互相关技术在跨台区电力通信信号检测中的应用

王少军

摘 要：随着社会经济的发展和科学技术的进步，电力通信信号检测技术也在不断发展。近几年，跨台区电力通信技术被广泛应用，相应的信号检测方式也发生了较大的变化，传统的信号检测方式已经不适用于日益变化的通信技术。因此，迫切需要一种新型技术满足当前配电网络通信技术的要求。互相关技术比传统的信号检测技术更加可靠，而且其现场应用效果也非常好。

关键词：互相关技术；电力通信；信号检测；配电网通信技术

中图分类号：TM762 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.126

跨台区电力通信是一种将配电网作为传播媒介的新型电力通信技术手段。借助这种新型的通信技术，能够在现有配电网络中实现无中继、无桥接设备在跨变压器台区不同电压等级之间的数据交换。一般情况下，这里的电压等级是指10～220 kV的电压。这种通信技术的调制信号频带为200～600 Hz，它能够自主完成数据的半双工交换，并且可以不借助配电变压器完成相关工作。由于跨台区电力通信技术采用了查分接收技术和过零调制发送技术，所以，它具有很强的抗干扰能力，能够实现超远距离的传输。由相关研究可知，我国电网情况比较复杂，如果只依靠传统方法检测基于时间变化量的信号，那么，在高耗能地区检测通信信号时，误码率会非常高，而且还会影响检测结果的可靠性。因此，在噪声大的环境中调制信号，将相关技术融入跨台区电力检测工作中，不仅能够提高检测系统的输出信噪比，还能够增强其适应能力和抗干扰能力。

1 跨台区电力通信

跨台区电力通信与配电网电力载波通信有很大的不同，它主要是由处于二次变电站的主变电站和用户采集模块组成的。通信介质使用的是10 kV和200 kV的线路，而调制信息则是由电网波形的微弱畸变表现出来的。跨台区电力通信信号主要分为上行电流信号和下行电压信号。上行电流信号是指从采集模块到主站传输这一阶段的信号，它表示的是用户数据，而信息传输则利用的是电流波形的形变；下行电压信号主要位于变电所到采集模块这段传输区域内，1位信息用2个相邻的电压周期波形表示，它是主站的命令传输信息。跨台区电力通信调制信号如图1所示。由图1可知，通过主站调制变压器电网母线的电压波形经过0°点30°角时有微弱的畸变，如果将其表示在时间轴上，可以把它们看作△t1和△t2.

用传统方法检测调制信号时，首先要整理电压全波。在3个不同的电平下，即V1，V2，V3，电压通过电平后会得到多个不同的时间信息，可以将其记为t1，t2，t3……然后观察电压经

过电平后的时间变化，以此判断调制信号的相关情况。

虽然传统的检测方法比较简单，算法也比较简单，容易实施，但是，它不具备抗干扰能力，数据的准确性很容易受到电网频率波动、检测系统时间基准变化等因素的影响。另外，使用这种方法时，选取的测试点比较少，仅有的测试点很难反映出系统的适应性。因此，要想提高接收数据的准确性，增强检测方法的抗干扰能力，就要不断探索新的检测方法。本文介绍的相互关技术能够针对跨台区电力通信调制信号的特征进行有针对性的检测，而且检测数据的可靠性也非常高。

图1 跨台区电力通信调制信号示意图

2 互相关技术的工作原理

在分析测试结果时，互相关一直都是非常重要的概念之一。简单来讲，互相关是指变量之间的线性关系，即2组数据之间的相互依存关系。假设互相关函数为Rxy（f），则它可以表示为：

（1）

式（1）中：T为积分限；x、y为具体数据；t为时间；f为函数关系；d为信号。

离散化计算公式为：

. （2）

式（2）中：N为采样点个数；n为时间序列；m为时延序列。

在操作过程中，经常会用互相关系数dxy（f）表示2个信号之间的相关性，具体公式为：

dxy（f）= ≤1. （3）

式（3）中：e为常数。

由相关分析可知，当dxy（f）=1时，x与y是完全相关的；当dxy（f）=0时，x与y是完全独立的，它们之间没有任何关系。

借助互相关函数不仅能够检测噪声中的信号，还能够提高输出信号的噪声比。假设观测所得信号x（n）是由真正信号s（n）和白噪声u（n）组成，即x（n）=s（n）+u（n），而y（n）=s（n），则x（n）与y（n）之间的互相关就可以表示为：

