（电力电子与电力传动专业论文）基于电力线载波的路灯监测系统.pdf

长春上业人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t s t r e e tl a m pi si n d i s p e n s a b l ep u b l i cf a c i l i t yi nu r b a nc o n s t r u c t i o na n di so n eo ft h e i m p o r t a n ts y m b o l so fc i t y c o n d i t i o n sm a n a g e do fu r b a ni l l u m i n a t i o nr e f l e c tn o to n l y c o n s t r u c t i o nl e v e l sb u ta l s ot h em o d e r n i z a t i o nd e g r e e so ft h ec i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e r n i z a t i o nc o n s t r u c t i o n si no u rc o u n t r y , c o n s t r u c t i o n so fp u b l i cf a c i l i t i e sm a k eg o o d p r o g r e s s t r a d i t i o n a lc o n t r o la n dm a i n t e n a n c eo fs t r e e t l a m p s i sn o te n o u g ha n ym o r et o m o d e r n i z a t i o nn e e d i ti san e c e s s i t yt o d e s i g na n dr e a l i z e ak i n do fh i g h e ra u t o i m m u n i z a t i o n ，m o r ec r e d i b l ea n de f f i c i e n tl o n g d i s t a n c em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m m o s to ft h et r a d i t i o n a lc o n t r o l st os t r e e tl a m p sa r et i m e c o n t r o la n dl i g h t c o n t r o l ，w h i c h d e p e n do nm a n u a lw o r k b u tt h e r ea r es t r e e tl a m p st h a tb r e a ku s u a l l yp r e s e n te v e r yr o a di n a b i go rm e d i u mc i t y , w h i c hb r i n gm a n yi n c o n v e n i e n c e st om a n a g e m e n t i ti sd i f f i c u l tt ot h e p u b l i cf a c i l i t ym a n a g e m e n to f f i c et ok n o ww o r kc o n d i t i o n so fs t r e e tl a m p si nt i m ei nt h e i r d i s t r i c t p a t r o l l i n gl a m p sa tn i g h ta n dl i n e si nt h ed a yh a st ob ea d o p t e di nm a np a t r o l l i n g t h ei n t e n s i t yo fl a b o ri sh i g ha n de f f i c i e n c yi sl o wi nt h i sw a y b e s i d e sm a k i n gaw a s t eo f m a n p o w e ra n de l e c t r i c i t y , i t sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l e f f e c ti sn o ti d e a l t h e r a p i d d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fc o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o na n do t h e r sb r i n g sa d v a n t a g ef o r t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fs t r e e tl a m p c h a r a c t e r i s t i c so f p o w e rl i n em e d i u mi