摘 要： 雙向工頻通信系統(tǒng)(TWACS)是一種基于電力配電網(wǎng)的新型通信技術(shù)。提出在不同噪聲情況下應(yīng)采用不同的TWACS信號檢測方法，分析了差分檢測方法，通過陷波和小波分析結(jié)合的手段得到了TWACS通信弱信號的良好的提取效果并由仿真實驗證實了所提出的檢測方法的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞： 雙向工頻通信系統(tǒng); 差分算法; 仿真技術(shù)
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雙向工頻自動通信系統(tǒng)TWACS(Two Way Automatic Communication System)是近年來發(fā)展起來的一種基于電力配電網(wǎng)絡(luò)的新型通信技術(shù)。該通信技術(shù)采用獨特的信號在電壓過零點調(diào)制的方法，無需增加中繼環(huán)節(jié)，可直接跨變壓器臺區(qū)進行通信，而且不受饋電線路結(jié)構(gòu)、變壓器容量等因素的限制和約束，非常適合于小信道容量的場合，具有很高的實用價值。
TWACS系統(tǒng)中，電網(wǎng)中的背景電壓電流遠大于調(diào)制的通信信號，因而通信信號在配電網(wǎng)中傳輸，相當于弱信號淹沒在強噪聲背景中，需要采取有效的方法將它提取出來，進行檢測和分析。本課題以雙向工頻通信系統(tǒng)為背景，對其通信信號的檢測方法進行深入的研究，旨在進一步提高信號檢測能力，并將所研究的成果應(yīng)用于實際。
1 雙向工頻通信系統(tǒng)及其弱信號檢測方法
雙向工頻通信系統(tǒng)核心思想就是利用電網(wǎng)電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息，可以直接通過變壓器，實現(xiàn)跨臺區(qū)通信，直接傳輸?shù)竭h程用戶處，不需要中繼環(huán)節(jié)。整個雙向工頻自動通信系統(tǒng)的組成如圖1所示。
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在TWCAS中，為提取通信信號，對混雜在強噪聲中的弱信號進行分析檢測，提高系統(tǒng)檢測信號的信噪比，常用方法主要有以下幾種:
(1) 傳統(tǒng)的基于時間變化量測量的信號檢測方法
基于時間變化量測量的信號檢測方法是最基本的檢測方法。這種方法在高耗能地區(qū)通信時誤碼率較高，在強噪聲情況下通信調(diào)制信號檢測的可靠性較低。
(2) 基于互相關(guān)技術(shù)的通信信號檢測方法
在雙向工頻通信系統(tǒng)中，調(diào)制信號的波形是確定的。將調(diào)制信號的波形與接收信號波形作互相關(guān)運算，可以提高系統(tǒng)信號信噪比。這種信號檢測方法的可靠性優(yōu)于傳統(tǒng)的基于時間測量的信號檢測方法，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。
(3) 基于匹配濾波器的通信信號檢測方法
匹配濾波器是用最大信噪比準則來衡量的最佳線性濾波器，能夠檢測淹沒在噪聲中的持續(xù)時間有限、波形已知的信號。在雙向工頻通信系統(tǒng)中，信號檢測需要判別的是在確定位置的信號有無問題，屬于幅度信息的匹配檢測。用匹配濾波器檢測TWACS中的通信信號可以提高接收端輸出信噪比。
(4) 基于全通濾波器的IIR陷波濾波器的通信信號檢測方法
通信信號的頻帶一般分布在200Hz～600Hz之間，為了保證采樣時獲得通信信號的足夠信息，采樣頻率應(yīng)在4 000Hz以上。背景噪聲中最大的幾個成分，如基波、3次諧波、5次諧波都處于相對采集頻率的低頻段中。能否準確地濾除這些低頻成分的干擾，將直接影響通信的質(zhì)量。本文將討論采用基于2M階全通濾波器的IIR陷波濾波器來抑制工頻通信中的M個周期性干擾。
2 仿真系統(tǒng)設(shè)計及實驗
參考目前普通使用的低壓配電網(wǎng)，電源一般引自10kV低壓變電所，經(jīng)過用戶變壓之后經(jīng)由ABC各相送入用戶使用，變壓器選用Δ-Y結(jié)構(gòu)，容量100kVA，變比10kV/0.4kV，其他參數(shù)按10kV用戶變壓器通用參數(shù)選取，如圖2所示。
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??? 在用戶端，為較好地反映通常情況下的用戶端用電情況，設(shè)計三相負荷基本平衡[1][2]。將上行信號發(fā)送端安裝在A相負荷之上，同時在變壓器高壓側(cè)的子站A相端檢測這個信號。為了驗證TWACS的多路傳輸與信號檢測，A相負荷上設(shè)計了兩路信號的發(fā)送。整個用戶端的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如圖3所示。
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??? 仿真開始后，在用戶端A相采集得到的電流Ia1和電壓Ea2分別如圖4和5所示?？梢钥吹?，由于兩路調(diào)制信號的加入，使得原負荷電流在多處均發(fā)生了畸變。由于用戶負荷呈現(xiàn)的感性，所以電流信號脈沖并不是完全落在電流過零點上，而是稍稍落后靠近波峰一端。因此將每個采樣窗口定為電壓過零點之間的180°范圍。
