信載波，通過在變換器中加入耦合電感，將DC-DC變換器中固有的儲能電感上的穩(wěn)定的開關(guān)紋波信號耦合至電路的輸入端或輸出端，從而傳送至公共直流總線上，不受DC-DC拓?fù)湫问较拗?，可以在不額外增加通信線路和調(diào)制電路的前提下，通過耦合的方式將穩(wěn)定的開關(guān)信號送至直流總線，從而實現(xiàn)功率信號的復(fù)合傳輸，使變換器實現(xiàn)共享輸入或輸出直流總線的數(shù)據(jù)通信。
[0015]但是，上述兩個專利申請中，在功率變換器能量傳輸時，固定開關(guān)頻率而調(diào)節(jié)開關(guān)控制信號的占空比；而在進(jìn)行通信時，固定占空比而調(diào)整開關(guān)頻率。這種控制方式不能較好地實現(xiàn)功率與信號復(fù)合傳輸?shù)哪康模煌瑫r，這兩種方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均基于多功率變換器并接于同一直流母線這一拓?fù)洌瑱z測信息通信的信號為直流母線電壓，因此對于光伏陣列這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，各組串內(nèi)的光伏組件之間是串聯(lián)在一起的，故無法通過檢測電壓信號進(jìn)行通信；并且當(dāng)直流母線并聯(lián)電容值較大時，電壓信號微弱，也不易檢測到通信信號。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016](一)要解決的技術(shù)問題
[0017]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是解決在多組串并聯(lián)的級聯(lián)型陣列電力系統(tǒng)中，功率變換器間不能較好地實現(xiàn)功率與通信信號復(fù)合通信的問題。
[0018](二)技術(shù)方案
[0019]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，所述電力系統(tǒng)包括并聯(lián)在直流母線上的多個組串，每個所述組串由多個斬波單元串聯(lián)而成，所述直流母線上掛接有陣列通信終端，所述方法包括以下步驟:
[0020]參考FSK調(diào)制方式對信源信號進(jìn)行調(diào)制，利用PWM調(diào)制技術(shù)將所述信源信號與功率復(fù)合調(diào)制后生成PWM調(diào)制信號，所述PWM調(diào)制信號以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸，所述數(shù)據(jù)幀中包含有發(fā)送方地址、目的地址和數(shù)據(jù)信息；
[0021]采樣電力系統(tǒng)的直流母線電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給電力系統(tǒng)的陣列通信終端的信源信號；采樣電力系統(tǒng)中相應(yīng)斬波單元的斬波功率回路的電容支路電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給相應(yīng)斬波單元的信源信號。
[0022]優(yōu)選的，以不同高次開關(guān)頻率表示發(fā)送信源信號的碼元和沒有信源信號發(fā)送，對信源信號進(jìn)行調(diào)制。
[0023]優(yōu)選的，電力系統(tǒng)中陣列通信終端與各斬波單元之間采用單向直接通信模式，該模式下，電力系統(tǒng)中同一組串內(nèi)的斬波單元隨機向陣列通信終端上傳數(shù)據(jù)幀，陣列通信終端根據(jù)數(shù)據(jù)幀內(nèi)的發(fā)送方地址判定所述數(shù)據(jù)幀的來源。
[0024]優(yōu)選的，當(dāng)電力系統(tǒng)中同一組串內(nèi)的多個斬波單元通信出現(xiàn)沖突時，經(jīng)過沖突解決機制確定通信權(quán)，獲得通信權(quán)的斬波單元才能繼續(xù)向所述陣列通信終端發(fā)送數(shù)據(jù)幀，其他斬波單元退出發(fā)送狀態(tài)等待下次通信，且不同組串在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，其信源信號通過采用不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制以示區(qū)別。
[0025]優(yōu)選的，電力系統(tǒng)中陣列通信終端與各斬波單元之間采用雙向直接通信模式，該模式下，在每個組串內(nèi)選擇某一斬波單元作為本組串的主單元，并在陣列通信終端與該主單元之間加設(shè)專用通信線路，陣列通信終端先將數(shù)據(jù)信息經(jīng)專用通信線路下發(fā)至所述主單元，再由所述主單元與本組串內(nèi)的其它斬波單元利用復(fù)合傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)陣列通信終端與各斬波單元之間的透明數(shù)據(jù)傳輸。
[0026]優(yōu)選的，電力系統(tǒng)中陣列通信終端與各斬波單元之間采用雙向間接通信模式，該模式下，在每個組串內(nèi)選擇某一斬波單元作為本組串的主單元，所述主單元先與組串內(nèi)的其他斬波單元通信，將數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)信息集中起來，再統(tǒng)一發(fā)送給陣列通信終端，相當(dāng)于陣列通信終端與各斬波單元進(jìn)行非透明數(shù)據(jù)傳輸。
