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)方法的可靠性優(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(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。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)值依次與門檻電壓值比較便可。
判斷用的門檻±V以及連續(xù)多少個(gè)樣點(diǎn)值大于門檻時(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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