融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置的制作方法

本发明涉及一种融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置及方法，属于载波通信技术领域。

背景技术：

在航空航天及车辆系统中，为了保证系统的高可靠工作，需要对整个系统的多个部位进行监控和检测。由于测量参数成百上千，所需的传感器、作动器的数量较多，对应地需要大量的数据传输线；与此同时，对发动机控制、运载管理系统的依赖程度不断增加，对各类客运服务和娱乐系统使用的增加，不可避免地导致航空航天及车辆运载系统中电缆数量多，重量大，分布交叉复杂，降低了运载效率为了解决这一现状，引入电力载波通信技术(powerlinecommunication,plc)，其最大特点是利用电力线路作为传输信息的通道，不需要额外铺设通信线路，可以降低建设成本，减少传统通信电缆的体积和重量，提升运载效率，是一种从根本上减少电力线体积重量的可行有效的方式。该方法将会大大地降低通信成本，避免二次布线的施工困难。因此在汽车，飞机，宇宙飞船等领域得到了广泛地研究与应用。

然而电力载波通信技术的应用会降低运载系统本身的可靠性，这是因为其需要在电力线上接入耦合设备、载波信息发射端和接收端。且航空航天及车辆系统工作环境复杂，电力线受潮湿的空气、化学腐蚀、高温、振动、摩擦、过压过流等因素的影响日益严重，随着使用周期的加长，出现易老化、绝缘性能下降的问题，慢慢地危及电力线的导体层，导致电力线发生断线、接地、短路等故障，为系统正常工作埋下了极大隐患。一旦重要部件所连接的电力线发生故障，不仅会影响正常通信的数据传输，还会导致电力输送中断，对整个电源系统造成连锁反应和致命影响，进而造成严重的生命财产损失，甚至危及生命。另外，由于电力线周围活动空间狭小，造成补救困难，修复时间长，易加剧损失。因此对载波通信和航空航天及车辆系统中的布线可靠性及可维护性需求也越来越高。

在各种关于故障检测和精确定位的方法中，扩展频谱时域反射法(spreadspectrumtimedomainreflectometry,sstdr)因其定位精度高，抗干扰能力强，能够实现在线检测受到了特别的关注，可以大大提高系统检测率。

在honeywell公司的专利u.s.patno7,868,621b2，liuetal.中介绍了一种方法，基于电力线载波的飞机配电系统采用plc技术和sstdr故障诊断方法来提供关键的维护功能。其主要贡献在于不同于传统的飞机配电系统只能对通电前的馈电导线部分进行检测定位，该发明可以实现实时在线故障检测定位。主要方法是将sstdr故障检测装置添加至plc调制解调器，通过plc抽头点将sstdr检测信号注入配电系统，以实现飞机配电系统电力线故障的在线检测定位。

但是该专利仍然存在以下几个方面的问题：

(1)将sstdr故障检测模块添加至plc系统的同时，增加了配电系统故障检测装置的体积、重量和成本；

(2)sstdr故障检测系统通过plc抽头点向电力线注入检测信号，载波通信信号与故障检测信号在信道中并存，两股载波信号存在部分频谱重叠，降低了各自的信噪比，相互干扰，使载波通信功能与故障检测功能同步受到影响；

(3)当plc发射节点与接收节点之间的电力线出现故障，信息传输介质遭到破坏，将无法通过plc技术将故障信息传输至监控终端，进行及时的故障分析和处理。

技术实现要素：

根据前述背景技术中的描述，将sstdr故障检测模块添加至plc系统的同时，增加了配电系统故障检测装置的体积、重量和成本；sstdr检测信号的注入易引起电力线中信号之间的串扰；当plc发射节点与接收节点之间的电力线出现故障，无法通过plc技术将故障信息传输至监控终端等问题。本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提出一种融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置。该装置在不额外增加传统电力线载波装置及故障检测装置体积、重量的情况下，将电力线载波扩频通信信号与故障检测信号相融合，利用融合信号实现电力线载波通信及故障检测与定位的功能，并利用无线通信技术将检测到的故障信息传输至监控终端，便于采取措施及时恢复正常的电力输送和通信信号传输。该装置减少了外接硬件检测设备，降低了硬件装置的体积、成本，实现硬件装置的小型化、低成本、低功耗设计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置，其特征在于所述装置包括：集成化装置发射端与集成化装置接收端。