[0027]優(yōu)選的，實現(xiàn)同一組串內(nèi)主單元與其余斬波單元通信的方法如下:
[0028]每一個組串內(nèi)的主單元及各斬波單元均事先確定好一個單元地址，所有的單元地址以地址表的形式順序存放在陣列通信終端以及主單元內(nèi)；
[0029]按照地址表中的地址順序，主單元依次發(fā)送數(shù)據(jù)請求幀給各個斬波單元，相應(yīng)地，各斬波單元分別回送應(yīng)答幀給主單元，主單元成功接收后，表明此斬波單元已成功接入組串并且通信狀態(tài)良好，故在主單元以及陣列通信終端的地址表內(nèi)均給此地址標(biāo)記為正常；若經(jīng)過數(shù)次請求之后主單元仍沒收到此斬波單元的反饋信息，則表明此斬波單元沒有接入到組串內(nèi)或通信出現(xiàn)故障，相應(yīng)地，在在主單元以及陣列通信終端的地址表內(nèi)均給此地址標(biāo)記為不正常，以此方式確定所有組串內(nèi)的各個斬波單元的運行狀態(tài)是否正常；
[0030]地址標(biāo)記完成后，主單元按地址表中狀態(tài)正常的地址順序，依次與相應(yīng)的斬波單元進(jìn)行通信，所述斬波單元向所述主單元發(fā)送數(shù)據(jù)幀，此數(shù)據(jù)幀內(nèi)的發(fā)送方地址即是發(fā)送信息的斬波單元地址，目的地址即是此組串內(nèi)的主單元地址，數(shù)據(jù)信息為斬波單元的信源信號數(shù)據(jù)，通信成功后，所述主單元根據(jù)所述數(shù)據(jù)幀中發(fā)送消息的斬波單元地址，在所述地址表內(nèi)記錄此斬波單元已完成一次通信；當(dāng)所述組串內(nèi)的所有狀態(tài)正常地址對應(yīng)的斬波單元均與所述主單元通信完成后，由主單元整合再送入陣列通信終端；
[0031]當(dāng)某一組串內(nèi)有斬波單元檢修完成,或有斬波單元需要接入到組串時，首先在陣列通信終端內(nèi)此組串的地址表中將此斬波單元地址標(biāo)記為正常狀態(tài)，再將此信息發(fā)送給對應(yīng)組串的主單元，主單元接受信息后再修改自己內(nèi)部的地址表，標(biāo)記此斬波單元地址為正常狀態(tài)。
[0032]優(yōu)選的，所述主單元與所述陣列通信終端進(jìn)行通信的方法如下:
[0033]當(dāng)主單元與組串內(nèi)其余斬波單元通信完成后，主單元將各個斬波單元的信息重新整合為數(shù)據(jù)幀發(fā)送到陣列通信終端，其中:所述數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送方地址為主單元地址，目的地址為陣列通信終端地址，數(shù)據(jù)信息為包含此組串內(nèi)其余斬波單元的地址信息以及每個相應(yīng)斬波單元發(fā)送給主單元的信源信號數(shù)據(jù)信息。
[0034]優(yōu)選的，確定一個數(shù)據(jù)幀中信源信號的起始碼元和后續(xù)碼元的方法如下:
[0035]采用滑窗傅里葉變換算法確定信源信號的起始碼元，具體作法是:所述滑窗算法以一個碼兀長度作為窗體長度，窗體內(nèi)有N個米樣點，窗體每次滑動一個米樣點并對窗體內(nèi)的N個采樣點進(jìn)行傅里葉變換，分別提取出窗體內(nèi)所含第一開關(guān)頻率I1和第二開關(guān)頻率f-o分量的幅值Kid1)和m(f_Q)；
[0036]以所述第一開關(guān)頻率分量和第二開關(guān)頻率分量的幅值m(JL1)和m(JLci)序列作為數(shù)據(jù)源，再次進(jìn)行滑窗處理，同樣以一個碼元長度作為窗體長度，每次滑動I個數(shù)據(jù)點并分別對窗體內(nèi)的兩個頻率分量幅值序列積分，得到單次滑窗處理的頻率分量f-o和h對應(yīng)能量值 M(f_0)和 M(L1)；
[0037]分別設(shè)定第一、第二開關(guān)頻率分量的幅值閾值IV K1和能量值閾值V、K1'；
[0038]根據(jù)Hi(G)Xtl或M(G)Xc;成立判定當(dāng)前窗體內(nèi)采樣點對應(yīng)碼元為信源信號的起始碼元，且碼值為“O”;根據(jù)Hi(G) >Ki或M(G)X1'成立判定當(dāng)前窗體內(nèi)采樣點對應(yīng)碼元為信源信號的起始碼元，且碼值為“I”;其中=Ktl = ^Idc07K1 = Ic1Idc^lvk1分別為幅值閾值系數(shù)土’ = k0' Idc0, K1' = k/ Idc0, k0' , k/分別為能量值閾值系數(shù)；Idc;(l為直流母線電流Itk的基波分量幅值大?。?br> [0039]在確定信源信號的起始碼元之后，保持一個碼元長度作為窗體長度不變，改變滑窗傅里葉變換算法的滑窗長度為N，即每次滑動N個采樣點，繼續(xù)采用滑窗傅里葉變換算法完成信源信號的后續(xù)碼元的檢出，直至完成全部采樣點；
[0040]當(dāng)滿足Kc^M(G)且Mt1XK1'時，將信源信號的后續(xù)碼元解調(diào)為“O”；當(dāng)滿足K1' <Μ(^)且〈V時，將信源信號的后續(xù)碼元解調(diào)為“I”;其他情況下，解調(diào)結(jié)果為“無碼元”。
