张建业，曾凡伟，李正刚，田相鹏，钟建伟，廖红华

（1.国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，湖北 恩施 445000；2. 湖北民族大学 信息工程学院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

目前，我国配电网结构较复杂，有关线路故障监控问题一直是研究热点。低压配电网智能开关因具有保护和控制功能，可及时解决低压配电系统问题，但现阶段工频电力通信技术在智能开关中的应用并未达到预期，特别是如何根据电网情况可靠实现双向工频电力通信、如何在不改变现有配电网线路结构前提下仅利用工频电力通信实现高效监控等诸多问题需要解决。

工频电力通信是以配电网为传输介质，具有成本低、抗干扰能力强、可实现无中继跨变压器台区间通信等优势。通过利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带通信信息，达到跨越变压器直接通信的目的，具有很高的实用价值。李卫国等针对油井位置分散、管理困难的现状，设计了基于电力线工频通信的抽油机电机远程监测系统，并应用于油田电网。曾水根等基于低压电力线工频通信技术实现了远程抄表，数据经GSM无线网回传至监控中心。朱伟华等设计了一种用于三相工频电参数远程抄送和采集的系统，实现了三相电量和三相交流参数采集和远程抄收功能。

工频通信均通过控制晶闸管导通和截止来实现通信信号传输，极易引入诸多干扰，如谐波、多种干扰噪声等，在用户端信号接收效果较差，解调时极易造成解码失误。为在强噪声下实现双向工频电力通信（TWACS）的可靠通信，尽可能地降低设备成本，本文提出了一种基于FPGA实现单相低压配电网智能开关工频通信的方案，重点探讨了基于MATLAB+FPGA产生低压配电网智能开关电力线工频通信波形的设计方案，为后期实现低压配电网智能开关的可靠通信控制提供技术支撑。

1 单相低压配电网智能开关TWACS实现平台

单相低压配电网智能开关TWACS实现平台如图1所示。

图1 单相低压配电网智能开关TWACS实现平台

工作原理为：在工频通信编码发送时，低压配电网智能开关与FPGA通过TWACS串口通信模块发送工频通信编码，由低压智能开关编码器辨识编码信息并发送至信号合成和DAC控制器；依据编码信息，由信号合成控制器将工频信号、TWACS信息“0”、TWACS信息“1”调制成已编码工频数字信号；在确保输出已编码工频数字信号与市电同频同相前提下，再经DAC控制器输出至高速DAC及信号放大电路，经信号耦合电路叠加到市电配电线路，实现工频通信编码发送。在接收工频通信解码时，经由信号耦合电路，通过输入信号滤波、ADC电路输入信号，并经ADC控制器将其转换为数字信号；经FIR滤波器后，当检测到解码同步头后经工频通信信号解码控制器解码，由TWACS串口通信模块发送至低压配电网智能开关实现后续控制。

2 低压配电网智能开关TWACS技术相关基础理论

2.1 TWACS技术调制原理

TWACS通信是在工频电压/电流过零点时实现信号调制和解调的，在工频电压/电流过零点附近能量较小，较易利用较小功率实现工频通信信号调制/叠加以及工频通信信号解调。

按调制信号划分，TWACS通信通常可分为下行信号和上行信号。从变电所子站向用户传输的指令信号为下行信号，一般采用的调制方式为电压波形过零点畸变信号；用户终端向变电所子站传递的指令信号为上行信号，一般采用的调制方式为电流波形过零点畸变信号。上行和下行调制电路原理分别如图2（a）、图2（b）所示。

图2 上行/下行信号调制电路原理

2.2 低压配电网智能开关TWACS编码方法

结合低压配电网智能开关工频通信控制实际，选用四个相邻波形表示一位编码信息，四个相邻波形共有8个过零点，在电压波形不同的过零点处调制信号表示不同的信息，如图3所示。

图3 低压配电网智能开关TWACS编码信息“1”、信息“0”示意图

图3中，TWACS编码信息“1”表示在过零点1、3、6、8被调制，信息“0”表示在过零点2、4、5、7被调制。实际编码控制时，约定对8个过零区域中的4个进行调制，其中2个是正过零区，2个是负过零区，可得36个码图；因信息“1”和信息“0”的码图是互相对应关系，可使用的仅有18组码图。信道编码码图见表1所列。

表1 信道编码码图

表1中，得到的5组码图分别为：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]。每个码图组含有6个互相正交的码图，编码时发送端可同时发送同一组中六个信号，接收端可分别解调各信道编码信息，从而实现多路并行传输。为准确解调出编码信息，采用TWACS时域数字差分技术实现编码信息解码。TWACS时域差分信号检测示意图如图4所示。

图4 TWACS时域差分信号检测示意图

图4中，在每个过零点区域内采集个值，如第个过零点，采集的个值记为：S,S, ...,S。令：

=0时，表示无信号；=4时，表示信息为1；=-4时，表示信息为0。为调制信号强度。

采用上述TWACS时域数字差分技术实现编码信息解调算法较简单，并能较好滤除各次整数次谐波，但对非整数次谐波的抑制不够大，需要级联其他滤波器来改进。为此，拟选用MegaWizard Plug-In Manager中Filters模块的FIR Compiler II进行定制 FIR数字滤波器，实现输入的含噪已编码工频信号降噪。