sf i r s ta n a l y z e di nt h i sp a p e r h a v i n gr e s e a r c h e d o ns i g n a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl o w v o l t a g ep o w e rl i n e ( i n p u ti m p e d a n c e 、 a t t e n u a t i o na n dd i s t u r b a n c e ) i nt h i sp a p e r , w ec o m p a r et h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yu s i n gt h r e ew a y s ：n a r r o wb a n dc o m m u n i c a t i o n ， s p r e a ds p e c t r u ma n do f d m i ti sf o u n dt h a to f d m i st h eb e s t a n dw ec h o o s eao f d m c h i p i n t 5 1 x i c o m p l e t et h eh a r d w a r ei n t e r f a c eo f i n t 5 1 x 1a n d a t m e g a l 6 b e c a u s el o wv o l t a g ec a r d e rc o m m u n i c a t i o ns c h e m ec a n tr e a l i z ec o m u n i c a i t o na c r o s s t r a n s f o r m e r i to n l yu s e sd a t ac o m m u n i c a t i o ni nt h es a m et r a n s f o r m e r b u ti no r d e rc or e a l i z e d a t ao fa u t o m a t i c r e a d i n gm e t e rs y s t e mr e m o t et r a n s m i s s i o n ，w em u s tc h o o s ea n o t h e r c o m m u n i c a t i o ns c h e m eb e t w e e nu p p e rc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e r , t h e r ew ec h o o s es h o r t m e s s a g ew o r ko fg s m n e t w o r kt or e a l i z er e m o t et r a n s m i s s i o nd a t a t h eu p p e rc o m p u t e ri s d e s i g n e db y v i s u a lb a s i c p r o g r a m m a t h e l o w e rc o m p u t e ri ss i m u l a t e db yp r o t e u s s o f t w a r e ，w ec a nr e a l i z er e m o t et r a n s m i s s i o nb y w i r e l e s sm o d e m s t r e e tl a m ps u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e st h eu n i f i e dc o n t r o l ，m o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n to fu r b a ns t r e e tl a m ps y s t e mb yc o m p u t e r s o p e r a t o r sc a na c q u a i n tt h e m s e l v e s k 春丁业大学硕上学位沦文 w i t hc o n d i t i o n so fe v e r ys t r e e tl a m po n l yt h r o u g hm o n i t o r i n gc o m p u t e r ，a n dc a l la c q u i r ed a t a i n f o r m a t i o no fs t r e e tl a m p s ，t h es y s t e mc a ns a v em a n p o w e r ，r e d u c ee x p e n s eo fe l e c t r i c i t y a n di m p r o v em a n a g e m e n to fs t r e e tl a m p si nc i t y k e yw o r d s ：p o w e r l i n ec a r r i e r ；a t m e g a l 6 ：g s ms h o r tm e s s a g e i j k 春工业人学硕上学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：并 、j 雪莞 日 期：彻年年月4 e t 长存工业大学碗i 一学位论文 第一章，绪论 1 1 论文选题的来源及意义 1 路灯是城市形象的标志，是城市的窗口，也是城市建设中必需的公用基础设施。 