互相關(guān)技術(shù)在跨臺(tái)區(qū)電力通信信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用

王少軍

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力通信信號(hào)檢測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展。近幾年，跨臺(tái)區(qū)電力通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)方式也發(fā)生了較大的變化，傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方式已經(jīng)不適用于日益變化的通信技術(shù)。因此，迫切需要一種新型技術(shù)滿足當(dāng)前配電網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的要求。互相關(guān)技術(shù)比傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)更加可靠，而且其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果也非常好。

關(guān)鍵詞：互相關(guān)技術(shù)；電力通信；信號(hào)檢測(cè)；配電網(wǎng)通信技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.126

跨臺(tái)區(qū)電力通信是一種將配電網(wǎng)作為傳播媒介的新型電力通信技術(shù)手段。借助這種新型的通信技術(shù)，能夠在現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)無中繼、無橋接設(shè)備在跨變壓器臺(tái)區(qū)不同電壓等級(jí)之間的數(shù)據(jù)交換。一般情況下，這里的電壓等級(jí)是指10～220 kV的電壓。這種通信技術(shù)的調(diào)制信號(hào)頻帶為200～600 Hz，它能夠自主完成數(shù)據(jù)的半雙工交換，并且可以不借助配電變壓器完成相關(guān)工作。由于跨臺(tái)區(qū)電力通信技術(shù)采用了查分接收技術(shù)和過零調(diào)制發(fā)送技術(shù)，所以，它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)超遠(yuǎn)距離的傳輸。由相關(guān)研究可知，我國(guó)電網(wǎng)情況比較復(fù)雜，如果只依靠傳統(tǒng)方法檢測(cè)基于時(shí)間變化量的信號(hào)，那么，在高耗能地區(qū)檢測(cè)通信信號(hào)時(shí)，誤碼率會(huì)非常高，而且還會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的可靠性。因此，在噪聲大的環(huán)境中調(diào)制信號(hào)，將相關(guān)技術(shù)融入跨臺(tái)區(qū)電力檢測(cè)工作中，不僅能夠提高檢測(cè)系統(tǒng)的輸出信噪比，還能夠增強(qiáng)其適應(yīng)能力和抗干擾能力。

1 跨臺(tái)區(qū)電力通信

跨臺(tái)區(qū)電力通信與配電網(wǎng)電力載波通信有很大的不同，它主要是由處于二次變電站的主變電站和用戶采集模塊組成的。通信介質(zhì)使用的是10 kV和200 kV的線路，而調(diào)制信息則是由電網(wǎng)波形的微弱畸變表現(xiàn)出來的?？缗_(tái)區(qū)電力通信信號(hào)主要分為上行電流信號(hào)和下行電壓信號(hào)。上行電流信號(hào)是指從采集模塊到主站傳輸這一階段的信號(hào)，它表示的是用戶數(shù)據(jù)，而信息傳輸則利用的是電流波形的形變；下行電壓信號(hào)主要位于變電所到采集模塊這段傳輸區(qū)域內(nèi)，1位信息用2個(gè)相鄰的電壓周期波形表示，它是主站的命令傳輸信息?？缗_(tái)區(qū)電力通信調(diào)制信號(hào)如圖1所示。由圖1可知，通過主站調(diào)制變壓器電網(wǎng)母線的電壓波形經(jīng)過0°點(diǎn)30°角時(shí)有微弱的畸變，如果將其表示在時(shí)間軸上，可以把它們看作△t1和△t2.

用傳統(tǒng)方法檢測(cè)調(diào)制信號(hào)時(shí)，首先要整理電壓全波。在3個(gè)不同的電平下，即V1，V2，V3，電壓通過電平后會(huì)得到多個(gè)不同的時(shí)間信息，可以將其記為t1，t2，t3……然后觀察電壓經(jīng)

過電平后的時(shí)間變化，以此判斷調(diào)制信號(hào)的相關(guān)情況。

雖然傳統(tǒng)的檢測(cè)方法比較簡(jiǎn)單，算法也比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)施，但是，它不具備抗干擾能力，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性很容易受到電網(wǎng)頻率波動(dòng)、檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)變化等因素的影響。另外，使用這種方法時(shí)，選取的測(cè)試點(diǎn)比較少，僅有的測(cè)試點(diǎn)很難反映出系統(tǒng)的適應(yīng)性。因此，要想提高接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)檢測(cè)方法的抗干擾能力，就要不斷探索新的檢測(cè)方法。本文介紹的相互關(guān)技術(shù)能夠針對(duì)跨臺(tái)區(qū)電力通信調(diào)制信號(hào)的特征進(jìn)行有針對(duì)性的檢測(cè)，而且檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性也非常高。