2.3 FIR数字滤波器

数字滤波器可分为IIR滤波器和FIR滤波器。比较两者，FIR滤波器的单位脉冲响应()是有限长的，无反馈支路，其系统函数仅有零点（除=0的极点外），占用存储单元和运算次数较少，能保证有限精度运算的误差较小。

FIR滤波器系统的差分方程可以表示为：

转移函数为：

FIR滤波器因其输出()仅取决于输入()及(-1), ...,(-)，而与过去的输出数据无关，所以FIR滤波器是因果的，是物理可实现的系统。

2.4 m序列伪随机码

m序列具有较强相关性、规律性和系统性，表现出的统计特性与白噪声的采样序列相同。为有效检测FIR滤波器的滤波效果，采用m序列伪随机码模拟低压配电网工频通信噪声，阶线性移位寄存器的m序列产生原理如图5所示。

图5 n阶线性反馈移位寄存器产生原理

图5中，,, ...,a为个移位寄存器某时刻的状态；,, ...,C为移位寄存器的反馈系数，对应位置C等于1表示有反馈，等于0表示无反馈，加法器采用模2加。一般来说，阶线性反馈移位寄存器可能产生的最长周期等于(2-1)。

3 低压配电网智能开关TWACS通信模块设计

3.1 工频信号、信息“0”和信息“1”的波形设计

利用MATLAB软件生成50 Hz TWACS编码信息“1”、信息“0”的波形数据，设置正弦波频率为50 Hz，采样频率为256×50=12 800 Hz，观测时间为0.08 s；仿真分析时，设TWACS编码信息“1”表示在过零点1、3、6、8被调制，信息“0”表示在过零点2、4、5、7被调制。MATLAB仿真得到的工频信号、信息“1”和信息“0”的波形如图6所示。

图6 MATLAB仿真得到的工频信号、TWACS编码信息“1”和信息“0”的波形

从图6可以看出，TWACS编码信息“1”在过零点1、3、6、8被调制，信息“0”在过零点2、4、5、7被调制。通过仿真得到正确波形后，将MATLAB仿真得到的工频信号、信息“1”和信息“0”的波形数据分别转换为整型数据，并保存为相应的mif格式文件；然后利用Quartus Prime17.1进行ROM IP核配置，将＊.mif文件添加到ROM存储器中，并设置ROM IP核参数，即可在FPGA中得到与之相对应的工频信号及TWACS编码信息“1”和信息“0”的波形。

3.2 FIR数字滤波器的设计

利用MATLAB滤波器设计和分析工具（Fdatool）生成FIR低通滤波器。FIR低通滤波器的设计指标如下：滤波器类型为FIR低通滤波器；采样频率=12 800 Hz；通带截止频率=100 Hz；阻带起始频率=1 000 Hz；阻带衰减=80 dB。

低通滤波器幅频、相频及脉冲响应曲线如图7（a）、图7（b）所示。

图7 低通滤波器幅频、相频及脉冲响应曲线

参数设置好后，将所设计低通滤波器系数导出至MATLAB Workspace中，并将Filter Coefficients系数保存至*.txt文件中，而后使用Quartus Prime17.1进行IP核配置。找到FIR II 配置选项，将MATLAB导出的滤波系数直接导入进行参数配置，Quartus软件依据导入系数按照设定的系数位宽调整到合适的值，并绘制响应曲线。FIR IP配置窗口截图如图8所示。

图8 FIR IP配置窗口截图

3.3 m序列伪随机码FPGA程序

为有效模拟电力线工频通信噪声，选用10阶线性反馈移位寄存器产生m序列伪随机码。调试时，可通过调整反馈支路得到不同阶数的伪随机数，实现噪声的调整。下面给出m序列输出部分程序：

3.4 Quartus与ModelSim联合仿真设置

50 Hz工 频、TWACS编 码 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；并利用准备好的测试文件，实现对波形数据的显示和验证。在Quartus Prime软件中选择Assignment→settings..→EDA tool settings→Simulation→Test Benches，并添加仿真文件。测试文件的添加如图9所示。

图9 测试文件的添加

4 测试与分析

测试输出波形如图10所示。

图10 ModelSim仿真输出波形

从图10中可以看出：

（1）50 Hz工频信号、TWACS信息“0”和信息“1”波形连续输出，且TWACS信息“0”、信息“1”输出波形与图4中的MATLAB仿真输出编码信息一致。

（2）已编码工频信号严格按原始编码信息进行编码，图中原始编码为：01101001；已编码工频信号严格按TWACS信息“0”、TWACS信息“1”输出相应波形。

（3）含噪已编码工频信号经FIR滤波器滤波后，噪声消除明显；同时，滤波后已编码工频信号相对于原始含噪已编码工频信号具有一定时延。

（4）解码输出信号与原始编码信息一致，且解码输出信号相对于原始编码信息延迟时间较长，特别是加入FIR滤波器后延迟更不明显。

综上可知，所设计低压配电网智能开关电力线工频通信模块能够实现工频通信编码、数字滤波以及工频通信解码，证明了该方法的切实可行性。

5 结 语

本文提出了一种基于MATLAB和FPGA产生TWACS工频通信波形的方案，并以单相工频通信方式为例给出了具体的实现方法。该方案将大量运算过程在MATLAB中实现，FPGA仅为辅助设计输出，极大地降低了FPGA的设计难度，简化了实现过程。同时，本文的设计方法很容易扩展到三相TWACS工频通信系统中，仅需在MATLAB中修改相应的工频信号相位即可实现三相TWACS工频通信波形，该方案具有较高的实用价值。