[0041]本發(fā)明還提供一種電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的裝置，所述電力系統(tǒng)包括并聯(lián)在直流母線上的多個組串，每個所述組串由多個斬波單元串聯(lián)而成，所述直流母線上掛接有陣列通信終端，
[0042]所述斬波單元上設(shè)有信號調(diào)制單元，所述信號調(diào)制單元參考FSK調(diào)制方式對信源信號進(jìn)行調(diào)制，利用PWM調(diào)制技術(shù)將所述信源信號與功率復(fù)合調(diào)制后生成PWM調(diào)制信號，所述PWM調(diào)制信號以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸，所述數(shù)據(jù)幀中包含有發(fā)送方地址、目的地址和數(shù)據(jù)信息；
[0043]所述斬波單元上設(shè)有信號解調(diào)單元，所述信號解調(diào)單元采樣斬波功率回路的電容支路電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給所述斬波單元的信源信號；所述陣列通信終端上的解調(diào)單元采樣直流母線電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給所述陣列通信終端的信源信號。
[0044]本發(fā)明提供的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，利用PWM調(diào)制方式產(chǎn)生的PWM脈沖信號作為信源信號與功率復(fù)合傳輸?shù)妮d體，通過檢測線路中的電流信號進(jìn)行解調(diào)，還原得到相應(yīng)的信源信號，較好地實現(xiàn)了功率與信號復(fù)合傳輸。
[0045]另外，在既定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下設(shè)計相應(yīng)通信機制，可以實現(xiàn)組串內(nèi)斬波單元與陣列通信終端之間的相互通信。當(dāng)陣列通信終端與組串主單元之間沒有專用通信線路時，組串內(nèi)斬波單元與陣列通信終端間可進(jìn)行單向直接通信；當(dāng)二者之間加設(shè)專用通信線路后，陣列通信終端具有下發(fā)數(shù)據(jù)的能力，此時可實現(xiàn)組串內(nèi)斬波單元與陣列通信終端間的雙向直接通信以及雙向間接通信，并最終實現(xiàn)陣列系統(tǒng)級的雙向通信功能。
[0046](三)有益效果
[0047]本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點:
[0048](I)在多組串并聯(lián)的光伏陣列系統(tǒng)以及分布式儲能系統(tǒng)等電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，可在不單獨加設(shè)通信線路的前提下，實現(xiàn)組串內(nèi)各串聯(lián)斬波單元之間的通信以及斬波單元與上層的雙向通信功能。
[0049](2)可以避免直流母線電容對電壓信號的高頻濾波作用，信源信號的檢測和解調(diào)方便。
[0050](3)在通信的同時不犧牲功率控制，使得功率控制與通信過程同時進(jìn)行。
[0051](4)實現(xiàn)方式簡單，成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0052]圖1是【具體實施方式】中應(yīng)用本發(fā)明中功率與信號復(fù)合通信的裝置的電力系統(tǒng)示意圖；
[0053]圖2是【具體實施方式】中所述斬波單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖3是【具體實施方式】中所述斬波功率回路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055]圖4是【具體實施方式】中所述監(jiān)控單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖5是【具體實施方式】中所述信源信號調(diào)制的實現(xiàn)原理示意圖；
[0057]圖6是【具體實施方式】中所述信號解調(diào)單元的解調(diào)過程原理示意圖；
[0058]圖中:
[0059]斬波單元20、直流母線30、陣列通信終端40、信號調(diào)制單元11、信號解調(diào)單元12、能源單元21、斬波功率回路22、監(jiān)控單元23。

【具體實施方式】
[0060]本發(fā)明提供的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，屬于頻分復(fù)合傳輸?shù)囊环N形式，主要應(yīng)用于多組串并聯(lián)的級聯(lián)型陣列電力系統(tǒng)(如光伏陣列發(fā)電系統(tǒng))。參考FSK調(diào)制方式對信源信號進(jìn)行調(diào)制，即以不同的高次開關(guān)頻率表示發(fā)送信源信號的碼元“ I ”、“O”和沒有信源信號發(fā)送的“無碼元”情況，利用PWM調(diào)制方式將信源信號與功率復(fù)合調(diào)制后生成PWM調(diào)制信號，再通過對斬波單元的電容支路電流以及直流母線上的電流進(jìn)行采樣，從采樣結(jié)果中解調(diào)還原得到相應(yīng)的信源信號，最終實現(xiàn)斬波單元與陣列通信終端之間的通信。
