CN106160211A - 基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统，包括位于变电站的多个集中器和位于配电变压器低压侧的多个农网检测终端；每个集中器包括用于工频通信的上行解调单元、下行调制单元和工控机；每个农网检测终端包括传感器模块、工频通信模块和综合管理模块；本发明还公开了一种基于多路工频通信技术的农村电网远程检测方法，在农网检测终端和/或集中器中进行的同步检测方法包括：利用匹配滤波方式确定各路工频通信信号的调制时域；利用自适应干扰抵消技术进行工频通信降噪。本发明提出的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控系统与方法，能够适应农网的地域条件和信道环境，为农网改造创造有利条件。

Description

基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统与方法

技术领域

本发明涉及农村电网技术领域，特别是指一种基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统与方法。

背景技术

农村电网作为构成我国电网重要的组成部分，县城及农村用电量占全社会用电量的比例己经达到52％以上，同时农村电网发展势头猛进，农村电网的智能化建设是电网智能化建设不可或缺的重要组成部分。

当前推行的社会主义新农村建设工作对农电的配电、用电专业提出了更高的要求，农网相比城网，不论在设备技术手段，还是运行管理水平等方面，都存在较大差距，而且这些现象在农网中普遍存在，比如抄表手段落后、低压台区管理落后、电力设备经常发生被盗等现象，同时在用电领域、低压台区的配电等方面还有很多现实问题，为此国家启动新一轮农网改造升级工程。

农网自动化建设工程中，检测信息的传输方式是重要环节，目前可采用的方式主要包括公众电话网、公共无线网络、光纤通信、电力线载波、电力线工频通信等技术。

在农网自动化工程方面，目前已经有不少通过GSM\GPRS等公共无线网络的农网远程抄表系统进行应用，但农村地区存在大量的无线信号盲区。

在电力线工频通信(TWACS)技术本身而言，该技术利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息从而实现通信，能够跨越变压器远距离通信，目前在国内电力系统也开始了工频通信技术的研究和应用。

传统工频通信技术的上、下行工频通信信号都在电压过零时刻进行调制，这样使得信号调制所需功率最低；由于电网噪声严重，为了使信号检测时能够通过时域差分去除背景干扰，每位上、下行数据都通过多个工频周期内调制信号的位置来表示。

在工频通信信号解调方面，目前基本采用时域差分方式抑制电网背景影响，根据调制信号的波形特征进行信号检测。

农村电网分布广泛，配电变压器多，在城市配电网自动化工程中应用的检测信息传输方式，在农网改造中进行应用存在如下问题：

1)光纤通信需要安装专门线路，而且难以适应农网线路、变压器位置经常更换的情况；

2)公共无线通信网络存在信号盲区，而且需要长期支付通信服务费用；

3)中压电力线载波通信设备昂贵而且通信性能差。

在电力线工频通信(Two-way power frequency automatic communicationsystem，TWACS)技术非常适合农网供电线路长、用户分散的环境特点，但传统的工频通信技术直接应用于农网自动化改造存在如下问题：

1)单路工频通信方式通信速率较低，难以传输更大容量的农网信息。

2)传统的下行工频通信解调方式采用硬件实现，其机理是根据畸变信号造成的电压过零时间变化情况来判断数据信息，难以适应农网的信道环境。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控系统与方法，能够适应农网的地域条件和信道环境，为农网改造创造有利条件。

基于上述目的本发明提供的基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统，包括位于变电站的多个集中器和位于配电变压器低压侧的多个农网检测终端；每个集中器包括用于工频通信的上行解调单元、下行调制单元和工控机；每个农网检测终端包括传感器模块、工频通信模块和综合管理模块；

其中，所述传感器模块包括电压传感器和电流传感器；工频通信模块包括第一微处理器和模数转换器；工频通信模块通过传感器模块和信号调理电路获得农网线路的电压、电流信息，通过第一微处理器进行电气参数测量和下行工频通信信号的检测，当需要回送上行工频通信信号时，第一微处理器通过触发电路驱动可控硅导通驱动调制电阻，从而进行上行畸变电流的调制。

在一些实施方式中，所述综合管理模块包括第二微处理器，所述综合管理模块与所述工频通信模块之间通过UART数字接口进行信息交换，用于完成农网检测终端自身测试而获得的电气参数管理，以及通过RS485接口与智能电表或其他仪表通信，从而获得更多的农网信息。

