基于工頻畸變技術(shù)的抄表系統(tǒng)

摘要：隨著抄表系統(tǒng)和低壓電力線通信技術(shù)的日益發(fā)展，利用低壓電力線作為媒介的抄表方式得到了廣泛關(guān)注。但由于我國(guó)低壓配電網(wǎng)的干擾強(qiáng)，該方式的應(yīng)用效果并不理想。為使抄表系統(tǒng)既節(jié)約成本，又滿足通信距離的需求，設(shè)計(jì)了以雙向工頻通信技術(shù)作為通信手段的抄表系統(tǒng)。用二進(jìn)制小波變換進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該方法有效。根據(jù)DL／T645-1997規(guī)約，設(shè)計(jì)出有中繼功能的通信協(xié)議。
關(guān)鍵詞：抄表系統(tǒng)；工頻畸變；小波變換；通信協(xié)議

O 引言
    目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)將擴(kuò)頻、超窄帶通信、多載波調(diào)制、自適應(yīng)跳頻、正交頻分復(fù)用(OFDM)等技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)。但由于我國(guó)低壓電網(wǎng)環(huán)境惡劣，以上技術(shù)的應(yīng)用效果始終不理想。工頻畸變是雙向工頻自動(dòng)通信(Two Way Automatic Communication，TWAC)的簡(jiǎn)稱，與載波通信相比具有有效傳輸距離長(zhǎng)，通信可靠，信號(hào)可通過(guò)變壓器等優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成
    自動(dòng)抄表系統(tǒng)一般由采集用戶電能表信息的采集終端、集中器、主站系統(tǒng)組成。采集器和集中器位于每個(gè)變壓器下，對(duì)采集器上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，同時(shí)作為聯(lián)系采集器與主站的橋梁(主站是位于最上層的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng))。基于雙向工頻自動(dòng)通信的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，其畸變信號(hào)可進(jìn)行跨變壓器臺(tái)區(qū)的傳輸，位于電表附近的采集器與主站之間無(wú)需另加集中器作為連接橋梁，系統(tǒng)組成如圖1所示。


    雙向工頻自動(dòng)通信系統(tǒng)由中央控制單元、子站端調(diào)制解調(diào)設(shè)備和用戶端調(diào)制解調(diào)設(shè)備組成，其原理就是利用工頻電壓基波過(guò)零調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)通信。出站信號(hào)調(diào)制，在電壓過(guò)零點(diǎn)前△T／2(過(guò)零點(diǎn)前30度)時(shí)刻，打開(kāi)調(diào)制電路圖2(a)中晶閘管，產(chǎn)生的瞬時(shí)電流耦合進(jìn)工頻電壓的電流ic，引起一個(gè)電壓降emod，在 10 kV電壓E過(guò)零點(diǎn)處發(fā)生畸變，如圖2(b)所示。電壓畸變信號(hào)的編碼是利用相鄰兩個(gè)周期電壓波形來(lái)攜帶一位信息，利用調(diào)制位置的不同來(lái)表示“1”或 “O”。入站信號(hào)調(diào)制方法與出站信號(hào)類似，只是入站信號(hào)調(diào)制是將畸變信號(hào)加于電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的電流上。



2 硬件電路設(shè)計(jì)
    調(diào)制電路系統(tǒng)主要由濾波電路、過(guò)零檢測(cè)電路及調(diào)制電路組成。調(diào)制電路的等效電路已給出，不再討論。圖3所示硬件電路是由A1(MAX-291)、 A2(TA7504P)、A3(OP07)組成的濾波電路和過(guò)零檢測(cè)電路。A1通過(guò)改變時(shí)鐘輸入頻率可改變?yōu)V波器截止頻率，并且截止頻率為時(shí)鐘頻率的 1／100。時(shí)鐘輸入端加5 V電平的方波信號(hào)，在A1的輸入(IN)與輸出(OUT)端之間可以獲得低通濾波器的特性。A2用于平滑A1的輸出階梯狀波形，增強(qiáng)其效果。過(guò)零檢測(cè)電路主要由運(yùn)放器OP07，4個(gè)二極管以及1個(gè)三極管組成。
    畸變信號(hào)的檢測(cè)電路由前置濾波電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路組成。數(shù)據(jù)采集電路由ADl674芯片及其外圍電路組成。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)核心是一塊 PLC24系列微處理器芯片加上必要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器及必要的輸入、輸出電路組成的單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在此只給出如圖4所示的系統(tǒng)框圖。



3 信號(hào)檢測(cè)
    信號(hào)檢測(cè)是一個(gè)判斷過(guò)零點(diǎn)處有無(wú)畸變的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)一般采用數(shù)字差分技術(shù)(Digital Differential Technique)進(jìn)行檢測(cè)，即前一次的采樣值與當(dāng)前的采樣值進(jìn)行做差運(yùn)算。
  
    如果F(t)=A1 sin(ω1t)，T是其周期Tper的整數(shù)倍，則d(t1)≡0。從這個(gè)結(jié)果可以看出，由式(1)所描述的數(shù)字差分技術(shù)應(yīng)用到具有穩(wěn)定周期的周期信號(hào)時(shí)，其差分結(jié)果恒等于O。但由于電網(wǎng)信道環(huán)境復(fù)雜，其中充斥了大量的諧波分量和噪聲的干擾，使得理論上十分可行的數(shù)字差分技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中效果卻并不理想。
    本文采用的小波檢測(cè)法是時(shí)頻分析的有力工具。信號(hào)x(t)的連續(xù)小波變換為：
  
