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數據交換。這種配電網通信方式采用過零調制發(fā)送及數字差分接收技術，具有信號調制功率小、抗干擾能力強、傳輸距離遠的特點。介紹了跨變壓器臺區(qū)電力通信信號的定義、調制、解調方法及抗干擾措施。
關鍵詞：過零調制 差分接收 相關技術 神經網絡
跨變壓器臺區(qū)電力通信技術是一種以配電網為媒介的新型數據傳輸技術。該技術解決了如何利用現有配電網實現無中縫、無橋接設備的跨變壓器臺區(qū)在不同電壓等級之間的數據交換問題。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配電網為信息傳輸媒介，在用戶變壓器附近無需增加附屬設備。信號發(fā)送采用電壓過零調制的辦法，在電壓過零點附近可以用較小的調制功率實現信號的疊加，同時電壓附近可以用較小的調制功率實現信號的疊加，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可以從電網大噪聲背景中將微弱調制信號檢測出來。調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，代表用戶數據，用電壓過零點附近對應電流的瞬間脈沖變化表示信息。調制信號的頻帶位于200～600Hz之間，能夠跨過配電變壓器沿電力配電網遠距離傳輸。
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據作差后檢測電網中是否含有主站來的信號。
考慮到配電網電流諧波較大，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個進行調制，其中兩個是正過零區(qū)，另外兩個是負過零區(qū)。這樣，可以得到36個碼圖。由于表示“1”和“0”的碼圖是互相對應的關系，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位置進行調制表示數字“1”那么對應調制的2、4、5、7就用來表示“0”。研究證明，不同電網通信環(huán)境需要不同碼圖。
2 調制信號的實現
下行電壓信號及上行電流信號的疊加都采用電壓過零調制。之所以采用這種辦法一方面是因為配電網的主站變壓器（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。
下行電壓信號的調制工作在主站完成，調制電路通過位于變電所的調制變壓器進行隔離和信號的耦合，調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為調制變壓器二次側調制電路參數，ec可以取自不同的相當于調制信號的調制位置。當位于調制變壓器二次側可控硅開關在過零點前30°導通時，導通電流i'c必然導致調制變壓器一次側ic電流的形成，通過主變引起一個電壓降emod=-Li(d/dt)ic，此時的調制電壓疊加于電網電壓波形上，從而完成一次調制過程。根據調制變壓器和主站變壓器的內部參數，可以通過調整Rc、Lc的值來得到需要的調制信號的強度及位置。
圖2
上行電流信號的發(fā)送調制與下行電壓信號的調制原理基本相同，但是利用電流形變來攜帶信息，由用戶端調制設備來完成。
3 信號的解調
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制一個50A的峰值電流信號脈沖（對應電壓零點瞬間功率很小），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。顯然要準確地檢測出有用信號是相當難度的，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是背景信號的去除。這里需要差別有無調制信號，對調制信號本身的大小和形狀差不過多要求。跨變壓器臺區(qū)電力通信系統(tǒng)可以采用時域方法解調信號。
信號的檢測采用數字差分技術，用前一次的采集值與當前的采樣值進行做差運算。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)
經過推導可得：
（2）式為跨變壓器臺區(qū)通信系數數字差分檢測不同算法提供了理論依據。實踐證明，數字差分技術對電網的整次諧波有很強的抑制能力。
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，調制信號疊加在第二個周期電壓過零點附近。若調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，通過單片機的定時器分別測得比較電平對應時間量t11,t12,t13,t14,t21,t22,t23,t24,令Δt=(t21-t11+t22-t12)+(t13-t23+t14-t24)，不考慮噪聲及電網頻率的變化，當電網中沒有工頻通信調制信號時，Δt的值為零，反之，存在調制信號，同時可以根據Δt的正負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，對于電網干擾較小的居民應用是可行的。但電網頻率的波動、家用電器的干擾、檢測系統(tǒng)時間基準的變化等很容易影響接收數據判斷的正確性，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行移相疊加，去除大背景信號的影響，然后利用相鄰波形進行特征檢測。根據采集模塊利用電壓波形過零區(qū)域調制的特性，主站接收端只需在電壓過零附近設置檢測窗口，然后利用相應的正交驗測矩陣判斷當前電流調制波形所攜帶的信息。
4 信號檢測過程中的抗干擾技術
配電網并不是理想的通信媒介，從前面的原理可以看出，采用差分技術解調能夠去聊電網整次諧波的干擾，但電網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。相關原理、神經網絡信號辨識及糾錯碼技術均可用于配電網跨變壓器臺區(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函數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制信號，已達到從受干擾的波形中檢測出有用信號目的。相關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。
神經網絡很容易實現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（RBF）神經網絡，它局部逼近神經網絡，具有較強的逼近能力、分類能力及學習速度。可以用帶干擾（發(fā)電機啟動）的信號樣本去訓練神經網絡，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過一定的數學運算，使碼內數據具有相關性，在碼字中或碼字后加額外的冗余位，從而構成一個待發(fā)的碼字。在接收端再按解碼矩陣進行解碼，達到譯碼的目的。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的抗干擾能力。該BCH碼可以糾正數據傳輸過程中的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志。
基于配電網的跨變壓器臺區(qū)電力通信技術是一種實用的配電網通信技術，相對于配電網載波通信技術而言，它具有信號衰減小、抗干擾強、傳輸距離遠、自動跨變壓器臺區(qū)的特點，該技術適用于數據傳輸速度要求不高的遠程抄表、遠程負荷控制等。目前，該系統(tǒng)已實際應用在配電網跨臺區(qū)遠程抄表，經過實際運行，該系統(tǒng)的跨臺區(qū)通信距離達40km以上，效果良好，適合中國電網環(huán)境。