发射端故障检测载波信号生成与分离子系统：利用发射端uart所得信源信号的采集信号输入故障检测载波信号生成模块，产生特殊频率的m序列和正弦波，分别作为融合扩频码和融合调制码，对信源信号进行周期性扩频和调制，生成一种信源与检测信号融合信号，该信号既可以作为载波信号传输信源信息，又可以作为故障检测信号，具备信息传输与电力线故障检测与定位的双重功能；利用fifo存储器模块实现数据的同步缓存，利用检测信号分离模块从信源与检测信号融合信号中分离出检测信号，利用故障信息提取模块对故障信息进行提取，通过发射端uart进行通信；当检测得到故障信息后，通过故障检测载波信号生成模块可以对检测所得电力线故障信息进行编码，生成信源信号、检测信号及故障信息的融合信号生成，即故障检测载波信号进行电力线载波通信传输；

发射端da模块：对具备故障检测功能和载波通信功能的融合信号进行数模转换；

发射端ad模块：将电力线反射回来的含有故障信息的融合信号进行模数转换；

发射端调理电路：一个连接在da转换模块的输出端，一个连接在ad转换模块的输入端，实现信号的调理；

发射端通信耦合器：与功率电力线进行连接，用于实现集成化装置与功率电力线回路的电气隔离，并将融合信号耦合至待测电力线，同时将反射回来的具有故障信息的融合信号耦合至发射端；

发射端无线通信模块：与发射端uart连接，当功率电力线故障发生在发射端与接收端之间时，故障信息通过发射端uart传输给发射端无线通信模块，实现将电力线的故障信息的无线发射，便于接收端及时发现故障并处理；

发射端电源管理模块：为整个发射端系统提供所需的电压。

接收端故障检测载波信号接收与分离子系统：将接收到的故障检测载波信号通过滤波、故障载波信号解扩、同步(包括载波同步与伪码同步)、pn码生成、故障载波信号解调模块，恢复得到信源与故障信息融合信号，并进一步通过分频采样分离模块，采用不同采样频率将信源信号与故障信息分离，将故障信息通过解码模块进行二进制解码，获取电力线故障信息。故障信息与信源信息通过接收端串口通信uart与上位机进行通信，或者通过接收端无线通信模块与上位机进行通信；

接收端ad模块：采集融合信号进行模数转换；

接收端调理电路：连接在ad转换模块的输入端，实现信号的调理；

接收端隔离耦合器：与功率电力线进行连接，用于实现集成化装置与功率电力线回路的电气隔离，将采集的融合信号耦合至接收端；

接收端无线通信模块：与上位机和发射端无线通信模块之间的通信。

接收端电源管理模块：为整个接收端系统提供所需的电压。

在电力线载波扩频通信信号与sstdr故障检测信号的融合方法中，融合首先体现为检测载波融合信号的生成，将信源信号与检测信号进行融合，实现电力线故障检测功能的同时，进行载波信息传输。其次，故障检测载波信号的生成，从上述检测载波融合信号中提取出故障信息之后，需要将故障信息传输至集成化接收端，及时采取处理措施，因此将故障信息与信源信息、故障检测信号一起融合成故障检测载波信号，该信号可在以上两功能融合的基础上，进一步融合电力线故障信息传输的功能。

一种电力线载波通信信号与sstdr故障检测信号的融合方法，具体步骤如下：

步骤1：首先进行检测信号二进制序列s2与采集信号二进制序列s1的融合：采集信号二进制序列s1的频率为f1，对其进行周期性扩频处理，其扩频码选取n阶m序列n≥5，频率为f2，m序列位数为2ⁿ-1，满足信源信号码元位长是m序列周期长的a倍，即a≥5；

步骤2：对步骤1得到的周期性扩频信号进行调制处理，调制方式选取bpsk，调制正弦波的频率为f2，与步骤2中m序列码片频率相同，得到检测载波信号；该信号具备电力线载波通信功能和电力线故障检测定位的能力，将其作为检测信号，进行数模转换、信号调理并耦合入电力线进行信息的传输及故障诊断；

步骤3：然后进行诊断所得故障信息与采集信源信号的融合以便于将故障信息传输至处理终端，将故障信息进行二进制编码，形成一帧二进制序列s3，序列长度为l3，频率为f3；

