一种能跨变压器台区的电力远程抄表系统

摘要：采用过零调制技术，利用数字差分、匹配滤波、纠错编码方法处理接收数据。系统具有较强的抗干扰能力，可实现跨配电变压器台区的远距离抄表，适合中国电网特点。 关键词：自动抄表 跨台区 过零调制 电力系统自动抄表是电能营运部门用电管理自动化的重要手段。电力线网络是一个广泛存在的网络，利用它作为质传输配用电数据是非常方便的。跨变压器台区电力远程抄表系统采用工频过零调制、匹配滤波、纠错编码技术，利用现有10kV/220V配电网实现无中继、无桥接设备、跨变压器台区、在不同电压等级之间的远程自动抄表。这种抄表系统是一种不同于传统电力线载波抄表的新型技术，它不存在配电网载波抄表中的多径干扰与通信盲点问题，调制信号的频率仅为几百赫兹，可以随电网远距离跨变压器台区传输。 目前，电力系统自动抄表主要方式有：485总线、无线、红外、普通电力载波、扩频电力载波、零相超窄带（TURTLE）、超窄带极低频（UNB）及工频过零调制（PFC）跨变压器台区方式等。其中，工频过零调制远程抄表以其独特的信号传输原理，可以完成以配电网络为信号传输媒介，跨变压器台区远程自动抄表。这种抄表系统的最大特点是：系统实施简单，信号抗干扰能力强，可实现跨配电变压器的远距离数据传输[1]。 1 系统组成 图1所示为跨变压器台区远程自动抄表系统方框图。该自动抄表系统由系统主站与采集模块两部分组成。系统主站位于二次变电所，完成远方采集模块的电能表数据抄收，并能上传数据至用电管理部门。采集模块位于用户电能表，负责电能表脉冲数的累计，能按主站命令通过电力线网络上传数据。这种抄表系统以配电网10kV及220V电力线路为通信介质，在用户变压器附近不需要增加任何附加设备，对配电网络没有特殊的要求，既适合架空电缆，也可用于地下线路。 跨变压器台区自动抄表系统以半双工方式工作，信号分为下行信号与上行信号两部分。下行信号为电压调制方式，以电压过零点附件电压微弱畸变来表示信息，传输方向从系统主站到远端采集模块，代表系统主站的抄表命令；上行信号为电流调制方式，以电压过零点附件电流脉冲来表示信息，传输方向从采集模块到系统主站，代表电表数据。 系统远程秒表过程如下：在变电所主站中央处理系统的指令下，通过系统主站下行信号调制系统触发主站调制变压器，将主站命令以电压信号的形式耦合到10kV母线，下行电压调制信号随母线电压经10kV/400V用户配电变压器传输至千家万户，主站命令的发送到广播方式，所有在220V同相电压的采集模块都可收到信号。采集模块收到信号后，进行地址匹配，符合地址要求的模块返回上行信号。在采集模块触发系统的作用下，以瞬间电流脉冲变化实现了行信号的发送。上行电流信号是终必然会在10kV母线电流互感器上有所体现。主站信号采集处理系统从变电所10kV电流互感器上完成上行信号的检测，以上是完成一次电表数据抄收的全过程。 2 信号调制原理 跨变压器台区自动抄表系统信号耦合采用基波工频过零调制方式，以过零点附近电网波形的微弱畸变来表示信息[2]。图2（a）所示为下行电压调制信号示意图。通过主站调制变压器的作用，在二次变电后母线电压过零点附近产生瞬间脉冲电流ic，由于主变的等效漏感对该脉冲电流的阻碍，形成了下行电压调制信号emod，emod与ic有90%26;#176;的相位差。图2(b)中emod与母线电压的叠加使其在过零点前30%26;#176;附近产生幅值畸变，反映在时间轴上，表示为Δt1和Δt2。理想的工频通信电压调制信号是一个周期的正弦波形emod，持续时间2～3ms，但由于主变待效参数中阻性成分的作用，再加调制信号在系统中的响应，实际的调制信号为衰减的振荡信号，持续时间不会超过一个电压周期，这样，可以用连续的两个电压周期定主一位下行信号。若调制信号叠加在第1个周期电压过零点附近，表示下行信号的bit“0”，那么调制信号叠加在第2个周期就表示下行电压信号的bit“1”。过零调制信号的半功率点频率范围为200～600Hz。配电网的重要功能是输送50Hz电力信号，电网的各次谐波也很容量沿配电网跨变压器传输，这里刚好有效地应用了电网的谐波频段。现场测试证明；过零调制信号跨变压器传输可达40km以上。 3 信号检测原理 跨变压器台区电力通信中信号的检测是一种大背景下小信号的检测。以主站上行电流信号的检测为例，若采集模块在电压过零附近调制一个50A的峰值电流信号脉冲（对应电压过零点瞬间功率很小），该电流折算到10kV母线上是50%26;#215;220/10000=1.10A。