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一種基于配電網(wǎng)的跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信技術(shù)
摘要：跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信信號(hào)的頻帶位于200～600Hz之間，該信號(hào)可自動(dòng)跨過配電變壓器通過電力線實(shí)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(hào)調(diào)制功率小、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。介紹了跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信信號(hào)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(tái)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(shí)現(xiàn)無中縫、無橋接設(shè)備的跨變壓器臺(tái)區(qū)在不同電壓等級(jí)之間的數(shù)據(jù)交換問題。如圖1所示，跨變壓器臺(tái)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(hào)發(fā)送采用電壓過零調(diào)制的辦法，在電壓過零點(diǎn)附近可以用較小的調(diào)制功率實(shí)現(xiàn)信號(hào)的疊加，同時(shí)電壓附近可以用較小的調(diào)制功率實(shí)現(xiàn)信號(hào)的疊加，同時(shí)電壓過零點(diǎn)自然提供了通信過程中信號(hào)檢測(cè)的同步。信號(hào)的檢測(cè)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(hào)檢測(cè)出來。調(diào)制信號(hào)分為下行電壓信號(hào)與上行電流信號(hào)。下行電壓信號(hào)傳輸方向從主站到采集模塊，代表命令信息，以電壓過零點(diǎn)附近電壓的微弱畸變表示信息；上行電流信號(hào)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(diǎn)附近對(duì)應(yīng)電流的瞬間脈沖變化表示信息。調(diào)制信號(hào)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(hào)的定義
跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信技術(shù)從主站到采集模塊的下行電壓信號(hào)用兩個(gè)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(hào)，使過零點(diǎn)附近電壓幅值發(fā)生非常微弱的畸變，第一個(gè)周期含有調(diào)制信號(hào)，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(hào)的檢測(cè)，在采集模塊可將相鄰兩個(gè)電壓周期數(shù)據(jù)作差后檢測(cè)電網(wǎng)中是否含有主站來的信號(hào)。
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(hào)用4個(gè)電流周期波形表示一位信息，4個(gè)相鄰周期共有8個(gè)電壓過零點(diǎn)。在對(duì)上行電流信號(hào)定義的規(guī)定這樣的原則：對(duì)8個(gè)過零區(qū)域中的4個(gè)進(jìn)行調(diào)制，其中兩個(gè)是正過零區(qū)，另外兩個(gè)是負(fù)過零區(qū)。這樣，可以得到36個(gè)碼圖。由于表示“1”和“0”的碼圖是互相對(duì)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(gè)過零點(diǎn)中的1、3、6、8位置進(jìn)行調(diào)制表示數(shù)字“1”那么對(duì)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(hào)的實(shí)現(xiàn)
下行電壓信號(hào)及上行電流信號(hào)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?yàn)榕潆娋W(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(hào)的疊加成為可能；另一方面在電壓波形過零點(diǎn)附近所需調(diào)制功率最小。同時(shí)，電壓的過零點(diǎn)位置特殊性也為信號(hào)的定位提供了條件，便于主站信號(hào)的疊加和采集模塊處信號(hào)的檢測(cè)。
下行電壓信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(diǎn)前30°導(dǎo)通時(shí)，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(gè)電壓降emod=-Li(d/dt)ic，此時(shí)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(hào)的強(qiáng)度及位置。
圖2
上行電流信號(hào)的發(fā)送調(diào)制與下行電壓信號(hào)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(hào)的解調(diào)
跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信中信號(hào)的檢測(cè)是一種大背景下小信號(hào)的檢測(cè)。以主站上行電流信號(hào)的檢測(cè)為例，若采集模塊在電壓過零附近調(diào)制一個(gè)50A的峰值電流信號(hào)脈沖（對(duì)應(yīng)電壓零點(diǎn)瞬間功率很�。撾娏髡鬯愕�10kV母線上是50×2200/10000=1.10A。而作為一個(gè)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(hào)與上行電流信號(hào)的比值接近1000:1。顯然要準(zhǔn)確地檢測(cè)出有用信號(hào)是相當(dāng)難度的，這里完全沒有考慮信號(hào)的衰減情況。下行電壓信號(hào)過零點(diǎn)附近電壓跨變率不到1%。檢測(cè)過程中的一項(xiàng)重要任務(wù)是背景信號(hào)的去除。這里需要差別有無調(diào)制信號(hào)，對(duì)調(diào)制信號(hào)本身的大小和形狀差不過多要求�？缱儔浩髋_(tái)區(qū)電力通信系統(tǒng)可以采用時(shí)域方法解調(diào)信號(hào)。
