基于MATLAB和FPGA的智能開關(guān)工頻通信波形的實(shí)現(xiàn)

張建業(yè)，曾凡偉，李正剛，田相鵬，鐘建偉，廖紅華

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000；2. 湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

目前，我國配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有關(guān)線路故障監(jiān)控問題一直是研究熱點(diǎn)。低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)因具有保護(hù)和控制功能，可及時(shí)解決低壓配電系統(tǒng)問題，但現(xiàn)階段工頻電力通信技術(shù)在智能開關(guān)中的應(yīng)用并未達(dá)到預(yù)期，特別是如何根據(jù)電網(wǎng)情況可靠實(shí)現(xiàn)雙向工頻電力通信、如何在不改變現(xiàn)有配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)前提下僅利用工頻電力通信實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)控等諸多問題需要解決。

工頻電力通信是以配電網(wǎng)為傳輸介質(zhì)，具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)無中繼跨變壓器臺(tái)區(qū)間通信等優(yōu)勢(shì)。通過利用電網(wǎng)電壓和電流波形的微小畸變來攜帶通信信息，達(dá)到跨越變壓器直接通信的目的，具有很高的實(shí)用價(jià)值。李衛(wèi)國等針對(duì)油井位置分散、管理困難的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于電力線工頻通信的抽油機(jī)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于油田電網(wǎng)。曾水根等基于低壓電力線工頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表，數(shù)據(jù)經(jīng)GSM無線網(wǎng)回傳至監(jiān)控中心。朱偉華等設(shè)計(jì)了一種用于三相工頻電參數(shù)遠(yuǎn)程抄送和采集的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三相電量和三相交流參數(shù)采集和遠(yuǎn)程抄收功能。

工頻通信均通過控制晶閘管導(dǎo)通和截止來實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)傳輸，極易引入諸多干擾，如諧波、多種干擾噪聲等，在用戶端信號(hào)接收效果較差，解調(diào)時(shí)極易造成解碼失誤。為在強(qiáng)噪聲下實(shí)現(xiàn)雙向工頻電力通信（TWACS）的可靠通信，盡可能地降低設(shè)備成本，本文提出了一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)單相低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)工頻通信的方案，重點(diǎn)探討了基于MATLAB+FPGA產(chǎn)生低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)電力線工頻通信波形的設(shè)計(jì)方案，為后期實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)的可靠通信控制提供技術(shù)支撐。

1 單相低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)TWACS實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

單相低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)TWACS實(shí)現(xiàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 單相低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)TWACS實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

工作原理為：在工頻通信編碼發(fā)送時(shí)，低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)與FPGA通過TWACS串口通信模塊發(fā)送工頻通信編碼，由低壓智能開關(guān)編碼器辨識(shí)編碼信息并發(fā)送至信號(hào)合成和DAC控制器；依據(jù)編碼信息，由信號(hào)合成控制器將工頻信號(hào)、TWACS信息“0”、TWACS信息“1”調(diào)制成已編碼工頻數(shù)字信號(hào)；在確保輸出已編碼工頻數(shù)字信號(hào)與市電同頻同相前提下，再經(jīng)DAC控制器輸出至高速DAC及信號(hào)放大電路，經(jīng)信號(hào)耦合電路疊加到市電配電線路，實(shí)現(xiàn)工頻通信編碼發(fā)送。在接收工頻通信解碼時(shí)，經(jīng)由信號(hào)耦合電路，通過輸入信號(hào)濾波、ADC電路輸入信號(hào)，并經(jīng)ADC控制器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；經(jīng)FIR濾波器后，當(dāng)檢測(cè)到解碼同步頭后經(jīng)工頻通信信號(hào)解碼控制器解碼，由TWACS串口通信模塊發(fā)送至低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)實(shí)現(xiàn)后續(xù)控制。

2 低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)TWACS技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論

2.1 TWACS技術(shù)調(diào)制原理

TWACS通信是在工頻電壓/電流過零點(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的，在工頻電壓/電流過零點(diǎn)附近能量較小，較易利用較小功率實(shí)現(xiàn)工頻通信信號(hào)調(diào)制/疊加以及工頻通信信號(hào)解調(diào)。

按調(diào)制信號(hào)劃分，TWACS通信通?？煞譃橄滦行盘?hào)和上行信號(hào)。從變電所子站向用戶傳輸?shù)闹噶钚盘?hào)為下行信號(hào)，一般采用的調(diào)制方式為電壓波形過零點(diǎn)畸變信號(hào)；用戶終端向變電所子站傳遞的指令信號(hào)為上行信號(hào)，一般采用的調(diào)制方式為電流波形過零點(diǎn)畸變信號(hào)。上行和下行調(diào)制電路原理分別如圖2（a）、圖2（b）所示。

圖2 上行/下行信號(hào)調(diào)制電路原理

2.2 低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)TWACS編碼方法

結(jié)合低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)工頻通信控制實(shí)際，選用四個(gè)相鄰波形表示一位編碼信息，四個(gè)相鄰波形共有8個(gè)過零點(diǎn)，在電壓波形不同的過零點(diǎn)處調(diào)制信號(hào)表示不同的信息，如圖3所示。

