一种基于配电网的跨变压器台区电力通信技术

摘要：跨变压器台区电力通信信号的频带位于200～600Hz之间，该信号可自动跨过配电变压器通过电力线实现数据交换。这种配电网通信方式采用过零调制发送及数字差分接收技术，具有信号调制功率小、抗干扰能力强、传输距离远的特点。介绍了跨变压器台区电力通信信号的定义、调制、解调方法及抗干扰措施。 关键词：过零调制 差分接收 相关技术 神经网络 跨变压器台区电力通信技术是一种以配电网为媒介的新型数据传输技术。该技术解决了如何利用现有配电网实现无中缝、无桥接设备的跨变压器台区在不同电压等级之间的数据交换问题。如图1所示，跨变压器台区电力通信系统由位于二次变电所的主站与位于用户电能表的采集模块组成，该系统完全以10kV/220V配电网为信息传输媒介，在用户变压器附近无需增加附属设备。信号发送采用电压过零调制的办法，在电压过零点附近可以用较小的调制功率实现信号的叠加，同时电压附近可以用较小的调制功率实现信号的叠加，同时电压过零点自然提供了通信过程中信号检测的同步。信号的检测采用差分接收技术可以从电网大噪声背景中将微弱调制信号检测出来。调制信号分为下行电压信号与上行电流信号。下行电压信号传输方向从主站到采集模块，代表命令信息，以电压过零点附近电压的微弱畸变表示信息；上行电流信号传输方向从采集模块到主站，代表用户数据，用电压过零点附近对应电流的瞬间脉冲变化表示信息。调制信号的频带位于200～600Hz之间，能够跨过配电变压器沿电力配电网远距离传输。 图1 1 信号的定义 跨变压器台区电力通信技术从主站到采集模块的下行电压信号用两个相邻电压周期波形表示一位信息，通过位于变电所的主站调制变压器叠加信号，使过零点附近电压幅值发生非常微弱的畸变，第一个周期含有调制信号，表示“1”；反之，表示“0”，见图4（a）。该定义有利于采集模块处信号的检测，在采集模块可将相邻两个电压周期数据作差后检测电网中是否含有主站来的信号。 考虑到配电网电流谐波较大，从采集模块到主站的上行电流信号用4个电流周期波形表示一位信息，4个相邻周期共有8个电压过零点。在对上行电流信号定义的规定这样的原则：对8个过零区域中的4个进行调制，其中两个是正过零区，另外两个是负过零区。这样，可以得到36个码图。由于表示“1”和“0”的码图是互相对应的关系，所以共有18组码图可以使用。如果规定在8个过零点中的1、3、6、8位置进行调制表示数字“1”那么对应调制的2、4、5、7就用来表示“0”。研究证明，不同电网通信环境需要不同码图。 2 调制信号的实现 下行电压信号及上行电流信号的叠加都采用电压过零调制。之所以采用这种办法一方面是因为配电网的主站变压器（变电所的主变）及用户变压器均有等效泄漏电感使信号的叠加成为可能；另一方面在电压波形过零点附近所需调制功率最小。同时，电压的过零点位置特殊性也为信号的定位提供了条件，便于主站信号的叠加和采集模块处信号的检测。 下行电压信号的调制工作在主站完成，调制电路通过位于变电所的调制变压器进行隔离和信号的耦合，调制变压器可以是普通的用户变压器，也可以是特制的高阻抗变压器。下行电压信号调制等效电路如图2所示。图2中E为主站电压，Li表示二次变电所主变漏感，Rc、Lc为调制变压器二次侧调制电路参数，ec可以取自不同的相当于调制信号的调制位置。当位于调制变压器二次侧可控硅开关在过零点前30%26;#176;导通时，导通电流i"c必然导致调制变压器一次侧ic电流的形成，通过主变引起一个电压降emod=-Li(d/dt)ic，此时的调制电压叠加于电网电压波形上，从而完成一次调制过程。根据调制变压器和主站变压器的内部参数，可以通过调整Rc、Lc的值来得到需要的调制信号的强度及位置。 图2 上行电流信号的发送调制与下行电压信号的调制原理基本相同，但是利用电流形变来携带信息，由用户端调制设备来完成。 3 信号的解调 跨变压器台区电力通信中信号的检测是一种大背景下小信号的检测。以主站上行电流信号的检测为例，若采集模块在电压过零附近调制一个50A的峰值电流信号脉冲（对应电压零点瞬间功率很小），该电流折算到10kV母线上是50%26;#215;2200/10000=1.10A。