摘要：跨變壓器臺區(qū)電力通信信號的頻帶位于200～600Hz之間，該信號可自動跨過配電變壓器通過電力線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這種配電網(wǎng)通信方式采用過零調(diào)制發(fā)送及數(shù)字差分接收技術(shù)，具有信號調(diào)制功率小、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的特點。介紹了跨變壓器臺區(qū)電力通信信號的定義、調(diào)制、解調(diào)方法及抗干擾措施。
關(guān)鍵詞：過零調(diào)制 差分接收 相關(guān)技術(shù) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
跨變壓器臺區(qū)電力通信技術(shù)是一種以配電網(wǎng)為媒介的新型數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。該技術(shù)解決了如何利用現(xiàn)有配電網(wǎng)實現(xiàn)無中縫、無橋接設(shè)備的跨變壓器臺區(qū)在不同電壓等級之間的數(shù)據(jù)交換問題。如圖1所示，跨變壓器臺區(qū)電力通信系統(tǒng)由位于二次變電所的主站與位于用戶電能表的采集模塊組成，該系統(tǒng)完全以10kV/220V配電網(wǎng)為信息傳輸媒介，在用戶變壓器附近無需增加附屬設(shè)備。信號發(fā)送采用電壓過零調(diào)制的辦法，在電壓過零點附近可以用較小的調(diào)制功率實現(xiàn)信號的疊加，同時電壓附近可以用較小的調(diào)制功率實現(xiàn)信號的疊加，同時電壓過零點自然提供了通信過程中信號檢測的同步。信號的檢測采用差分接收技術(shù)可以從電網(wǎng)大噪聲背景中將微弱調(diào)制信號檢測出來。調(diào)制信號分為下行電壓信號與上行電流信號。下行電壓信號傳輸方向從主站到采集模塊，代表命令信息，以電壓過零點附近電壓的微弱畸變表示信息；上行電流信號傳輸方向從采集模塊到主站，代表用戶數(shù)據(jù)，用電壓過零點附近對應(yīng)電流的瞬間脈沖變化表示信息。調(diào)制信號的頻帶位于200～600Hz之間，能夠跨過配電變壓器沿電力配電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸。
圖1
1 信號的定義
跨變壓器臺區(qū)電力通信技術(shù)從主站到采集模塊的下行電壓信號用兩個相鄰電壓周期波形表示一位信息，通過位于變電所的主站調(diào)制變壓器疊加信號，使過零點附近電壓幅值發(fā)生非常微弱的畸變，第一個周期含有調(diào)制信號，表示“1”；反之，表示“0”，見圖4（a）。該定義有利于采集模塊處信號的檢測，在采集模塊可將相鄰兩個電壓周期數(shù)據(jù)作差后檢測電網(wǎng)中是否含有主站來的信號。
考慮到配電網(wǎng)電流諧波較大，從采集模塊到主站的上行電流信號用4個電流周期波形表示一位信息，4個相鄰周期共有8個電壓過零點。在對上行電流信號定義的規(guī)定這樣的原則：對8個過零區(qū)域中的4個進(jìn)行調(diào)制，其中兩個是正過零區(qū)，另外兩個是負(fù)過零區(qū)。這樣，可以得到36個碼圖。由于表示“1”和“0”的碼圖是互相對應(yīng)的關(guān)系，所以共有18組碼圖可以使用。如果規(guī)定在8個過零點中的1、3、6、8位置進(jìn)行調(diào)制表示數(shù)字“1”那么對應(yīng)調(diào)制的2、4、5、7就用來表示“0”。研究證明，不同電網(wǎng)通信環(huán)境需要不同碼圖。
2 調(diào)制信號的實現(xiàn)
下行電壓信號及上行電流信號的疊加都采用電壓過零調(diào)制。之所以采用這種辦法一方面是因為配電網(wǎng)的主站變壓器（變電所的主變）及用戶變壓器均有等效泄漏電感使信號的疊加成為可能；另一方面在電壓波形過零點附近所需調(diào)制功率最小。同時，電壓的過零點位置特殊性也為信號的定位提供了條件，便于主站信號的疊加和采集模塊處信號的檢測。
