互相關技術在跨臺區電力通信信號檢測中的應用

王少軍

摘 要：隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，電力通信信號檢測技術也在不斷發展。近幾年，跨臺區電力通信技術被廣泛應用，相應的信號檢測方式也發生了較大的變化，傳統的信號檢測方式已經不適用于日益變化的通信技術。因此，迫切需要一種新型技術滿足當前配電網絡通信技術的要求。互相關技術比傳統的信號檢測技術更加可靠，而且其現場應用效果也非常好。

關鍵詞：互相關技術；電力通信；信號檢測；配電網通信技術

中圖分類號：TM762 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.126

跨臺區電力通信是一種將配電網作為傳播媒介的新型電力通信技術手段。借助這種新型的通信技術，能夠在現有配電網絡中實現無中繼、無橋接設備在跨變壓器臺區不同電壓等級之間的數據交換。一般情況下，這里的電壓等級是指10～220 kV的電壓。這種通信技術的調制信號頻帶為200～600 Hz，它能夠自主完成數據的半雙工交換，并且可以不借助配電變壓器完成相關工作。由于跨臺區電力通信技術采用了查分接收技術和過零調制發送技術，所以，它具有很強的抗干擾能力，能夠實現超遠距離的傳輸。由相關研究可知，我國電網情況比較復雜，如果只依靠傳統方法檢測基于時間變化量的信號，那么，在高耗能地區檢測通信信號時，誤碼率會非常高，而且還會影響檢測結果的可靠性。因此，在噪聲大的環境中調制信號，將相關技術融入跨臺區電力檢測工作中，不僅能夠提高檢測系統的輸出信噪比，還能夠增強其適應能力和抗干擾能力。

1 跨臺區電力通信

跨臺區電力通信與配電網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。通信介質使用的是10 kV和200 kV的線路，而調制信息則是由電網波形的微弱畸變表現出來的。跨臺區電力通信信號主要分為上行電流信號和下行電壓信號。上行電流信號是指從采集模塊到主站傳輸這一階段的信號，它表示的是用戶數據，而信息傳輸則利用的是電流波形的形變；下行電壓信號主要位于變電所到采集模塊這段傳輸區域內，1位信息用2個相鄰的電壓周期波形表示，它是主站的命令傳輸信息。跨臺區電力通信調制信號如圖1所示。由圖1可知，通過主站調制變壓器電網母線的電壓波形經過0°點30°角時有微弱的畸變，如果將其表示在時間軸上，可以把它們看作△t1和△t2.

用傳統方法檢測調制信號時，首先要整理電壓全波。在3個不同的電平下，即V1，V2，V3，電壓通過電平后會得到多個不同的時間信息，可以將其記為t1，t2，t3……然后觀察電壓經

過電平后的時間變化，以此判斷調制信號的相關情況。

雖然傳統的檢測方法比較簡單，算法也比較簡單，容易實施，但是，它不具備抗干擾能力，數據的準確性很容易受到電網頻率波動、檢測系統時間基準變化等因素的影響。另外，使用這種方法時，選取的測試點比較少，僅有的測試點很難反映出系統的適應性。因此，要想提高接收數據的準確性，增強檢測方法的抗干擾能力，就要不斷探索新的檢測方法。本文介紹的相互關技術能夠針對跨臺區電力通信調制信號的特征進行有針對性的檢測，而且檢測數據的可靠性也非常高。

圖1 跨臺區電力通信調制信號示意圖

2 互相關技術的工作原理

在分析測試結果時，互相關一直都是非常重要的概念之一。簡單來講，互相關是指變量之間的線性關系，即2組數據之間的相互依存關系。假設互相關函數為Rxy（f），則它可以表示為：

（1）

式（1）中：T為積分限；x、y為具體數據；t為時間；f為函數關系；d為信號。

離散化計算公式為：

. （2）

式（2）中：N為采樣點個數；n為時間序列；m為時延序列。

在操作過程中，經常會用互相關系數dxy（f）表示2個信號之間的相關性，具體公式為：

dxy（f）= ≤1. （3）

式（3）中：e為常數。

由相關分析可知，當dxy（f）=1時，x與y是完全相關的；當dxy（f）=0時，x與y是完全獨立的，它們之間沒有任何關系。

借助互相關函數不僅能夠檢測噪聲中的信號，還能夠提高輸出信號的噪聲比。假設觀測所得信號x（n）是由真正信號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）之間的互相關就可以表示為：