而作为一个中型变电所其母线（10kV传输支线）上的电流大概是1000A左右，背景信号与上行电流信号的比值接近1000:1。显然要准确地检测出有用信号是相当难度的，这里完全没有考虑信号的衰减情况。下行电压信号过零点附近电压跨变率不到1%。检测过程中的一项重要任务是背景信号的去除。这里需要差别有无调制信号，对调制信号本身的大小和形状差不过多要求。跨变压器台区电力通信系统可以采用时域方法解调信号。 信号的检测采用数字差分技术，用前一次的采集值与当前的采样值进行做差运算。如图3所示，可以用下面的方程描述出来： d(t1)=F(t1)-F(t1-T) (1) 经过推导可得： （2）式为跨变压器台区通信系数数字差分检测不同算法提供了理论依据。实践证明，数字差分技术对电网的整次谐波有很强的抑制能力。 下行电压信号的检测： 图4（a）表示的下行电压信号的bit"0"，两个周期表示一位，调制信号叠加在第二个周期电压过零点附近。若调制信号叠回在第一个周期，则表示下行电压信号的bit“1”。为了检测信号的方便，将图4（a）波形全波整流得到图4（b）波形。图4（b）中高有两个比较电平V1和V2，通过单片机的定时器分别测得比较电平对应时间量t11,t12,t13,t14,t21,t22,t23,t24,令Δt=(t21-t11+t22-t12)+(t13-t23+t14-t24)，不考虑噪声及电网频率的变化，当电网中没有工频通信调制信号时，Δt的值为零，反之，存在调制信号，同时可以根据Δt的正负来判断所接收到的信号是“0”还是“1”。这种方法，算法简单，硬件实话容易，对于电网干扰较小的居民应用是可行的。但电网频率的波动、家用电器的干扰、检测系统时间基准的变化等很容易影响接收数据判断的正确性，则需要采用后面所述的抗干扰措施。 上行电流信号的检测：为了削弱背景电流的影响，在主站接收端对三相电流进行移相叠加，去除大背景信号的影响，然后利用相邻波形进行特征检测。根据采集模块利用电压波形过零区域调制的特性，主站接收端只需在电压过零附近设置检测窗口，然后利用相应的正交验测矩阵判断当前电流调制波形所携带的信息。 4 信号检测过程中的抗干扰技术 配电网并不是理想的通信媒介，从前面的原理可以看出，采用差分技术解调能够去聊电网整次谐波的干扰，但电网的非整次谐波有可能干扰跨变压器台区通信的信号检测。相关原理、神经网络信号辨识及纠错码技术均可用于配电网跨变压器台区电力通信的信号检测以提高系统的抗干扰能力。 相关原理可用于确定信号的检测。由于本通信系统中主站及采集模块信号的波形均是确定的，所以信号接收时可通过相关函数的计算来度量所接收的信号与发送信息波形之间的相似程度，从而判定在接收的信号中是否含有调制信号，已达到从受干扰的波形中检测出有用信号目的。相关信号检测从滤波器角度等同于具有最佳信噪比的匹配滤波器。 神经网络很容易实现两个集合的非线性映射。本系统干扰信号识别中采用径向基函数（RBF）神经网络，它局部逼近神经网络，具有较强的逼近能力、分类能力及学习速度。可以用带干扰（发电机启动）的信号样本去训练神经网络，样本的选择很重要。 此外，采用纠错编码也是一种很好的抗干扰方法。所谓纠错编码，即将一个具体码字经过一定的数学运算，使码内数据具有相关性，在码字中或码字后加额外的冗余位，从而构成一个待发的码字。在接收端再按解码矩阵进行解码，达到译码的目的。常见的纠错码有汉明码，本通信系统采用内嵌校验和的（63，51）BCH码，形成CRC检测与检测和检测的双层“过滤”，再加上BCH码本身的纠错功能，从而使该码具有较强的抗干扰能力。该BCH码可以纠正数据传输过程中的1位及两位错误，同时对于3位及3位以上的错误能够出错误标志。 基于配电网的跨变压器台区电力通信技术是一种实用的配电网通信技术，相对于配电网载波通信技术而言，它具有信号衰减小、抗干扰强、传输距离远、自动跨变压器台区的特点，该技术适用于数据传输速度要求不高的远程抄表、远程负荷控制等。目前，该系统已实际应用在配电网跨台区远程抄表，经过实际运行，该系统的跨台区通信距离达40km以上，效果良好，适合中国电网环境。