[0061]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0062]如圖1所示，應(yīng)用了本發(fā)明提供的功率與通信信號復(fù)合通信裝置的電力系統(tǒng)中，多個斬波單元20串聯(lián)后形成組串(每個組串具有多個斬波單元20)，多個組串并聯(lián)于直流母線30后經(jīng)直流電容Cl穩(wěn)壓，再經(jīng)DC/AC逆變器輸出并送入交流電網(wǎng)，直流母線30上掛接有陣列通信終端40。
[0063]圖1中，共設(shè)有m個組串，如組串1、組串2、......、組串m。每個組串具有η個斬波單元，如斬波單元la、斬波單元lb、......、斬波單元In ;斬波單元2a、斬波單元2b......、斬波單元2n ;斬波單元ma、斬波單元mb、......、斬波單元mn。
[0064]斬波單元20的結(jié)構(gòu)如圖2所示，斬波單元20包括能源單元21、斬波功率回路22和監(jiān)控單元23，其中能源單元21可以是蓄電池或光伏電池等設(shè)備。
[0065]斬波功率回路的結(jié)構(gòu)如圖3所示，斬波功率回路可采用“H”橋結(jié)構(gòu)，通過驅(qū)動信號控制四個開關(guān)管的通斷即可實現(xiàn)Buck或Boost斬波電路的靈活切換。
[0066]監(jiān)控單元的結(jié)構(gòu)如圖4所示，監(jiān)控單元包括信號調(diào)制(控制)單元11和信號解調(diào)(監(jiān)視)單元12。信號調(diào)制單元11同時將斬波功率回路的功率控制與信源信號調(diào)制結(jié)合起來，其中功率控制通過控制目標(biāo)的給定值與反饋值之差，經(jīng)調(diào)節(jié)器(如PI調(diào)節(jié)器)調(diào)節(jié)后得到一個占空比值來實現(xiàn)，產(chǎn)生占空比與信源信號作用于PWM發(fā)生器，最終將PWM發(fā)生器產(chǎn)生的功率與通信信號復(fù)合調(diào)制后的驅(qū)動信號送入斬波功率回路控制開關(guān)管。信號解調(diào)單元12用于對采樣的電流信號進(jìn)行解調(diào)，以還原得到相應(yīng)的信源信號。
[0067]相應(yīng)地，陣列通信終端40上也設(shè)有信號解調(diào)單元，從而能夠解調(diào)出斬波單元20發(fā)送給陣列通信終端40的信息，斬波單元20與陣列通信終端40之間的通信可分為雙向通信和單向直接通信兩種方式；雙向通信又可分為雙向直接通信和雙向間接通信兩種方式。通信機制將在以后的部分進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0068]信號調(diào)制單元采用基于PWM的FSK調(diào)制方法，將用于斬波單元20之間以及斬波單元20與陣列通信終端40之間進(jìn)行通信的信源信號與功率傳輸進(jìn)行復(fù)合調(diào)制生成脈寬調(diào)制信號(以下簡稱調(diào)制信號)。其中，信源信號為以碼元“I”和“O”表示的二進(jìn)制序列，調(diào)制信號為與碼元序列一一對應(yīng)的頻率變化的脈寬調(diào)制信號，利用基于PWM調(diào)制的頻移鍵控調(diào)制方式獲得。調(diào)制信號通過控制斬波單元的開關(guān)器件，進(jìn)而使得功率變換器的輸出電流信號中攜帶有表征信源信號的高頻分量，采樣線路中的電流信號即可進(jìn)行解調(diào)。
[0069]信號解調(diào)單元用于對直流母線上的電流以及斬波功率回路的電容支路電流進(jìn)行采樣，并從采樣結(jié)果中進(jìn)行解調(diào)以還原得到信源信號。
[0070]下面再進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的實現(xiàn)方法，本發(fā)明提供的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，包括以下步驟:
[0071]利用基于PWM的FSK調(diào)制方式對信源信號進(jìn)行調(diào)制，以不同高次開關(guān)頻率表示發(fā)送信源信號的碼元“1”、“0”和沒有信源信號發(fā)送的“無碼元”情況，利用PWM調(diào)制技術(shù)將功率與通信信號進(jìn)行復(fù)合調(diào)制生成調(diào)制信號，并以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸，所述數(shù)據(jù)幀包含有發(fā)送方地址、目的地址和數(shù)據(jù)信息；
[0072]采樣電力系統(tǒng)的直流母線電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給電力系統(tǒng)的陣列通信終端的信源信號；采樣電力系統(tǒng)中相應(yīng)斬波單元的斬波功率回路的電容支路電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給相應(yīng)斬波單元的信源信號。
[0073]具體地說:本發(fā)明方法的實現(xiàn)主要包括以下幾個過程。
[0074](I)信源信號的調(diào)制。
[0075]將脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于信源信號的調(diào)制是實現(xiàn)本發(fā)明功率和通信信號復(fù)合傳輸?shù)年P(guān)鍵。
