CN103063926A - 一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试方法及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试方法及测试装置，其装置包括信号发送装置、信号接收装置和信号处理装置；信号处理装置和信号接收装置连接；信号发送装置和信号接收装置分别安装在电力线上。其对应的测试方法包括步骤有：（1）在电力线上设置测试装置；（2）对测试装置和导线进行校准；（3）测试装置发送信号至电力线上；（4）测试装置接收从电力线上耦合回来的接入阻抗的数据，根据数据拟合成接入阻抗的频率曲线，并显示。本发明克服了谐振法测阻抗只能测出单个频点的劣势，具有普遍性。并且本发明采用高速采集卡对采集的模拟信号进行离散化从而便于对大量数据进行计算，解决了交流信号的采集问题。

Description

一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试方法及测试装置

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试方法及测试装置。

背景技术

电力线载波通信指利用电力线传输数据、话音等信号的一种通信方式。利用已有的电力线资源进行通信，既能满足通信需求，又可解决布线困难，且基础建设投资和日常维护费用低廉，因此电力线载波通信技术具有很高的经济性、便捷性和实用性。但是电力线路设计的初衷是为了完成电能配送而非数据的传输，因而对于数据通信而言，其信道特性非常不理想。影响电力线可靠通信的一个主要因素就是电力线路的接入阻抗特性。电力线载波通信信道的接入阻抗是指在信号发送装置和信号接收装置驱动点处低压电力线的等效阻抗。电力线载波通信通道的阻抗特性随着时间、频率和信号的接入位置的变化而变化，尤其是30-500kHz窄带载波频段，变化剧烈，受电网结构、线路、用户电器等影响明显，是一个非稳定性参数，它直接影响到载波信号耦合效率和信号的传输性能，是电力线通信信道的一个重要参数。因此研究和实际现场测试电力线载波接入阻抗对提高和改进电力线载波通信系统性能具有重要的意义。另一方面，相对于弱电通信线缆，电力线路属于非对称线路和高压强电网络，实际测试电力线路阻抗有一定的难度，国内外现有的接入阻抗的测试方法主要有双电流探头法，比值法，谐振法，伏安法几种。比值法只能测出阻抗的模值，不能得到阻抗的相位信息；谐振法只能测出单个频点的阻抗的值，不能得到连续频谱的阻抗特性；伏安法的电路结构复杂，需要的测试仪器较多，实际现场测量难度大，所需要仪器昂贵，适合于实验室测量；双电流探头法虽然能测出低压电力线阻抗的模值和相位信息，但是由于所用网络分析仪的频率分辨率低，所测得的结果准确性并不是很高，现场测试也不方便。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试方法及测试装置，既能够测试出电力线窄带载波接入阻抗的模值，又能得到阻抗的相位信息，同时测量结果比较准确，又能很方便应用于现场测量的测试阻抗的方法对于电力线通信进一步发展研究具有重要的意义。

本发明提供的一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试方法，其改进之处在于，所述测试方法包括如下步骤：

（1）在电力线上设置测试装置；

（2）对所述测试装置和导线进行校准；

（3）所述测试装置发送信号至电力线上；

（4）所述测试装置接收从电力线上耦合回来的接入阻抗的数据，根据所述数据拟合成接入阻抗的频率曲线，并显示。

其中，步骤（2）中所述导线是指连接在测试装置和电力线之间的导线；

对所述测试装置和导线进行校准，其步骤包括；

①将所述测试装置连接在电力线上的两端或导线两端短路，得到阻抗Z₁两端的电压U_m1、阻抗Z₂两端的电压U_n1，由欧姆定律可得到阻抗Z₂与由电容和定值电阻组成的阻抗Z₁的表达式：

$\frac{U_{m1}}{U_{n1}}{Z}_2=Z_1;$

②在所述测试装置连接在电力线上的两端接入一个固定电阻Z_D，得到阻抗Z₁两端的电压U_m2和阻抗Z₂两端的电压U_n2，并得到：

$\frac{U_{m2}}{U_{n2}}{Z}_2=Z_1+Z_D;$

③由步骤①和步骤②得到：

$Z_2=\frac{Z_D}{(\frac{U_{m2}}{U_{n2}}-\frac{U_{m1}}{U_{n1}})};$

$Z_1=\frac{U_{m1}}{U_{n1}}{Z}_2;$

④根据步骤③得到的阻抗Z₁和Z₂的值，确定所述测试装置的信号发射装置的电阻和电容元器件的参数的值。

其中，步骤（3）所述测试装置发送信号至电力线上的步骤为；

1）测试装置的信号发射装置产生信号至功率放大器；

2）所述功率放大器将信号放大后传给所述耦合器；

3）所述耦合器将信号耦合到电力线上。

其中，步骤（4）包括如下步骤：

A、所述信号采集装置通过隔离装置采集电力线上的数据，并将数据传给信号处理装置；

B、所述信号处理装置根据所述数据得出接入阻抗的实部、虚部和频率，拟合成接入阻抗的频率曲线，并显示。

本发明基于另一目的提供的一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试装置，其改进之处在于，所述测试装置包括信号发送装置、信号接收装置和信号处理装置；所述信号处理装置和所述信号接收装置连接；