本发明的另一方面还提供了一种应用于所述的基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统的农村电网远程检测方法，在所述农网检测终端和/或集中器中进行的同步检测方法包括：

利用匹配滤波方式确定各路工频通信信号的调制时域；以及，

利用自适应干扰抵消技术进行工频通信降噪。

在一些实施方式中，所述利用匹配滤波方式确定各路工频通信信号的调制时域的步骤包括：

假设配电变压器低压侧实测的电流调制信号作为参考信号，选择合适的抽样时刻，形成叠加合成信号的匹配滤波器，其滤波输出为：

$w_j\left(t\right)=v(t_0-t)*c_j\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}v(t_0-\mathrm{\τ})c_j(t-t_0+\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ},$

其中，v(t)为参考信号，t₀为抽样时刻，v(t₀-t)为叠加合成信号的匹配滤波器；

根据匹配滤波原理，抽样时刻的选择应使匹配滤波输出正好是调制信号的镜像反转，而且输出信噪比最佳，也就是滤波输出最大；在理想情况下，畸变信号以电压过零为中心，其持续时间为t_a，如果没有电压过零时差存在，抽样时刻应当是比电压过零时刻偏移t_a/2后的时刻；

因此，将使滤波输出达到峰值对应的抽样时刻减去t_a/2的时间即是该路信号收发端的电压过零时差；

根据得到的电压过零时差即可确定该路工频通信信号的调制时域，为工频通信的数据解调提供基础。

在一些实施方式中，所述利用自适应干扰抵消技术进行工频通信降噪的步骤包括：

将采样输入信号延迟3ms的信号作为噪声参考信号进行自适应滤波处理；

其中，输入通道包括工频调制信号和电网干扰；参考通道为输入通道延迟3ms的信号，以保证在调制时域内参考信号与调制信号无关，只与电网干扰有关，这样系统输出误差即是对工频调制信号的最优估计。

在一些实施方式中，所述利用自适应干扰抵消技术进行工频通信降噪的步骤包括：

以下行信号解调为例，输入通道信号即是电压检差信号，表示为：

y_u(n)＝f(n)v(n)+n_u(n)，

式中，y_u(n)为离散化的电压检差信号，v(n)为离散化的调制信号，f(n)为数据信息位，表示畸变信号的方向，取值为“+1”或“-1”，n_u(n)为电网干扰；

参考通道信号为：

y_i(n)＝y_u(n-ΔT)＝n_u(n-ΔT)，

式中，ΔT选择为3ms；

参考信号y_i(n)的自适应FIR滤波输出为y₀(n)，系统输出误差为e(n)，对噪声进行自适应滤波，使输出与噪声相匹配，系统输出误差即是对有用信号的最优估计，由于数据信息f(n)的取值为“+1”或“-1”，这样，系统输出误差表示为：

e(n)＝y_u(n)-y₀(n)＝±v_u(n)+n_u(n)-y₀(n)，

均方误差值是：

E[e²(n)]＝E{[±v_u(n)+n_u(n)-y₀(n)]²}；

由于电网噪声n_u(n)与畸变信号v_u(n)之间相互无关，参考信号y_i(n)中基本没有畸变信号成份，所以y₀(n)也与畸变信号无关，可以得到：

E[e²(n)]≈E[v_u ²(n)]+E{[n_u(n)-y₀(n)]²}；

由于畸变信号功率基本稳定，不受自适应滤波器调节的影响，因此，E[e²(n)]的最小值就代表了E{[n_u(n)-y₀(n)]²}的最小值，如此，信号v_u(n)的最佳估计就是系统输出误差e(n)；

在自适应FIR滤波器的计算中，采用LMS算法，采用5级滤波系数，设加权系数为W＝[w₀ w₁ w₂ w₃ w₄]，则：

$y_0\left(n\right)=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j*y_i(n-j),$

由于调制信号在一个工频周期采样200个点，当延迟3ms时，相当于30个采样间隔，所以得到参考信号为：

y_i(n)＝y_u(n-30)，

加权系数W的最佳估值为使E[e²(n)]最小，通过迭代来实现，μ为调整迭代步长的收敛因子，这里取μ＝0.02，同时W的迭代初始值取W₀＝[0 0 0 0 0]，得到：