[0076]信源信號是由碼元“I”和“O”構(gòu)成的二進(jìn)制序列，由于信源信號的調(diào)制參考頻移鍵控(FSK)的調(diào)制方式，因此選取第一、第二和第三個不同開關(guān)頻率值分別表示發(fā)送信源信號的碼元“ I ”、“O”和不發(fā)送信源信號的“無碼元”情況。當(dāng)某一組串內(nèi)的斬波單元之間以及此組串內(nèi)的斬波單元與陣列通信終端之間進(jìn)行通信時，均是第一開關(guān)頻率h對應(yīng)發(fā)送碼元“I”、第二開關(guān)頻率h對應(yīng)發(fā)送碼元“0”，第三開關(guān)頻率fk表示無碼元發(fā)送，信源信號長度(一個信源信號持續(xù)時間)Tb為頻率f_0和fk對應(yīng)周期的整數(shù)倍。
[0077]目前，工程應(yīng)用PWM信號的產(chǎn)生技術(shù)已日趨完善，多數(shù)DSP芯片都自帶有PWM發(fā)生模塊。微控制器PWM發(fā)生器模塊一般包括一組寄存器，如周期寄存器(PRD)、比較寄存器(CMPR)、計數(shù)器(TCR)等，TBCLK為時基時鐘。如圖5所示，啟動通信后，根據(jù)信源信號改變PRD的值，當(dāng)時基時鐘值固定時，PWM載波頻率即改變；根據(jù)占空比設(shè)置CMPR值，TCR與CMPR的值實時進(jìn)行比較判斷，當(dāng)二者相等時引腳信號翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生調(diào)制后的PWM波。功率控制反饋值與給定參考值經(jīng)調(diào)節(jié)器運算產(chǎn)生占空比，信源信號經(jīng)FSK調(diào)制后產(chǎn)生攜帶通信信息的載波信號，兩者復(fù)合控制PWM發(fā)生器形成控制PWM脈沖列，并經(jīng)過驅(qū)動模塊生成斬波功率回路的驅(qū)動信號，以此控制開關(guān)管通斷，完成信源信號與功率的復(fù)合調(diào)制過程。
[0078](2)基于電流信號進(jìn)行解調(diào)。
[0079]在通信過程中，某一斬波單元發(fā)送的信源信號，通過相應(yīng)解調(diào)策略，同一組串中的斬波單元及位于直流母線的陣列通信終端均可以解調(diào)出該信號。
[0080]分析得知，經(jīng)調(diào)制后的信源信號能在傳輸線路的電壓和電流信號的高頻分量中體現(xiàn)出來，但由于直流母線電容的高頻濾波作用，通過檢測直流母線電壓來解調(diào)出信源信號比較困難；并且在同一組串內(nèi)，各斬波單元之間也無法通過檢測電壓信號來進(jìn)行通信。
[0081]為此，本發(fā)明提出了一種在特定系統(tǒng)拓?fù)湎禄陔娏餍盘柕慕庹{(diào)算法:在多組串并聯(lián)的級聯(lián)型電力系統(tǒng)中，若組串中的斬波單元與陣列通信終端之間進(jìn)行雙向間接通信時，此時組串中的主單元向陣列通信終端發(fā)送信息，陣列通信終端可通過檢測直流母線電流來解調(diào)信號；當(dāng)同一組串內(nèi)各斬波單元與主單元之間進(jìn)行通信時，組串電流中的高頻分量幾乎全部通過主單元斬波功率回路的電容支路(由于電容支路阻抗較小的緣故)，因此通過檢測主單元的斬波功率回路的電容支路電流來解調(diào)信號。二者解調(diào)方法基本相同。
[0082]解調(diào)過程如圖6所示，將線路中檢測到的電流信號送入解調(diào)器，經(jīng)采樣后離散化，再進(jìn)行濾波處理和滑窗傅里葉變換以提取高頻分量，設(shè)計信源信號起始碼元的解調(diào)算法以及后續(xù)碼元的解調(diào)算法逐個進(jìn)行檢測，直至結(jié)束。
[0083]具體地說，解調(diào)采樣頻率為fs。根據(jù)采樣定理，可得到采樣頻率fs的下限值fsmin:
fsmin〉= 2max (f_o, f-1, fk);
[0084]若三個載波頻率大小依次為f-Afpf-o，則最小頻率分辨率Fn為:Fn =min (f-rfk.fk~f-o)；
[0085]由于最小頻率分辨率Fn由采樣頻率fs和采樣點數(shù)N共同決定:Fn = fs/N,并且采樣點數(shù)N滿足關(guān)系式:N = TB/l/fs,由此可得到合適的采樣頻率fs、信源信號長度Tb以及采樣點數(shù)N的值。
[0086](3)確定信源信號起始碼元及后續(xù)碼元。
[0087]斬波單元在啟動通信后開始發(fā)送信源信號，對于接收端而言，無法確定信息發(fā)送的起始時刻，因此接收端的信號解調(diào)單元上設(shè)有信源信號起始碼元識別模塊與后續(xù)碼元識別模塊，二者均采用滑窗傅里葉變換算法進(jìn)行解調(diào)。
[0088]在信源信號起始碼元識別模塊中，采用滑窗傅里葉變換法確定信源信號的起始位，以碼兀長度作為窗體長度，窗體內(nèi)含有N個米樣點，窗體每次滑動一個米樣點并對窗體內(nèi)的N個采樣點進(jìn)行傅里葉變換，分別提取出窗體內(nèi)所含的第一開關(guān)頻率分量h和第二開關(guān)頻率分量f-ci的幅值mU和m(f_Q)。
[0089]以第一開關(guān)頻率分量和第二開關(guān)頻率分量的幅值Hi(L1)和Hi(G)序列作為數(shù)據(jù)源，再次進(jìn)行滑窗處理，同樣取一個碼元長度作為窗體長度，每次滑動I個數(shù)據(jù)點并分別對窗體內(nèi)的兩個頻率分量幅值序列積分，得到單次滑窗處理的頻率分量f-o和h對應(yīng)能量值M(f_0)和 MD。