城市照明是关系到亿万市民切身利益的重要环节，直接反映了城市的建设水平和市容 风貌，路灯的控制和管理水平更显示出城市的现代化程度。因此，保证城市路灯处于 良好状态，不仅直接关系着人民的生活、生产发展、交通安全和社会治安，而且对于 提供良好的投资环境，吸引外商外资，促进经济腾飞等起着非常重要的作用2 1 。 建国以来特别是改革丌放之后，我国经济建设成绩有目共睹，精神文明建设进步 迅速。随着社会主义现代化建设的不断发展，城市路灯已从单纯的照明发展成为美化 城市环境、改善投资形象的重要组成部分。随着温饱问题的解决及小康生活的实现， 在现代化的大中城市，政府管理部门以及富裕起来的市民对城市亮丽风景线的道路照 明及发展水平，提出了越来越高的要求。道路扩宽，城区扩大，市政在路灯方面的投 资也开始加大，其推广应用前景是很广阔的。 2 国内现有的路灯监控系统一般采用无线通讯和有线通讯数据传输方式，无线通 讯和有线通讯方式都存在设备成本高的问题。无线通讯方式存在频率有限，邻近城市 间易互相干扰等问题。电力线载波通讯技术的产生克服了上面的缺点，它利用已有的 路灯供电系统，通过电力线载波通讯技术来传输控制路灯的信号，成本低，进而实现 一种自动控制、及时维护的公共路妇。照明监控系统。 3 由于城市采用的路灯灯泡质量很好和高亮度，所以灯泡照到的路面宽度很广， 路灯之间的间隔加大，如果遇到路灯灯泡出现故障而不及时更换的话，则对夜间交通 安全影响比较大，所以对城市路灯监控系统有很高的要求。 4 近几年，城市用电负荷连创新高，节约用电、对用电设备进行技术处理改造， 才能缓解电力供应的不足。能减压、稳压，可节约电能。 5 作为比较完整的控制项目，本课题涉及面较广，包括遥控、遥测、通讯、数据 采集、自控以及管理等等一系列技术。路灯监控系统终端，既是一个完整的系统，又 是更复杂系统的基础，故它有一定的代表性。 综上可知，本课题不仅可以应用于城市路灯工程改造，而且还可以推广到类似的 项目，如城市“三表”自动抄表系统、城市污水无人值守管理系统、自来水供水监控 系统、城市供电监控管理系统以及许多其它的类似项目。可以认为，研制城市路灯监 控系统会对今后及其它工作具有指导意义。 1 2 课题在国内、国外领域研究现状 长期以来，国内大多数城市路灯照明控制广泛采用传统控制方式，包括以下几种： ( 1 ) 人工控制方式：根据开关灯时阳j 表由值班人员负责手动进行开关灯操作。 长存工业人学顾j 二学位论文 ( 2 ) 时控方式：以时问为唯一的丌关灯依据，不论气象条件如何变化，均只能在规 定时刻丌关灯，仅随季节变化人工干预调整丌关时m 。 ( 3 ) 光控方式：按光照度的差异来控制路灯丌关，但在光线不足的白天或有强光照 射的夜晚，可能会发生误动作【3 】。 但是传统的路灯丌与关的控制完全依赖光电控制或操作人员根据时钟定时进行， 控制为一级一级串联进行的。在这种方式下，不但亮灯与关灯的时刻不准确，而且会 由于人为的失误或其它因素( 如某处控制线断) ，造成大面积路灯不亮【4 】。 此外，路灯巡检方法是靠维修人员在开灯时间开车巡视，发现问题才去解决，而 这也仅仅限于主干道。对于次干道、小街小巷则无暇顾及，常常出现局部路灯长期不 亮的情况p j 。 人工巡检方式必然导致信息反馈滞后，使管理人员无法及时做出相应处理。 在管理方面，路灯的亮灯率与损坏率全靠人工汜录，其准确度和及时性均无法保 证，从而影响到损坏路灯的维修工作，而且对历史资料的查询也费时费力。再者，由 于无法实时监测路灯线路的电压与电流，因此对路灯线路上的盗用情况也无能为力。 目前，大多数中小城市仍然以上述传统的方式进行管理。随着城市的发展，人们 对城市路灯照明的要求也越来越高。保证路灯的高亮灯率，及时发现和排除路灯故障， 对人民生活、交通安全等都起着非常重要的作用。为了克服落后的路灯管理模式，许 多城市已将监视控制与数据采集系统用于对城市路灯的管理和控制。比如最早采用微 机监控的包头市，后来的无锡市、常州市、扬州市、南京市、福州市、合肥市等。这 些城市的路灯微机监控系统采用了不同的技术方案，各有千秋。这些方案中有无锡市、 常州市、南京市、福州市的无线通信方案。有包头市的专用线调制解凋方案，有扬州 市的电话线通信方案，有合肥市的专用线c a n 总线方案，不管是哪一种方案都在不同 程度上实现了对路灯配电柜的测量与控制。但现有的路灯微机监控系统都有一个共同 的缺点：就是不能对每蕊路灯的运行状念进行直接检测。基于电力线载波通讯的路灯 监控系统能够采集每蕊路灯的运行情况，并且成本比较低。 路灯监控系统在国外已经非常成熟，采用电力线载波通信技术和数传机电台通信 技术实现对路灯的无线控制。可使所有被控制的路灯在计算机屏幕上的电予地图上标 识出来，管理人员能在路灯管理中心准确观察到全市所有路灯的工作状态，并能对受 控路灯及路段进行丌启、关闭等实时操作。在欧洲的一些城市，公共照明系统( 如路灯) 就通过使用2 0 k h z 到8 0 k h z 的s s c 技术使用电力线通信进行控制1 6 j 。 