抗电器干扰的电力线传输时延测量方法、装置及存储介质与流程

1.本发明是关于时延测量领域，特别是关于一种抗用电器干扰的电力线传输时延测量方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.2019年1月国家电网公司提出“三型两网”发展战略。其中两网即“坚强智能电网”和“泛在电力物联网”是实现“三型”的基本途径。正是在这样的大背景下国网信通产业集团公司提出了营配贯通优化提升解决方案，而低压台区配电物联网是电力泛在物联网建设的重要组成部分。基于低压电力线通信技术，以智能台区低压配网智能化改造需求为导向，充分考虑配电台区复杂应用场景，围绕业务数据全范围采集和互联互通需求，通过基于电力线通信技术的网络测量技术与拓扑发现功能研究，对低压台区进行拓扑发现，包括拓扑信息可视化展示、基于分支线路的物理拓扑识别、台区拓扑实时自动更新、户变和户相关系梳理，实现台区整体运作状态在线监测，为台区营配贯通，精益化运维和业务开展提供底层基础数据，支撑配电台区智能化水平整体提升。
3.现有的传输时延测量技术，主要有四类：第一类是基于通信的端到端网络传输时延测试技术，第二类基于脉冲反射的传输时延测量技术，第三类是全球卫星定位技术，第四类是基于扩频通信的高精度测量技术。
4.第一类技术主要应用于计算机网络通信端到端创世时延测试和无线通信网络端到端传输时延测试。在时延测量时，测量方向被测量方发送一个数据包，被测量方收到这个数据包后，返回一个应答包。测量方记录发送数据包的时刻和接收到应答包的时刻，计算出信号从测量端到被测量端的端到端传输时延。该技术受限于通信的传输速率及物理层传输控制机制，该时延测量精度通常都在us级以上。
5.第二类技术主要应用于雷达系统、网线长度测试仪、电缆长度测试仪、光纤长度测试仪、矢量网络分析仪等系统中。雷达系统通过向被探测目标发射一个电磁脉冲，然后等待被测物体间该脉冲反射回来，记录脉冲的发出时刻和反射脉冲的接收时刻，得到传输时延。网线长度测试仪、电缆长度测试仪、光纤长度测试仪都是在被测系统的一端安装设备，该设备通过在这个端口发射脉冲信号后，等待脉冲信号在末端或者断点出被反射回来，记录脉冲发射时刻和反射脉冲的接收时刻，获得传输时延。矢量网络分析仪通过两个端口测量被测线缆的长度，一个端口发射脉冲信号，另一个端口接收该脉冲信号，通过记录发射端口脉冲信号发出时间和接收端口收到脉冲的时刻，计算出传输时延。该技术不能直接应用于电力线网端到端传输时延测量；矢量网络分析仪中的技术，必须要求被测电缆的两头能够放在统一地点，显然不适用于各终端处于不同地理位置的电力线网络；网线长度测试仪、电缆长度测试仪和光纤长度测试仪要求被测线缆、光纤的一端必须与系统断开，且只有一个反射信号，而典型的电力线网络，存在多个分子开关和终端，每一个分支开关和终端都会引起阻抗的不连续，从而产生反射信号，导致测量失败，同时测量电力线网络中端到端传输时延是，也不能将电线与电网断开。
6.第三类技术，采用多个发射端，同时发射不同的信号，达到同一个接收端，接收端通过计算这些信号的到达时间差，结合不同发射源的位置已知的条件，计算出地理位置。系统要求所有发射端存在一个共有的高精度的绝对时钟。发送的数据中，包含了该数据发送时间的标签，接收端在接收到数据时，利用接收到的数据时刻，减去数据中的标签时刻，得到相对传输时延。该技术需要系统具有全网统一的高精度时间，高精度的时钟体积大，成本高，不能嵌入到对成本、体积和功耗敏感的用电设备端，因此也不适用于电力线网络中端到端传输时延的测量。
7.第四类技术，采用m序列扩频码，通过端到端通信，确认测量的双方身份，然后采用扩频码的收发，进行双向时延测量，测量精度可以达到6ns。该技术所测量的端到端的时延，包含了两端用电器的复阻抗特性带来的额外的信号相位延迟，因此所测量的时延并不与电力线传输线的时延成比例，不能精确的反应出端到端电力线长度的相对关系，导致拓扑发现准确率的下降。
8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种抗电器干扰的电力线传输时延测量方法、装置及存储介质，其能够在不影响电网工作的前提下，实现抗用电器干扰的、高精度、小体积、低成本在线端到端传输时延测量。
10.为实现上述目的，本发明提供了一种抗电器干扰的电力线传输时延测量方法，包括以下步骤：
11.s1：改变接收端的电阻的阻值，得到n组不同的输入端电压电流比，选定初始值并设定精度要求；