. （4）

式（4）中：s（n+m）为时间序列和时延序列的真正信号；dss（m）为时延序列的真正信号相关性；dus（m）为白噪声与信号时延序列的相关性；dsu（m）为信号与白噪声时延序列的相关性。

由于信号与白噪声之间不是相关关系，因此，后面的2项数值会非常小，可以忽略不计。这时，就可以提取混杂在噪声中的信号。互相关检测主要用于提取噪声中夹杂的微弱信号，它是基于互相关函数的同频相关性工作的。因为不同频、不相关信号的性质不同，所以，滤波效果也不同。另外，在整个操作过程中，涉及到的互相关函数只适用于随机信号或功率信号，而且与它相对应的处理信号一定是处于某一频率的周期信号。当然，对于非周期性信号，可以借助相应的调制方法将它们变为周期性信号，然后再作后续处理。维纳-辛钦定理中提到，处在平稳随机过程中的互相关函数与互谱密度是傅里叶变换关系，它能够借助功率谱估计和分析跨台区通信中的信号，以此解决信号检测中存在的问题。虽然互相关函数的算法非常简单，但是，它的运算量非常大，相当于序列长度的平方。信号卷积函数与互相关函数仅差一个负荷，可以充分利用FFT技术提高其运算速度。只有这样，才能够将互相关技术应用到信号检测中。

3 互相关技术的应用

在互相关检测技术中，乘法和积分运算是借助相敏检波器完成的。其中，所选用乘法器的性能会直接影响数据的测量精度，所以，在检测过程中，要重点把握乘法器的性能。互相关原理可以应用于对跨台区电力通信系统的信号检测工作中。由相关工作可知，通信系统采集模块的调制信号和主站调制信号的波形都是确定的，因此，可以在信号的接收端对比、分析接收信号的波形和发送信号的波形，分析两者之间的相似度，以此判断接收到的数据中是否含有信号发送端发出的信号。为了获得发出端信号的波形，可以采取2个方法，即在发送端的信号调制点直接采集，或是在接收端利用多周期叠加的方法提取、分离接收到的信号，然后再把获得的数据存储在专门存储数据的存储器中，以便完成互相关函数的计算。

在上述内容中，已经简要分析了电力通信信号的相关内容。通过分析了解到，下行电压信号是把2个连续的电压周期定义为1位，再加上2个周期中调制信号只可能存在于其中一个周期中，所以，可以用“0”和“1”表示调制信号所处的周期。由前后电压周期的差可以得到时域采样数据中的调制信号数据信息。在此，以50 Hz的电压波形为基准，对比发送端实际发送的调制信号图形与接收端实际采集到的信号图形。由曲线形状可知，接收端信号与发送端信号关系密切，但是，它们都会受到电网噪声的干扰。在这种情况下，工作人员很难借助测量时间的变化量提取信号，实现对通信信号的检测。其实，在实际工作过程中，电网对通信信号的干扰比较大，比如大电流电机的启停、家用大功率电器高频扰动和电网中的谐波，都会影响跨台区电力通信数据的正常传输。

图2是相关波形图经过必要的处理后转换而来的，利用它可以判断发送端信号与接收端带有噪声信号的关系和发送端信号与接收端纯噪声信号的关系。由相关分析可知，经过互相关技术的处理后，数据和信号的信噪声比提升了20 dp。这样，就可以轻松地将信号从噪声中分离出来，从而得到工作人员所需的信号数据。

为了让人们更加清楚地认识到互相关技术与传统的信号检测技术的不同，本文分别用2种不同的检测方法检测居民区和工业区跨台区电力通信系统的信号，并取统计样本1 000组，具体的分析结果详见表1.所对比的2种方法分别为借助测量时间变化的信号检测方法和基于相关函数的信号检测方法。由表1中的数据可知，基于互相关函数的信号检测方法准确率更高。

4 结束语

跨台区电力通信技术与传统的配电网通信技术有很大的不同，它不再依靠载波传输信号，而且能够实现跨配电变压器台区的远距离通信。利用互相关技术的新型信号检测方法有效解决了跨变压器台区电力通信系统在高耗能区域、低信噪比环境中通信误码率比较高的问题。这种检测技术的广泛应用在提高信号检测的准确度、实现信号的有效传输方面发挥了巨大的作用。

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