[0090]分別設(shè)定第一、第二開關(guān)頻率分量的幅值閾值和能量值閾值作為判別起始碼元的判定標(biāo)準(zhǔn)，取當(dāng)前幅值大小和能量值大小作為判定值，相應(yīng)有兩種方法計算閾值:
[0091]以當(dāng)前幅值大小mU、m(f-1)作為判定值時，信源信號起始碼元識別模塊以直流母線電流Id。的基波分量幅值Idcfl為基準(zhǔn)，選取kr ki為幅值閾值系數(shù)，定義Ktl為Hi(G)的幅值判定域值，K1為mU的幅值判定域值,其中，K0 = k0Idc0> K1 = ^Idc0, k0 = 0.9m(f_0)
h = 0.Qm(^1)fflaxZIdc0, m(f_0)fflax 和 Hi(L1)max 取頻率分量 Ltl 和 L1 幅值的最大值，可通過滑窗2N個數(shù)據(jù)點確定出來。
[0092]若某一時刻檢測到Hi(G) ，表明此時刻通信開始，起始碼元為“O” ；若Hi(L1) X1成立，則表明通信起始時刻發(fā)送的碼元為“ I ”。
[0093]若以當(dāng)前能量值大小MU和M(^1)作為判定值時，同樣以直流母線電流基波分量幅值Itkci為基準(zhǔn)，此時選取kj A1 ’為能量值閾值系數(shù)，定義V和K1'作為M(G)和M(L1)的能量判定閾值，其中，K。’ = V idc0、K/ = V Idc0, V = 0.gMa—n’k/ = 0.9MD
和M(L)max為頻率h和L能量值分量的最大值，也可通過滑窗2N個數(shù)據(jù)點確定出來。
[0094]若某一時刻檢測到M(D)Ktl ’，表明此時刻通信開始，起始碼元為“O”；若MfJ成立，則表明通信起始時刻發(fā)送的碼元為“I”。
[0095]應(yīng)用上述兩種判定方法得到的信源信號起始時刻會存在一定的位置偏差，若選取的閾值越接近頻率分量最大值，則解調(diào)結(jié)果越準(zhǔn)確，但解調(diào)后的信源信號延遲時間也會越長，因此閾值的選取需要綜合考慮。
[0096]在確定信源信號的起始碼元之后，需要確定信源信號的后續(xù)碼元。在后續(xù)碼元識別模塊中，滑窗傅里葉算法的窗體長度保持一個碼元長度不變，但將每次滑窗長度變?yōu)镹，即每次滑動N個采樣點，繼續(xù)采用滑窗傅里葉變換算法完成信源信號的后續(xù)碼元的檢出，直到至完成全部采樣點。
[0097]后續(xù)碼元識別模塊同樣可用頻率分量的幅值閾值或能量值閾值兩種方式作為判別后續(xù)碼元的判定標(biāo)準(zhǔn)，幅值閾值和能量值閾值的計算方式與上文相同。這里以頻率分量的能量值大小作為判定值，設(shè)計后續(xù)碼元的解調(diào)判據(jù)如下:
[0098]當(dāng)滿足Kc^M(G)且Mt1XK1'時，將信源信號的后續(xù)碼元解調(diào)為“O”；當(dāng)滿足K1' <Μ(^)且M(G)〈V時，將信源信號的后續(xù)碼元解調(diào)為“I”;其他情況下，將信源信號的后續(xù)碼元解調(diào)為“無碼元”。
[0099]判據(jù)中的閾值是根據(jù)直流母線電流的基波分量幅值Itkci確定出來的，當(dāng)電流Id。較小時，相應(yīng)的V和V取值也會變化，因此屬于變閾值的解調(diào)算法。值得注意的是，信源信號反映在高次諧波分量中，對功率回路而言這類諧波屬于雜波，不利于電能質(zhì)量的優(yōu)化。因此，在基于功率控制的通信過程中，關(guān)鍵是如何在電能質(zhì)量犧牲較小的情況下保證通信的可靠進(jìn)行，例如不同通信載波頻率的選擇以及濾波裝置參數(shù)的大小都會影響到通信信號傳輸?shù)慕Y(jié)果。為此需要設(shè)定一個電流紋波的變化范圍，既不能使紋波太大影響到電能質(zhì)量，又不能太小以至于無法正確解調(diào)出信號。
[0100](4)通信機制。
[0101]本發(fā)明提供的方案中，經(jīng)調(diào)制后的信源信號以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行傳輸。陣列通信終端與各組串間的通信方式可分為雙向通信和單向直接通信兩種方式。雙向通信又可分為雙向直接通信和雙向間接通信兩種方式，以下分別進(jìn)行介紹:
[0102]A、單向直接通信。
[0103]單向直接通信指的是:陣列通信終端不能下發(fā)數(shù)據(jù)給各組串中的斬波單元，只能接收各組串內(nèi)斬波單元發(fā)送給陣列通信終端的數(shù)據(jù)。
[0104]在單向直接通信模式下，各組串內(nèi)的斬波單元通過數(shù)據(jù)幀隨機向陣列通信終端上傳數(shù)據(jù)，陣列通信終端通過檢測數(shù)據(jù)幀內(nèi)的發(fā)送方地址判定數(shù)據(jù)來源。
[0105]此種模式下，組串內(nèi)各斬波單元首先檢測線路是否空閑，若線路空閑，則斬波單元可以開始向陣列通信終端發(fā)送信息。當(dāng)多個斬波單元同時發(fā)送信息時，會引起沖突，此時設(shè)計沖突解決機制，即各個沖突斬波單元均停止發(fā)送信息，斬波單元各自隨機延遲一段時間之后再重新檢測線路是否空閑，若線路空閑，則可再次向陣列通信終端發(fā)送信息。
[0106]另外，當(dāng)不同組串與陣列通信終端進(jìn)行通信時，為避免不同組串向陣列通信終端發(fā)送的信源信號在解調(diào)時產(chǎn)生沖突，可采用不同的開關(guān)頻率對信源信號進(jìn)行調(diào)制，以區(qū)分不同組串發(fā)送的信源信號，如表1所示。
