《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TWACS的弱信號(hào)檢測(cè)及仿真技術(shù)研究

2009-02-17
作者:彭 希

  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(hào)檢測(cè)方法,分析了差分檢測(cè)方法,通過(guò)陷波和小波分析結(jié)合的手段得到了TWACS通信弱信號(hào)的良好的提取效果并由仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所提出的檢測(cè)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(dòng)通信系統(tǒng)TWACS(Two Way Automatic Communication System)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(dú)特的信號(hào)在電壓過(guò)零點(diǎn)調(diào)制的方法,無(wú)需增加中繼環(huán)節(jié),可直接跨變壓器臺(tái)區(qū)進(jìn)行通信,而且不受饋電線(xiàn)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(chǎng)合,具有很高的實(shí)用價(jià)值。
  TWACS系統(tǒng)中,電網(wǎng)中的背景電壓電流遠(yuǎn)大于調(diào)制的通信信號(hào),因而通信信號(hào)在配電網(wǎng)中傳輸,相當(dāng)于弱信號(hào)淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲背景中,需要采取有效的方法將它提取出來(lái),進(jìn)行檢測(cè)和分析。本課題以雙向工頻通信系統(tǒng)為背景,對(duì)其通信信號(hào)的檢測(cè)方法進(jìn)行深入的研究,旨在進(jìn)一步提高信號(hào)檢測(cè)能力,并將所研究的成果應(yīng)用于實(shí)際。
1 雙向工頻通信系統(tǒng)及其弱信號(hào)檢測(cè)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(lái)攜帶信息,可以直接通過(guò)變壓器,實(shí)現(xiàn)跨臺(tái)區(qū)通信,直接傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶(hù)處,不需要中繼環(huán)節(jié)。整個(gè)雙向工頻自動(dòng)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(hào),對(duì)混雜在強(qiáng)噪聲中的弱信號(hào)進(jìn)行分析檢測(cè),提高系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的信噪比,常用方法主要有以下幾種:
  (1) 傳統(tǒng)的基于時(shí)間變化量測(cè)量的信號(hào)檢測(cè)方法
  基于時(shí)間變化量測(cè)量的信號(hào)檢測(cè)方法是最基本的檢測(cè)方法。這種方法在高耗能地區(qū)通信時(shí)誤碼率較高,在強(qiáng)噪聲情況下通信調(diào)制信號(hào)檢測(cè)的可靠性較低。
  (2) 基于互相關(guān)技術(shù)的通信信號(hào)檢測(cè)方法
  在雙向工頻通信系統(tǒng)中,調(diào)制信號(hào)的波形是確定的。將調(diào)制信號(hào)的波形與接收信號(hào)波形作互相關(guān)運(yùn)算,可以提高系統(tǒng)信號(hào)信噪比。這種信號(hào)檢測(cè)方法的可靠性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的基于時(shí)間測(cè)量的信號(hào)檢測(cè)方法,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。
  (3) 基于匹配濾波器的通信信號(hào)檢測(cè)方法
  匹配濾波器是用最大信噪比準(zhǔn)則來(lái)衡量的最佳線(xiàn)性濾波器,能夠檢測(cè)淹沒(méi)在噪聲中的持續(xù)時(shí)間有限、波形已知的信號(hào)。在雙向工頻通信系統(tǒng)中,信號(hào)檢測(cè)需要判別的是在確定位置的信號(hào)有無(wú)問(wèn)題,屬于幅度信息的匹配檢測(cè)。用匹配濾波器檢測(cè)TWACS中的通信信號(hào)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(hào)檢測(cè)方法
通信信號(hào)的頻帶一般分布在200Hz~600Hz之間,為了保證采樣時(shí)獲得通信信號(hào)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(gè)成分,如基波、3次諧波、5次諧波都處于相對(duì)采集頻率的低頻段中。能否準(zhǔn)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(lái)抑制工頻通信中的M個(gè)周期性干擾。
2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)
  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(guò)用戶(hù)變壓之后經(jīng)由ABC各相送入用戶(hù)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(hù)變壓器通用參數(shù)選取,如圖2所示。

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??? 在用戶(hù)端,為較好地反映通常情況下的用戶(hù)端用電情況,設(shè)計(jì)三相負(fù)荷基本平衡[1][2]。將上行信號(hào)發(fā)送端安裝在A相負(fù)荷之上,同時(shí)在變壓器高壓側(cè)的子站A相端檢測(cè)這個(gè)信號(hào)。為了驗(yàn)證TWACS的多路傳輸與信號(hào)檢測(cè),A相負(fù)荷上設(shè)計(jì)了兩路信號(hào)的發(fā)送。整個(gè)用戶(hù)端的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如圖3所示。

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??? 仿真開(kāi)始后,在用戶(hù)端A相采集得到的電流Ia1和電壓Ea2分別如圖4和5所示。可以看到,由于兩路調(diào)制信號(hào)的加入,使得原負(fù)荷電流在多處均發(fā)生了畸變。由于用戶(hù)負(fù)荷呈現(xiàn)的感性,所以電流信號(hào)脈沖并不是完全落在電流過(guò)零點(diǎn)上,而是稍稍落后靠近波峰一端。因此將每個(gè)采樣窗口定為電壓過(guò)零點(diǎn)之間的180°范圍。

