0 引言
电力线网络是一个广泛存在的网络，工频电力通信在高压输电网上应用已比较成功。对于低压配电网，由于其阻抗变化、多径干扰等的影响，低压电力载波信号的传输会出现明显的衰减和畸变[1] 。同时，工频电力通信不能实现直接的跨变压器台区通信，使其应用受到了很大的限制。
S.T.Mak于1982年提出了一套较完整的新型电力通信技术[2] ，该技术解决了如何利用现有配电网实现无中继、无桥接设备的跨变压器台区，在不同电压等级之间的数据交换问题。这种配电网通信方式的调制信号频带为200Hz～600Hz，信号可自动跨过配电变压器沿电力线进行数据的半双工交换。位于美国密苏里州的DCSI公司(Distribution Control Systems lnc.)于20世纪80年代中期开始进行工频电力通信技术产品研制，90年代初期进入实用阶段，其产品主要安装在美国威斯康星州及加拿大的一些地区，数量为几百万台，主要用于远程抄表(AMR)、负荷控制等。
将工频电力通信技术应用于我国城乡配电网的关键是如何实现强电网噪声下的调制信号的提取。
1 工频电力通信
1.1 工频电力通信系统
如图1所示，工频电力通信系统由位于二次变电所的主站及位于远方用户电能表的采集模块组成。它以配电网10kV及220V电力线路为通信介质，在用户变压器附近不需要增加任何附加设备，工频电力通信对配电网络没有特殊要求，既适合架空电缆，也可用于地下线路。工频调制信号的频率仅几百Hz，很容易跨过用户变压器通过电力线网络进行远距离传输。
1.2 工频电力通信的调制信号
工频电力通信信号以电网波形的微弱畸变来表示调制信息[3] ，分为下行电压信号及上行电流信号。从变电所到用户电能表采集模块之间传输的是下行电压信号，用两个相邻电压周期波形表示l位，代表主站的命令信息[4] 。从用户终端到主站之间传输的是上行电流信号，代表用户数据，以用户背景电流波形的形变来携带信息。图2为下行电压调制信号示意图。通过主站调制变压器的作用，在二次变电所母线电压过零点附近产生瞬间脉冲电流Ic，由于主变的等效电感对该脉冲电流的阻碍作用形成了下行电压调制信号emod。emod与Ic，的相位差为90°。图2(b)中emod与母线电压的叠加使其在过零点30°附近产生幅值畸变，反映在时间轴上，表现为△t1和△t2。理想的工频通信电压调制信号是一个周期的正弦波形 emod，持续时间为2ms～3ms，但由于主变等效参数中阻性成分的作用，再加上调制信号在系统中的振荡，实际的调制信号如图5(a)所示。
1.3 传统的工频通信信号检测方法
工频电力通信下行电压信号的检测是在低压端进行的，远端采集模块的电源变压器除了提供电源供给外，还提供了下行电压调制信号的传输通道。传统的信号检测办法是测量对应点的时间变化来间接反映过零点附近的幅值畸变。图3(a)表示的下行电压信号的bit"O"，两个周期表示1位，调制信号叠加在第2个周期电压过零点附近。若调制信号叠加在第1个周期，则表示的是下行电压信号的bit“1” [4] 。为了便于信号的检测，将图3(a)波形全波整流得到图3(b)波形。
图3(b)中设有2个比较电平V1和V2，通过单片机的定时器分别测得比较电平对应时间量t11,t12，t13，t14，t2l，t22，t23，t24，令
△t=(t21-t11+t22-t12)+(t13-t23+t14-t24)不考虑噪声及电网频率变化，当电网中没有工频通信调制信号时，△t的值为0;反之，存在调制信号。同时，可根据△t的正负来判断接收到的信号是“0”还是“1”。工频电力通信实测△t值的范围为10μs～ 20μs。这种方法算法简单，硬件实现容易，对于电网干扰较小的居民应用是可行的。但电网频率的波动、家用电器的干扰、检测系统时间基准的变化等很容易影响接收数据判断的正确性。图4(b)所示波形是用数据采集卡采集电网电压后，前后两个周期对应点相减得到的，采样频率为100kHz。若采用前面的测量时间的办法来检测该信号，仅靠有限的几个时间测量点很难保证通信正确性。可以看出，配电网并不是一个理想的通信环境。去除工频电力通信中电网噪声干扰，可以采用匹配滤波技术。