圖1 跨臺(tái)區(qū)電力通信調(diào)制信號(hào)示意圖

2 互相關(guān)技術(shù)的工作原理

在分析測(cè)試結(jié)果時(shí)，互相關(guān)一直都是非常重要的概念之一。簡(jiǎn)單來講，互相關(guān)是指變量之間的線性關(guān)系，即2組數(shù)據(jù)之間的相互依存關(guān)系。假設(shè)互相關(guān)函數(shù)為Rxy（f），則它可以表示為：

（1）

式（1）中：T為積分限；x、y為具體數(shù)據(jù)；t為時(shí)間；f為函數(shù)關(guān)系；d為信號(hào)。

離散化計(jì)算公式為：

. （2）

式（2）中：N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；n為時(shí)間序列；m為時(shí)延序列。

在操作過程中，經(jīng)常會(huì)用互相關(guān)系數(shù)dxy（f）表示2個(gè)信號(hào)之間的相關(guān)性，具體公式為：

dxy（f）= ≤1. （3）

式（3）中：e為常數(shù)。

由相關(guān)分析可知，當(dāng)dxy（f）=1時(shí)，x與y是完全相關(guān)的；當(dāng)dxy（f）=0時(shí)，x與y是完全獨(dú)立的，它們之間沒有任何關(guān)系。

借助互相關(guān)函數(shù)不僅能夠檢測(cè)噪聲中的信號(hào)，還能夠提高輸出信號(hào)的噪聲比。假設(shè)觀測(cè)所得信號(hào)x（n）是由真正信號(hào)s（n）和白噪聲u（n）組成，即x（n）=s（n）+u（n），而y（n）=s（n），則x（n）與y（n）之間的互相關(guān)就可以表示為：

. （4）

式（4）中：s（n+m）為時(shí)間序列和時(shí)延序列的真正信號(hào)；dss（m）為時(shí)延序列的真正信號(hào)相關(guān)性；dus（m）為白噪聲與信號(hào)時(shí)延序列的相關(guān)性；dsu（m）為信號(hào)與白噪聲時(shí)延序列的相關(guān)性。

由于信號(hào)與白噪聲之間不是相關(guān)關(guān)系，因此，后面的2項(xiàng)數(shù)值會(huì)非常小，可以忽略不計(jì)。這時(shí)，就可以提取混雜在噪聲中的信號(hào)?；ハ嚓P(guān)檢測(cè)主要用于提取噪聲中夾雜的微弱信號(hào)，它是基于互相關(guān)函數(shù)的同頻相關(guān)性工作的。因?yàn)椴煌l、不相關(guān)信號(hào)的性質(zhì)不同，所以，濾波效果也不同。另外，在整個(gè)操作過程中，涉及到的互相關(guān)函數(shù)只適用于隨機(jī)信號(hào)或功率信號(hào)，而且與它相對(duì)應(yīng)的處理信號(hào)一定是處于某一頻率的周期信號(hào)。當(dāng)然，對(duì)于非周期性信號(hào)，可以借助相應(yīng)的調(diào)制方法將它們變?yōu)橹芷谛孕盘?hào)，然后再作后續(xù)處理。維納-辛欽定理中提到，處在平穩(wěn)隨機(jī)過程中的互相關(guān)函數(shù)與互譜密度是傅里葉變換關(guān)系，它能夠借助功率譜估計(jì)和分析跨臺(tái)區(qū)通信中的信號(hào)，以此解決信號(hào)檢測(cè)中存在的問題。雖然互相關(guān)函數(shù)的算法非常簡(jiǎn)單，但是，它的運(yùn)算量非常大，相當(dāng)于序列長(zhǎng)度的平方。信號(hào)卷積函數(shù)與互相關(guān)函數(shù)僅差一個(gè)負(fù)荷，可以充分利用FFT技術(shù)提高其運(yùn)算速度。只有這樣，才能夠?qū)⒒ハ嚓P(guān)技術(shù)應(yīng)用到信號(hào)檢測(cè)中。

