基于工頻畸變技術(shù)的抄表系統(tǒng)的設(shè)計

　　O 引言

　　目前國內(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)用于自動抄表系統(tǒng)。但由于我國低壓電網(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通信(Two Way Automatic Communication，TWAC)的簡稱，與載波通信相比具有有效傳輸距離長，通信可靠，信號可通過變壓器等優(yōu)勢。

　　1 系統(tǒng)組成

　　自動抄表系統(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變壓器下，對采集器上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，同時作為聯(lián)系采集器與主站的橋梁(主站是位于最上層的計算機(jī)管理系統(tǒng))?；陔p向工頻自動通信的自動抄表系統(tǒng)，其畸變信號可進(jìn)行跨變壓器臺區(qū)的傳輸，位于電表附近的采集器與主站之間無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零調(diào)制方式實現(xiàn)通信。出站信號調(diào)制，在電壓過零點(diǎn)前△T／2(過零點(diǎn)前30度)時刻，打開調(diào)制電路圖2(a)中晶閘管，產(chǎn)生的瞬時電流耦合進(jìn)工頻電壓的電流ic，引起一個電壓降emod，在 10 kV電壓E過零點(diǎn)處發(fā)生畸變，如圖2(b)所示。電壓畸變信號的編碼是利用相鄰兩個周期電壓波形來攜帶一位信息，利用調(diào)制位置的不同來表示“1”或 “O”。入站信號調(diào)制方法與出站信號類似，只是入站信號調(diào)制是將畸變信號加于電壓過零點(diǎn)時刻的電流上。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　調(diào)制電路系統(tǒng)主要由濾波電路、過零檢測電路及調(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零檢測電路。A1通過改變時鐘輸入頻率可改變?yōu)V波器截止頻率，并且截止頻率為時鐘頻率的 1／100。時鐘輸入端加5 V電平的方波信號，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。過零檢測電路主要由運(yùn)放器OP07，4個二極管以及1個三極管組成。

　　畸變信號的檢測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。整個檢測系統(tǒng)核心是一塊 PLC24系列微處理器芯片加上必要的數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器及必要的輸入、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 信號檢測

　　信號檢測是一個判斷過零點(diǎn)處有無畸變的問題。目前國內(nèi)一般采用數(shù)字差分技術(shù)(Digital Differential Technique)進(jìn)行檢測，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)定周期的周期信號時，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)在實際運(yùn)用中效果卻并不理想。

　　本文采用的小波檢測法是時頻分析的有力工具。信號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。實際中，廣泛應(yīng)用的是二進(jìn)制離散小波，即用二進(jìn)制動態(tài)采樣網(wǎng)格，a0=2，b0=1，每個網(wǎng)格點(diǎn)對應(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)小波對信號的分析具有變焦距的作用。假定開始選擇一個放大倍數(shù)2-j，它對應(yīng)為觀測到信號的某部分內(nèi)容。如果要進(jìn)一步觀看信號更小的細(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)分析各種信號時，超過某一特定的尺度(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 以下各尺度對應(yīng)于中心頻率不同的帶通濾波器組，j0以上各尺度對應(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x(t)的尺度為2j0的逼近低頻信號；第二部分可看作是x(t)的細(xì)節(jié)高頻信號。任意一個尺度的逼近信號均可表示成下一尺度的逼近信號和細(xì)節(jié)信號之和。

　　4 仿真實驗

　　根據(jù)等效電路，在Simulink中搭建工頻畸變信號仿真電路，將兩個連續(xù)周期電壓信號的第1，3過零點(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)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。

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

　　近似信號a1與原始信號(圖5)近似；細(xì)節(jié)信號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的畸變點(diǎn)，所以，以二進(jìn)制小波變化的方法檢測畸變點(diǎn)，就是檢測細(xì)節(jié)信號上的變化，通過設(shè)定閾值，確定畸變時刻。

　　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，并要求幀不能過長，基本幀格式如表1所示。其中，每字節(jié)含8 b二進(jìn)制碼，傳輸時加上一個起始位、一個校驗位和一個停止位，共11 b?？刂拼aC中，D7=O時，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，即采集器發(fā)出的應(yīng)答幀。

　　6 結(jié)語

　　本文實現(xiàn)的工頻雙向通信下自動抄表系統(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電力信道的抄表系統(tǒng)，未來將成為自動抄表系統(tǒng)的重點(diǎn)研究方向。