将所述信号发送装置和所述信号接收装置分别安装在电力线上。

其中，所述信号发送装置和所述信号接收装置集成在一块电路板上。

其中，所述信号发送装置包括依次连接的信号发射装置、功率放大器和耦合器；所述耦合器的输出端与电力线连接。

其中，所述信号接收装置包括连接的隔离装置和信号采集装置；

所述隔离装置的输入端与所述电力线连接；

所述信号采集装置的输出端与所述信号处理装置连接。

其中，所述信号采集装置包括高速数据采集卡。

其中，所述信号处理装置包括计算机；所述计算机具有信号处理功能，采用U/I算法得出阻抗的模值、实部和虚部，确定出实部、虚部和频率的关系，并拟合成曲线。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

（1）本发明的信号采集装置是利用高速采集卡对采集的模拟信号进行离散化从而便于对大量数据进行计算，解决了交流信号的采集问题，这种方法安全，且计算效率高，所用的高速采集卡提高了采集信号装置的分辨率，所测得频带范围较宽（30KHZ~500KHZ）,而通常的双电流探头法所用网络分析仪的频率分辨率较低，所测得窄带带宽范围为（300KHZ~500KHZ），使得所测得结果能够比较准确反映现实状况。

（2）本发明所采用的U/I算法不但能够测出阻抗的模值，还能测试阻抗的，实部和虚部和频率的关系，并把它们和频率的关系拟合成曲线，可根据所的数据计算出相位与频率的关系，且测得数据相对于频率具有连续性，克服了谐振法测阻抗只能测出单个频点的劣势，具有普遍性。

（3）本发明所采取的校准原理能把测试装置内部元器件产生的阻抗以及外部连接线产生的阻抗对电力线阻抗的影响消除，使得测试结果更加准确。

（4）本发明把载波信号发射装置、功率放大器、窄带耦合器、高速采集卡、隔离装置做成电路板的形式，把五个装置整合成一个，统一供电，这样便于携带，有利于进行现场测试。

（5）本发明利用短接方法和定值电阻接入法对测试电路内部元器件及外接线进行校准，降低测试误差。

（6）本发明提出一种新的低压电力线阻抗的测试方法，方法基于伏安法（U/I）原理，采用先进的高速信号采集技术，由计算机控制采集电力线路中的窄带载波电压信号，通过计算机专用软件算法计算出所测量点的接入阻抗模值和相位、虚部、实部信息，并拟合成接入阻抗-频率曲线，既提高了测试装置的频率分辨率，使所测得的数据准确性更高，同时使测量装置简便易于进行现场测试。另外还提出一种针对低压电力线阻抗测试的校准方法，用以校准测试电路内部和外接用线对电力线接入阻抗产生的影响。

附图说明

图1为本发明提供的测试装置接入低压电力线的电路图。

图2为本发明提供的信号采集处理图。

图3为本发明提供的校准原理图。

图4为本发明提供的测试装置接入电力线的结构图。

图5为本发明提供的低压电力线接入阻抗的实部、虚部和模值的测试结果图。

图6为本发明提供的低压电力线接入阻抗的相角-频率测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提供的一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试装置，包括信号发送装置、信号接收装置和信号处理装置；所述信号处理装置和所述信号接收装置连接；

将所述信号发送装置和信号接收装置分别通过导线连接在电力线上，如图4所示，其电路图如图1所示。

信号发送装置和信号接收装置集成在一块电路板上。信号发送装置包括依次连接的信号发射装置、功率放大器和耦合器；所述耦合器的输出端与电力线连接。信号接收装置包括连接的隔离装置和信号采集装置，隔离装置的输入端与所述电力线连接，信号采集装置的输出端与所述信号处理装置连接。

