基于MATLAB和FPGA的智能開關工頻通信波形的實現

張建業(yè)，曾凡偉，李正剛，田相鵬，鐘建偉，廖紅華

（1.國網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 信息工程學院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

目前，我國配電網結構較復雜，有關線路故障監(jiān)控問題一直是研究熱點。低壓配電網智能開關因具有保護和控制功能，可及時解決低壓配電系統問題，但現階段工頻電力通信技術在智能開關中的應用并未達到預期，特別是如何根據電網情況可靠實現雙向工頻電力通信、如何在不改變現有配電網線路結構前提下僅利用工頻電力通信實現高效監(jiān)控等諸多問題需要解決。

工頻電力通信是以配電網為傳輸介質，具有成本低、抗干擾能力強、可實現無中繼跨變壓器臺區(qū)間通信等優(yōu)勢。通過利用電網電壓和電流波形的微小畸變來攜帶通信信息，達到跨越變壓器直接通信的目的，具有很高的實用價值。李衛(wèi)國等針對油井位置分散、管理困難的現狀，設計了基于電力線工頻通信的抽油機電機遠程監(jiān)測系統，并應用于油田電網。曾水根等基于低壓電力線工頻通信技術實現了遠程抄表，數據經GSM無線網回傳至監(jiān)控中心。朱偉華等設計了一種用于三相工頻電參數遠程抄送和采集的系統，實現了三相電量和三相交流參數采集和遠程抄收功能。

工頻通信均通過控制晶閘管導通和截止來實現通信信號傳輸，極易引入諸多干擾，如諧波、多種干擾噪聲等，在用戶端信號接收效果較差，解調時極易造成解碼失誤。為在強噪聲下實現雙向工頻電力通信（TWACS）的可靠通信，盡可能地降低設備成本，本文提出了一種基于FPGA實現單相低壓配電網智能開關工頻通信的方案，重點探討了基于MATLAB+FPGA產生低壓配電網智能開關電力線工頻通信波形的設計方案，為后期實現低壓配電網智能開關的可靠通信控制提供技術支撐。

1 單相低壓配電網智能開關TWACS實現平臺

單相低壓配電網智能開關TWACS實現平臺如圖1所示。

圖1 單相低壓配電網智能開關TWACS實現平臺

工作原理為：在工頻通信編碼發(fā)送時，低壓配電網智能開關與FPGA通過TWACS串口通信模塊發(fā)送工頻通信編碼，由低壓智能開關編碼器辨識編碼信息并發(fā)送至信號合成和DAC控制器；依據編碼信息，由信號合成控制器將工頻信號、TWACS信息“0”、TWACS信息“1”調制成已編碼工頻數字信號；在確保輸出已編碼工頻數字信號與市電同頻同相前提下，再經DAC控制器輸出至高速DAC及信號放大電路，經信號耦合電路疊加到市電配電線路，實現工頻通信編碼發(fā)送。在接收工頻通信解碼時，經由信號耦合電路，通過輸入信號濾波、ADC電路輸入信號，并經ADC控制器將其轉換為數字信號；經FIR濾波器后，當檢測到解碼同步頭后經工頻通信信號解碼控制器解碼，由TWACS串口通信模塊發(fā)送至低壓配電網智能開關實現后續(xù)控制。

2 低壓配電網智能開關TWACS技術相關基礎理論

2.1 TWACS技術調制原理

TWACS通信是在工頻電壓/電流過零點時實現信號調制和解調的，在工頻電壓/電流過零點附近能量較小，較易利用較小功率實現工頻通信信號調制/疊加以及工頻通信信號解調。

按調制信號劃分，TWACS通信通常可分為下行信號和上行信號。從變電所子站向用戶傳輸的指令信號為下行信號，一般采用的調制方式為電壓波形過零點畸變信號；用戶終端向變電所子站傳遞的指令信號為上行信號，一般采用的調制方式為電流波形過零點畸變信號。上行和下行調制電路原理分別如圖2（a）、圖2（b）所示。

圖2 上行/下行信號調制電路原理

2.2 低壓配電網智能開關TWACS編碼方法

結合低壓配電網智能開關工頻通信控制實際，選用四個相鄰波形表示一位編碼信息，四個相鄰波形共有8個過零點，在電壓波形不同的過零點處調制信號表示不同的信息，如圖3所示。

圖3 低壓配電網智能開關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1、3、6、8被調制，信息“0”表示在過零點2、4、5、7被調制。實際編碼控制時，約定對8個過零區(qū)域中的4個進行調制，其中2個是正過零區(qū)，2個是負過零區(qū)，可得36個碼圖；因信息“1”和信息“0”的碼圖是互相對應關系，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]。每個碼圖組含有6個互相正交的碼圖，編碼時發(fā)送端可同時發(fā)送同一組中六個信號，接收端可分別解調各信道編碼信息，從而實現多路并行傳輸。為準確解調出編碼信息，采用TWACS時域數字差分技術實現編碼信息解碼。TWACS時域差分信號檢測示意圖如圖4所示。