W_k+1(j)＝W_k(j)+2μe_k(j)y_i(j)，

从而能够实现对电压检差信号的自适应滤波，提高工频通信调制时域内的信噪比，为数据解调创造有利条件。

在一些实施方式中，所述农村电网远程检测方法还包括：应用于位于配电变压器低压侧的农网检测终端的下行解调方法，其中，下行数据的采用曼彻斯特编码调制。

在一些实施方式中，所述应用于位于配电变压器低压侧的农网检测终端的下行解调方法包括：

设f_u(t)为双极性下行数据信息，n(t)为差分后的电网噪声，Δ为收发端电压过零时差，β、δ分别为畸变信号的幅度衰减系数和传输时延，用户终端以本地电压过零点为基准得到的前后周期电压检差信号可表示为：

y_u(t)＝f_u(t)βv(t+Δ-δ)+n_u(t)；

在前后周期电压检差信号y_u(t)中，噪声n_u(t)是随机的，畸变信号的方向取决于数据信息，根据工频通信信号传输特性的分析的情况，畸变信号幅度衰减和传输时延很小，β接近1，而δ接近0，信号的调制时域主要由收发端电压过零点时差Δ决定；

v(t)为调制变压器低压侧实测的电压畸变信号，选择Kv(t+λ)作为参考信号，K为接收幅度系数，λ为相关时延，根据电压畸变信号主要成份的持续时间情况，相关运算时间μ选择为3ms；这样，前后周期电压检差信号y_u(t)与参考信号Kv(t+λ)的互相关输出为：

$\begin{array}{c}{R}_u\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}{y}_u\left(t\right)\mathrm{Kv}(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}\\ =f_u\left(t\right)K\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}v(t+\mathrm{\Δ})v(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}+K\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}{n}_u\left(t\right)v(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}\\ =f_u\left(t\right)X\left(\mathrm{\λ}\right)+N\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array};$

互相关输出中既有电网噪声与参考调制信号的相关输出N(λ)，也有调制信号的自相关输出f_u(t)X(λ)；

当Δ为0时，X(λ)为正且最大，因此，通过判断R_u(λ)的正负就能够实现下行数据信息f_u(t)的解调。

从上面所述可以看出，本发明提供的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控系统与方法，检测数据基于多路电力线工频通信方式跨越配电变压器传输，具有成本低、安装方便等优势，采用了自适应干扰抵消结合匹配滤波技术实现多路工频通信信号的时域确定，能够克服工频通信收发节点系统电压相位差的影响，各种电气参数的测量与多路工频通信的调制解调都通过同一DSP、A/D平台，通过软件运算实现，设备成本低廉，适合农网改造的环境和经济条件。

附图说明

图1为本发明提供的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控系统实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控系统实施例中农网检测终端的结构示意图；

图3为本发明提供的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控方法实施例的流程示意图；

图4为自适应滤波器的横向结构示意图；

图5为本发明提供的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控方法实施例中的工频通信自适应干扰抑制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

术语解释：

1)农村电网：在我国，为县级区域内的县城、村镇、农垦区及林牧区用户供电的110kV及以下配电网，在农村电力网中起重要分配电能作用的网络，由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等组成。

2)电力线工频通信：利用电力线传输通过电网工频电压过零点时产生微小的畸变信号来传递信息的通信方式。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

农村电网的自动化改造是建设现代化新农村的组成部分，针对农网用户分散、负荷相对较低、供电线路较长等特点，本发明提出了一种基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控系统，能够适应农网的地域条件和信道环境，为农网改造创造有利条件。为了传输更大容量的农网检测信息，本发明采用了多路工频通信传输方式。

参照附图1和附图2，分别为本发明提供的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控系统实施例的结构示意图和农网检测终端的结构示意图。

如图1和图2所示，所述基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统，其中的检测信息传输采用多路工频通信方式实现，包括位于变电站的多个集中器和位于配电变压器低压侧的多个农网检测终端；每个集中器包括用于工频通信的上行解调单元、下行调制单元和工控机；每个农网检测终端包括传感器模块、工频通信模块和综合管理模块；

其中，所述传感器模块包括电压传感器PT和电流传感器CT；工频通信模块包括工频通信调制模块、工频通信解调模块、32位的第一微处理器MCU(可选的，其型号为MB91F467D)和16位模数转换器A/D(可选的，其型号为AD7656)，并以32位的第一微处理器MCU和16位模数转换器A/D为核心；工频通信模块通过传感器模块和信号调理电路获得农网线路的电压、电流信息，通过软件运算，第一微处理器MCU进行电气参数测量和下行工频通信信号的检测，当需要回送上行工频通信信号时，第一微处理器MCU通过触发电路驱动可控硅导通驱动调制电阻，从而进行上行畸变电流的调制。

