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(cuò)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(shí)現(xiàn)跨配電變壓器臺(tái)區(qū)的遠(yuǎn)距離抄表,適合中國電網(wǎng)特點(diǎn)。 

    關(guān)鍵詞: 自動(dòng)抄表  跨臺(tái)區(qū)  過零調(diào)制

     電力系統(tǒng)自動(dòng)抄表是電能營運(yùn)部門用電管理自動(dòng)化的重要手段。電力線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣泛存在的網(wǎng)絡(luò),利用它作為介質(zhì)傳輸配用電數(shù)據(jù)是非常方便的。跨變壓器臺(tái)區(qū)電力遠(yuǎn)程抄表" title="遠(yuǎn)程抄表">遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)采用工頻過零調(diào)制、匹配濾波、糾錯(cuò)編碼技術(shù),利用現(xiàn)有10kV/220V配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無中繼、無橋接設(shè)備、跨變壓器臺(tái)區(qū)、在不同電壓等級(jí)之間的遠(yuǎn)程自動(dòng)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(diǎn)問題,調(diào)制信號(hào)的頻率僅為幾百赫茲,可以隨電網(wǎng)遠(yuǎn)距離跨變壓器臺(tái)區(qū)傳輸。 

    目前,電力系統(tǒng)自動(dòng)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(tái)區(qū)方式等。其中,工頻過零調(diào)制遠(yuǎn)程抄表以其獨(dú)特的信號(hào)傳輸原理,可以完成以配電網(wǎng)絡(luò)為信號(hào)傳輸媒介,跨變壓器臺(tái)區(qū)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。這種抄表系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是:系統(tǒng)實(shí)施簡單,信號(hào)抗干擾能力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)跨配電變壓器的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸^[1]。 

1 系統(tǒng)組成

    圖1所示為跨變壓器臺(tái)區(qū)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)方框圖。該自動(dòng)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(jì),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(duì)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(tái)區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)以半雙工方式工作,信號(hào)分為下行信號(hào)與上行信號(hào)兩部分。下行信號(hào)為電壓調(diào)制方式,以電壓過零點(diǎn)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(hào)為電流調(diào)制方式,以電壓過零點(diǎn)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)程抄表過程如下: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(hào)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(hào)的形式耦合到10kV母線,下行電壓調(diào)制信號(hào)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)送為廣播方式,所有在220V同相電壓的采集模塊都可收到信號(hào)。采集模塊收到信號(hào)后,進(jìn)行地址匹配,符合地址要求的模塊返回上行信號(hào)。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(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的發(fā)送。上行電流信號(hào)最終必然會(huì)在10kV母線電流互感器上有所體現(xiàn)。主站信號(hào)采集處理系統(tǒng)從變電所10kV電流互感器上完成上行信號(hào)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(hào)調(diào)制原理

    跨變壓器臺(tái)區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)信號(hào)耦合采用基波工頻過零調(diào)制方式,以過零點(diǎn)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(hào)示意圖。通過主站調(diào)制變壓器的作用,在二次變電所母線電壓過零點(diǎn)附近產(chǎn)生瞬間脈沖電流ic,由于主變的等效漏感對(duì)該脈沖電流的阻礙,形成了下行電壓調(diào)制信號(hào)e_mod,e_mod與i_c有90°的相位差。圖2(b)中e_mod與母線電壓的疊加使其在過零點(diǎn)前30°附近產(chǎn)生幅值畸變,反映在時(shí)間軸上,表現(xiàn)為Δt₁和Δt₂。理想的工頻通信電壓調(diào)制信號(hào)是一個(gè)周期的正弦波形e_mod,持續(xù)時(shí)間2～3ms,但由于主變等效參數(shù)中阻性成分的作用,再加上調(diào)制信號(hào)在系統(tǒng)中的響應(yīng),實(shí)際的調(diào)制信號(hào)為衰減的振蕩信號(hào),持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過一個(gè)電壓周期,這樣,可以用連續(xù)的兩個(gè)電壓周期定義一位下行信號(hào)。若調(diào)制信號(hào)疊加在第1個(gè)周期電壓過零點(diǎn)附近,表示下行信號(hào)的bit“0”,那么調(diào)制信號(hào)疊加在第2個(gè)周期就表示下行電壓信號(hào)的bit“1″。過零調(diào)制信號(hào)的半功率點(diǎn)頻率范圍為200～600Hz。配電網(wǎng)的重要功能是輸送50Hz電力信號(hào),電網(wǎng)的各次諧波也很容易沿配電網(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(hào)跨變壓器傳輸可達(dá)40km以上。

