基于工频畸变技术的抄表系统

摘要：随着抄表系统和低压电力线通信技术的日益发展，利用低压电力线作为媒介的抄表方式得到了广泛关注。但由于我国低压配电网的干扰强，该方式的应用效果并不理想。为使抄表系统既节约成本，又满足通信距离的需求，设计了以双向工频通信技术作为通信手段的抄表系统。用二进制小波变换进行信号检测，实验结果证实该方法有效。根据DL／T645-1997规约，设计出有中继功能的通信协议。
关键词：抄表系统；工频畸变；小波变换；通信协议

O 引言
    目前国内已经将扩频、超窄带通信、多载波调制、自适应跳频、正交频分复用(OFDM)等技术应用于自动抄表系统。但由于我国低压电网环境恶劣，以上技术的应用效果始终不理想。工频畸变是双向工频自动通信(Two Way Automatic Communication，TWAC)的简称，与载波通信相比具有有效传输距离长，通信可靠，信号可通过变压器等优势。

1 系统组成
    自动抄表系统一般由采集用户电能表信息的采集终端、集中器、主站系统组成。采集器和集中器位于每个变压器下，对采集器上传数据进行管理，同时作为联系采集器与主站的桥梁(主站是位于最上层的计算机管理系统)。基于双向工频自动通信的自动抄表系统，其畸变信号可进行跨变压器台区的传输，位于电表附近的采集器与主站之间无需另加集中器作为连接桥梁，系统组成如图1所示。


    双向工频自动通信系统由中央控制单元、子站端调制解调设备和用户端调制解调设备组成，其原理就是利用工频电压基波过零调制方式实现通信。出站信号调制，在电压过零点前△T／2(过零点前30度)时刻，打开调制电路图2(a)中晶闸管，产生的瞬时电流耦合进工频电压的电流ic，引起一个电压降emod，在 10 kV电压E过零点处发生畸变，如图2(b)所示。电压畸变信号的编码是利用相邻两个周期电压波形来携带一位信息，利用调制位置的不同来表示“1”或 “O”。入站信号调制方法与出站信号类似，只是入站信号调制是将畸变信号加于电压过零点时刻的电流上。



2 硬件电路设计
    调制电路系统主要由滤波电路、过零检测电路及调制电路组成。调制电路的等效电路已给出，不再讨论。图3所示硬件电路是由A1(MAX-291)、 A2(TA7504P)、A3(OP07)组成的滤波电路和过零检测电路。A1通过改变时钟输入频率可改变滤波器截止频率，并且截止频率为时钟频率的 1／100。时钟输入端加5 V电平的方波信号，在A1的输入(IN)与输出(OUT)端之间可以获得低通滤波器的特性。A2用于平滑A1的输出阶梯状波形，增强其效果。过零检测电路主要由运放器OP07，4个二极管以及1个三极管组成。
    畸变信号的检测电路由前置滤波电路、数据采集电路、数据处理电路组成。数据采集电路由ADl674芯片及其外围电路组成。整个检测系统核心是一块 PLC24系列微处理器芯片加上必要的数据存储器、程序存储器及必要的输入、输出电路组成的单片机系统。单片机技术已经非常成熟，在此只给出如图4所示的系统框图。



3 信号检测
    信号检测是一个判断过零点处有无畸变的问题。目前国内一般采用数字差分技术(Digital Differential Technique)进行检测，即前一次的采样值与当前的采样值进行做差运算。
  
    如果F(t)=A1 sin(ω1t)，T是其周期Tper的整数倍，则d(t1)≡0。从这个结果可以看出，由式(1)所描述的数字差分技术应用到具有稳定周期的周期信号时，其差分结果恒等于O。但由于电网信道环境复杂，其中充斥了大量的谐波分量和噪声的干扰，使得理论上十分可行的数字差分技术在实际运用中效果却并不理想。
    本文采用的小波检测法是时频分析的有力工具。信号x(t)的连续小波变换为：
  
    式中：a为伸缩尺度因子；b为平移因子。离散小波函数ψj，k(t)可表示为：
  
    为了使小波变换具有可变化的时间和频率分辨率，需要改变a，b的大小，使小波变换具有“变焦距”的功能。实际中，广泛应用的是二进制离散小波，即用二进制动态采样网格，a0=2，b0=1，每个网格点对应的尺度为2j，而平移为2jk。由此得到的小波ψj，k(t)被称为二进小波(Dyadic Wavelet)。
  
    二进小波对信号的分析具有变焦距的作用。假定开始选择一个放大倍数2-j，它对应为观测到信号的某部分内容。如果要进一步观看信号更小的细节，就需要增加放大倍数，即减小j值；反之，则减小放大倍数，即加大j值。任意信号都可以表示成式(5)形式：
  
    j和k的取值均在±∞，意味着在所有尺度上做细化处理，补充细部特征。在用尺度的观点分析各种信号时，超过某一特定的尺度(例如j0)后，细部特征就不再起作用了，这时可将式(5)以尺度j0为界限分成两部分，j0以下各尺度作为细化特征的近似；j0以上的各尺度用于基本特征的提取。用滤波的观点就是j0 以下各尺度对应于中心频率不同的带通滤波器组，j0以上各尺度对应于带宽不同的低通滤波器组。式(5)可表示为：等式右边第一部分可看作信号x(t)的尺度为2j0的逼近低频信号；第二部分可看作是x(t)的细节高频信号。任意一个尺度的逼近信号均可表示成下一尺度的逼近信号和细节信号之和。

4 仿真实验
    根据等效电路，在Simulink中搭建工频畸变信号仿真电路，将两个连续周期电压信号的第1，3过零点处加上正向脉冲，产生的单相电压畸变波形(夸张了畸变信号)如图5所示。从仿真图中可以直观地看出，电压波形的两次畸变发生在采样点50和150附近。


    在两个工频周期(0．04 s)的时间内取200个采样点，利用小波基db4将畸变信号分为两个子信号，如图6所示，近似信号a1(即低频信号)和细节信号d1(即高频信号)。


    近似信号a1与原始信号(图5)近似；细节信号d1在采样点50，150附近均有强烈的变化。由d1可以清晰地找到信号的畸变点，所以，以二进制小波变化的方法检测畸变点，就是检测细节信号上的变化，通过设定阈值，确定畸变时刻。

5 通信协议
    低压配网信道环境复杂，数据传输距离有限，为保证通信的可靠性以扩大传输距离，在抄表系统采集器一端就需要用到中继。在DL／T6 45-1997基础上，使帧格式支持中继转发的控制，并要求帧不能过长，基本帧格式如表1所示。其中，每字节含8 b二进制码，传输时加上一个起始位、一个校验位和一个停止位，共11 b。控制码C中，D7=O时，即是主站发出的命令帧，D6，D5控制中继转发，D4～DO用于功能编码控制；D7=1时，即采集器发出的应答帧。

6 结语
    本文实现的工频双向通信下自动抄表系统，在电力线复杂的信道环境中具有较强的稳定性，通信距离较传统的扩频载波抄表系统有明显的提高，利用低压电网作为通信介质节省了建设系统的成本，是一种非常适合我国电力信道的抄表系统，未来将成为自动抄表系统的重点研究方向。