1 3 路灯监控系统的通信方式分析 可采用的通信方式如下： ( 1 ) 数字数据网( d i g i t a ld a t an e t w o r k ，d d n ) 。利用数字通讯( 如光缆、数字微波和 卫星信道) 来传输数据信号的数据传输网，可以为用户提供专用的数字数据传输信道， k 奋工业人学硕上学位论文 为用户建立专用数据网提供条件。d d n 网络提供图像通信、数据电话通讯、数据广播 通讯等多种业务，具有传输速率高、网络时延小、误码率低、可靠性高等特点。缺点 是d d n 在某些城市覆盖而积小，且数掘网在使用成本及使用畅通上也易受数据通讯的 控制。 ( 2 ) 专门的路灯监控通讯网。必须向当地的无线管理委员会申请专用的通讯频道， 在监控中心架设全向高增益天线，远程监控终端设立电台。专用通讯网不受外界控制， 通讯半径可以通过在监控终端设置逐步扩展；缺点是一次性投资较高，监控点越多系 统成本越高，且网络需要自己维护，通讯可靠性不够理想。 ( 3 ) 低压电力线载波技术和g s m 网络。在同一个变压器内利用低压电力线载波技 术进行数据传输，利用了现有的供电线路的频带，由于低压电力线载波技术在跨变压 器传输时会出现信号的较大的衰减，所以应采用其他的方式，g s m 无线移动网是一种 极具发展前途的新兴技术，由中国移动和中国联通两家建网，覆盖范围大，无须担心 存在死角、盲区等问题。即便是个别地方局部网络覆盖有问题也是暂时的，只要与当 地通讯部门协调即可解决。g s m 网络具有通讯数据传输响应时间短、抗干扰能力强、 功耗低等特点，且系统建设费用低廉【7 1 。所以在跨变压器的数据传输时可采用g s m 网 络。 通过分析可以得到，利用低压电力线载波技术和g s m 网络进行路灯监控是一种非 常好的方法。 1 4 系统方案的确立 公共路灯监控系统由一个上位机和若干个下位机组成。上位机安装在路灯管理的 总值班室内，下位机的主机单元安装在支路路灯( 一个变压器内) 的路灯管理办公室内， 下位机的从机单元安装在各个路灯的控制箱内。上位机为采用多媒体p c 机的一般配 置，并带有g s m 通信接口和宽带网络通信接口。每个下位机由一个主机单元与若干 从机单元组成。由于低压电力载波通信方式不能实现跨变压器通信，因此只能用于同 一变压器内的数据通信，上位机和下位机中的主机单元采用g s m 通信，下位机中的主 机单元和若干从机单元采用电力线载波实现通信。 长存工业大学硕上学位论文 电力线载波 图1 - 1 系统控制示意图 k 乎困 1 5 本论文研究的主要内容 1 由于要检测路灯是否损坏或者路灯电流、电压是否出现过大，过小等异常情况， 要对路灯电压、电流进行测量，进行有效值计算。 2 对低压电力线的通信特性进行分析。 3 通过对电力线载波通信方式的比较，选择合适的电力线载波通信方式，并基于 该通信方式的电力线载波模块与单片机进行接口连接。 4 进行路灯监控系统上位机的设计，通过在上位机和下位机之间加装无线调制解 调器g s mm o d e m ，上位机利用基于g s m 网络的监控平台，及时接收和查询下位机所 监控的路灯系统数据。 4 长存r 业大学碗l ：学位论文 第二章真有效值测量 由于要检测路灯是否损坏或者路灯电流、电压是否出现过大，过小等异常情况， 要对路灯电压、电流进行监测，城市路灯照明系统山电力变压器将高压供电电源降至 3 8 0 伏相电压或2 2 0 伏线电压的市电，路灯系统从市电的母线排获得电力，并在输入的 总线路上利用电压互感器p t 和电流互感器c t 对a b c 三相的相电压和相电流进行测 试。从电压、电流互感器二次侧出来的电流检测信号经过光电耦合与单片机相连，并 进行真有效值计算，本章将具体介绍采用真有效值计算的原理以及方法。 2 1 真有效值计算方法介绍 2 1 1 芯片法 1 现在市场上这类单片的集成芯片很多，真有效值仪表普遍使用了这类集成电路。 单片集成电路具有集成度高、功能完善，外围元件少，电路连接简单、性能指标容易 保证等诸多优点，这类芯片能准确、实时测量各种电压波形的有效值，无须考虑波形 参数和失真，这些性能是平均值仪表无法比拟的 e l 。目前国外常见的单片a d d c 转换 器以美国模拟器件公司( a d ) 产品为代表。典型产品有a d 5 3 6 a 、a d 6 3 6 、a d 6 3 7 ，a d 7 3 6 和a d 7 3 7 1 9 。下面以a d 5 3 6 a 为例，介绍其特点及原理。 有效值一直流转换器a d 5 3 6 a 是美国模拟器件公司推出的一种完整的能够完成真 有效值一直流( t r u e r m s d o ) 转换的单片集成电路。这种单片集成电路在性能上相当或 超过混和电路或组件，但成本较低。a d 5 3 6 a 能计算包含交流和直流成份的任何复杂 输入波形的真有效值。并转换成直流信号输出，可广泛用于标准证弦波或非周期、非 正弦且叠加直流电平的各种噪声及机械传感信号的精确测量】。 ( 1 ) a d 5 3 6 a 的特点 a d 5 3 6 a 是美国a d 公司推出的真有效值转直流值的单块集成电路。它的性能十 分优良，可以直接计算输入的任何复杂波形( 包括交、直流成分) 的真有效值。它特有的 峰值因数补偿电路，使其在峰值因数达到7 时测量误差仅为1 。a d 5 3 6 a 的频带很宽， 它可以测量到频率为3 0 0 k h z 、电压值在1 0 0 m v 以上带有3 d b 误差的信号电平。