3 信號(hào)檢測原理

    跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信中信號(hào)的檢測是一種大背景下小信號(hào)的檢測。以主站上行電流信號(hào)的檢測為例,若采集模塊在電壓過零附近調(diào)制一個(gè)50A的峰值電流信號(hào)脈沖(對(duì)應(yīng)電壓過零點(diǎn)瞬間功率很小),該電流折算到10kV母線上是50×220/10000=1.10A。而作為一個(gè)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(hào)與上行電流信號(hào)的比值接近1000:1。顯然要準(zhǔn)確地檢測出有用信號(hào)是有相當(dāng)難度的,這里完全沒有考慮信號(hào)的衰減情況。下行電壓信號(hào)過零點(diǎn)附近電壓畸變率不到0.5%。檢測過程中的一項(xiàng)重要任務(wù)是背景信號(hào)的去除。這里需要判別調(diào)制信號(hào)的有無,對(duì)調(diào)制信號(hào)本身的大小和形狀并無過多要求。為了檢測跨臺(tái)區(qū)抄表系統(tǒng)中的調(diào)制信號(hào),需對(duì)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 difference 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(yùn)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(t)=A₁Sin(ω₁t),T是電力信號(hào)周期,當(dāng)無調(diào)制信號(hào)時(shí),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)果恒等于零。這種方法,很容易實(shí)現(xiàn)下行信號(hào)的背景消除。同時(shí)可以減弱電網(wǎng)中整數(shù)次諧波信號(hào)的影響。 

    圖3對(duì)應(yīng)下行信號(hào)的bit“0”,調(diào)制信號(hào)e_mod疊加在第一周期的電壓過零點(diǎn),使其電壓微弱形變,顯然差分的結(jié)果d(t₁)=e_mod。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e_mod往往淹沒在噪聲中,影響一次抄表成功率。 

    跨變壓器臺(tái)區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)中調(diào)制信號(hào)的波形特征已知,抄表過程中僅僅需要判別在電壓過零點(diǎn)附近有無信號(hào),這是一種基于先驗(yàn)知識(shí)的信號(hào)檢測,可以采用匹配濾波技術(shù)。 

3.2 匹配濾波

    對(duì)于單頻率的周期信號(hào),窄帶濾波器可以使輸出濾波器的信噪比大大提高。但對(duì)于非周期信號(hào),窄帶濾波器不一定是最佳的。對(duì)于確定的輸入信號(hào)s(t),可以設(shè)計(jì)一種匹配于待測信號(hào)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(hào)通過匹配濾波器時(shí),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(hào)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(hào)持續(xù)時(shí)間。白噪聲那么由匹配濾波原理可推出:輸出可見,增加跨臺(tái)區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)中調(diào)制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間以提高發(fā)送信號(hào)的功率有利于接收端信號(hào)的檢測。匹配濾波器在時(shí)域上等同于互相關(guān),實(shí)現(xiàn)起來更容易,而且互相關(guān)運(yùn)算與卷積運(yùn)算只有符號(hào)的差異,可以采用FFT快速算法實(shí)時(shí)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(duì)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(hào)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于采集模塊存儲(chǔ)器中用于匹配濾波;對(duì)于主站而言,因?yàn)椴煌牟杉K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(hào)前面有前導(dǎo)位,用于主站確定采集信號(hào)的窗口位置,同時(shí)自適應(yīng)地調(diào)整匹配濾波器的參數(shù)。 

3.3 差錯(cuò)控制編碼技術(shù)

    配電網(wǎng)的主要功能是傳輸電能,并不是為電力通信設(shè)計(jì),信號(hào)傳輸過程中會(huì)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(diǎn)。當(dāng)抄表系統(tǒng)被脈沖噪聲干擾時(shí),前面幾種信號(hào)處理辦法均無能為力,需借助糾錯(cuò)編碼技術(shù)。所謂糾錯(cuò)編碼,也叫差錯(cuò)控制編碼。其基本實(shí)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(xiàng)式確定)。接收端按照既定的規(guī)則校驗(yàn)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(cuò),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(cuò)誤乃至糾正錯(cuò)誤^[6]。漢明碼是常見的差錯(cuò)控制編碼之一。本通信系統(tǒng)采用內(nèi)嵌校驗(yàn)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(cuò)誤,對(duì)于3位及3位以上的錯(cuò)誤能夠給出錯(cuò)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(tái)區(qū)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng),采用獨(dú)特的信號(hào)調(diào)制及信號(hào)檢測方法,是一種適合中國城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的自動(dòng)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(shí)用階段,于2001年10月通過電力科學(xué)院檢測中心型式試驗(yàn),檢測號(hào):(配用電)檢字2001第077號(hào)。 

參考文獻(xiàn)

1 吳 斌.基于配電網(wǎng)的自動(dòng)抄表[J].電測與儀表. 2001;(4) 

2 Sioe T. Mak, Don L. Reed. TWACS, A New Viable Two-Way Automatic Communication System for Distribution Networks, Part I: Outbound Communication. IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems.[J].1982;101(8):2941～2949 

3 趙學(xué)增,吳斌,張紹卿.基于匹配濾波器的跨變壓器臺(tái)區(qū)工頻電力通信[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2002;(4) 

4 張賢達(dá). 現(xiàn)代信號(hào)處理[M].北京:清華大學(xué)出版社, 1998 

5 王新梅,肖國鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼-原理與方法.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991