本实施例的信号采集装置包括高速数据采集卡。由于所测的是电力线上接入阻抗，所测信号为交流信号并不能直接用交流电压表或者交流电流表测电压电流，他们所测的信号为有效值，并不能满足我们所需的瞬时值要求，又由于所测得点数比较多，对于计算阻抗很不方便，采集到的信号是模拟信号，我们采用高速采集卡对所采集到的模拟信号进行保持、抽样，把所得的离散信号传入PC机，运用计算机专用软件编写计算程序，这样既解决了瞬时值的需求，也解决了数据过大而不易于计算的困难。并且，本实施例利用高速采集卡（RBW≈30HZ）能解决频率分辨率低导致测试结果不准确的问题，分辨率带宽（RBW）的大小能决定是否能把两个相邻的信号分开，采集卡的分辨率带宽越低它的频率分辨率就越高，但是频率分辨率太高又会导致采集和计算时间很长，所以选择合适的采集卡的RBW，既能保证所采集到的信号的准确性，又能保证采集信号和计算的速度。一般方法如双电流探头法测试阻抗是所用的采集信号的装置的RBW比较高；

本实施例的信号处理装置包括计算机；所述计算机具有信号处理功能，采用U/I算法得出阻抗的模值、实部和虚部，确定出实部、虚部和频率的关系，并拟合成曲线。

对应的，本实施例提出的一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试方法，包括如下步骤：

（1）在电力线上设置测试装置；

其中，测试装置通过导线与电力线连接；

（2）对所述测试装置进行校准；

其校准原因分为两个方面，（1）由于电力线的本身的阻抗很小，尤其低压段并接如很多家庭负载导致配电网低压侧的电力线通道阻抗只有几欧姆到十几欧姆，测试电路中的元器件有可能使得测试误差较大；（2）由于本发明方法是针对于外场测试，测试线在接入电力线时有时需连接较长的电线或者电缆，由于我们注入电力线的信号是高频信号，而高频信号在电线或电缆上产生的感抗是比较大的，这部分感抗将会对所测电力线的阻抗产生较大影响，所以测试之前必须把所连接的外接电线或电缆加以校准，使测试结果更加准确。

对所述测试装置进行校准是指对所述测试装置的内部元器件和与测试线在接入电力线时有时需连接较长的电线或者电缆进行校准，

为了达到校准的目的，我们需要对测试装置内的一些电路元器件参数的数值进行确定，如图3所示，变压器原边与交流信号源连接，其副边与导线连接，副边所连接的电路是图1中耦合装置与高速采集卡中间部分的电路，确定这些参数的数值所用原理如下：；

①把L、N两端短路得到U_m1和U_n1，Z₂是定值电阻，这样可以得到由一个电容和定值电阻组成的部分的阻抗Z₁：

$\frac{U_{m1}}{U_{n1}}{Z}_2=Z_1;$

式中，U_m1为Z₁两端的电压；U_n1为Z₂两端的电压；Z₂为未知阻抗；Z₁为电容和定值电阻组成部分的阻抗；

②在L、N两端接入一个固定电阻Z_D，与（1）同理可得到U_m2和U_n2，得到：

$\frac{U_{m2}}{U_{n2}}{Z}_2=Z_1+Z_D;$

式中，U_m2为Z₁两端的电压；U_n2为Z₂两端的电压；Z₂为未知阻抗；Z₁为电容和定值电阻组成部分的阻抗；Z_D为已知定值电阻；

由以上两步可以得到：

$Z_2=\frac{Z_D}{(\frac{U_{m2}}{U_{n2}}-\frac{U_{m1}}{U_{n1}})},$ $Z_1=\frac{U_{m1}}{U_{n1}}{Z}_2;$

这样就得到测试电路中所需要的阻抗Z₁中的定值电阻R₁和电容C的值和Z₂。在进行现场测试时，我们必须把测试装置的信号线先进行短路再接入定值电阻Z_D进行校准，在需要外接电线或电缆时需要把外接电线（缆）与信号线相连再进行上述操作，以消除电路内部元器件及外接电线在高频信号流过时产生的阻抗对测试结果的影响。

（3）所述测试装置发送信号至电力线上，其步骤包括；

1）测试装置的信号发射装置产生信号至功率放大器；

2）所述功率放大器将信号放大后传给所述耦合器；

3）所述耦合器将信号耦合到电力线上。

（4）所述测试装置接收从电力线上耦合回来的接入阻抗的数据，根据所述数据拟合成接入阻抗的频率曲线，并显示，其整个测试过程如图2所示。其中，

步骤（4）具体包括如下步骤：

A、隔离装置将信号采集装置与电网的电力线隔离；

B、所述信号采集装置采集电力线上耦合回来的数据，并将数据传给信号处理装置；

C、所述信号处理装置根据所述数据得出接入阻抗的实部、虚部和频率，拟合成接入阻抗的频率曲线，并显示。

如图1所示，通过高速采集卡采集A点和B点的电压信号，通过USB接口发送到PC机，运用PC机中的软件编写计算程序计算出阻抗的值，所用原理如下：

$U_A=U+I(R_1+\frac{1}{\mathrm{j\ωC}});$

式中，U_A为A点的电压信号；U为L、N两端的电压；I为流过测试电路的电流；R₁为定值电阻；ω为输入信号的角频率；C为定值电容；

$Z=\frac{U}{I}=\frac{U_A}{I}-R_1+j\frac{1}{\mathrm{\ωC}};$

式中，Z为所要测的电力线的阻抗；

$Z=\frac{U_A}{U_B}\·R_2-R_1+j\frac{1}{\mathrm{\ωC}}=-\left|\frac{U_A}{U_B}\right|\·R_2[\cos (\∠\{U_A,U_B\left\}\right)+j\sin (\∠\{U_A,U_B\left\}\right)]-R_1+j\frac{1}{\mathrm{\ωC}}$