12.s2：根据初始值计算对时延估计的均方误差矩阵，判断所述均方误差矩阵的模是否小于设定的精度，如果小于所述精度，则得到最优解并进行步骤 s4，否则，则进行步骤s3；
13.s3：根据该均方误差矩阵确定线性搜索方向，对初始值进行更新，并使用更新的初始值重复步骤s2；
14.s4：根据最优解中提取的参数，得到输出时延值。
15.在本发明的一实施方式中，所述步骤s1中，选取n＝3，选定初始值 k＝1,s
(1)
＝(0,50,50,50)
t
，设定精度要求ε＝0.001
16.在本发明的一实施方式中，所述步骤s2中，均方误差矩阵的计算公式如下：
[0017][0018]
均方误差矩阵的模的计算公式如下：
[0019][0020]
在本发明的一实施方式中，所述步骤s3中，根据该均方误差矩阵确定的线性搜索方向为
[0021]
对初始值进行更新的过程如下：在s
(k)
处沿方向d
(k)
做线性搜索得：
[0022][0023]
在本发明的一实施方式中，所述步骤s4具体包括：提取最优解中的参数 x＝γl，并输出时延值其中c为光速，εr为电力线介电常数，γ为电力线传播常数。
[0024]
本发明还提供一种抗电器干扰的电力线传输时延测量装置，包括设定模块、运算模块、更新模块和时延输出模块：
[0025]
所述设定模块用于改变接收端的电阻的阻值，得到n组不同的输入端电压电流比，选定初始值并设定精度要求；并将数据发送到所述运算模块；
[0026]
所述运算模块用于根据初始值计算对时延估计的均方误差矩阵，判断该均方误差矩阵的模是否小于设定的精度，如果小于该精度，则得到最优解并将最优解发送到所述时延输出模块，否则，则发送启动信息至所述更新模块；
[0027]
所述更新模块用于根据该均方误差矩阵确定线性搜索方向，对初始值进行更新，并将更新的初始值发送到所述运算模块；
[0028]
所述时延输出模块用于根据最优解中提取的参数，得到输出时延值。
[0029]
在本发明的一实施方式中，所述设定模块中，选取n＝3，选定初始值 k＝1,s
(1)
＝(0,50,50,50)
t
，设定精度要求ε＝0.001；
[0030]
所述运算模块中，均方误差矩阵的计算公式如下：
[0031][0032]
均方误差矩阵的模的计算公式如下：
[0033][0034]
在本发明的一实施方式中，所述更新模块中，根据该均方误差矩阵确定的线性搜索方向为
[0035]
对初始值进行更新的过程如下：在s
(k)
处沿方向d
(k)
做线性搜索得：
[0036][0037]
在本发明的一实施方式中，所述时延输出模块用于提取最优解中的参数 x＝γl，并输出时延值其中c为光速，εr为电力线介电常数，γ为电力线传播常数。
[0038]
本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种抗电器干扰的电力线传输时延测量方法的步骤。
[0039]
与现有技术相比，根据本发明的抗电器干扰的电力线传输时延测量方法、装置及存储介质，通过改变测量设备的某个参数，测量发射端的电压和电流的比值，计算出与电力线长度成正比的参数，从而得到不含有用电器干扰的传播时延，在已知电力线参数的条件下，可以得到不含有用电器干扰的传播时延的绝对值，达到抗用电器干扰的电力线传播时延测量的目的。此外，在未知电力线参数的条件下，仍然可以得到与电力线长度成正比的参数，完成某些实际的应用，尤其是只需要端到端相对电力线长度，并可以绘制物理拓扑的物理拓扑发现系统。
附图说明
[0040]
图1是根据本发明一实施方式的一种抗电器干扰的电力线传输时延测量方法的流程图；
[0041]
图2是根据本发明一实施方式的相邻两个节点间的时延测量模型的示意图；
[0042]
图3是根据本发明一实施方式的一种抗电器干扰的电力线传输时延测量方法的仿真模型示意图；
[0043]
图4是根据本发明一实施方式的电力线的rlcg仿真模型示意图；
[0044]
图5是根据本发明一实施方式的一种抗电器干扰的电力线传输时延测量装置的示意图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0046]
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
[0047]
如图1至图2所示，根据本发明优选实施方式的一种抗电器干扰的电力线传输时延测量方法，其结合了电力线载波通信技术的抗用电器干扰的高精度端到端传输时延测量方法，可以实现低压配电网内的终端、分支开关或者集中器之间的传输时延的测量。这种高精度的时延，乘以电磁波在电力线中的传播速率(通常小于3*108m/s)，可以实现精度达到2m内的端到端距离估计，为低压配电网物理拓扑发现，提供了条件。