TWACS技术传输距离长，且可跨越变压器进行传输，农网中配电变压器多，如果应用TWACS技术作为配网中进行通信的通信方式，则只需在变电站处安装主站设备(集中器)、终端设备即可进行数据通信。

农村电网分布广泛，配电变压器多，如果应用TWACS做长距离的数据通信，不仅可以节省通讯线路的花费，而且可靠性高，成本低，可穿越变压器进行通信。主站设备有集中器，集中器中有工频通信上行解调单元、下行调制单元和工控机。终端本身能够对农网的电气参数如电压、电流、用电量等进行采集，并且可以判断农网的运行情况。

上、下行工频通信信号都在电压过零时刻进行调制，这样使得信号调制所需功率最低；由于电网噪声严重，为了使信号检测时能够通过时域差分去除背景干扰，每位上、下行数据都通过多个工频周期内调制信号的位置来表示。

较佳的，所述综合管理模块包括第二微处理器(可选为Atmega128)以及其他外围器件，所述综合管理模块与所述工频通信模块之间通过UART数字接口RS232进行信息交换，一方面用于完成农网检测终端自身测试而获得的电气参数管理，另一方面则通过RS485接口与智能电表或其他仪表通信，用于获得更多的农网信息。

为了在农村配电网可靠传输检测信息，本发明针对工频通信传输特性和农网信道环境，提出基于匹配滤波结合自适应干扰抵消技术的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控方法。参照附图3，为本发明提供的基于多路电力线工频通信传输信息的农村配电网远程监控方法实施例的流程示意图。

所述基于多路工频通信技术的农村电网远程检测方法，包括在所述农网检测终端和/或集中器中进行的同步检测方法，其具体包括：

步骤101：利用匹配滤波方式确定各路工频通信信号的调制时域。

由于工频通信信号收发端存在电压相位差，必须通过技术手段确定接收信号调制时域后才能保证解调性能，在时频分析方法中，维格纳分布虽然性能较好，但计算量大，当同时计算多路上行调制信号时域时，对上行解调单元的处理速度要求高。为了计算的实时性，由于叠加合成信号的信噪比较高，本发明设计了采用匹配滤波方式来确定信号时域的方法。

本发明设计多路工频通信的前导信息由M序列编码调制(曼彻斯特编码调制)，数据信息由正交编码方式调制，接收的时候，通过正交向量检测实现多路数据并行传输，利用M序列的自相关特性实现本路工频通信前导信息区分，然后通过叠加合成大大增强前导信息的信噪比，在此基础上，基于匹配滤波方式确定各路工频通信信号的调制时域。

由于是在电压过零前30°进行调制，电流畸变脉冲的时域长度基本能够确定，假设配电变压器低压侧实测的电流调制信号作为参考信号，选择合适的抽样时刻，形成叠加合成信号的匹配滤波器，其滤波输出为：

$w_j\left(t\right)=v(t_0-t)*c_j\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}v(t_0-\mathrm{\τ})c_j(t-t_0+\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}---\left(1\right)$

其中，v(t)为参考信号，t₀为抽样时刻，v(t₀-t)为叠加合成信号的匹配滤波器；

根据匹配滤波原理，抽样时刻t₀的选择应使匹配滤波输出正好是调制信号的镜像反转，而且输出信噪比最佳，也就是滤波输出最大；在理想情况下，畸变信号以电压过零为中心，其持续时间为t_a(选择为3毫秒)，如果没有电压过零时差Δ_j存在，抽样时刻t₀应当是比电压过零时刻偏移t_a/2后的时刻；

因此，将使滤波输出达到峰值对应的抽样时刻t₀减去t_a/2的时间即是该路信号收发端的电压过零时差Δ_j；

根据上述方式得的电压过零时差即可确定该路工频通信信号的调制时域，为工频通信的数据解调提供基础；由于计算量大大降低，工频通信子站设备能够在较低器件成本的条件下实时进行多路上行信号的时域确定，适应农网自动化改造的特点。

步骤102：利用自适应干扰抵消技术进行工频通信降噪。

当基于匹配滤波方式确定多路工频通信信号调制时域后，在信号时域内依然存在大量干扰噪声，必须提供相关技术手段抑制干扰后，才能获得更好的数据解调性能，针对此，本发明提出了基于自适应干扰抵消技术的工频通信降噪手段。