2 匹配滤波技术
信号检测过程中常常会遇到需要检测淹没在噪声中的持续时间有限、波形已知的信号的问题。这时可以对已知波形进行匹配检测，又称为符合检测。匹配检测要求已知信号的波形，因此它是一种基于先验知识的信号检测方法。根据所要取得信息的不同，检测方法主要有两种：一种是已知信号的到达时间，需要知道信号的最大幅度，即幅度匹配检测;另一种是需要确定信号的到达时间，即时间匹配检测[5] 。
对于单频率的周期信号，窄带滤波器可以使输出滤波器的信噪比大大提高。但是对于非周期信号，窄带滤波器不一定是最佳的。对于确定的输入信号 Si(t)，可以设计一种匹配于待测信号的滤波器，使其输出信噪比达到最大，这就是匹配滤波器。
令输入信号为x(t)，等于有用信号Si(t)加上白噪声NI(t)。若ni(t)的功率谱为No/2，让x(t)通过线性滤波器H(jω)，输出为y(t)，有：
即当滤波器的传递函数H(jω)如式(9)所示，输出信噪比R(to)达到最大。式(9)就是对信号Si(t)的匹配滤波器，亦即用最大信噪比准则衡量的最佳线性滤波器。k为常数，它不影响H (jω)的形状，是滤波器的增益，因而不影响输出端的信噪比，通常为了方便，令k=1。
由此可见，匹配滤波器的输出相当于把有用信号Si(t)和x(t)进行互相关运算，运算时间为to。也就是说，匹配滤波器与相关接收具有等效性。
3 用匹配滤波技术检测工频电力通信信号
在工频电力通信系统中，调制信号是在电压过零点附近，其波形可以从信号发送端测得，由此设计的滤波器匹配于调制信号，滤波器的输出具有最大信噪比，数据接收时仅需判别电压过零点附近是否存在调制信号，属于幅度信息的匹配检测。
连续两个周期仅有一个周期叠加信号，接收时两个周期对应数据相减，可得到调制信号的波形，由于本通信系统中主站发送信号的波形是确定的，将该信号波形镜像反转，由此设计接收端的匹配数字滤波器，接收数据时让受到电网噪声干扰的信号通过该匹配滤波器，达到了从受干扰的波形中判断是否有通信信号的目的。
图5(a)是待检测信号(主站调制信号)的波形图，图5(b)是对应于该调制信号的匹配滤波器脉冲响应波形图，两者成镜像对称。
对于图4(a)所示的电网噪声，它可能来自电网各种谐波的影响，也可能是受家用电器的高频扰动所产生。图4(b)是淹没在电网噪声中的采集模块处接收信号。电网中的电压谐波与工频电力通信调制信号的频谱范围很接近，若采用窄带滤波器，其截止频率必然很低，过低的截止频率除了对信号能量有衰减外，还对信号相位产生延迟，不利于调制信号的检测，而匹配滤波器不存在这样的问题。
图6(a)所示波形是图4(a)所示电网噪声通过匹配滤波器的输出，图6(b)是图4(b)所示含有噪声的调制信号经匹配滤波器的响应。可以看出，在该滤波器的输出端信噪比得到大大提高。
4 两种检测方法的对比
表1所示是工频电力通信系统分别采用文献[6]的信号检测方法与本文所述的匹配滤波信号检测方法的数据传输准确率的对比，数据分别来自位于不同距离、不同时间的居民区与工业区统计资料，统计样本为5 000组。
5 结语
工频电力通信系统信号检测过程中由于采用了匹配滤波技术，通信终端的数据接收可靠性有了很大的提高。目前，基于匹配滤波信号接收技术的工频电力通信系统已实际用于哈尔滨文昌变电所的配电网跨变压器台区自动抄表系统的改进型产品中，需要指出的是，匹配滤波器在白噪声环境下相对于所匹配信号，其输出具有最大信噪比。若观察噪声不是白噪声而是有色噪声时，可以采用前面类似的办法，但需先让观察数据通过一个白化滤波器，使观察噪声变成一个白噪声，然后再设计一个适合白化滤波输出信号的最佳滤波器。