    式中：a為伸縮尺度因子；b為平移因子。離散小波函數(shù)ψj，k(t)可表示為：
  
    為了使小波變換具有可變化的時(shí)間和頻率分辨率，需要改變a，b的大小，使小波變換具有“變焦距”的功能。實(shí)際中，廣泛應(yīng)用的是二進(jìn)制離散小波，即用二進(jìn)制動(dòng)態(tài)采樣網(wǎng)格，a0=2，b0=1，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的尺度為2j，而平移為2jk。由此得到的小波ψj，k(t)被稱為二進(jìn)小波(Dyadic Wavelet)。
  
    二進(jìn)小波對(duì)信號(hào)的分析具有變焦距的作用。假定開(kāi)始選擇一個(gè)放大倍數(shù)2-j，它對(duì)應(yīng)為觀測(cè)到信號(hào)的某部分內(nèi)容。如果要進(jìn)一步觀看信號(hào)更小的細(xì)節(jié)，就需要增加放大倍數(shù)，即減小j值；反之，則減小放大倍數(shù)，即加大j值。任意信號(hào)都可以表示成式(5)形式：
  
    j和k的取值均在±∞，意味著在所有尺度上做細(xì)化處理，補(bǔ)充細(xì)部特征。在用尺度的觀點(diǎn)分析各種信號(hào)時(shí)，超過(guò)某一特定的尺度(例如j0)后，細(xì)部特征就不再起作用了，這時(shí)可將式(5)以尺度j0為界限分成兩部分，j0以下各尺度作為細(xì)化特征的近似；j0以上的各尺度用于基本特征的提取。用濾波的觀點(diǎn)就是j0 以下各尺度對(duì)應(yīng)于中心頻率不同的帶通濾波器組，j0以上各尺度對(duì)應(yīng)于帶寬不同的低通濾波器組。式(5)可表示為：等式右邊第一部分可看作信號(hào)x(t)的尺度為2j0的逼近低頻信號(hào)；第二部分可看作是x(t)的細(xì)節(jié)高頻信號(hào)。任意一個(gè)尺度的逼近信號(hào)均可表示成下一尺度的逼近信號(hào)和細(xì)節(jié)信號(hào)之和。

4 仿真實(shí)驗(yàn)
    根據(jù)等效電路，在Simulink中搭建工頻畸變信號(hào)仿真電路，將兩個(gè)連續(xù)周期電壓信號(hào)的第1，3過(guò)零點(diǎn)處加上正向脈沖，產(chǎn)生的單相電壓畸變波形(夸張了畸變信號(hào))如圖5所示。從仿真圖中可以直觀地看出，電壓波形的兩次畸變發(fā)生在采樣點(diǎn)50和150附近。


    在兩個(gè)工頻周期(0．04 s)的時(shí)間內(nèi)取200個(gè)采樣點(diǎn)，利用小波基db4將畸變信號(hào)分為兩個(gè)子信號(hào)，如圖6所示，近似信號(hào)a1(即低頻信號(hào))和細(xì)節(jié)信號(hào)d1(即高頻信號(hào))。


    近似信號(hào)a1與原始信號(hào)(圖5)近似；細(xì)節(jié)信號(hào)d1在采樣點(diǎn)50，150附近均有強(qiáng)烈的變化。由d1可以清晰地找到信號(hào)的畸變點(diǎn)，所以，以二進(jìn)制小波變化的方法檢測(cè)畸變點(diǎn)，就是檢測(cè)細(xì)節(jié)信號(hào)上的變化，通過(guò)設(shè)定閾值，確定畸變時(shí)刻。

5 通信協(xié)議
    低壓配網(wǎng)信道環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸距離有限，為保證通信的可靠性以擴(kuò)大傳輸距離，在抄表系統(tǒng)采集器一端就需要用到中繼。在DL／T6 45-1997基礎(chǔ)上，使幀格式支持中繼轉(zhuǎn)發(fā)的控制，并要求幀不能過(guò)長(zhǎng)，基本幀格式如表1所示。其中，每字節(jié)含8 b二進(jìn)制碼，傳輸時(shí)加上一個(gè)起始位、一個(gè)校驗(yàn)位和一個(gè)停止位，共11 b。控制碼C中，D7=O時(shí)，即是主站發(fā)出的命令幀，D6，D5控制中繼轉(zhuǎn)發(fā)，D4～DO用于功能編碼控制；D7=1時(shí)，即采集器發(fā)出的應(yīng)答幀。

6 結(jié)語(yǔ)
    本文實(shí)現(xiàn)的工頻雙向通信下自動(dòng)抄表系統(tǒng)，在電力線復(fù)雜的信道環(huán)境中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，通信距離較傳統(tǒng)的擴(kuò)頻載波抄表系統(tǒng)有明顯的提高，利用低壓電網(wǎng)作為通信介質(zhì)節(jié)省了建設(shè)系統(tǒng)的成本，是一種非常適合我國(guó)電力信道的抄表系統(tǒng)，未來(lái)將成為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的重點(diǎn)研究方向。