利用 外部提供的参考电压，用户能方便设置0 d b 电平，使其可以对应于从0 i v 到2 v 之间 的任何有效值。a d 5 3 6 a 在商业级应用中有两个精度级( j ，k ) p t 侈l 选择，k 级的最大读 数总误差是+ 2 m v + 2 j 级的最大读数总误差是+ 5 m v 士5 。这两种产品都有d i p 1 4 和 t o 1 0 0 封装。 ( 2 ) a d 5 3 6 a 的引脚况明 以下我们以d i p 。1 4 封装( 如图2 - 1 ) 为例说明a d 5 3 6 a 各管脚的作用( 如表2 1 ) 长存t 业人学硕j 。学位论文 v h+ v s n cn c v sn c c a vl q c d bc o m m o n o u tr l i n1 0 u t 图2 - 1d i p 1 4 封装 表2 - 1 各管脚作用 管脚符号作_ l i j lv i i l 交流电压信号输入 3- v s 接负电压 4c a v 接滤波电容，并由此确定稳定时问 5d b 分贝输山端 6o u t 缓冲输山端 7i n 缓冲输入端 8t o u t 电流输出端 9r l 可外接l 乜阻以凋竹精度 1 0c o m m o n 接地端 1 4+ v s 接止电源 f 3 ) a d 5 3 6 a 的工作原理 a d 5 3 6 a 嵌入了有效值隐含解方程式电路，从而克服了动态范围窄以及其它直接 计算有效值时固有的限制。a d 5 3 6 a 的实际执行原理如下所示： 1 3 1 由均方根定义： 经变换得： v r 镕= 。略【净 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 2 1 - 2 软件数字测量的算法 测量交流信号的数字测量方法主要有峰值测量法、平均值测量法和纯计算法l l “。 峰值测量法和平均值测量法只能用于无谐波的纯正弦信号场合，其测得的值不是真有 效值，纯计算法只要满足奈奎斯特采样频率条件就可测得真有效值。但在使用传统的 纯计算法时，数字测量系统必须满足所谓的整周期采样条件，即交流信号的周期必须 等于采样周期的整数倍或有理分数倍：否则该方法求得的值就不符合真有效值的定义 0 5 1 。这使整个工作过程变得复杂，同时加大了时间滞后和测量误差。本节提出了一种 6 k 备工业大学硕j 二学位论文 新的交流信号有效值数字测量方法。该方法避开了传统纯计算法要求整周期采样这一 限制条件，克服了整周期采样带来的缺点。 1 工作原理 交流信号有效值定义为： r r r 1 1 = s q r | | 卜2 ( t ) d tl 卢i ( 2 _ 3 ) l l oj j 式中：工( f ) 为被测交流信号：x 。为对应的有效值；t 是时f j ；t 是交流信号的周期；s q r o 代表取平方根。式( 2 3 ) 给出的有效值包含了基波和谐波的共同贡献。通常称这种有效 值为真有效值，有时也称为方均根值。 对于数字测量系统，式( 2 3 ) 变成： x = j 9 r ( ( 工三( i ) + 工：( 2 ) + + j ：( ) ) )( 2 - 4 ) 式中：工。( 后) 为交流信号在| t 时刻的采样值( 也称采样数据) ，z 为采样周期，下 标m 代表该采样值采自交流信号的第m 个周波，k 代表在第m 个周波内的第k 采样 k = ( 1 2 ，n ) ；n 是在交流信号一个周期内的采样次数或采样点数。只要r 满足奈奎 斯特采样频率条件，式( 2 - 4 ) 给出的值也是真有效值。用式( 2 4 ) h 。算有效值时，采样周 期必须满足整周期采样条件： 上t = r ( l 为整数或有理分数)但一5 ) 即交流电量的周期必须等于采样周期的整数倍或有理分数倍，为消除整周期采样条件 的限制，特提出如下有效值计算式，以取代式( 2 4 ) ： 。 j 0 = s q r ( ( ( 1 ) 厶4 - 2 ( 2 ) + + ( 0 ) ) ( 。- 1 + 幺+ 巩) )( 2 - 6 ) 厶= ( 1 ) “( 1 ) + k 一。( 0 一。) i ) ( 2 7 ) 巩= i ( 0 ) i ( + ，( 1 ) + i ( _ ) 1 ) ( 2 - 8 ) 式中：k 是在交流信号第m 个周波内的采样次数或采样点数；幺和为两个参 数。在本节的叙述中变量或参数的下标m 代表对应变量或参数与交流信号第埘个周波 有关，例如工。( 后) 代表交流信号第m 个周波内第k 个采样值，x 。( k ) 则代表交流信号 第m + 1 个周波( 即下一个周波) 内第k 个采样值，依次类推。 l kp j h 啄 入 | ，万。 胆渺“i 图2 - 2 给出了一般情况f 被测交流信号与采样 k 备工业大学硕l 学位论文 图2 2 给出了一般情况下被测交流信号与采样点之间的时间关系，其中，只+ 为 曲线由负变证的过零点，x 。( 七) 到x 。( 七十1 ) ( = l ，2 ，虬一。) 的时间问隔为e ，k ( 1 ) 与只 间隔为厶t ，( 。) 与只+ 。| 1 日j 隔为t 。这时采样周期并不一定满足整周期采样条件， 于是第m 周波的第一个采样点x m ( 1 ) 与该周波起始处的由负变正过零点只( 图2 2 ) 的时 问| 日j 隔一般不为零，而为乙，第m 周波的最后一个采样点工。( 。) 