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??? 在調(diào)制上行信號(hào)時(shí),電壓的波形發(fā)生的畸變很小。在實(shí)際應(yīng)用中,電流的調(diào)制值其實(shí)更為微弱,因此電壓波形的畸變是非常微弱的。從這一點(diǎn)也可以看出,雙向工頻通信系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)設(shè)備的影響是可以忽略不計(jì)的。
??? 仿真系統(tǒng)中,攜帶信號(hào)的電流如圖6所示。由于變壓器的電壓比為,用戶(hù)端電流經(jīng)過(guò)變壓器到達(dá)子站端時(shí)電流僅為原來(lái)數(shù)值的0.04,調(diào)制信號(hào)幅值也同時(shí)會(huì)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(hào)的弱信號(hào)檢測(cè)
3.1 差分檢測(cè)方法
??? 對(duì)仿真產(chǎn)生的Ia2的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,將采樣后的數(shù)據(jù)在MATLAB中做差分計(jì)算,再用碼圖A6、A14、A1對(duì)應(yīng)的探測(cè)矩陣:
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  與得到的矩陣S分別相乘,每組得到36個(gè)數(shù)據(jù),將其繪制出來(lái)成為T(mén)波形。得到的3組T波形如圖7所示。

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  可以看到,對(duì)于有調(diào)制信號(hào)輸出的兩路信號(hào),識(shí)別波形T清晰地顯示出傳輸信號(hào)“1”和“0”;而第三路的識(shí)別波形T顯示該通道未有調(diào)制信號(hào),與實(shí)際情況相吻合。這也說(shuō)明,在用戶(hù)發(fā)送端同時(shí)發(fā)送正交信號(hào)時(shí)接收端可以利用各自的特定探測(cè)矩陣分別解調(diào)各個(gè)信道而不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。TWACS信號(hào)差分識(shí)別檢測(cè)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(shí)發(fā)送6路正交信號(hào)從而利用通道的正交特性進(jìn)行多路并行傳輸。
3.2 非差分檢測(cè)方法
  差分識(shí)別算法雖然能有效提取TWACS中的通信信號(hào),但它的局限性也較為明顯,當(dāng)隨機(jī)干擾較大時(shí),檢測(cè)效果不夠理想。
  對(duì)上面仿真產(chǎn)生的Ia2信號(hào)加入一些隨機(jī)干擾,實(shí)際上,這與TWACS的實(shí)際通信情況更為接近。圖8是在這種有噪聲的情況下進(jìn)行差分運(yùn)算得到的T波形,此時(shí)的T波形已經(jīng)很不理想,有信號(hào)與無(wú)信號(hào)之間的差別非常模糊,極大地影響了判斷和識(shí)別。

  因此需要采取其他的方法提取信號(hào)。下面驗(yàn)證本文提出的非差分檢測(cè)方法:先消除TWACS中的諧波干擾,再對(duì)其進(jìn)行小波分析,得到需要的信號(hào)特征。
  在消除諧波干擾之前,首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,濾除高頻非整次諧波和高頻脈沖的干擾。對(duì)于圖8所示的含有干擾的信號(hào)首先輸入一個(gè)帶通濾波器,該濾波器應(yīng)在信號(hào)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(jì),計(jì)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(jì)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(duì)陷波器的輸出的波形進(jìn)行小波分析,進(jìn)一步提取通信信號(hào)的特征。根據(jù)第3章提出的方法,首先對(duì)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(duì)其進(jìn)行4層分析,如圖10所示。在a4中,原本被淹沒(méi)的信號(hào)將會(huì)凸現(xiàn)出來(lái)了。

  接下來(lái)需要對(duì)a4包含的調(diào)制信號(hào)判別是“1”還是“0”,采用簡(jiǎn)便的門(mén)檻比較方法即可。對(duì)a4的數(shù)據(jù)按順序排列,然后設(shè)置一個(gè)門(mén)檻值±V,當(dāng)樣點(diǎn)值大于+V時(shí)就認(rèn)為有正的調(diào)制信息,當(dāng)樣點(diǎn)值小于-V時(shí)就認(rèn)為有負(fù)的調(diào)制信息,當(dāng)值在上下門(mén)檻之間時(shí)就認(rèn)為是無(wú)效信息,可以忽略。
  在應(yīng)有調(diào)制信息的各個(gè)位置依次識(shí)別,然后根據(jù)各路信息傳輸?shù)拇a圖來(lái)判定信息位是“1”或“0”。這樣可以很好地將接近0值的樣點(diǎn)值干擾排除掉,達(dá)到很好的識(shí)別效果,而且采用這種算法運(yùn)算量很小,只需要將待識(shí)別波形樣點(diǎn)值依次與門(mén)檻電壓值比較便可。
  判斷用的門(mén)檻±V以及連續(xù)多少個(gè)樣點(diǎn)值大于門(mén)檻時(shí)就認(rèn)定正調(diào)制信息或者負(fù)調(diào)制信息的計(jì)數(shù)值M,均需要由實(shí)際調(diào)試過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)值來(lái)確定。
  綜上所述,本文對(duì)雙向工頻通信系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生及傳輸過(guò)程中的波形特性用PSCAD軟件進(jìn)行了模擬仿真。實(shí)際仿真出了用戶(hù)端的多路上行信號(hào)(采用A組6、14碼圖),并對(duì)其特性進(jìn)行了分析。當(dāng)隨機(jī)干擾較小時(shí),采用差分識(shí)別算法提取了仿真得到的多路通信信號(hào),效果良好。
  當(dāng)存在較大的隨機(jī)干擾時(shí),用非差分識(shí)別方法提取信號(hào),實(shí)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(jìn)行小波分析。仿真證明,用這種方法提取TWACS通信弱信號(hào)是可行和有效的。


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