自适应滤波是在维纳滤波、卡尔曼滤波等线性滤波基础上发展起来的一种最佳滤波方法，就是利用前一时刻以获得的滤波器参数等结果，自动的调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波，图4是自适应滤波器的基本结构。

一般的情况下，自适应滤波器由两部分组成，一是滤波器的结构，二是调节滤波器系数的自适应算法；自适应滤波器的系数受误差信号的控制，根据的值和具体的自适应算法自动调整，自适应滤波器滤波有多种算法，其中较为常用的是LMS与RLS算法。

在自适应滤波处理中，参考信号的选择是关键环节，当在电力线的某相位进行调制时，同时会对其他相的线路产生交叉干扰，因此，接收端将其他相同时刻的信号作为噪声参考信号是不合理的。

工频通信信号的调制一般都是在电压过零前30°进行，根据系统模型仿真和现场实测信号得知畸变信号持续时间一般小于3ms，本发明通过时频分析方法确定了信号的调制时域，而调制时域外的信号都是电网干扰，而电网干扰信号存在一定的关系，所以选择将调制信号存在时域外约3ms的取样信号作为噪声参考信号，这样就能够基本保证噪声参考信号与调制信号无关。根据此，可以将采样输入信号延迟3ms的信号作为噪声参考信号进行自适应滤波处理。

如图3所示为工频通信自适应干扰抑制示意图，输入通道包括工频调制信号和电网干扰；参考通道为输入通道延迟3ms的信号，以保证在调制时域内参考信号与调制信号无关，只与电网干扰有关，这样系统输出误差即是对工频调制信号的最优估计。

进一步的，以下行信号解调为例进行分析，输入通道信号即是电压检差信号，表示为：

y_u(n)＝f(n)v(n)+n_u(n) (2)

式中，y_u(n)为离散化的电压检差信号，v(n)为离散化的调制信号，f(n)为数据信息位，表示畸变信号的方向，取值为“+1”或“-1”，n_u(n)为电网干扰；

参考通道信号为：

y_i(n)＝y_u(n-ΔT)＝n_u(n-ΔT) (3)

式中，ΔT选择为3ms，由于畸变信号主要成份只存在2ms至3ms的时间，这样在参考信号中，基本没有调制信号，只剩下电网噪声。

该系统有两路通道，分别为输入通道和参考通道，其中噪声n_u(n)与有用信号s(n)不相关；当数据信息f(n)为“+1”时，参考信道传输与有用信号不相关而与噪声相关的噪声n_u(n)。

如图3所示，参考信号y_i(n)的自适应FIR滤波输出为y₀(n)，系统输出误差为e(n)，对噪声进行自适应滤波，使输出与噪声相匹配，系统输出误差即是对有用信号的最优估计，由于数据信息f(n)的取值为“+1”或“-1”，这样，系统输出误差表示为：

e(n)＝y_u(n)-y₀(n)＝±v_u(n)+n_u(n)-y₀(n) (4)

均方误差值是：

E[e²(n)]＝E{[±v_u(n)+n_u(n)-y₀(n)]²} (5)

由于电网噪声n_u(n)与畸变信号v_u(n)之间相互无关，同时如前所述，参考信号y_i(n)中基本没有畸变信号成份，所以y₀(n)也与畸变信号无关，参考有关文献，可以得到：

E[e²(n)]≈E[v_u ²(n)]+E{[n_u(n)-y₀(n)]²} (6)

由于畸变信号功率基本稳定，不受自适应滤波器调节的影响，因此，E[e²(n)]的最小值就代表了E{[n_u(n)-y₀(n)]²}的最小值，如此，信号v_u(n)的最佳估计就是系统输出误差e(n)；

在自适应FIR滤波器的计算中，采用LMS算法，采用5级滤波系数，设加权系数为W＝[w₀ w₁ w₂ w₃ w₄]，则：

$y_0\left(n\right)=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j*y_i(n-j)---\left(7\right)$

由于调制信号在一个工频周期采样200个点，当延迟3ms时，相当于30个采样间隔，所以得到参考信号为：

y_i(n)＝y_u(n-30) (8)

加权系数W的最佳估值为使E[e²(n)]最小，通过迭代来实现，μ为调整迭代步长的收敛因子，这里取μ＝0.02，同时W的迭代初始值取W₀＝[0 0 0 0 0]，得到：

