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一種能跨變壓器臺區(qū)的電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)
摘要：采用過零調(diào)制技術(shù)，利用數(shù)字差分、匹配濾波、糾錯編碼方法處理接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可實現(xiàn)跨配電變壓器臺區(qū)的遠(yuǎn)距離抄表，適合中國電網(wǎng)特點。關(guān)鍵詞：自動抄表 跨臺區(qū) 過零調(diào)制
電力系統(tǒng)自動抄表是電能營運部門用電管理自動化的重要手段。電力線網(wǎng)絡(luò)是一個廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，利用它作為質(zhì)傳輸配用電數(shù)據(jù)是非常方便的�？缱儔浩髋_區(qū)電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)采用工頻過零調(diào)制、匹配濾波、糾錯編碼技術(shù)，利用現(xiàn)有10kV/220V配電網(wǎng)實現(xiàn)無中繼、無橋接設(shè)備、跨變壓器臺區(qū)、在不同電壓等級之間的遠(yuǎn)程自動抄表。這種抄表系統(tǒng)是一種不同于傳統(tǒng)電力線載波抄表的新型技術(shù)，它不存在配電網(wǎng)載波抄表中的多徑干擾與通信盲點問題，調(diào)制信號的頻率僅為幾百赫茲，可以隨電網(wǎng)遠(yuǎn)距離跨變壓器臺區(qū)傳輸。
目前，電力系統(tǒng)自動抄表主要方式有：485總線、無線、紅外、普通電力載波、擴(kuò)頻電力載波、零相超窄帶（TURTLE）、超窄帶極低頻（UNB）及工頻過零調(diào)制（PFC）跨變壓器臺區(qū)方式等。其中，工頻過零調(diào)制遠(yuǎn)程抄表以其獨特的信號傳輸原理，可以完成以配電網(wǎng)絡(luò)為信號傳輸媒介，跨變壓器臺區(qū)遠(yuǎn)程自動抄表。這種抄表系統(tǒng)的最大特點是：系統(tǒng)實施簡單，信號抗干擾能力強(qiáng)，可實現(xiàn)跨配電變壓器的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸[1]。
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1 系統(tǒng)組成
圖1所示為跨變壓器臺區(qū)遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)方框圖。該自動抄表系統(tǒng)由系統(tǒng)主站與采集模塊兩部分組成。系統(tǒng)主站位于二次變電所，完成遠(yuǎn)方采集模塊的電能表數(shù)據(jù)抄收，并能上傳數(shù)據(jù)至用電管理部門。采集模塊位于用戶電能表，負(fù)責(zé)電能表脈沖數(shù)的累計，能按主站命令通過電力線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。這種抄表系統(tǒng)以配電網(wǎng)10kV及220V電力線路為通信介質(zhì)，在用戶變壓器附近不需要增加任何附加設(shè)備，對配電網(wǎng)絡(luò)沒有特殊的要求，既適合架空電纜，也可用于地下線路。
跨變壓器臺區(qū)自動抄表系統(tǒng)以半雙工方式工作，信號分為下行信號與上行信號兩部分。下行信號為電壓調(diào)制方式，以電壓過零點附件電壓微弱畸變來表示信息，傳輸方向從系統(tǒng)主站到遠(yuǎn)端采集模塊，代表系統(tǒng)主站的抄表命令；上行信號為電流調(diào)制方式，以電壓過零點附件電流脈沖來表示信息，傳輸方向從采集模塊到系統(tǒng)主站，代表電表數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)遠(yuǎn)程秒表過程如下：在變電所主站中央處理系統(tǒng)的指令下，通過系統(tǒng)主站下行信號調(diào)制系統(tǒng)觸發(fā)主站調(diào)制變壓器，將主站命令以電壓信號的形式耦合到10kV母線，下行電壓調(diào)制信號隨母線電壓經(jīng)10kV/400V用戶配電變壓器傳輸至千家萬戶，主站命令的發(fā)送到廣播方式，所有在220V同相電壓的采集模塊都可收到信號。采集模塊收到信號后，進(jìn)行地址匹配，符合地址要求的模塊返回上行信號。在采集模塊觸發(fā)系統(tǒng)的作用下，以瞬間電流脈沖變化實現(xiàn)了行信號的發(fā)送。上行電流信號是終必然會在10kV母線電流互感器上有所體現(xiàn)。主站信號采集處理系統(tǒng)從變電所10kV電流互感器上完成上行信號的檢測，以上是完成一次電表數(shù)據(jù)抄收的全過程。