与该周波结束处的 由负变正过零点，即第m 十1 周波起始处的由负变j 下过零点只+ ( 图2 - 2 ) 的时间间隔一般 不为t ，而为叩m i ，这里o 六 l ，o 巩 l ，且幺+ l 。这样式( 2 - 4 ) 分子中求 和式的第一项工：( 1 ) 不应与疋相乘，而应乘以f 。t 。同时分母也不是采样周期的整数倍 n 。瓦，而为( n 。一1 ) t + ( 厶+ 玎。) l ，该值恰好等于交流信号的周期。经过上述两个变 动并消去t 后，式( 2 - 4 ) b p 成为式( 2 - 6 ) 。显然，当幺= 0 ，巩= l 时，k ( 1 ) = 0 + ，( 1 ) = 0 ， 式( 2 6 ) 退化为式( 2 - 4 ) ，采样系统重新满足整周期采样条件。 i 璺i2 - 3 交流信号在由负变正过零点己附近的曲线形态( 六刁。一。一一。i x , 一，( ，。) 1 ) 幺，巩，的值由式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 计算。图2 3 给出了交流信号在由负变正过零点己附 近的曲线形态。由图可见，在p m 点附近曲线近似为直线。事实上，当工= 0 时，有： tan(x)=戈(2-9) s i n ( x ) = 工 ( 2 1 0 ) 当x 偏离零但很接近零时，式( 2 9 ) 和( 2 一l o ) 仍近似成立。正弦曲线可看作直线。在 己点用直线代替i 弦曲线后，有幺巩一。= x o o ) i x 一。( 。一。) i ，又因为色+ 巩一= 1 ，联 合求解，得： 己= 靠( 1 ) “( 1 ) + | 一。( 。一。) i ) 巩一。= l x m 一。( 。一) j “k ( 1 ) + i 一。( | ，一) i ) ( 2 一1 1 ) 同理，在巴+ 。点，有： 乙“= + ( 1 ) ( b + i ( 1 ) + l ( 。) 1 ) k 存工业大学硕上学位论文 巩= l ( _ ) l ( + l ( 1 ) + i ( 0 ) 1 ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 分别就是式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 的另一种形式。 注意，这罩每个周波的采样点数可能不同，即，一不一定等于。 2 测量步骤 将当前周波命名为第m 周波，于是刚过去的上一个周波为第m 一1 周波，下一个周 波为第册+ l 周波。设测量系统中的数据存储器含有下列存储单元：a 单元，存放上一 个周波的最后一个采样数据；b 单元，存放当i j 周波的上一次采样数据：c 单元，存 放当前周波的当前采样数据；d 单元，存放当前周波的采样次数；e 单元，存放式( 2 6 ) 分子中求和累加值；f 单元，存放式( 2 7 ) 计算结果；r 单元，存放式( 2 8 ) 计算结果。 系统以固定的采样周期t 采样，具体的t 的值只需按照n y q u i s t 采样频率要求和具体 仪器的测量要求来确定，而不管其是否满足式( 2 5 ) 给出的整周期采样条件。 设第m l 周波刚过去，测量系统己采样获得x m ( 1 ) ，并己依据式( 2 1 1 ) 求出乙及 巩_ i 。当前时刻各存储单元所存内容如下：a 单元，一。( 0 一) ：b 单元，( 1 ) ；c 单 元，x m ( 1 ) ；d 单元，1 ；e 单元，( 1 ) 厶；f 单元，六；玎单元，玎。 当前周波有效值的测量过程如下： a 测量系统继续按启动a d 转换器，对当前周波采样，得采样数据k ( 2 ) 。 b c = ( 2 ) ，测量系统判断( 2 ) 是否为币信号或零信号，若否，则将毛( 2 ) 取平 方后与e 单元内原有的数相加再重新存入e 单元( 即e = ( e ) + ( 2 ) ) ，将d 单元内的数 加l ( 即d = ( d ) + 1 ) ) ，b = x m ( 2 ) 之后到步骤c ；若是，则进一步判断b 中单元中的( 1 ) 是否为负信号，若否，则e = ( e ) + ( 2 ) ，d = ( d ) 十i ，b = x m ( 2 ) ，之后到步骤c ，若是， 则浼明己到当前周波的寒尾，此时进入步骤e 。 c 继续重复步骤a 和步骤b 的采样判断过程，即，测量系统继续按t 启动a d 转 换器，对交流信号采样，依次得后续采样数据k ( 3 ) ，( 4 ) ，每采到一个数据，都要执 行步骤d 的判断操作。现假设经采样刚得到数据x m ( k ) ，下面将进入步骤d 。此时各存储 单元内存放的数据如下：a 单元，一，( n 一，) ；b 单元，k ( 七- 1 ) ；c 单元，k ( 后一1 ) ； d 单元，k - 1 ；e 单元，( 1 ) 幺+ ( 2 ) + + ( _ | 一1 ) ；f 单元和r l 单元内容没变。 d c = 靠( 女) ，测量系统判断( _ j ) 是否为r 信号或零信号，若否，则e = ( e ) + ( 后) ， d = ( d ) + l ，b = ( ) ，之后到步骤c ；若是，则进一步判断b 单元中的x m ( k 1 ) 是否 为负信号，若否，则e = ( e ) + ( 意) ，d = ( d ) + l ，b = ( 七) ，之后回到步骤c ，若是， 则说明己到当前周波的末尾，此时进入步骤e 。 