工频通信系统下行信号仿真与识别方法的研究

2023-02-08

双向工频通信技术是20世纪90年代以来在美国出现的一种基于电力配电网络的通信技术, 该技术在美国和加拿大的部分地区已得到实际应用。工频通信信号的实质是由硅整流器件向电网调制畸变信号, 该调制过程可以等效为系统的微弱的瞬时短路故障, 该故障电流很小、时间很短。在故障发生到故障切除这一期间, 故障点的电压和电流将经历一个从暂态到稳态的过渡过程。双向工频通信系统独特的通信原理决定了其具有成本低廉、实现简单、抗干扰能力强等诸多优点, 这是传统电力线载波通信所无法比拟的。但由于其传输速率较低, 所以目前主要应用于通信速率要求不高的民用自动抄表、工业远程计量等领域。

1 TWACS下行信号传输模型与仿真

下行信号在子站端完成, 由于在实际电网中变电站的电压一般为1 0 k V, 因此调制电路要通过隔离变压器进行隔离和降压。下行调制信号的频率小于1kH z, 若按1kH z计算, 则λ=3×108/1000=3×105 m, 中低压配电网的线路长度远远小于波长, 所以满足集中化条件。所以配电网工频通信信道的建模可采用集中参数电路的方式进行研究。针对我国配电网结构的实际情况, 为反映出工频通信信道的一般特性, 由简入繁, 先建立一条单相线路在无支路、无噪声情况下的传输模型。考虑到下行信号作为电压波动, 能够传播至用户处接收端的必要条件是用户处具有一定的负载阻抗, 因此在MATLAB仿真环境下搭建了图1所示下行信号仿真模型。

仿真结果得到调制信号在暂态过程中的振荡频率比较高, 但持续时间不长, 不会超过1个工频周期, 所以对电网的电压和电流影响非常小, 而且输出调制信号加在电压波形上可使得电压在过零点附近产生畸变, 这一信号特点使接收机易于检测。

2 一种改进的下行信号识别方法

2.1 现有下行信号识别方法

解调的过程就是检测、识别调制信号的过程。传统的检测信号的方法大致可以分为时域解调法和时频域解调法两类, 时域解调法常用的有时间作差、幅值作差、均值法, 无论时间作差法还是幅值作差法, 在抗干扰方面都不能令人满意。比如电压信号发生微小的偏移, 就会导致前后两个周期采样点的角度发生偏移, 从而对使得检测结果出现误差。常用的时频域解调法是傅立叶变换、小波变换方法, 利用短时傅立叶变换和小波分析等方法来进行信号的检测, 虽然识别率较高, 但这些方法运算量较大, 不适合在廉价的单片机上实现。

2.2 基于膨胀运算的下行信号识别的实现

数学形态学膨胀运算的结果使得每一点的值都比原来的信号值要大, 每一点的值与该点之前的M (M为结构元素长度) 个点有关, 即将这些点中每个点的信号值与对应结构元素点值求和之后作比较, 取最大值作为膨胀运算的结果。

正常情况下 (未加调制信号) 电网电压电流为正弦波波形信号。依工频调制原理, 在瞬时功率p=u i为零进行调制所耗功率最小, 下行信号易于调制。考虑到调制回路为恒压回路, 利用电流畸变信号作为下行信号, 在电压基波过零点附近进行调制。由于膨胀运算可以识别单个周期中调制信号的有无, 所以可以利用一个周期中调制信号的有无来表示信号“0”、“1”。

有些文献提出利用开运算来对波形进行恢复, 从调制信号的波形看出, 也可以利用膨胀运算来“恢复”“缺口形状”的调制信号使其与正常情况下回路电压波形更为接近。但实验发现开闭运算的结果并不比膨胀运算好很多, 但运算量增加了一倍, 因此本文采用膨胀运算算法对下行信号进行识别。将膨胀运算恢复后的波形与原波形进行作差运算, 结果是调制信号处的差值较大, 而其它点处差值较小。所以可以对差值设定一个合理范围, 保证调制信号点的差值落在此范围内, 从而判断是否存在调制信号。

3 结语

双向工频通信中调制信号能否识别以及识别的准确率对通信质量有着极大影响。本文针对工频通信的特点, 搭建了下行信号的传输模型;并针对目前解调使用传统方法信号解调准确率低和采用小波变换方法虽有较高的识别率但算法复杂的问题, 提出基于形态滤波的信号解调方法。该方法进行处理时只取决于待处理信号的局部特征且算法简单, 对畸变信号检测能力强, 易于单片机实现, 具有一定的工程实用价值。

摘要：双向工频通信技术 (TWACS) 是一种基于配电网络的新型通信技术, 它利用独特的调制解调技术可以无需外加设备穿越变压器进行跨区域通信。本文针对下行信号 (outbound) 的传输特点, 搭建了下行信号的传输模型, 分析了下行信号在配电网中的传输特性, 并提出了一种改进的基于数学形态学膨胀运算的下行信号识别方法, 该方法算法简单, 计算量小, 易于在单片机上实现。

关键词：工频通信,下行信号,膨胀运算,信号识别