W_k+1(j)＝W_k(j)+2μe_k(j)y_i(j) (9)

从而能够实现对电压检差信号的自适应滤波，提高工频通信调制时域内的信噪比，为数据解调创造有利条件。

此外，所述基于多路工频通信技术的农村电网远程检测方法，还包括：应用于位于配电变压器低压侧的农网检测终端的下行解调方法，其中，下行数据的采用曼彻斯特编码调制。

在本发明设计的农网远程检测终端中，工频通信模块内的MCU同时进行农网电气参数的测量与下行工频通信功能，当电压、电流信号通过PT和CT获取后，农网三相电压、电流、有功和无功电量、功率因数等参数的计算方法比较成熟，关键在于下行工频通信信号的准确解调。

下行工频通信采用电压畸变实现信号传输，这样MCU通过A/D采集来自电压传感器的电压信号，通过比较电路获得过电压过零点，以此为时域差分运算的基准，有效抑制背景干扰、突出电压畸变信号，然后基于自适应滤波等手段提高信噪比，再通过互相关等手段实现数据解调。

在工频通信信号检测方面，传统的下行解调方式是根据前后周波电压过零点的时间变化情况通过硬件电路来实现，畸变信号引起的电压过零时间变化很小，信号解调容易受到电网噪声的影响，这种解调方式通信效果差，只能在干扰较小的民用电网应用。

下行数据的采用曼彻斯特编码调制，通过两个相邻电压周期中电压畸变信号的位置来表示一位数据信息，在获得数据编码起始工频周期的情况下，将前后周期电压信号作差后能够除去大部分电网干扰，而作差信号中电压调制成份的正负就由数据信息决定。

具体的，所述应用于位于配电变压器低压侧的农网检测终端的下行解调方法包括：

设f_u(t)为双极性下行数据信息，n(t)为差分后的电网噪声，Δ为收发端电压过零时差，β、δ分别为畸变信号的幅度衰减系数和传输时延，用户终端以本地电压过零点为基准得到的前后周期电压检差信号可表示为：

y_u(t)＝f_u(t)βv(t+Δ-δ)+n_u(t) (10)

在前后周期电压检差信号y_u(t)中，噪声n_u(t)是随机的，畸变信号的方向取决于数据信息，根据工频通信信号传输特性的分析的情况，畸变信号幅度衰减和传输时延很小，β接近1，而δ接近0，信号的调制时域主要由收发端电压过零点时差Δ决定；

由于在同步检测时获得了下行信号的调制时域，这种情况下设置参考信号采用互相关方式进行解调比较合适；同时，按照如式(3)至(9)的自适应滤波方法后，电压减差信号的信噪比大大提升，为互相关运算实现下行解调创造了有利条件。

v(t)为调制变压器低压侧实测的电压畸变信号，选择Kv(t+λ)作为参考信号，K为接收幅度系数，λ为相关时延，根据电压畸变信号主要成份的持续时间情况，相关运算时间μ选择为3ms；这样，式(10)中前后周期电压检差信号y_u(t)与参考信号Kv(t+λ)的互相关输出为：

$\begin{array}{c}{R}_u\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}{y}_u\left(t\right)\mathrm{Kv}(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}\\ =f_u\left(t\right)K\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}v(t+\mathrm{\Δ})v(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}+K\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}{n}_u\left(t\right)v(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}\\ =f_u\left(t\right)X\left(\mathrm{\λ}\right)+N\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array}---\left(11\right)$

互相关输出中既有电网噪声与参考调制信号的相关输出N(λ)，也有调制信号的自相关输出f_u(t)X(λ)；

当Δ为0时，X(λ)为正且最大，因此，通过判断R_u(λ)的正负就能够实现下行数据信息f_u(t)的解调。

从上面所述可以看出，本发明提供的基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统与方法，其具体特点包括：

(1)基于多路工频通信的农网远程检测系统结构，该系统能够适应农网农网用户分散、供电线路长、负荷相对较轻但地形条件复杂的环境特点；

(2)采用了结合匹配滤波与自适应干扰抵消技术的多路工频通信信号检测方法；

(3)其农网检测终端采用了农网电气参数检测与工频通信功能的一体化实现方法，由于采用同一硬件平台实现了工频通信与电气测量功能，检测终端具有良好的性价比优势，而在农网远程检测系统中，设备成本主要在于检测终端，这样就为系统的推广创造了有利条件。