式中，R₂为信号发射装置内的定值电阻；U_B为B点的电压信号；

运用上面的计算公式我们可以计算出阻抗的模值，虚部，实部，相位和频率的关系，且是连续的，把计算出的数据拟合成曲线用于分析阻抗的变化规律。

本实施例测试结果示意图如图5和图6所示，图5给出了测试的接入阻抗的阻抗模值、虚部、实部，并能根据所得的测试结果，运用实部与虚部的所测的数据，得出相位与频率的关系，如图6所示。本发明能通过接入阻抗的阻抗模值、虚部和实部等数据分析出电力线上容抗和感抗，可监测电力线是否出现故障。

所用的U/I计算软件能够同时显示阻抗的模值、实部、虚部信息。因为电力线在高频信号传输时分布电感，分布电容会产生影响，还有电力线负载本身及负载与电力线间在一定频率范围内出现谐振现象，所以，有必要了解阻抗的虚部和阻抗的相位随着频率的变化。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：

（1）在电力线上设置测试装置；

（2）对所述测试装置和导线进行校准；

（3）所述测试装置发送信号至电力线上；

（4）所述测试装置接收从电力线上耦合回来的接入阻抗的数据，根据所述数据拟合成接入阻抗的频率曲线，并显示。

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤（2）中所述导线是指连接在测试装置和电力线之间的导线；

对所述测试装置和导线进行校准，其步骤包括；

①将所述测试装置连接在电力线上的两端或导线两端短路，得到阻抗Z₁两端的电压U_m1、阻抗Z₂两端的电压U_n1，由欧姆定律可得到阻抗Z₂与由电容和定值电阻组成的阻抗Z₁的表达式：

$\frac{U_{m1}}{U_{n1}}{Z}_2=Z_1;$

②在所述测试装置连接在电力线上的两端接入一个固定电阻Z_D，得到阻抗Z₁两端的电压U_m2和阻抗Z₂两端的电压U_n2，并得到：

$\frac{U_{m2}}{U_{n2}}{Z}_2=Z_1+Z_D;$

③由步骤①和步骤②得到：

$Z_2=\frac{Z_D}{(\frac{U_{m2}}{U_{n2}}-\frac{U_{m1}}{U_{n1}})};$

$Z_1=\frac{U_{m1}}{U_{n1}}{Z}_2;$

④根据步骤③得到的阻抗Z₁和Z₂的值，确定所述测试装置的信号发射装置的电阻和电容元器件的参数的值。

3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤（3）所述测试装置发送信号至电力线上的步骤为；

1）测试装置的信号发射装置产生信号至功率放大器；

2）所述功率放大器将信号放大后传给所述耦合器；

3）所述耦合器将信号耦合到电力线上。

4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤（4）包括如下步骤：

A、所述信号采集装置通过隔离装置采集电力线上的数据，并将数据传给信号处理装置；

B、所述信号处理装置根据所述数据得出接入阻抗的实部、虚部和频率，拟合成接入阻抗的频率曲线，并显示。

5.一种低压电力线窄带载波接入阻抗的测试装置，其特征在于，所述测试装置包括信号发送装置、信号接收装置和信号处理装置；所述信号处理装置和所述信号接收装置连接；

将所述信号发送装置和所述信号接收装置分别安装在电力线上。

6.如权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述信号发送装置和所述信号接收装置集成在一块电路板上。

7.如权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述信号发送装置包括依次连接的信号发射装置、功率放大器和耦合器；所述耦合器的输出端与电力线连接。

8.如权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述信号接收装置包括连接的隔离装置和信号采集装置；

所述隔离装置的输入端与所述电力线连接；

所述信号采集装置的输出端与所述信号处理装置连接。

9.如权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述信号采集装置包括高速数据采集卡。

10.如权利要求5或8所述的测试装置，其特征在于，所述信号处理装置包括计算机；所述计算机具有信号处理功能，采用U/I算法得出阻抗的模值、实部和虚部，确定出实部、虚部和频率的关系，并拟合成曲线。

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