[0107]表1各組串通信時開關(guān)頻率對應(yīng)表。
[0108]

【權(quán)利要求】
1.電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，包括以下步驟: 參考FSK調(diào)制方式對信源信號進(jìn)行調(diào)制，利用PWM調(diào)制技術(shù)將所述信源信號與功率復(fù)合調(diào)制后生成PWM調(diào)制信號，所述PWM調(diào)制信號以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸，所述數(shù)據(jù)幀中包含有發(fā)送方地址、目的地址和數(shù)據(jù)信息； 采樣電力系統(tǒng)的直流母線電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給電力系統(tǒng)的陣列通信終端的信源信號；采樣電力系統(tǒng)中相應(yīng)斬波單元的斬波功率回路的電容支路電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給相應(yīng)斬波單元的信源信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，以不同高次開關(guān)頻率表示發(fā)送信源信號的碼元和沒有信源信號發(fā)送，對信源信號進(jìn)行調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，電力系統(tǒng)中陣列通信終端與各斬波單元之間采用單向直接通信模式，該模式下，電力系統(tǒng)中同一組串內(nèi)的斬波單元隨機向陣列通信終端上傳數(shù)據(jù)幀，陣列通信終端根據(jù)數(shù)據(jù)幀內(nèi)的發(fā)送方地址判定所述數(shù)據(jù)幀的來源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，當(dāng)電力系統(tǒng)中同一組串內(nèi)的多個斬波單元通信出現(xiàn)沖突時，經(jīng)過沖突解決機制確定通信權(quán)，獲得通信權(quán)的斬波單元才能繼續(xù)向所述陣列通信終端發(fā)送數(shù)據(jù)幀，其他斬波單元退出發(fā)送狀態(tài)等待下次通信，且不同組串在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，其信源信號通過采用不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制以示區(qū)別。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，電力系統(tǒng)中陣列通信終端與各斬波單元之間采用雙向直接通信模式，該模式下，每個組串內(nèi)選擇某一斬波單元作為本組串的主單元，并在陣列通信終端與該主單元之間加設(shè)專用通信線路，陣列通信終端先將數(shù)據(jù)信息經(jīng)專用通信線路下發(fā)至所述主單元，再由所述主單元與本組串內(nèi)的其它斬波單元利用復(fù)合傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)陣列通信終端與各斬波單元之間的透明數(shù)據(jù)傳輸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，電力系統(tǒng)中陣列通信終端與各斬波單元之間采用雙向間接通信模式，該模式下，每個組串內(nèi)選擇某一斬波單元作為本組串的主單元，所述主單元先與組串內(nèi)的其他斬波單元通信，將各數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)信息集中起來，再統(tǒng)一發(fā)送給陣列通信終端，相當(dāng)于陣列通信終端與各斬波單元進(jìn)行非透明數(shù)據(jù)傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，實現(xiàn)同一組串內(nèi)主單元與其余斬波單元通信的方法如下: 每一個組串內(nèi)的主單元及各斬波單元均事先確定好一個單元地址，所有的單元地址以地址表的形式順序存放在陣列通信終端以及主單元內(nèi)； 按照地址表中的地址順序，主單元依次發(fā)送數(shù)據(jù)請求幀給各個斬波單元，相應(yīng)地，各斬波單元分別回送應(yīng)答幀給主單元，主單元成功接收后，表明此斬波單元已成功接入組串并且通信狀態(tài)良好，故在主單元以及陣列通信終端的地址表內(nèi)均給此地址標(biāo)記為正常；若經(jīng)過數(shù)次請求之后主單元仍沒收到此斬波單元的反饋信息，則表明此斬波單元沒有接入到組串內(nèi)或通信出現(xiàn)故障，相應(yīng)地，在主單元以及陣列通信終端的地址表內(nèi)均給此地址標(biāo)記為不正常，以此方式確定所有組串內(nèi)的各個斬波單元的運行狀態(tài)是否正常； 