3 互相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

在互相關(guān)檢測(cè)技術(shù)中，乘法和積分運(yùn)算是借助相敏檢波器完成的。其中，所選用乘法器的性能會(huì)直接影響數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，所以，在檢測(cè)過程中，要重點(diǎn)把握乘法器的性能。互相關(guān)原理可以應(yīng)用于對(duì)跨臺(tái)區(qū)電力通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)工作中。由相關(guān)工作可知，通信系統(tǒng)采集模塊的調(diào)制信號(hào)和主站調(diào)制信號(hào)的波形都是確定的，因此，可以在信號(hào)的接收端對(duì)比、分析接收信號(hào)的波形和發(fā)送信號(hào)的波形，分析兩者之間的相似度，以此判斷接收到的數(shù)據(jù)中是否含有信號(hào)發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)。為了獲得發(fā)出端信號(hào)的波形，可以采取2個(gè)方法，即在發(fā)送端的信號(hào)調(diào)制點(diǎn)直接采集，或是在接收端利用多周期疊加的方法提取、分離接收到的信號(hào)，然后再把獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在專門存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器中，以便完成互相關(guān)函數(shù)的計(jì)算。

在上述內(nèi)容中，已經(jīng)簡(jiǎn)要分析了電力通信信號(hào)的相關(guān)內(nèi)容。通過分析了解到，下行電壓信號(hào)是把2個(gè)連續(xù)的電壓周期定義為1位，再加上2個(gè)周期中調(diào)制信號(hào)只可能存在于其中一個(gè)周期中，所以，可以用“0”和“1”表示調(diào)制信號(hào)所處的周期。由前后電壓周期的差可以得到時(shí)域采樣數(shù)據(jù)中的調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)信息。在此，以50 Hz的電壓波形為基準(zhǔn)，對(duì)比發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的調(diào)制信號(hào)圖形與接收端實(shí)際采集到的信號(hào)圖形。由曲線形狀可知，接收端信號(hào)與發(fā)送端信號(hào)關(guān)系密切，但是，它們都會(huì)受到電網(wǎng)噪聲的干擾。在這種情況下，工作人員很難借助測(cè)量時(shí)間的變化量提取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信信號(hào)的檢測(cè)。其實(shí)，在實(shí)際工作過程中，電網(wǎng)對(duì)通信信號(hào)的干擾比較大，比如大電流電機(jī)的啟停、家用大功率電器高頻擾動(dòng)和電網(wǎng)中的諧波，都會(huì)影響跨臺(tái)區(qū)電力通信數(shù)據(jù)的正常傳輸。

圖2是相關(guān)波形圖經(jīng)過必要的處理后轉(zhuǎn)換而來的，利用它可以判斷發(fā)送端信號(hào)與接收端帶有噪聲信號(hào)的關(guān)系和發(fā)送端信號(hào)與接收端純?cè)肼曅盘?hào)的關(guān)系。由相關(guān)分析可知，經(jīng)過互相關(guān)技術(shù)的處理后，數(shù)據(jù)和信號(hào)的信噪聲比提升了20 dp。這樣，就可以輕松地將信號(hào)從噪聲中分離出來，從而得到工作人員所需的信號(hào)數(shù)據(jù)。

為了讓人們更加清楚地認(rèn)識(shí)到互相關(guān)技術(shù)與傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的不同，本文分別用2種不同的檢測(cè)方法檢測(cè)居民區(qū)和工業(yè)區(qū)跨臺(tái)區(qū)電力通信系統(tǒng)的信號(hào)，并取統(tǒng)計(jì)樣本1 000組，具體的分析結(jié)果詳見表1.所對(duì)比的2種方法分別為借助測(cè)量時(shí)間變化的信號(hào)檢測(cè)方法和基于相關(guān)函數(shù)的信號(hào)檢測(cè)方法。由表1中的數(shù)據(jù)可知，基于互相關(guān)函數(shù)的信號(hào)檢測(cè)方法準(zhǔn)確率更高。

4 結(jié)束語

跨臺(tái)區(qū)電力通信技術(shù)與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)通信技術(shù)有很大的不同，它不再依靠載波傳輸信號(hào)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)跨配電變壓器臺(tái)區(qū)的遠(yuǎn)距離通信。利用互相關(guān)技術(shù)的新型信號(hào)檢測(cè)方法有效解決了跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信系統(tǒng)在高耗能區(qū)域、低信噪比環(huán)境中通信誤碼率比較高的問題。這種檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用在提高信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度、實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸方面發(fā)揮了巨大的作用。

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