基于雙向工頻自動通信技術實現自動抄表系統的設計

引言

目前國內已經將擴頻、超窄帶通信、多載波調制、自適應跳頻、正交頻分復用（OFDM）等技術應用于自動抄表系統。但由于我國低壓電網環境惡劣，以上技術的應用效果始終不理想。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勢。

1、系統組成

自動抄表系統一般由采集用戶電能表信息的采集終端、集中器、主站系統組成。采集器和集中器位于每個變壓器下，對采集器上傳數據進行管理，同時作為聯系采集器與主站的橋梁（主站是位于最上層的計算機管理系統）。基于雙向工頻自動通信的自動抄表系統，其畸變信號可進行跨變壓器臺區的傳輸，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，系統組成如圖1所示。

雙向工頻自動通信系統由中央控制單元、子站端調制解調設備和用戶端調制解調設備組成，其原理就是利用工頻電壓基波過零調制方式實現通信。出站信號調制，在電壓過零點前△T／2（過零點前30度）時刻，打開調制電路圖2（a）中晶閘管，產生的瞬時電流耦合進工頻電壓的電流ic，引起一個電壓降emod，在 10 kV電壓E過零點處發生畸變，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，利用調制位置的不同來表示“1”或 “O”。入站信號調制方法與出站信號類似，只是入站信號調制是將畸變信號加于電壓過零點時刻的電流上。

2 、硬件電路設計

調制電路系統主要由濾波電路、過零檢測電路及調制電路組成。調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濾波器截止頻率，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，增強其效果。過零檢測電路主要由運放器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、數據采集電路、數據處理電路組成。數據采集電路由ADl674芯片及其外圍電路組成。整個檢測系統核心是一塊 PLC24系列微處理器芯片加上必要的數據存儲器、程序存儲器及必要的輸入、輸出電路組成的單片機系統。單片機技術已經非常成熟，在此只給出如圖4所示的系統框圖。

3、信號檢測

信號檢測是一個判斷過零點處有無畸變的問題。目前國內一般采用數字差分技術（Digital Differential Technique）進行檢測，即前一次的采樣值與當前的采樣值進行做差運算。

如果F（t）=A1 sin（ω1t），T是其周期Tper的整數倍，則d（t1）≡0。從這個結果可以看出，由式（1）所描述的數字差分技術應用到具有穩定周期的周期信號時，其差分結果恒等于O。但由于電網信道環境復雜，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字差分技術在實際運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）的連續小波變換為：

j和k的取值均在±∞，意味著在所有尺度上做細化處理，補充細部特征。在用尺度的觀點分析各種信號時，超過某一特定的尺度（例如j0）后，細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。用濾波的觀點就是j0 以下各尺度對應于中心頻率不同的帶通濾波器組，j0以上各尺度對應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）的細節高頻信號。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節信號之和。

4、仿真實驗

根據等效電路，在Simulink中搭建工頻畸變信號仿真電路，將兩個連續周期電壓信號的第1，3過零點處加上正向脈沖，產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生在采樣點50和150附近。

在兩個工頻周期（0．04 s）的時間內取200個采樣點，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）和細節信號d1（即高頻信號）。

近似信號a1與原始信號（圖5）近似；細節信號d1在采樣點50，150附近均有強烈的變化。由d1可以清晰地找到信號的畸變點，所以，以二進制小波變化的方法檢測畸變點，就是檢測細節信號上的變化，通過設定閾值，確定畸變時刻。

5 、通信協議

低壓配網信道環境復雜，數據傳輸距離有限，為保證通信的可靠性以擴大傳輸距離，在抄表系統采集器一端就需要用到中繼。在DL／T6 45-1997基礎上，使幀格式支持中繼轉發的控制，并要求幀不能過長，基本幀格式如表1所示。其中，每字節含8 b二進制碼，傳輸時加上一個起始位、一個校驗位和一個停止位，共11 b。控制碼C中，D7=O時，即是主站發出的命令幀，D6，D5控制中繼轉發，D4～DO用于功能編碼控制；D7=1時，即采集器發出的應答幀。