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??? 在調(diào)制上行信號時，電壓的波形發(fā)生的畸變很小。在實際應(yīng)用中，電流的調(diào)制值其實更為微弱，因此電壓波形的畸變是非常微弱的。從這一點也可以看出，雙向工頻通信系統(tǒng)對用戶設(shè)備的影響是可以忽略不計的。
??? 仿真系統(tǒng)中，攜帶信號的電流如圖6所示。由于變壓器的電壓比為
，用戶端電流經(jīng)過變壓器到達子站端時電流僅為原來數(shù)值的0.04，調(diào)制信號幅值也同時會相應(yīng)減少，圖6中的電流畸變已經(jīng)非常微弱。
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3 仿真信號的弱信號檢測
3.1 差分檢測方法
??? 對仿真產(chǎn)生的Ia2的數(shù)據(jù)進行采樣，將采樣后的數(shù)據(jù)在MATLAB中做差分計算，再用碼圖A6、A14、A1對應(yīng)的探測矩陣：
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與得到的矩陣S分別相乘，每組得到36個數(shù)據(jù)，將其繪制出來成為T波形。得到的3組T波形如圖7所示。
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可以看到，對于有調(diào)制信號輸出的兩路信號，識別波形T清晰地顯示出傳輸信號“1”和“0”；而第三路的識別波形T顯示該通道未有調(diào)制信號，與實際情況相吻合。這也說明，在用戶發(fā)送端同時發(fā)送正交信號時接收端可以利用各自的特定探測矩陣分別解調(diào)各個信道而不會產(chǎn)生錯誤。TWACS信號差分識別檢測方法是可行和有效的。
同理將這樣的多路傳輸推廣，可選擇一組編碼同時發(fā)送6路正交信號從而利用通道的正交特性進行多路并行傳輸。
3.2 非差分檢測方法
差分識別算法雖然能有效提取TWACS中的通信信號，但它的局限性也較為明顯，當隨機干擾較大時，檢測效果不夠理想。
對上面仿真產(chǎn)生的Ia2信號加入一些隨機干擾，實際上，這與TWACS的實際通信情況更為接近。圖8是在這種有噪聲的情況下進行差分運算得到的T波形，此時的T波形已經(jīng)很不理想，有信號與無信號之間的差別非常模糊，極大地影響了判斷和識別。
因此需要采取其他的方法提取信號。下面驗證本文提出的非差分檢測方法：先消除TWACS中的諧波干擾，再對其進行小波分析，得到需要的信號特征。
在消除諧波干擾之前，首先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，濾除高頻非整次諧波和高頻脈沖的干擾。對于圖8所示的含有干擾的信號首先輸入一個帶通濾波器，該濾波器應(yīng)在信號的帶寬范圍內(nèi)有很好的帶通性，而在高頻范圍內(nèi)有很好的帶阻性，此濾波器采用Matlab可以很方便地設(shè)計，計算出傳遞函數(shù)如下：
根據(jù)采用陷波器消除雙向工頻通信系統(tǒng)中諧波干擾的思想，首先選用合適的陷波器。由于電力系統(tǒng)中諧波干擾的頻率基本是為基波、3次和5次諧波，是已知和確定的，兼顧陷波器設(shè)計的性能和成本的考慮，選取基于全通濾波器的IIR陷波器，將經(jīng)帶通濾波器預(yù)處理的數(shù)據(jù)輸入陷波器中，輸入和輸出的波形如圖9所示，諧波的干擾基本已經(jīng)被消除。
對陷波器的輸出的波形進行小波分析，進一步提取通信信號的特征。根據(jù)第3章提出的方法，首先對陷波器輸出的波形消除高頻噪聲，消噪后再應(yīng)用二次樣條小波在21、22、23、24尺度下對其進行4層分析，如圖10所示。在a4中，原本被淹沒的信號將會凸現(xiàn)出來了。
接下來需要對a4包含的調(diào)制信號判別是“1”還是“0”，采用簡便的門檻比較方法即可。對a4的數(shù)據(jù)按順序排列，然后設(shè)置一個門檻值±V，當樣點值大于＋V時就認為有正的調(diào)制信息，當樣點值小于－V時就認為有負的調(diào)制信息，當值在上下門檻之間時就認為是無效信息，可以忽略。
在應(yīng)有調(diào)制信息的各個位置依次識別，然后根據(jù)各路信息傳輸?shù)拇a圖來判定信息位是“1”或“0”。這樣可以很好地將接近0值的樣點值干擾排除掉，達到很好的識別效果，而且采用這種算法運算量很小，只需要將待識別波形樣點值依次與門檻電壓值比較便可。
判斷用的門檻±V以及連續(xù)多少個樣點值大于門檻時就認定正調(diào)制信息或者負調(diào)制信息的計數(shù)值M，均需要由實際調(diào)試過程中的經(jīng)驗值來確定。
綜上所述，本文對雙向工頻通信系統(tǒng)的信號產(chǎn)生及傳輸過程中的波形特性用PSCAD軟件進行了模擬仿真。實際仿真出了用戶端的多路上行信號(采用A組6、14碼圖)，并對其特性進行了分析。當隨機干擾較小時，采用差分識別算法提取了仿真得到的多路通信信號，效果良好。
當存在較大的隨機干擾時，用非差分識別方法提取信號，實際采用了基于全通濾波器的IIR陷波器消除諧波影響，然后進行小波分析。仿真證明，用這種方法提取TWACS通信弱信號是可行和有效的。
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