圖3 低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)TWACS編碼信息“1”、信息“0”示意圖

圖3中，TWACS編碼信息“1”表示在過零點(diǎn)1、3、6、8被調(diào)制，信息“0”表示在過零點(diǎn)2、4、5、7被調(diào)制。實(shí)際編碼控制時(shí)，約定對(duì)8個(gè)過零區(qū)域中的4個(gè)進(jìn)行調(diào)制，其中2個(gè)是正過零區(qū)，2個(gè)是負(fù)過零區(qū)，可得36個(gè)碼圖；因信息“1”和信息“0”的碼圖是互相對(duì)應(yīng)關(guān)系，可使用的僅有18組碼圖。信道編碼碼圖見表1所列。

表1 信道編碼碼圖

表1中，得到的5組碼圖分別為：A—[1 6 9 12 14 15]，B—[2 4 9 11 15 17]，C—[3 4 8 10 16 17]，D—[1 7 12 13 14 16]，E—[2 5 7 11 13 18]。每個(gè)碼圖組含有6個(gè)互相正交的碼圖，編碼時(shí)發(fā)送端可同時(shí)發(fā)送同一組中六個(gè)信號(hào)，接收端可分別解調(diào)各信道編碼信息，從而實(shí)現(xiàn)多路并行傳輸。為準(zhǔn)確解調(diào)出編碼信息，采用TWACS時(shí)域數(shù)字差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)編碼信息解碼。TWACS時(shí)域差分信號(hào)檢測(cè)示意圖如圖4所示。

圖4 TWACS時(shí)域差分信號(hào)檢測(cè)示意圖

圖4中，在每個(gè)過零點(diǎn)區(qū)域內(nèi)采集個(gè)值，如第個(gè)過零點(diǎn)，采集的個(gè)值記為：S,S, ...,S。令：

=0時(shí)，表示無信號(hào)；=4時(shí)，表示信息為1；=-4時(shí)，表示信息為0。為調(diào)制信號(hào)強(qiáng)度。

采用上述TWACS時(shí)域數(shù)字差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)編碼信息解調(diào)算法較簡單，并能較好濾除各次整數(shù)次諧波，但對(duì)非整數(shù)次諧波的抑制不夠大，需要級(jí)聯(lián)其他濾波器來改進(jìn)。為此，擬選用MegaWizard Plug-In Manager中Filters模塊的FIR Compiler II進(jìn)行定制 FIR數(shù)字濾波器，實(shí)現(xiàn)輸入的含噪已編碼工頻信號(hào)降噪。

2.3 FIR數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器可分為IIR濾波器和FIR濾波器。比較兩者，F(xiàn)IR濾波器的單位脈沖響應(yīng)()是有限長的，無反饋支路，其系統(tǒng)函數(shù)僅有零點(diǎn)（除=0的極點(diǎn)外），占用存儲(chǔ)單元和運(yùn)算次數(shù)較少，能保證有限精度運(yùn)算的誤差較小。

FIR濾波器系統(tǒng)的差分方程可以表示為：

轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

FIR濾波器因其輸出()僅取決于輸入()及(-1), ...,(-)，而與過去的輸出數(shù)據(jù)無關(guān)，所以FIR濾波器是因果的，是物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。

2.4 m序列偽隨機(jī)碼

m序列具有較強(qiáng)相關(guān)性、規(guī)律性和系統(tǒng)性，表現(xiàn)出的統(tǒng)計(jì)特性與白噪聲的采樣序列相同。為有效檢測(cè)FIR濾波器的濾波效果，采用m序列偽隨機(jī)碼模擬低壓配電網(wǎng)工頻通信噪聲，階線性移位寄存器的m序列產(chǎn)生原理如圖5所示。

圖5 n階線性反饋移位寄存器產(chǎn)生原理

圖5中，,, ...,a為個(gè)移位寄存器某時(shí)刻的狀態(tài)；,, ...,C為移位寄存器的反饋系數(shù)，對(duì)應(yīng)位置C等于1表示有反饋，等于0表示無反饋，加法器采用模2加。一般來說，階線性反饋移位寄存器可能產(chǎn)生的最長周期等于(2-1)。

3 低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)TWACS通信模塊設(shè)計(jì)

3.1 工頻信號(hào)、信息“0”和信息“1”的波形設(shè)計(jì)

利用MATLAB軟件生成50 Hz TWACS編碼信息“1”、信息“0”的波形數(shù)據(jù)，設(shè)置正弦波頻率為50 Hz，采樣頻率為256×50=12 800 Hz，觀測(cè)時(shí)間為0.08 s；仿真分析時(shí)，設(shè)TWACS編碼信息“1”表示在過零點(diǎn)1、3、6、8被調(diào)制，信息“0”表示在過零點(diǎn)2、4、5、7被調(diào)制。MATLAB仿真得到的工頻信號(hào)、信息“1”和信息“0”的波形如圖6所示。