下行電壓信號的調(diào)制工作在主站完成，調(diào)制電路通過位于變電所的調(diào)制變壓器進(jìn)行隔離和信號的耦合，調(diào)制變壓器可以是普通的用戶變壓器，也可以是特制的高阻抗變壓器。下行電壓信號調(diào)制等效電路如圖2所示。圖2中E為主站電壓，Li表示二次變電所主變漏感，Rc、Lc為調(diào)制變壓器二次側(cè)調(diào)制電路參數(shù)，ec可以取自不同的相當(dāng)于調(diào)制信號的調(diào)制位置。當(dāng)位于調(diào)制變壓器二次側(cè)可控硅開關(guān)在過零點前30°導(dǎo)通時，導(dǎo)通電流i'c必然導(dǎo)致調(diào)制變壓器一次側(cè)ic電流的形成，通過主變引起一個電壓降emod=-Li(d/dt)ic，此時的調(diào)制電壓疊加于電網(wǎng)電壓波形上，從而完成一次調(diào)制過程。根據(jù)調(diào)制變壓器和主站變壓器的內(nèi)部參數(shù)，可以通過調(diào)整Rc、Lc的值來得到需要的調(diào)制信號的強(qiáng)度及位置。
圖2
上行電流信號的發(fā)送調(diào)制與下行電壓信號的調(diào)制原理基本相同，但是利用電流形變來攜帶信息，由用戶端調(diào)制設(shè)備來完成。
3 信號的解調(diào)
跨變壓器臺區(qū)電力通信中信號的檢測是一種大背景下小信號的檢測。以主站上行電流信號的檢測為例，若采集模塊在電壓過零附近調(diào)制一個50A的峰值電流信號脈沖（對應(yīng)電壓零點瞬間功率很�。�，該電流折算到10kV母線上是50×2200/10000=1.10A。而作為一個中型變電所其母線（10kV傳輸支線）上的電流大概是1000A左右，背景信號與上行電流信號的比值接近1000:1。顯然要準(zhǔn)確地檢測出有用信號是相當(dāng)難度的，這里完全沒有考慮信號的衰減情況。下行電壓信號過零點附近電壓跨變率不到1%。檢測過程中的一項重要任務(wù)是背景信號的去除。這里需要差別有無調(diào)制信號，對調(diào)制信號本身的大小和形狀差不過多要求�？缱儔浩髋_區(qū)電力通信系統(tǒng)可以采用時域方法解調(diào)信號。
信號的檢測采用數(shù)字差分技術(shù)，用前一次的采集值與當(dāng)前的采樣值進(jìn)行做差運算。如圖3所示，可以用下面的方程描述出來：
d(t1)=F(t1)-F(t1-T) (1)
經(jīng)過推導(dǎo)可得：
（2）式為跨變壓器臺區(qū)通信系數(shù)數(shù)字差分檢測不同算法提供了理論依據(jù)。實踐證明，數(shù)字差分技術(shù)對電網(wǎng)的整次諧波有很強(qiáng)的抑制能力。
下行電壓信號的檢測：
圖4（a）表示的下行電壓信號的bit"0"，兩個周期表示一位，調(diào)制信號疊加在第二個周期電壓過零點附近。若調(diào)制信號疊回在第一個周期，則表示下行電壓信號的bit“1”。為了檢測信號的方便，將圖4（a）波形全波整流得到圖4（b）波形。圖4（b）中高有兩個比較電平V1和V2，通過單片機(jī)的定時器分別測得比較電平對應(yīng)時間量t11,t12,t13,t14,t21,t22,t23,t24,令Δt=(t21-t11+t22-t12)+(t13-t23+t14-t24)，不考慮噪聲及電網(wǎng)頻率的變化，當(dāng)電網(wǎng)中沒有工頻通信調(diào)制信號時，Δt的值為零，反之，存在調(diào)制信號，同時可以根據(jù)Δt的正負(fù)來判斷所接收到的信號是“0”還是“1”。這種方法，算法簡單，硬件實話容易，對于電網(wǎng)干擾較小的居民應(yīng)用是可行的。但電網(wǎng)頻率的波動、家用電器的干擾、檢測系統(tǒng)時間基準(zhǔn)的變化等很容易影響接收數(shù)據(jù)判斷的正確性，則需要采用后面所述的抗干擾措施。