而作为一个中型变电所其母线（10kV/传输母线）上的电流大概是1000A左右，背景信号与上行电流信号的比值接的1000：1。显然要准确地检测出有用信号是相当难度的，这里完全没有考虑信号的衰减情况。下行电压信号过零点附近电压畸变率不到0.5%。检测过程中的一项重要任务是背景信号的去除。这里需要判别调制信号的有无，对调制信号本身的大小和形状并无过多要求。为了检测跨台区抄表系统中的调制信号，需对所采数据预处理。预处理采用数字差分技术（Digital difference technique）。 3.1 数字差分 数字差分是用前一次的采样值与当前的采样值进行差运算。如图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是电力信号周期，当无调制信号时，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，其差分结果恒等于零。这种方法，很容易实现下行信号的背景消除。同时可以减弱电网中整数次谐波信号的影响。 图3对应下行信号的bit“0”，调制信号emod叠加在第一周期的电压过零点，使其电压微弱形变，显然差分的结果d(t1)=emod。但由于各种家用电器的影响及电力负载开关的切换，再加上电网中的各种非整次谐波的干扰，数字差分所得emod往往淹沿在噪声中，影响一次抄表成功率。 跨变压器台区自动抄表系统中调制信号的波形特征已知，抄表过程中仅仅需要判别在电压过零点附过近有无信号，这是一种基于先验知识的信号检测，可以采用匹配滤波技术。 3.2 匹配滤波 对于单频率的周期信号，窄带滤波器可以使输出滤波器的信噪比大大提高。但对于非周期信号，窄带滤波器不一定是最佳的。对于确定的输入信号s(t)，可以设计一定是最佳的。对于确定的输入信号s(t)，可以设计一种匹配于待测信号的滤波器，这就是匹配滤波器。理论证明，当让加性白噪声与信号通过匹配滤波器时，滤波器输出信噪比达到最大。匹配滤波器脉冲响应函数与待测信号s(t)成径向对称，即h(t)=ks（t-t0）。这里，h(t)是滤波器系统函数，k为系统增益，t0是待测信号待续时间。令 表示调制信号的功率，白噪声的功率谱密度为N0/2，那么由匹配滤波原理可推出：输出信噪比 。可见，增加跨台区自动抄表系统调制信号的持续时间以提高发送信号的功率有利于接收端信号的检测。匹配滤波器在时域上等同于互相关，实现起来更容易，而且互相关运算与卷积运算只有符号的差异，可以采用FFT快速算法实时处理数据[3,4]。 采集模块与主站分别采用不同的方法得到互相关数据。对于采集模块而言，可以在用户端采样，多周期同步累加去除干扰测得主站调制的下行信号数据，该数据存储于采集模块存储器中用于匹配滤波；对于主站而言，因为不同的采集模块有很大的分散性（元器件、安装位置），不能采用同一滤波常数。采集模块所发送上行信号前面有前导位，用于主站确定采集信号的窗口位置，同时自适应地调整匹配滤波器的参数。 3.3 差错控制编码技术 配电网的主要功能是传输电路，并不是为电力通信设计，信号传输过程中会遇到各种干扰。其中，影响最大的是电网中的脉冲噪声。脉冲噪声具有瞬间、高能量、覆盖频率范围广的特点。当抄表系统被脉冲噪声干扰时，前面几种信号处理办法均无能为力，需借助纠错编码技术。所谓纠错编码，也叫差错控制编码。其基本实现方法是在发送端将被传输的信息码元附上一些监督码元，这些多余的码元与信息码位之间有某种确定的约束规则（由生成多项式确定）。接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输发生差错，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可以发现错误乃至纠正错误[6]。汉明码是常见的差错控制编码之一。本通信系统采用内嵌校验和的（63，51）BCH码。该码具有较强的抗干扰能力，可以纠正数据传输过程中的1位及2位错误，对于3位及3位以上错误能够给出错误标志。抄表系统可根据标志位重发抄表命令。 跨变压器台远程自动抄表系统，采用独特的信号调制及信号检测方法，是一种适合中国城乡配电网的自动抄表系统。目前，该系统已由哈尔滨工业大学与黑龙江电力公司合作研究成功，并进入实用阶段，于2001年10月通过电力科学院检测中心型式试验，检测号：（配用电）榆字2001第077号。