圖6 MATLAB仿真得到的工頻信號(hào)、TWACS編碼信息“1”和信息“0”的波形

從圖6可以看出，TWACS編碼信息“1”在過零點(diǎn)1、3、6、8被調(diào)制，信息“0”在過零點(diǎn)2、4、5、7被調(diào)制。通過仿真得到正確波形后，將MATLAB仿真得到的工頻信號(hào)、信息“1”和信息“0”的波形數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為整型數(shù)據(jù)，并保存為相應(yīng)的mif格式文件；然后利用Quartus Prime17.1進(jìn)行ROM IP核配置，將＊.mif文件添加到ROM存儲(chǔ)器中，并設(shè)置ROM IP核參數(shù)，即可在FPGA中得到與之相對(duì)應(yīng)的工頻信號(hào)及TWACS編碼信息“1”和信息“0”的波形。

3.2 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

利用MATLAB濾波器設(shè)計(jì)和分析工具（Fdatool）生成FIR低通濾波器。FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：濾波器類型為FIR低通濾波器；采樣頻率=12 800 Hz；通帶截止頻率=100 Hz；阻帶起始頻率=1 000 Hz；阻帶衰減=80 dB。

低通濾波器幅頻、相頻及脈沖響應(yīng)曲線如圖7（a）、圖7（b）所示。

圖7 低通濾波器幅頻、相頻及脈沖響應(yīng)曲線

參數(shù)設(shè)置好后，將所設(shè)計(jì)低通濾波器系數(shù)導(dǎo)出至MATLAB Workspace中，并將Filter Coefficients系數(shù)保存至*.txt文件中，而后使用Quartus Prime17.1進(jìn)行IP核配置。找到FIR II 配置選項(xiàng)，將MATLAB導(dǎo)出的濾波系數(shù)直接導(dǎo)入進(jìn)行參數(shù)配置，Quartus軟件依據(jù)導(dǎo)入系數(shù)按照設(shè)定的系數(shù)位寬調(diào)整到合適的值，并繪制響應(yīng)曲線。FIR IP配置窗口截圖如圖8所示。

圖8 FIR IP配置窗口截圖

3.3 m序列偽隨機(jī)碼FPGA程序

為有效模擬電力線工頻通信噪聲，選用10階線性反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列偽隨機(jī)碼。調(diào)試時(shí)，可通過調(diào)整反饋支路得到不同階數(shù)的偽隨機(jī)數(shù)，實(shí)現(xiàn)噪聲的調(diào)整。下面給出m序列輸出部分程序：

3.4 Quartus與ModelSim聯(lián)合仿真設(shè)置

50 Hz工 頻、TWACS編 碼 信 息“0” 和 信 息“1”的ROM IP核以及FIR IP核生成后， 在Project中添加生成的qip和sip文件；并利用準(zhǔn)備好的測(cè)試文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形數(shù)據(jù)的顯示和驗(yàn)證。在Quartus Prime軟件中選擇Assignment→settings..→EDA tool settings→Simulation→Test Benches，并添加仿真文件。測(cè)試文件的添加如圖9所示。

圖9 測(cè)試文件的添加

4 測(cè)試與分析

測(cè)試輸出波形如圖10所示。

圖10 ModelSim仿真輸出波形

從圖10中可以看出：

（1）50 Hz工頻信號(hào)、TWACS信息“0”和信息“1”波形連續(xù)輸出，且TWACS信息“0”、信息“1”輸出波形與圖4中的MATLAB仿真輸出編碼信息一致。

（2）已編碼工頻信號(hào)嚴(yán)格按原始編碼信息進(jìn)行編碼，圖中原始編碼為：01101001；已編碼工頻信號(hào)嚴(yán)格按TWACS信息“0”、TWACS信息“1”輸出相應(yīng)波形。

（3）含噪已編碼工頻信號(hào)經(jīng)FIR濾波器濾波后，噪聲消除明顯；同時(shí)，濾波后已編碼工頻信號(hào)相對(duì)于原始含噪已編碼工頻信號(hào)具有一定時(shí)延。

（4）解碼輸出信號(hào)與原始編碼信息一致，且解碼輸出信號(hào)相對(duì)于原始編碼信息延遲時(shí)間較長，特別是加入FIR濾波器后延遲更不明顯。

綜上可知，所設(shè)計(jì)低壓配電網(wǎng)智能開關(guān)電力線工頻通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)工頻通信編碼、數(shù)字濾波以及工頻通信解碼，證明了該方法的切實(shí)可行性。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于MATLAB和FPGA產(chǎn)生TWACS工頻通信波形的方案，并以單相工頻通信方式為例給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法。該方案將大量運(yùn)算過程在MATLAB中實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA僅為輔助設(shè)計(jì)輸出，極大地降低了FPGA的設(shè)計(jì)難度，簡化了實(shí)現(xiàn)過程。同時(shí)，本文的設(shè)計(jì)方法很容易擴(kuò)展到三相TWACS工頻通信系統(tǒng)中，僅需在MATLAB中修改相應(yīng)的工頻信號(hào)相位即可實(shí)現(xiàn)三相TWACS工頻通信波形，該方案具有較高的實(shí)用價(jià)值。