上行電流信號的檢測：為了削弱背景電流的影響，在主站接收端對三相電流進(jìn)行移相疊加，去除大背景信號的影響，然后利用相鄰波形進(jìn)行特征檢測。根據(jù)采集模塊利用電壓波形過零區(qū)域調(diào)制的特性，主站接收端只需在電壓過零附近設(shè)置檢測窗口，然后利用相應(yīng)的正交驗測矩陣判斷當(dāng)前電流調(diào)制波形所攜帶的信息。
4 信號檢測過程中的抗干擾技術(shù)
配電網(wǎng)并不是理想的通信媒介，從前面的原理可以看出，采用差分技術(shù)解調(diào)能夠去聊電網(wǎng)整次諧波的干擾，但電網(wǎng)的非整次諧波有可能干擾跨變壓器臺區(qū)通信的信號檢測。相關(guān)原理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號辨識及糾錯碼技術(shù)均可用于配電網(wǎng)跨變壓器臺區(qū)電力通信的信號檢測以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
相關(guān)原理可用于確定信號的檢測。由于本通信系統(tǒng)中主站及采集模塊信號的波形均是確定的，所以信號接收時可通過相關(guān)函數(shù)的計算來度量所接收的信號與發(fā)送信息波形之間的相似程度，從而判定在接收的信號中是否含有調(diào)制信號，已達(dá)到從受干擾的波形中檢測出有用信號目的。相關(guān)信號檢測從濾波器角度等同于具有最佳信噪比的匹配濾波器。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很容易實現(xiàn)兩個集合的非線性映射。本系統(tǒng)干擾信號識別中采用徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它局部逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有較強(qiáng)的逼近能力、分類能力及學(xué)習(xí)速度�？梢杂脦Ц蓴_（發(fā)電機(jī)啟動）的信號樣本去訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，樣本的選擇很重要。
此外，采用糾錯編碼也是一種很好的抗干擾方法。所謂糾錯編碼，即將一個具體碼字經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)運算，使碼內(nèi)數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，在碼字中或碼字后加額外的冗余位，從而構(gòu)成一個待發(fā)的碼字。在接收端再按解碼矩陣進(jìn)行解碼，達(dá)到譯碼的目的。常見的糾錯碼有漢明碼，本通信系統(tǒng)采用內(nèi)嵌校驗和的（63，51）BCH碼，形成CRC檢測與檢測和檢測的雙層“過濾”，再加上BCH碼本身的糾錯功能，從而使該碼具有較強(qiáng)的抗干擾能力。該BCH碼可以糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中的1位及兩位錯誤，同時對于3位及3位以上的錯誤能夠出錯誤標(biāo)志。
基于配電網(wǎng)的跨變壓器臺區(qū)電力通信技術(shù)是一種實用的配電網(wǎng)通信技術(shù)，相對于配電網(wǎng)載波通信技術(shù)而言，它具有信號衰減小、抗干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、自動跨變壓器臺區(qū)的特點，該技術(shù)適用于數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高的遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程負(fù)荷控制等。目前，該系統(tǒng)已實際應(yīng)用在配電網(wǎng)跨臺區(qū)遠(yuǎn)程抄表，經(jīng)過實際運行，該系統(tǒng)的跨臺區(qū)通信距離達(dá)40km以上，效果良好，適合中國電網(wǎng)環(huán)境。