2 信號調(diào)制原理
跨變壓器臺區(qū)自動抄表系統(tǒng)信號耦合采用基波工頻過零調(diào)制方式，以過零點附近電網(wǎng)波形的微弱畸變來表示信息[2]。圖2（a）所示為下行電壓調(diào)制信號示意圖。通過主站調(diào)制變壓器的作用，在二次變電后母線電壓過零點附近產(chǎn)生瞬間脈沖電流ic，由于主變的等效漏感對該脈沖電流的阻礙，形成了下行電壓調(diào)制信號emod，emod與ic有90°的相位差。圖2(b)中emod與母線電壓的疊加使其在過零點前30°附近產(chǎn)生幅值畸變，反映在時間軸上，表示為Δt1和Δt2。理想的工頻通信電壓調(diào)制信號是一個周期的正弦波形emod，持續(xù)時間2～3ms，但由于主變待效參數(shù)中阻性成分的作用，再加調(diào)制信號在系統(tǒng)中的響應(yīng)，實際的調(diào)制信號為衰減的振蕩信號，持續(xù)時間不會超過一個電壓周期，這樣，可以用連續(xù)的兩個電壓周期定主一位下行信號。若調(diào)制信號疊加在第1個周期電壓過零點附近，表示下行信號的bit“0”，那么調(diào)制信號疊加在第2個周期就表示下行電壓信號的bit“1”。過零調(diào)制信號的半功率點頻率范圍為200～600Hz。配電網(wǎng)的重要功能是輸送50Hz電力信號，電網(wǎng)的各次諧波也很容量沿配電網(wǎng)跨變壓器傳輸，這里剛好有效地應(yīng)用了電網(wǎng)的諧波頻段�，F(xiàn)場測試證明；過零調(diào)制信號跨變壓器傳輸可達(dá)40km以上。
3 信號檢測原理
跨變壓器臺區(qū)電力通信中信號的檢測是一種大背景下小信號的檢測。以主站上行電流信號的檢測為例，若采集模塊在電壓過零附近調(diào)制一個50A的峰值電流信號脈沖（對應(yīng)電壓過零點瞬間功率很�。撾娏髡鬯愕�10kV母線上是50×220/10000=1.10A。而作為一個中型變電所其母線（10kV/傳輸母線）上的電流大概是1000A左右，背景信號與上行電流信號的比值接的1000：1。顯然要準(zhǔn)確地檢測出有用信號是相當(dāng)難度的，這里完全沒有考慮信號的衰減情況。下行電壓信號過零點附近電壓畸變率不到0.5%。檢測過程中的一項重要任務(wù)是背景信號的去除。這里需要判別調(diào)制信號的有無，對調(diào)制信號本身的大小和形狀并無過多要求。為了檢測跨臺區(qū)抄表系統(tǒng)中的調(diào)制信號，需對所采數(shù)據(jù)預(yù)處理。預(yù)處理采用數(shù)字差分技術(shù)（Digital diffe
rence technique）。
3.1 數(shù)字差分
數(shù)字差分是用前一次的采樣值與當(dāng)前的采樣值進(jìn)行差運算。如圖3所示，可以用方程（1）描述：
d(t1)=F(t1)-F(t1-T) （1）
如果，F(xiàn)（t）=A1Sin(ω1t),T是電力信號周期，當(dāng)無調(diào)制信號時，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)果恒等于零。這種方法，很容易實現(xiàn)下行信號的背景消除。同時可以減弱電網(wǎng)中整數(shù)次諧波信號的影響。
圖3對應(yīng)下行信號的bit“0”，調(diào)制信號emod疊加在第一周期的電壓過零點，使其電壓微弱形變，顯然差分的結(jié)果d(t1)=emod。但由于各種家用電器的影響及電力負(fù)載開關(guān)的切換，再加上電網(wǎng)中的各種非整次諧波的干擾，數(shù)字差分所得emod往往淹沿在噪聲中，影響一次抄表成功率。