步骤4：将故障信息二进制序列s3与采集信号二进制序列s1进行相乘运算，s3与s1的码片位长保持整数倍关系，即得到故障信息与信源信息融合信号，频率为f3，

步骤5：将步骤4得到的故障信息与信源信息融合信号进行周期性扩频处理，满足故障信息与信源信息融合信号码元位长与m序列相等的条件，即

步骤6：对步骤5到的周期性扩频信号进行调制处理，调制方式选取bpsk，调制正弦波的频率为f2，与步骤5中m序列码片频率相同，得到故障检测载波信号；该信号在检测载波信号的基础上，进一步提升了集成度，同时与故障信息进行融合，具备故障检测与定位、信源信息传输、故障信息传输的能力。

二进制信源信号具有比扩频码更低的频率，即在信源信号的位长时间内，对应整数倍序列周期的扩频码，周期性扩频运算后，扩频信号并没有改变序列周期内扩频码的排列，即扩频信号在其扩频码序列周期内仍然具有自相关性和互相关性，即生成了具备载波通信特性和故障检测定位特性的检测载波信号。将检测载波信号作为入射信号，当该信号传输至故障点，因阻抗失配导致信号反射，相应的从电力线中得到的反射检测载波信号也同样具有携带载波信息和故障检测定位的特性。因m序列具有优良的自相关性和互相关性，这里选取m序列作为融合扩频码，通过对检测载波信号进行分离处理，并对入射检测载波信号和反射检测载波信号的相关运算波形采样来进行故障信息的提取，确定电力线故障类型(短路，开路，间歇性故障等)与位置。

提取得到故障信息后，将信源信号与检测所得的故障信息进行相乘处理，生成故障信息与信源信息融合信号。然后同理，对故障信息与信源信息融合信号进行周期性扩频处理及载波调制，最后得到故障检测载波信号，实现故障信息、信源信息与故障检测信号的融合。

所述的融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置可以对处理完毕后的电力线故障信息进行编码，生成信源信号、检测信号及故障信息的融合信号。当电力线故障发生在集成化装置发射端与接收端之外时，可以通过电力线，通过集成化装置进行故障检测载波信号的传输，以便及时将信源信号与故障信息传输至集成化装置接收端，及时对电力线故障进行处理。

所述的融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置，其发射端故障检测载波信号生成与分离子系统可以与无线通信模块之间进行通信，考虑到当功率电力线故障发生在集成化装置发射端与集成化装置接收端之间时，可以通过无线通信模块，将发射端故障检测载波信号生成与分离子系统内部的故障信息发射至接收端，保证通信功能的正常工作及故障信息的及时处理。

所述的融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置，其接收端无线通信模块能够与上位机之间进行通信，当功率电力线故障发生在集成化装置发射端与集成化装置接收端之间时，上位机不能通过有线通信传输获取信源信号及故障信息，则通过接收端无线通信模块，给发射端无线通信模块以指示，指引其发射电力线故障信息，接收端无线通信模块接收信息并上传给上位机，以便及时处理。

本发明的有益效果是：

1.利用信号融合方法实现载波通信信号与故障检测信号的有机融合，使电力载波通信信号具备故障检测信号的特征，实现将信源信号、检测信号及故障信息融合为一种故障检测载波信号。避免了传统方法中为了实现载波通信电力线的故障诊断功能，将故障检测信号与载波通信信号同时注入待测电力线中，消除了两股信号之间的频谱重叠带来的干扰。

2.该装置将电力线载波通信功能与电力线故障检测定位功能有机结合，相比传统的故障诊断装置以及电力线载波通信装置，在不增加装置体积、重量及成本的情况下，利用融合信号同时实现电力线的载波通信功能与故障检测与定位功能，进行载波通信装置的自诊断。实现硬件装置的小型化、低成本、低功耗设计，可有效提升电力输送和通信系统的可靠性和可维护性，有利于市场推广。

3.综合考虑故障在载波电力线的发生位置，当故障出现在集成化装置发射端与接收端之间的电力线时，集成化系统的有线传输功能无法正常工作。利用集成化装置中的无线通信模块进行故障信息的传输，保证故障信息与上位机之间的良好通信，在信息接收终端对故障进行及时分析处理，便于及时采取针对性措施，为电力传输提供保障，实现电力输送，信息传输，故障诊断的有机集成。