本发明针对农网用户分散、供电线路长、负荷相对较轻但地形条件复杂等情况，在研究城市自动抄表系统常用的几种通信方式基础上，提出了基于多路电力线工频通信技术的远程抄表系统，包括抄表终端和变电站集中器部分，可以对农网自动化建设创造有利条件，在如下方面具有明显优势：

1)基于多路工频通信的农网远程检测系统结构，由于工频通信技术具有衰减小、抗干扰能力强的特点，能够适应农网环境，多路工频通信信号并行传输能够提高通信速率，为传输更多信息创造有利条件；

2)结合匹配滤波与自适应干扰抵消技术的多路工频通信信号检测方法，这样能够有效抑制电网干扰噪声，提高多路工频通信的性能；

3)农网电气参数检测与工频通信功能的一体化实现方法，远程检测终端以DSP、AD、PT、CT等器件为平台，通过软件运算同时实现电气测量、运行状态诊断、工频通信信号处理，设备成本低，为在农网的规模化推广应用创造了有利条件。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统，其特征在于，包括位于变电站的多个集中器和位于配电变压器低压侧的多个农网检测终端；每个集中器包括用于工频通信的上行解调单元、下行调制单元和工控机；每个农网检测终端包括传感器模块、工频通信模块和综合管理模块；

其中，所述传感器模块包括电压传感器和电流传感器；工频通信模块包括第一微处理器和模数转换器；工频通信模块通过传感器模块和信号调理电路获得农网线路的电压、电流信息，通过第一微处理器进行电气参数测量和下行工频通信信号的检测，当需要回送上行工频通信信号时，第一微处理器通过触发电路驱动可控硅导通驱动调制电阻，从而进行上行畸变电流的调制。

2.根据权利要求1所述的农村电网远程检测系统，其特征在于，所述综合管理模块包括第二微处理器，所述综合管理模块与所述工频通信模块之间通过UART数字接口进行信息交换，用于完成农网检测终端自身测试而获得的电气参数管理，以及通过RS485接口与智能电表或其他仪表通信，从而获得更多的农网信息。

3.一种应用于权利要求1或2所述的基于多路工频通信技术的农村电网远程检测系统的农村电网远程检测方法，其特征在于，在所述农网检测终端和/或集中器中进行的同步检测方法包括：

利用匹配滤波方式确定各路工频通信信号的调制时域；以及，

利用自适应干扰抵消技术进行工频通信降噪。

4.根据权利要求3所述的农村电网远程检测方法，其特征在于，所述利用匹配滤波方式确定各路工频通信信号的调制时域的步骤包括：

假设配电变压器低压侧实测的电流调制信号作为参考信号，选择合适的抽样时刻，形成叠加合成信号的匹配滤波器，其滤波输出为：

$w_j\left(t\right)=v(t_0-t)*c_j\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}v(t_0-\mathrm{\τ})c_j(t-t_0+\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ},$

其中，v(t)为参考信号，t₀为抽样时刻，v(t₀-t)为叠加合成信号的匹配滤波器；

根据匹配滤波原理，抽样时刻的选择应使匹配滤波输出正好是调制信号的镜像反转，而且输出信噪比最佳，也就是滤波输出最大；在理想情况下，畸变信号以电压过零为中心，其持续时间为t_a，如果没有电压过零时差存在，抽样时刻应当是比电压过零时刻偏移t_a/2后的时刻；

因此，将使滤波输出达到峰值对应的抽样时刻减去t_a/2的时间即是该路信号收发端的电压过零时差；

根据得到的电压过零时差即可确定该路工频通信信号的调制时域，为工频通信的数据解调提供基础。

5.根据权利要求3所述的农村电网远程检测方法，其特征在于，所述利用自适应干扰抵消技术进行工频通信降噪的步骤包括：

将采样输入信号延迟3ms的信号作为噪声参考信号进行自适应滤波处理；

其中，输入通道包括工频调制信号和电网干扰；参考通道为输入通道延迟3ms的信号，以保证在调制时域内参考信号与调制信号无关，只与电网干扰有关，这样系统输出误差即是对工频调制信号的最优估计。