e 根据步骤d 的判断结果，此时的采样值己是第m + 1 周波的第一个采样值，即此 时得到的数据实际上己是+ ( 1 ) ，而b 单元中存放的上一次的采样值实际上是第m 周 波的最后一个采样值( 0 ) ，于是根据式( 2 一1 1 ) ，由+ ( 1 ) 和( 。) 算出玎。，并将r 。 存入r 单元( 即r = r 。) ，然后根据e 单元的值( 1 ) 厶+ ( 2 ) + + ( 卅) ，r 单元的 值巩，f 单元中的值六，d 单元中的值。，以及式( 2 6 ) 求出第m 周波的真有效值。 9 k 春t 业人学硕l 二学位论文 f a = ( m ) ，b = x m + l ( 1 ) ，d = l ，依据a 单元的值h ( n ) ，b 单元的值x m + l ( 1 ) 求出厶+ ”f = 厶。e = + ，( 1 ) 幺 g 这时己进入第m + l 周波。各存储单元内存放的数据如下：a 单元，x m ( ，) ，b 单 元，矗+ ( 1 ) ，c 单元，+ ( 1 ) ，d 单元，l ，e 琶元，+ ( 1 ) 厶+ l f 单元，乙叩单 元，1 1 。 h 重复步骤a 至步骤g 依次对第m + 1 周波、第m + 2 周波等逐个进行采样计算， 就能连续获得每个周波的真有效值。 从前面的叙述可见，利用式( 2 6 ) ( 2 - 8 ) 求取有效值，其过程相当简单只要获得当 前周波的。个采样值( 1 ) ，k ( 2 ) 一一k ( 。) 以及一( 0 一，) 和靠+ ，( 1 ) ，就可知道 当前周波的有效值。在测量系统启动时，因在启动后的第一个周波前测量系统尚未工 作，无法得到式( 2 1 0 ) 所要求的+ 。( 。一。) 值以及计算结果六值，所以第1 周波地有效 值无法得到。因此有效值的测量必须从第2 周波开始然后逐个周波的连续测量下去。 3 误差分析 根据t a l l x 或s i n x 的性质，当偏离零但很接近零时，式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 只是近似成立， 分析表明，这时产生的偏差与j 的大小有关。当x 分别小于0 2 0 r a d ，0 1 0 r a d 和0 0 5r a d 时，x 与s i n 工或t a n x 的相对误差分别小于o 7 0 ，0 2 0 ，0 0 5 。因工的大小与一个周 波内的采样点数有关，所以工与s i n x 或t a n x 的相对误差与也有关。计算表明，当 为8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 和1 2 8 时，x 与s i n 或t a n x 的相对误差分别小于2 7 0 0 ，5 o o ，1 o o 。0 3 0 0 和0 0 8 。可以证明j 越大，x 与s i n x 或t a n x 的相对误差越小。注意这里给 出的x 与s i n x 或t a n x 的相对误差并非是用式( 2 6 ) 计算有效值时产生的相对误差。事实 上，因x 与s i n x 或t a n x 之问的偏差仅对式( 2 7 ) 和( 2 - 8 ) 的计算结果即乙和巩有影响， 因此、工与s i n 工或t a n x 之间的偏差对最终测量结果的影响极其有限。例如在等于1 2 8 时，x 与s i n 工或t a n x 的相对误差最大不超过o 0 8 ，而受此影响用式( 2 6 ) 计算有效值 时产生的相对误差最大不超过0 0 0 0 3 ，远小于x 与s i n x 或t a n x 的相对误差。应指出 的是，对于电力系统，通常等于或大于1 2 8 ，这时不到o 0 0 0 3 的有效值计算误差己 远低于当今绝大多数仪表的测量误差，因此由x 与s i n x 或t a n x 之间的偏差所引起的有 效值计算误差实际上可忽略不计。另一方面，在n = 1 2 8 的情况下，对于5 0 h z 的工频 交流信号，对应采样频率为6 4 0 0 h z ，两个采样点之间的时间问隔为1 5 6 u s ，若数字测量 仪表内含微处理器，这个时间问隔足以保证当今绝大多数微处理器完成所需的计算任 务。 本节所述方法主要用于电力系统中工频交流电压、交流电流真有效值的测量。该 方法的优点如下：a 可测量交流信号的有效值，而不管其是否有谐波存在；b 由于采 用式( 2 1 5 ) 来计算有效值，因此不受整周期采样条件的限制，消除了整周期采样带来的 缺点。使测星过程得到简化；c 因为此处不是先测信号周期再采样，而是直接采样计 算，所以在每个周波过去后即可得出其有效值，延迟时间不会超过一个周波。d 可连 0 一 坠堡三些查兰塑土兰丝笙苎 续不断地输出每个周波的真有效值。 经验证，上述算法软件开销很小，求有效值整个过程，速度很快，实时性很高。 测试结果表明计算程序误差极小，完全能满足测量系统的精度要求。 2 2 本章小结 本节通过对芯片法和软件数字测量方法测量有效值方法的介绍，从误差率和成本 对比，利用软件数字测量的方法无疑是非常好的一种方法。 k 存t 业人学硕l 学位论文 第三章低压电力线通信的信道特性分析 要在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据通信并不是一件很容易的事，因此 在整个系统设计之前有必要认识电力线载波方式区别于其它通信方式的特殊性，了解 低压电力线信道特性。这样才能选择用何种调制解凋方式以及采用何种通信协议，为 整个系统最终设计的成功打下良好的基础。