[0048]
图2中示出了邻两个节点间的时延测量模型的示意图，其中，z
t
为发送端电阻，z1为发送端所处位置的用电器等效复阻抗，z2为接收端所处位置的用电器等效复阻抗，l为两个
用电器之间的电缆长度，zr为接收端电阻，zr与 z2并联，中间没有电缆。
[0049]
测试中，将z1两端电压记为u
11
，流经z
t
的电流记为i
11
，zr两端电压记为 u
21
，流经zr的电流记为i
22
，收发之间的转移矩阵为
[0050][0051]
化简后可得
[0052][0053][0054][0055]
对式上述u
11
和i
11
求比值，即可得到u
11
与i
11
的关系
[0056][0057]
令则
[0058][0059]
令x＝γl，则上述公式能够等价为：
[0060]
2k2z1z2rtr (e
x
e-x
)z1z2tr (e
x-e-x
)z0z2tr[0061]
＝(e
x
e-x
)z1z2r (e
x-e-x
)z1z0z2 (e
x-e-x
)z0z1r
[0062]
令
[0063][0064]
则
[0065]
[k1t
r-k2r k3rt
r-k4]＝e
2x
[k5rtr k6t
r-k7r-k4]
[0066]
解得：
[0067][0068]
反复测量，得到n组数据ri和t
ri
(其中，ri是测量接收端的电阻；t
ri
是在接收端电阻改变后，发送端根据上式计算出来的特征值)，i＝1,2,3...n为第i 次测量。每一对ri和t
ri
都满足上述公式，对i＝1,2,3...n及s＝(x,z0,z1,z2)
t
，令
[0069][0070]
上述公式中，f(s)即为对tr估计的均方误差。符合条件的解，应该使得f(s) 达到最小，以满足最小均方误差准则(mmse)：
[0071][0072]
因此，本发明采用多元优化算法中的最速下降法，求解使得f(s)达到最小的参数的解。
[0073]
本发明的方法通过以下步骤获取用电器干扰下的时延：
[0074]
s1.改变接收端的电阻的阻值，得到n组不同的输入端电压电流比(含幅度和相位信息)，选定初始值并设定精度要求。
[0075]
其中，本发明中优选地选取n＝3，选定初始值k＝1,s
(1)
＝(0,50,50,50)
t
，设定精度要求ε＝0.001；其中，本发明选取3组数据可以快速地进行求解，再多组的数据，对结果影响小，并且带来极大的计算量。选定初始值时，在合理的范围内即可，例如，z0～z2的取值在10～2000之间，x的取值在0～10 之间，初值设定的不合理，算法可能不收敛或者计算时间很长
[0076]
s2.根据初始值计算对时延估计的均方误差矩阵，判断该均方误差矩阵的模是否小于设定的精度，如果小于该精度，则得到最优解并进行步骤s4，否则，则进行步骤s3。
[0077]
具体地，在本步骤s2中，计算均方误差矩阵并计算该均方误差矩阵的模
若则停止，否则进行步骤s3。
[0078]
其中，均方误差矩阵和均方误差矩阵的模的计算公式如下：
[0079][0080][0081]
s3.根据该均方误差矩阵确定线性搜索方向，对初始值进行更新，并使用更新的初始值重复步骤s2。
[0082]
具体地，根据该均方误差矩阵确定的线性搜索方向为对初始值进行更新的过程如下：在s
(k)
处沿方向d
(k)
做线性搜索得之后，返回步骤s2。
[0083]
s4.根据最优解中提取的参数，得到输出时延值。
[0084]
具体地，在步骤s2中获得最优解后，提取最优解中的参数x＝γl，并输出时延值其中c为光速，εr为电力线介电常数，γ为电力线传播常数。其中，对于提取的参数x＝γl，γ为电力线传播常数,x的物理意义是待测电力线长度的γ倍。
[0085]
通过本方法得到的时延值τ，为真实的待测电力线长度l的倍数，且该长度l的取值与发送端所处位置的用电器等效复阻抗z1和接收端所处位置的用电器等效复阻抗z2无关，因此本发明具有抗用电器干扰的时延测量功能。
[0086]
进一步，在已知电力线参数γ及εr的条件下，可以得到不含有用电器干扰的传播时延τ的绝对值。
[0087]
对于本发明的某些应用，比如物理拓扑发现，只需要得到端到端时延的线性值，计算出各端点之间相对距离关系，就能获得拓扑结构，此时，无需确切的知道电力线参数(电力线传播常数γ及电力线介电常数εr)，此种情况下，本发明具有重要的价值。
[0088]
根据本发明的一种抗电器干扰的电力线传输时延测量方法，对时延测量的仿真模拟示例如下：
[0089]