圖4 TWACS時域差分信號檢測示意圖

圖4中，在每個過零點區(qū)域內采集個值，如第個過零點，采集的個值記為：S,S, ...,S。令：

=0時，表示無信號；=4時，表示信息為1；=-4時，表示信息為0。為調制信號強度。

采用上述TWACS時域數字差分技術實現編碼信息解調算法較簡單，并能較好濾除各次整數次諧波，但對非整數次諧波的抑制不夠大，需要級聯其他濾波器來改進。為此，擬選用MegaWizard Plug-In Manager中Filters模塊的FIR Compiler II進行定制 FIR數字濾波器，實現輸入的含噪已編碼工頻信號降噪。

2.3 FIR數字濾波器

數字濾波器可分為IIR濾波器和FIR濾波器。比較兩者，FIR濾波器的單位脈沖響應()是有限長的，無反饋支路，其系統函數僅有零點（除=0的極點外），占用存儲單元和運算次數較少，能保證有限精度運算的誤差較小。

FIR濾波器系統的差分方程可以表示為：

轉移函數為：

FIR濾波器因其輸出()僅取決于輸入()及(-1), ...,(-)，而與過去的輸出數據無關，所以FIR濾波器是因果的，是物理可實現的系統。

2.4 m序列偽隨機碼

m序列具有較強相關性、規(guī)律性和系統性，表現出的統計特性與白噪聲的采樣序列相同。為有效檢測FIR濾波器的濾波效果，采用m序列偽隨機碼模擬低壓配電網工頻通信噪聲，階線性移位寄存器的m序列產生原理如圖5所示。

圖5 n階線性反饋移位寄存器產生原理

圖5中，,, ...,a為個移位寄存器某時刻的狀態(tài)；,, ...,C為移位寄存器的反饋系數，對應位置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生的最長周期等于(2-1)。

3 低壓配電網智能開關TWACS通信模塊設計

3.1 工頻信號、信息“0”和信息“1”的波形設計

利用MATLAB軟件生成50 Hz TWACS編碼信息“1”、信息“0”的波形數據，設置正弦波頻率為50 Hz，采樣頻率為256×50=12 800 Hz，觀測時間為0.08 s；仿真分析時，設TWACS編碼信息“1”表示在過零點1、3、6、8被調制，信息“0”表示在過零點2、4、5、7被調制。MATLAB仿真得到的工頻信號、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、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1、3、6、8被調制，信息“0”在過零點2、4、5、7被調制。通過仿真得到正確波形后，將MATLAB仿真得到的工頻信號、信息“1”和信息“0”的波形數據分別轉換為整型數據，并保存為相應的mif格式文件；然后利用Quartus Prime17.1進行ROM IP核配置，將＊.mif文件添加到ROM存儲器中，并設置ROM IP核參數，即可在FPGA中得到與之相對應的工頻信號及TWACS編碼信息“1”和信息“0”的波形。

3.2 FIR數字濾波器的設計

利用MATLAB濾波器設計和分析工具（Fdatool）生成FIR低通濾波器。FIR低通濾波器的設計指標如下：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、相頻及脈沖響應曲線

參數設置好后，將所設計低通濾波器系數導出至MATLAB Workspace中，并將Filter Coefficients系數保存至*.txt文件中，而后使用Quartus Prime17.1進行IP核配置。找到FIR II 配置選項，將MATLAB導出的濾波系數直接導入進行參數配置，Quartus軟件依據導入系數按照設定的系數位寬調整到合適的值，并繪制響應曲線。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生m序列偽隨機碼。調試時，可通過調整反饋支路得到不同階數的偽隨機數，實現噪聲的調整。下面給出m序列輸出部分程序：

3.4 Quartus與ModelSim聯合仿真設置

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；并利用準備好的測試文件，實現對波形數據的顯示和驗證。在Quartus Prime軟件中選擇Assignment→settings..→EDA tool settings→Simulation→Test Benches，并添加仿真文件。測試文件的添加如圖9所示。

圖9 測試文件的添加

4 測試與分析

測試輸出波形如圖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、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）已編碼工頻信號嚴格按原始編碼信息進行編碼，圖中原始編碼為：01101001；已編碼工頻信號嚴格按TWACS信息“0”、TWACS信息“1”輸出相應波形。

（3）含噪已編碼工頻信號經FIR濾波器濾波后，噪聲消除明顯；同時，濾波后已編碼工頻信號相對于原始含噪已編碼工頻信號具有一定時延。

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

綜上可知，所設計低壓配電網智能開關電力線工頻通信模塊能夠實現工頻通信編碼、數字濾波以及工頻通信解碼，證明了該方法的切實可行性。

5 結 語

本文提出了一種基于MATLAB和FPGA產生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現方法。該方案將大量運算過程在MATLAB中實現，FPGA僅為輔助設計輸出，極大地降低了FPGA的設計難度，簡化了實現過程。同時，本文的設計方法很容易擴展到三相TWACS工頻通信系統中，僅需在MATLAB中修改相應的工頻信號相位即可實現三相TWACS工頻通信波形，該方案具有較高的實用價值。