6.根据权利要求5所述的农村电网远程检测方法，其特征在于，所述利用自适应干扰抵消技术进行工频通信降噪的步骤包括：

以下行信号解调为例，输入通道信号即是电压检差信号，表示为：

y_u(n)＝f(n)v(n)+n_u(n)，

式中，y_u(n)为离散化的电压检差信号，v(n)为离散化的调制信号，f(n)为数据信息位，表示畸变信号的方向，取值为“+1”或“-1”，nu(n)为电网干扰；

参考通道信号为：

y_i(n)＝y_u(n-ΔT)＝n_u(n-ΔT)，

式中，ΔT选择为3ms；

参考信号y_i(n)的自适应FIR滤波输出为y₀(n)，系统输出误差为e(n)，对噪声进行自适应滤波，使输出与噪声相匹配，系统输出误差即是对有用信号的最优估计，由于数据信息f(n)的取值为“+1”或“-1”，这样，系统输出误差表示为：

e(n)＝y_u(n)-y₀(n)＝±v_u(n)+n_u(n)-y₀(n)，

均方误差值是：

E[e²(n)]＝E{[±v_u(n)+n_u(n)-y₀(n)]²}；

由于电网噪声n_u(n)与畸变信号v_u(n)之间相互无关，参考信号y_i(n)中基本没有畸变信号成份，所以y₀(n)也与畸变信号无关，可以得到：

E[e²(n)]≈E[v_u ²(n)]+E{[n_u(n)-y₀(n)]²}；

由于畸变信号功率基本稳定，不受自适应滤波器调节的影响，因此，E[e²(n)]的最小值就代表了E{[n_u(n)-y₀(n)]²}的最小值，如此，信号v_u(n)的最佳估计就是系统输出误差e(n)；

在自适应FIR滤波器的计算中，采用LMS算法，采用5级滤波系数，设加权系数为W＝[w₀ w₁ w₂ w₃ w₄]，则：

$y_0\left(n\right)=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j*y_i(n-j),$

由于调制信号在一个工频周期采样200个点，当延迟3ms时，相当于30个采样间隔，所以得到参考信号为：

y_i(n)＝y_u(n-30)，

加权系数W的最佳估值为使E[e²(n)]最小，通过迭代来实现，μ为调整迭代步长的收敛因子，这里取μ＝0.02，同时W的迭代初始值取W₀＝[0 0 0 0 0]，得到：

W_k+1(j)＝W_k(j)+2μe_k(j)y_i(j)，

从而能够实现对电压检差信号的自适应滤波，提高工频通信调制时域内的信噪比，为数据解调创造有利条件。

7.根据权利要求3所述的农村电网远程检测方法，其特征在于，还包括：应用于位于配电变压器低压侧的农网检测终端的下行解调方法，其中，下行数据的采用曼彻斯特编码调制。

8.根据权利要求7所述的农村电网远程检测方法，其特征在于，所述应用于位于配电变压器低压侧的农网检测终端的下行解调方法包括：

设f_u(t)为双极性下行数据信息，n(t)为差分后的电网噪声，Δ为收发端电压过零时差，β、δ分别为畸变信号的幅度衰减系数和传输时延，用户终端以本地电压过零点为基准得到的前后周期电压检差信号可表示为：

y_u(t)＝f_u(t)βv(t+Δ-δ)+n_u(t)；

在前后周期电压检差信号y_u(t)中，噪声n_u(t)是随机的，畸变信号的方向取决于数据信息，根据工频通信信号传输特性的分析的情况，畸变信号幅度衰减和传输时延很小，β接近1，而δ接近0，信号的调制时域主要由收发端电压过零点时差Δ决定；

v(t)为调制变压器低压侧实测的电压畸变信号，选择Kv(t+λ)作为参考信号，K为接收幅度系数，λ为相关时延，根据电压畸变信号主要成份的持续时间情况，相关运算时间μ选择为3ms；这样，前后周期电压检差信号y_u(t)与参考信号Kv(t+λ)的互相关输出为：

$\begin{array}{c}{R}_u\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}{y}_u\left(t\right)\mathrm{Kv}(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}\\ =f_u\left(t\right)K\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}v(t+\mathrm{\Δ})v(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}+K\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{\∫}}{n}_u\left(t\right)v(t+\mathrm{\λ})\mathrm{dt}\\ =f_u\left(t\right)X\left(\mathrm{\λ}\right)+N\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array};$

互相关输出中既有电网噪声与参考调制信号的相关输出N(λ)，也有调制信号的自相关输出f_u(t)X(λ)；

当Δ为0时，X(λ)为正且最大，因此，通过判断R_u(λ)的正负就能够实现下行数据信息f_u(t)的解调。