仿真使用simulink中的simscape模块，信号源采用电压源，设定zr的值，即r1。通过采样输出u1和i1随时间变化的值，使用matlab的曲线拟合工具箱 (curve fitting tool)进行拟合，得出u1和i1的表达式。再用指数形式表示u1和i1的幅度和相位特性，求比值，即可得到t
r1
。再改变两次zr的值，重复以上步骤，即可得出t
r2
和t
r3
。
[0090]
图3中示出了本发明的一种抗电器干扰的电力线传输时延测量方法的仿真模型。
[0091]
其中，电力线部分l采用rlcg模型表示，如图4所示。
[0092]
仿真采用10v、1mhz的电压源，电缆采用2.5mm2的电力线模型进行仿真。电缆参数如下表1所示：
[0093]
表1 2.5mm2电力线参数
[0094]
截面积c(pf/m)l(μh/m)r0g02.5mm217.50.969.3434.7
[0095]
在长度为l＝10m，频率为1mhz的情况下，x＝γl的理论值为|x|＝0.2581，特性阻抗z0的理论值为234ω。
[0096]
对于每一组不同的s＝(x,z0,z1,z2)
t
，取n＝3，即提供3组不同的输入端电压电流比(含幅度和相位信息)，采用上述方法迭代估计，仿真结果如下表2所示：
[0097]
表2仿真结果
[0098][0099][0100]
可见，基于本发明的测量时延的相对误差在(0.258-0.251)/0.258＝2.71％，测量精度为10m*2.71％＝0.27m。表明本发明提供的方法，通过测量发射端电压和电流的比值，配合接收端电阻的人为改变，可以有效的估算出不含有用电器干扰的传播时延的相对值，在已知电力线参数γ及εr的条件下，可以得到不含有用电器干扰的传播时延τ的绝对值，达到抗用电器干扰的电力线传播时延测量的目的。
[0101]
对于本发明的某些应用，比如物理拓扑发现，只需要得到端到端之间相对距离关系，就能获得拓扑结构，此时，无需确切的知道电力线参数γ及εr，此种情况下，本发明具有重要的价值。
[0102]
如图5所示，本发明的一种抗电器干扰的电力线传输时延测量装置包括：设定模块1、运算模块2、更新模块3和时延输出模块4。
[0103]
设定模块1用于改变接收端的电阻的阻值，得到n组不同的输入端电压电流比(含幅度和相位信息)，选定初始值并设定精度要求；并将数据发送到运算模块2。
[0104]
其中，本发明中优选取n＝3，选定初始值k＝1,s
(1)
＝(0,50,50,50)
t
，设定精度要求ε＝0.001。
[0105]
运算模块2用于根据初始值计算对时延估计的均方误差矩阵，判断该均方误差矩阵的模是否小于设定的精度，如果小于该精度，则得到最优解并将最优解发送到时延输出模块4，否则，则发送启动信息至更新模块3。
[0106]
具体地，运算模块2能够计算均方误差矩阵并计算该均方误差矩阵的模
若则停止，否则发送启动信息至更新模块3。
[0107]
其中，均方误差矩阵和均方误差矩阵的模的计算公式如下：
[0108][0109][0110]
更新模块3用于根据该均方误差矩阵确定线性搜索方向，对初始值进行更新，并将更新的初始值发送到运算模块2。
[0111]
具体地，根据该均方误差矩阵确定的线性搜索方向为对初始值进行更新的过程如下：在s
(k)
处沿方向d
(k)
做线性搜索得之后，将更新的初始值发送到运算模块2。
[0112]
时延输出模块4用于根据最优解中提取的参数，得到输出时延值。
[0113]
具体地，时延输出模块4接收到最优解后，提取最优解中的参数x＝γl，并输出时延值其中c为光速，εr为电力线介电常数，γ为电力线传播常数。
[0114]
基于同样的发明构思，一实施方式中还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述一实施方式所述的抗电器干扰的电力线传输时延测量方法的步骤。
[0115]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0116]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0117]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0118]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0119]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。