. （4）

式（4）中：s（n+m）為時間序列和時延序列的真正信號；dss（m）為時延序列的真正信號相關性；dus（m）為白噪聲與信號時延序列的相關性；dsu（m）為信號與白噪聲時延序列的相關性。

由于信號與白噪聲之間不是相關關系，因此，后面的2項數值會非常小，可以忽略不計。這時，就可以提取混雜在噪聲中的信號。互相關檢測主要用于提取噪聲中夾雜的微弱信號，它是基于互相關函數的同頻相關性工作的。因為不同頻、不相關信號的性質不同，所以，濾波效果也不同。另外，在整個操作過程中，涉及到的互相關函數只適用于隨機信號或功率信號，而且與它相對應的處理信號一定是處于某一頻率的周期信號。當然，對于非周期性信號，可以借助相應的調制方法將它們變為周期性信號，然后再作后續處理。維納-辛欽定理中提到，處在平穩隨機過程中的互相關函數與互譜密度是傅里葉變換關系，它能夠借助功率譜估計和分析跨臺區通信中的信號，以此解決信號檢測中存在的問題。雖然互相關函數的算法非常簡單，但是，它的運算量非常大，相當于序列長度的平方。信號卷積函數與互相關函數僅差一個負荷，可以充分利用FFT技術提高其運算速度。只有這樣，才能夠將互相關技術應用到信號檢測中。

3 互相關技術的應用

在互相關檢測技術中，乘法和積分運算是借助相敏檢波器完成的。其中，所選用乘法器的性能會直接影響數據的測量精度，所以，在檢測過程中，要重點把握乘法器的性能。互相關原理可以應用于對跨臺區電力通信系統的信號檢測工作中。由相關工作可知，通信系統采集模塊的調制信號和主站調制信號的波形都是確定的，因此，可以在信號的接收端對比、分析接收信號的波形和發送信號的波形，分析兩者之間的相似度，以此判斷接收到的數據中是否含有信號發送端發出的信號。為了獲得發出端信號的波形，可以采取2個方法，即在發送端的信號調制點直接采集，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，然后再把獲得的數據存儲在專門存儲數據的存儲器中，以便完成互相關函數的計算。

在上述內容中，已經簡要分析了電力通信信號的相關內容。通過分析了解到，下行電壓信號是把2個連續的電壓周期定義為1位，再加上2個周期中調制信號只可能存在于其中一個周期中，所以，可以用“0”和“1”表示調制信號所處的周期。由前后電壓周期的差可以得到時域采樣數據中的調制信號數據信息。在此，以50 Hz的電壓波形為基準，對比發送端實際發送的調制信號圖形與接收端實際采集到的信號圖形。由曲線形狀可知，接收端信號與發送端信號關系密切，但是，它們都會受到電網噪聲的干擾。在這種情況下，工作人員很難借助測量時間的變化量提取信號，實現對通信信號的檢測。其實，在實際工作過程中，電網對通信信號的干擾比較大，比如大電流電機的啟停、家用大功率電器高頻擾動和電網中的諧波，都會影響跨臺區電力通信數據的正常傳輸。

圖2是相關波形圖經過必要的處理后轉換而來的，利用它可以判斷發送端信號與接收端帶有噪聲信號的關系和發送端信號與接收端純噪聲信號的關系。由相關分析可知，經過互相關技術的處理后，數據和信號的信噪聲比提升了20 dp。這樣，就可以輕松地將信號從噪聲中分離出來，從而得到工作人員所需的信號數據。

為了讓人們更加清楚地認識到互相關技術與傳統的信號檢測技術的不同，本文分別用2種不同的檢測方法檢測居民區和工業區跨臺區電力通信系統的信號，并取統計樣本1 000組，具體的分析結果詳見表1.所對比的2種方法分別為借助測量時間變化的信號檢測方法和基于相關函數的信號檢測方法。由表1中的數據可知，基于互相關函數的信號檢測方法準確率更高。

4 結束語

跨臺區電力通信技術與傳統的配電網通信技術有很大的不同，它不再依靠載波傳輸信號，而且能夠實現跨配電變壓器臺區的遠距離通信。利用互相關技術的新型信號檢測方法有效解決了跨變壓器臺區電力通信系統在高耗能區域、低信噪比環境中通信誤碼率比較高的問題。這種檢測技術的廣泛應用在提高信號檢測的準確度、實現信號的有效傳輸方面發揮了巨大的作用。

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