地址標(biāo)記完成后，主單元按地址表中狀態(tài)正常的地址順序，依次與相應(yīng)的斬波單元進(jìn)行通信，所述斬波單元向所述主單元發(fā)送數(shù)據(jù)幀，此數(shù)據(jù)幀內(nèi)的發(fā)送方地址即是發(fā)送信息的斬波單元地址，目的地址即是此組串內(nèi)的主單元地址，數(shù)據(jù)信息為斬波單元的信源信號數(shù)據(jù)；通信成功后，所述主單元根據(jù)所述數(shù)據(jù)幀中發(fā)送信息的斬波單元地址，在所述地址表內(nèi)記錄此斬波單元已完成一次通信；當(dāng)所述組串內(nèi)的所有狀態(tài)正常地址對應(yīng)的斬波單元均與所述主單元通信完成后，由主單元整合再送入陣列通信終端； 當(dāng)某一組串內(nèi)有斬波單元檢修完成，或有斬波單元需要接入到組串時，首先在陣列通信終端內(nèi)此組串的地址表中將此斬波單元地址標(biāo)記為正常狀態(tài)，再將此信息發(fā)送給對應(yīng)組串的主單元，主單元接受信息后再修改自己內(nèi)部的地址表，標(biāo)記此斬波單元地址為正常狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，所述主單元與所述陣列通信終端進(jìn)行通信的方法如下: 當(dāng)主單元與組串內(nèi)其余斬波單元通信完成后，主單元將各個斬波單元的信息重新整合為數(shù)據(jù)幀發(fā)送到陣列通信終端，其中:所述數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送方地址為主單元地址，目的地址為陣列通信終端地址，數(shù)據(jù)信息為包含此組串內(nèi)其余斬波單元的地址信息以及每個相應(yīng)斬波單元發(fā)送給主單元的信源信號數(shù)據(jù)信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的方法，其特征在于，確定一個數(shù)據(jù)幀中信源信號的起始碼元和后續(xù)碼元的方法如下: 采用滑窗傅里葉變換算法確定信源信號的起始碼元，具體作法是:所述滑窗算法以一個碼兀長度作為窗體長度，窗體內(nèi)有N個米樣點，窗體每次滑動一個米樣點并對窗體內(nèi)的N個采樣點進(jìn)行傅里葉變換，分別提取出窗體內(nèi)所含第一開關(guān)頻率h和第二開關(guān)頻率f-o分量的幅值mU和m(f_Q)； 以所述第一開關(guān)頻率分量和第二開關(guān)頻率分量的幅值Hl(L1)和序列作為數(shù)據(jù)源，再次進(jìn)行滑窗處理，同樣以一個碼元長度作為窗體長度，每次滑動I個數(shù)據(jù)點并分別對窗體內(nèi)的兩個頻率分量幅值序列積分，得到單次滑窗處理的頻率分量f-o和h對應(yīng)能量值M(f_0)和 M(L1)； 分別設(shè)定第一、第二開關(guān)頻率分量的幅值閾值1、K1和能量值閾值KJ、K1'； 根據(jù)m(G)Xtl或M(G)Xc;成立判定當(dāng)前窗體內(nèi)采樣點對應(yīng)碼元為信源信號的起始碼元，且碼值為“O”；根據(jù)WfL1) M(L1)X1'成立判定當(dāng)前窗體內(nèi)采樣點對應(yīng)碼元為信源信號的起始碼元，且碼值為“I”;其中=Ktl = ^Idc07K1 = Ic1Idc^lvk1分別為幅值閾值系數(shù)；&’ = k0' Idc0,K/ = k/ Idc0, k0' A1 ’分別為能量值閾值系數(shù)山。C1為直流母線電流Id。的基波分量幅值大?。? 在確定信源信號的起始碼元之后，保持一個碼元長度作為窗體長度不變，改變滑窗傅里葉變換算法的滑窗長度為N，即每次滑動N個采樣點，繼續(xù)采用滑窗傅里葉變換算法完成信源信號的后續(xù)碼元的檢出，直至完成全部采樣點； 當(dāng)滿足Ktl^M(G)且WhXK/時，將信源信號的后續(xù)碼元解調(diào)為“O”；當(dāng)滿足K1' <Μ(^)且〈V時，將信源信號的后續(xù)碼元解調(diào)為“I”;其他情況下，解調(diào)結(jié)果為“無碼元”。
10.電力系統(tǒng)中功率與通信信號復(fù)合通信的裝置，所述電力系統(tǒng)包括并聯(lián)在直流母線上的多個組串，每個所述組串由多個斬波單元串聯(lián)而成，所述直流母線上掛接有陣列通信終端，其特征在于: 所述斬波單元上設(shè)有信號調(diào)制單元，所述信號調(diào)制單元參考FSK調(diào)制方式對信源信號進(jìn)行調(diào)制，利用PWM調(diào)制技術(shù)將所述信源信號與功率復(fù)合調(diào)制后生成PWM調(diào)制信號，所述PWM調(diào)制信號以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸，所述數(shù)據(jù)幀中包含有發(fā)送方地址、目的地址和數(shù)據(jù)信息； 所述斬波單元上設(shè)有信號解調(diào)單元，所述信號解調(diào)單元采樣斬波功率回路的電容支路電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給所述斬波單元的信源信號；所述陣列通信終端上的解調(diào)單元采樣直流母線電流，并解調(diào)還原得到發(fā)送給所述陣列通信終端的信源信號。
【文檔編號】H04B3/54GK104184492SQ201410374488
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】杜海江, 楊博 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)