本章参考了国内外的资料，对低压电力线 载波通信的信道特性给出了详细的分析和结论。 3 1 低压电力线载波的信道特性 对于所有的通信信道而言，阻抗、信号衰减和干扰是决定其性能的基本参数【1 6 】。 因此，在使用电力线作为信号传输媒介之前，需要对它的信道特性进行分析。由于从 六七十年代以来，利用l o k v 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波电话已 经获得广泛使用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。但是， 在2 2 0 3 8 0 v 低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大区别，突出表 现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大等特点。因此，对 于低压电力线载波信道，有必要进一步具体分析。 3 2 低压电力线输入阻抗及其变化 输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。研究输入阻抗，对于提高发送 机的效率，优化网络的输入功率有重大意义。 3 2 1 输入阻抗和信号频率的变化 研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。在理想情况下， 当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影 响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力线上有负载时，所有频率的输入阻 抗都会减小。但是，出于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化也不同，所以实际 情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。图3 - 1 即为实测出的输入阻抗与频 率的关系数据i l ”。 k 奋工业人学硕仁学位论文 1 0 0 1 0 1 o 1 l 图3 - 1 输入阻抗一频率关系图 从图3 1 可以看出，电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从0 1 q 变到大于l o o q ，变化范围超过了1 0 0 0 倍! 而且，在实验所测的频率范围内，输入阻抗 随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反。 为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线，上面连接有各种复杂的负载。 这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻 抗区。因此，在输入阻抗一频率图上可以看到许多阻抗低谷区。这些低阻抗区组合起 来，就形成图3 一l 所示的图形，并会在局部上违反电力线上阻抗随负载增大而降低的 一般舰律。同时，正是由于负载会在电力线上随机地连上或断开，所以在不同时间， 电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。 3 2 2 输入阻抗和终端位置的关系 出于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。在由许多电阻、电容 和电感组成的网络中，从不同的点上看进去，输入阻抗显然是不同的。图3 - l 中的两 曲线就是在同一个低压电力线网的不同地点测得的。可以看出，信号输入点的不同对 输入阻抗的影响是非常大的。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放 大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的 困难。 3 3 低压电力线上高频信号的衰减及其变化 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际困难。 对高频信号而占，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这 根线的任意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在低压电力线上的传输必然存在 衰减【1 8 1 。显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系。 跃奋工业人学坝j ：学位论文 3 3 1 信号衰减与距离和频率的关系 总的来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。但是，由于电力线是非均 匀不甲衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波等 复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂，有 可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。对于民用电网，其三相电源所接的 负载大小和性质都不相同，所以同样强度的信