跨變壓器臺區(qū)自動抄表系統(tǒng)中調(diào)制信號的波形特征已知，抄表過程中僅僅需要判別在電壓過零點附過近有無信號，這是一種基于先驗知識的信號檢測，可以采用匹配濾波技術(shù)。
3.2 匹配濾波
對于單頻率的周期信號，窄帶濾波器可以使輸出濾波器的信噪比大大提高。但對于非周期信號，窄帶濾波器不一定是最佳的。對于確定的輸入信號s(t)，可以設(shè)計一定是最佳的。對于確定的輸入信號s(t)，可以設(shè)計一種匹配于待測信號的濾波器，這就是匹配濾波器。理論證明，當(dāng)讓加性白噪聲與信號通過匹配濾波器時，濾波器輸出信噪比達(dá)到最大。匹配濾波器脈沖響應(yīng)函數(shù)與待測信號s(t)成徑向?qū)ΨQ，即h(t)=ks（t-t0）。這里，h(t)是濾波器系統(tǒng)函數(shù)，k為系統(tǒng)增益，t0是待測信號待續(xù)時間。令表示調(diào)制信號的功率，白噪聲的功率譜密度為N0/2，那么由匹配濾波原理可推出：輸出信噪比�？梢�，增加跨臺區(qū)自動抄表系統(tǒng)調(diào)制信號的持續(xù)時間以提高發(fā)送信號的功率有利于接收端信號的檢測。匹配濾波器在時域上等同于互相關(guān)，實現(xiàn)起來更容易，而且互相關(guān)運算與卷積運算只有符號的差異，可以采用FFT快速算法實時處理數(shù)據(jù)[3,4]。
采集模塊與主站分別采用不同的方法得到互相關(guān)數(shù)據(jù)。對于采集模塊而言，可以在用戶端采樣，多周期同步累加去除干擾測得主站調(diào)制的下行信號數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存儲于采集模塊存儲器中用于匹配濾波；對于主站而言，因為不同的采集模塊有很大的分散性（元器件、安裝位置），不能采用同一濾波常數(shù)。采集模塊所發(fā)送上行信號前面有前導(dǎo)位，用于主站確定采集信號的窗口位置，同時自適應(yīng)地調(diào)整匹配濾波器的參數(shù)。
3.3 差錯控制編碼技術(shù)
配電網(wǎng)的主要功能是傳輸電路，并不是為電力通信設(shè)計，信號傳輸過程中會遇到各種干擾。其中，影響最大的是電網(wǎng)中的脈沖噪聲。脈沖噪聲具有瞬間、高能量、覆蓋頻率范圍廣的特點。當(dāng)抄表系統(tǒng)被脈沖噪聲干擾時，前面幾種信號處理辦法均無能為力，需借助糾錯編碼技術(shù)。所謂糾錯編碼，也叫差錯控制編碼。其基本實現(xiàn)方法是在發(fā)送端將被傳輸?shù)男畔⒋a元附上一些監(jiān)督碼元，這些多余的碼元與信息碼位之間有某種確定的約束規(guī)則（由生成多項式確定）。接收端按照既定的規(guī)則校驗信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸發(fā)生差錯，則信息碼元與監(jiān)督碼元的關(guān)系就受到破壞，從而接收端可以發(fā)現(xiàn)錯誤乃至糾正錯誤[6]。漢明碼是常見的差錯控制編碼之一。本通信系統(tǒng)采用內(nèi)嵌校驗和的（63，51）BCH碼。該碼具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中的1位及2位錯誤，對于3位及3位以上錯誤能夠給出錯誤標(biāo)志。抄表系統(tǒng)可根據(jù)標(biāo)志位重發(fā)抄表命令。
跨變壓器臺遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)，采用獨特的信號調(diào)制及信號檢測方法，是一種適合中國城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的自動抄表系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已由哈爾濱工業(yè)大學(xué)與黑龍江電力公司合作研究成功，并進(jìn)入實用階段，于2001年10月通過電力科學(xué)院檢測中心型式試驗，檢測號：（配用電）榆字2001第077號。
【一種能跨變壓器臺區(qū)的電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)】相關(guān)文章：
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