本发明的技术方案可广泛应用于飞机、船舶、电动汽车的低压和高压电力系统。

附图说明

图1是本发明的集成化装置整体构架示意图；

图2故障检测载波信号生成模块结构示意图；

图3是电力线载波扩频通信信号与sstdr故障检测信号的信号融合方法示意图；

图4是检测信号分离结果所得的电力线故障信息曲线；

图5是集成化装置发射端与接收端信源数据传输波形；

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明所涉及的一些关键技术，以支持权利要求部分。

图1为融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置整体构架示意图。在集成化装置发射端1中，利用发射端uart23将信号采集器9采集所得的信源信号输入发射端故障检测载波信号生成与分离子系统3中的故障检测载波信号生成模块19，产生具有周期特性的伪随机序列和正弦波，分别作为融合扩频码和融合调制码。并对信源信号进行周期性扩频和调制，生成一种检测载波信号，该信号既可以作为载波信号传输信息，又可以作为电力线故障检测信号，具备信息传输与电力线故障检测与定位的双重功能；发射端da模块4连接于发射端故障检测载波信号生成与分离子系统3与发射端调理电路6之间，用于对故障检测载波信号生成与分离子系统生成的载波通信与故障检测融合信号进行数模转换；发射端da模块4与发射端隔离耦合器7之间，发射端ad模块5与发射端隔离耦合器7之间分别连接有一发射端调理电路6，用于实现对信号幅值的调理；发射端隔离耦合器7连接电力线，用于实现集成化装置与功率电力线回路的强弱电隔离，将载波通信与故障检测融合信号耦合至待测电力线，同时将反射回来的具有故障信息的载波信号耦合至发射端；发射端ad模块5连接于发射端调理电路6与发射端故障检测载波信号生成与分离子系统3之间，用于将电力线反射回来的含有故障信息的载波信号进行模数转换；在发射端故障检测载波信号生成与分离子系统3中实现数据的同步缓存(利用fifo模块20)，融合信号分离处理(利用检测信号分离模块21)、故障信息提取(利用故障信息提取模块22)，通过发射端串口通信uart23与发射端无线通信模块8之间进行通信。此时还需要将故障信息传输至故障监控终端，即集成化装置接收端2，进行故障的分析与处理。当电力线故障发生在集成化装置发射端与接收端之外时，可以通过集成化装置进行故障信息的有线传输，因此将故障信息输入故障检测载波信号生成模块19，将故障信息、信源信息与检测信号融合信号进行进一步融合，生成故障检测载波信号，实现数据传输。

在集成化装置接收端2中，故障检测载波信号通过电力线被传输至装置集成化接收端2中。接收端隔离耦合器14连接于电力线与接收端调理电路13之间，与功率电力线进行连接，用于实现集成化装置与功率电力线回路的电气隔离，并将采集的融合载波信号耦合至接收端；接收端调理电路13连接于接收端隔离耦合器14与接收端ad模块12之间，用于对信号的幅值进行调理；接收端ad模块12连接于接收端调理电路13与接收端故障检测载波信号接收与分离子系统11之间，用于将故障检测载波信号进行模数转换；接收端故障检测载波信号接收与分离子系统11用于将接收的故障检测载波信号进行滤波(利用滤波模块24)、故障载波信号解扩(利用故障载波信号解扩模块26)、同步(利用同步模块25)、pn码生成(利用pn码生成模块32)、故障载波信号解调(利用故障载波信号解调模块27)，分频采样分离(利用分频采样分离模块33)，解码(利用解码模块28)，恢复出信源信号，获取电力线故障信息。通过接收端串口通信uart29与上位机进行通信，或通过接收端无线通信模块15和上位机之间进行通信，实现故障信息的传输，便于及时采取处理措施。

在集成化装置发射端1与集成化装置接收端2，分别有发射端无线通信芯片8和接收端无线通信芯片15与上位机相连，其作用是当故障点在集成化装置发射端1与集成化装置接收端2之间时，传输介质被破坏，集成化装置无法实现故障信息的有线通信传输。此时上位机不能获取信源信号及故障信息，则通过接收端无线通信芯片15，给发射端无线通信芯片8以指示，指引其发射电力线故障信息，接收端无线通信芯片15接收信息并上传给上位机，以便及时处理。

图中发射端电源管理模块10为整个发射端系统提供所需的电压，接收端电源管理模块17为整个接收端系统提供所需的电压。

图2为故障检测载波信号生成模块19结构示意图，该模块包括编码模块18、周期性扩频模块30，检测信号生成模块32，融合载波调制模块31，采用一种电力线载波扩频通信信号与sstdr故障检测信号的信号融合方法，将采集的信源信号、检测信号及故障信息进行融合，使电力线载波通信信号在传输信息的同时可以作为故障检测信号，对传输电力线进行故障的检测和定位，并将所得故障信息传输至集成化接收端。