信號(hào)的檢測(cè)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(yùn)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(tái)區(qū)通信系數(shù)數(shù)字差分檢測(cè)不同算法提供了理論依據(jù)。實(shí)踐證明，數(shù)字差分技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的整次諧波有很強(qiáng)的抑制能力。
下行電壓信號(hào)的檢測(cè)：
圖4（a）表示的下行電壓信號(hào)的bit"0"，兩個(gè)周期表示一位，調(diào)制信號(hào)疊加在第二個(gè)周期電壓過零點(diǎn)附近。若調(diào)制信號(hào)疊回在第一個(gè)周期，則表示下行電壓信號(hào)的bit“1”。為了檢測(cè)信號(hào)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(gè)比較電平V1和V2，通過單片機(jī)的定時(shí)器分別測(cè)得比較電平對(duì)應(yīng)時(shí)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(hào)時(shí)，Δt的值為零，反之，存在調(diào)制信號(hào)，同時(shí)可以根據(jù)Δt的正負(fù)來判斷所接收到的信號(hào)是“0”還是“1”。這種方法，算法簡(jiǎn)單，硬件實(shí)話容易，對(duì)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(dòng)、家用電器的干擾、檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)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(hào)的檢測(cè)：為了削弱背景電流的影響，在主站接收端對(duì)三相電流進(jìn)行移相疊加，去除大背景信號(hào)的影響，然后利用相鄰波形進(jìn)行特征檢測(cè)。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(cè)窗口，然后利用相應(yīng)的正交驗(yàn)測(cè)矩陣判斷當(dāng)前電流調(diào)制波形所攜帶的信息。
4信號(hào)檢測(cè)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(tái)區(qū)通信的信號(hào)檢測(cè)。相關(guān)原理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)辨識(shí)及糾錯(cuò)碼技術(shù)均可用于配電網(wǎng)跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信的信號(hào)檢測(cè)以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
相關(guān)原理可用于確定信號(hào)的檢測(cè)。由于本通信系統(tǒng)中主站及采集模塊信號(hào)的波形均是確定的，所以信號(hào)接收時(shí)可通過相關(guān)函數(shù)的計(jì)算來度量所接收的信號(hào)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(hào)中是否含有調(diào)制信號(hào)，已達(dá)到從受干擾的波形中檢測(cè)出有用信號(hào)目的。相關(guān)信號(hào)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)集合的非線性映射。本系統(tǒng)干擾信號(hào)識(shí)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(dòng)）的信號(hào)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(cuò)編碼也是一種很好的抗干擾方法。所謂糾錯(cuò)編碼，即將一個(gè)具體碼字經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)運(yùn)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(gè)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(cuò)碼有漢明碼，本通信系統(tǒng)采用內(nèi)嵌校驗(yàn)和的（63，51）BCH碼，形成CRC檢測(cè)與檢測(cè)和檢測(cè)的雙層“過濾”，再加上BCH碼本身的糾錯(cuò)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(cuò)誤，同時(shí)對(duì)于3位及3位以上的錯(cuò)誤能夠出錯(cuò)誤標(biāo)志。
基于配電網(wǎng)的跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信技術(shù)是一種實(shí)用的配電網(wǎng)通信技術(shù)，相對(duì)于配電網(wǎng)載波通信技術(shù)而言，它具有信號(hào)衰減小、抗干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、自動(dòng)跨變壓器臺(tái)區(qū)的特點(diǎn)，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(shí)際應(yīng)用在配電網(wǎng)跨臺(tái)區(qū)遠(yuǎn)程抄表，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)的跨臺(tái)區(qū)通信距離達(dá)40km以上，效果良好，適合中國(guó)電網(wǎng)環(huán)境。
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