在电力线载波扩频通信信号与sstdr故障检测信号的融合方法中，融合首先体现为检测载波融合信号的生成，实现电力线故障检测功能的同时，进行载波信息传输。其次，故障检测载波信号的生成，从上述检测载波融合信号中提取出故障信息之后，需要将故障信息传输至集成化接收端，及时采取处理措施，将故障信息与信源信息、检测信号一起融合成故障检测载波信号，该信号可在以上两功能融合的基础上，进一步融合电力线故障信息传输的功能。

图3为电力线载波扩频通信信号与sstdr故障检测信号的信号融合方法示意图，其具体实施步骤如下：

步骤1：首先进行检测信号二进制序列s2与采集信号二进制序列s1的融合。采集信号二进制序列s1的频率为f1，对其进行周期性扩频处理，其融合扩频码选取n阶m序列n≥5，频率为f2，m序列位数为2ⁿ-1，满足信源信号码元位长是m序列周期长的a倍，即a≥5；

步骤2：对步骤1得到的周期性扩频信号进行调制处理，调制方式选取bpsk，调制正弦波的频率为f2，与步骤2中m序列码片频率相同，得到检测载波信号；该信号具备电力线载波通信功能和电力线故障检测定位的能力，将其作为检测信号，进行数模转换、信号调理并耦合入电力线进行信息的传输及故障诊断；

步骤3：然后进行诊断所得故障信息与信源信号的融合以便于将故障信息传输至处理终端，将故障信息进行二进制编码，形成一帧二进制序列s3，序列长度为l3，频率为f3；

步骤4：将故障信息二进制序列s3与采集信号二进制序列s1进行相乘运算，s3与s1的码片位长保持整数倍关系，即得到故障信息与信源信息融合信号，频率为f3；

步骤5：将步骤4得到的故障信息与信源信息融合信号进行周期性扩频处理，满足故障信息与信源信息融合信号码元位长与m序列相等的条件，即

步骤6：对步骤5到的周期性扩频信号进行调制处理，调制方式选取bpsk，调制正弦波的频率为f2，与步骤5中m序列码片频率相同，得到故障检测载波信号；该信号在检测载波信号的基础上，进一步提升了集成度，同时与故障信息进行融合，具备故障检测与定位、信源信息传输、故障信息传输的能力。

二进制信源信号具有比融合扩频码更低的频率，即在信源信号的位长时间内，对应整数倍序列周期的融合扩频码，周期性扩频运算后，扩频信号并没有改变序列周期内融合扩频码的排列，即扩频信号在其扩频码序列周期内仍然具有自相关性和互相关性，即生成了具备载波通信特性和故障检测定位特性的检测载波信号。将检测载波信号作为入射信号，当该信号传输至故障点，因阻抗失配导致信号反射，相应的从电力线中得到的反射检测载波信号也同样具有携带载波信息和故障检测定位的特性。因m序列具有优良的自相关性和互相关性，这里选取m序列作为融合扩频码，通过对检测载波信号进行分离处理，并对入射检测载波信号和反射检测载波信号的相关运算波形采样来进行故障信息的提取，确定电力线故障类型(短路，开路，间歇性故障等)与位置。

提取得到故障信息后，将信源信号与检测所得的故障信息进行相乘处理，生成故障信息与信源信息融合信号。然后同理，对故障信息与信源信息融合信号进行周期性扩频处理及载波调制，最后得到故障检测载波信号，实现故障信息、信源信息与故障检测信号的融合。

本发明中，不同于传统需要依靠外接硬件电路的电力线故障检测方法，本装置将故障检测信号与载波通信扩频调制信号进行有机融合，利用故障检测载波信号在载波信息传输的同时进行电力线故障的检测与定位，减少了外接硬件检测设备，降低了硬件装置的成本，且选取低功耗、低成本、高性能的fpga系列芯片、dac与adc芯片，实现了硬件装置的小型化、低成本、低功耗设计。

如图4所示为在af250聚四氟乙烯电力线的4.1m处设置开路故障，设置sstdr的入射信号中心频率为10mhz，融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置中，检测信号分离及故障信息提取结果所得的电力线故障信息曲线。从图中可以看出，两个波头峰值之间沿x轴方向的距离能够准确地反映故障距离，一次反射波头极性可以准确反映故障类型(开路或短路)。

如图5所示为载波通信系统正常工作时，融合电力线载波通信与故障检测定位功能的集成化装置的发射端与接收端传输波形示意图。从图中可以看出，信号可以实现准确传输。

综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合均落入本发明保护范围。