基于PFC和GPRS的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉娟 李松寒 隋吉生

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院1，吉林 吉林 132012;吉林省電力有限公司2，吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

為了提升電力營(yíng)銷市場(chǎng)的快速響應(yīng)水平、提高客戶服務(wù)的質(zhì)量，應(yīng)逐步建立適應(yīng)市場(chǎng)變化、快速反映客戶需求的電力營(yíng)銷體系。全面構(gòu)建低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力用戶用電信息自動(dòng)采集，也是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。

本文在充分研究現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外自動(dòng)抄表方案的基礎(chǔ)上[2－3]，結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種基于工頻通信[4](power frequency communication，PFC)技術(shù)和GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。此外，為了提高通信的可靠性，將小波消噪與聯(lián)合近似對(duì)角化(jointly approximate diagonalization of Eigen-matrices，JADE) 相結(jié)合的算法應(yīng)用到信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了算法的可行性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

抄表系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)。分布式體系結(jié)構(gòu)分為上下2層。上層(管理中心與GPRS集中器之間)采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和Internet采集數(shù)據(jù)。GPRS是目前較好的無(wú)線傳輸方式，它在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入分組交換功能，支持TCP/IP協(xié)議，可以與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(Internet等)直接互通，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸量。下層(GPRS集中器與采集器之間)采用工頻通信PFC采集數(shù)據(jù)。PFC采用過(guò)零調(diào)制方式，具有無(wú)泄漏旁路、衰減小、無(wú)需增加中繼環(huán)節(jié)、可直接跨臺(tái)區(qū)進(jìn)行通信、成本低、通信可靠等特點(diǎn)。

系統(tǒng)主要由集中器和采集器兩大部分組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system strucure

集中器和采集器分別介紹如下。

①集中器

GPRS集中器安裝于配電變壓所內(nèi)，主要由集中器與GPRS無(wú)線傳輸模塊組成。集中器負(fù)責(zé)同一臺(tái)變壓器下所有數(shù)據(jù)的采集、處理和上傳，并可以按供電局?jǐn)?shù)據(jù)采集服務(wù)器的命令執(zhí)行數(shù)據(jù)抄收功能。此外，集中器還可以采集變壓器的實(shí)時(shí)信息，并通過(guò)與采集終端通信以獲取用戶電量信息。

②采集器

貧困地區(qū)基層組織弱化，部分地方執(zhí)行人員由于自身素質(zhì)不高，以一副領(lǐng)導(dǎo)視察的態(tài)勢(shì)對(duì)待扶貧指導(dǎo)工作，執(zhí)行力不夠。部分審查與管理專項(xiàng)扶貧資金部門存在管理不嚴(yán)，自身內(nèi)部督管不力，制度不健全的不良行政現(xiàn)象。在利益、權(quán)勢(shì)驅(qū)動(dòng)下少數(shù)地區(qū)政府為了追求短期政績(jī)，不惜大量浪費(fèi)和透支扶貧資源，有的還攤指標(biāo)、造數(shù)字，使得扶貧開發(fā)的收效甚微。

采集器位于配電變壓器的低壓側(cè)，命令的接收和信息的發(fā)送都是在配電變壓器低壓回路上實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需任何載波系統(tǒng)的耦合、轉(zhuǎn)接或中繼等設(shè)備。將電表脈沖的輸出端接入采集器，通過(guò)記錄脈沖個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電量的采集。

1.2 工作原理

自動(dòng)抄表系統(tǒng)的原理與載波抄表系統(tǒng)的原理相似。兩者的不同之處在于，本抄表系統(tǒng)采用PFC將采集到的數(shù)據(jù)傳送到配電變電所內(nèi)的GPRS集中器，然后通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入到Internet。該數(shù)據(jù)通過(guò)供電局的對(duì)外寬帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入GPRS通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器(與營(yíng)銷系統(tǒng)接口)，用戶通過(guò)各供電分局的客戶端可以訪問數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)[5]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集器的硬件設(shè)計(jì)

本抄表系統(tǒng)的采集器基于與51單片機(jī)指令兼容、運(yùn)行速度快并且數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的高速微處理器PL3105設(shè)計(jì)。PL3105是專為面向未來(lái)的開放式自動(dòng)抄表、智能家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的單芯片處理器。該采集器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure of the collector

通過(guò)RS-485串行通信口，可利用外設(shè)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)抄錄。同時(shí)，PL3105還具備紅外或其他方式的通信功能，以便在采集器與外界聯(lián)系中斷時(shí)，采用半自動(dòng)的方式進(jìn)行抄表。

2.2 集中器的硬件設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，集中器處于信息傳遞通路的中間位置，它通過(guò)上行信道與相關(guān)的管理中心通信，接收相關(guān)發(fā)送指令，并向管理中心傳送相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，集中器又通過(guò)工頻通信的方式將管理中心的指令傳送給采集器。其主要功能具體介紹如下。

①負(fù)責(zé)雙向工頻通信協(xié)議與GPRS通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換;

②負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā);

③對(duì)用戶提供透明連接;

④通信過(guò)程使用密匙校驗(yàn)。

鑒于以上所要實(shí)現(xiàn)的功能，本文所設(shè)計(jì)的集中器采用16/32位RISC的S3C2440作為微處理器。該微處理器的內(nèi)核采用ARM920T。其低功耗、全靜態(tài)的設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功率敏感的抄表系統(tǒng)。

集中器硬件框圖如圖3所示。

圖3 集中器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Hardware structure of the concentrator

3 信號(hào)檢測(cè)

信號(hào)檢測(cè)的實(shí)質(zhì)就是檢測(cè)信號(hào)的有無(wú)，而對(duì)調(diào)制信號(hào)本身的大小和形狀并無(wú)過(guò)多要求。傳統(tǒng)檢測(cè)方法多利用數(shù)字差分技術(shù)來(lái)識(shí)別信號(hào)。該方法不能保證前后2個(gè)周期對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的角度完全一致，準(zhǔn)確性差。小波變換的方法不能有效抑制諧波的干擾，通常需加入陷波濾波器去除諧波干擾，但是陷波濾波器在低頻段的系數(shù)敏感度高，使得濾波效果不理想，且會(huì)對(duì)有用信號(hào)成分造成一定的破壞。為了提高遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的通信可靠性，必須提出一種新的信號(hào)檢測(cè)方法[6－7]。

本文以上行通信信號(hào)(采集器到集中器之間的通信信號(hào))的檢測(cè)為例，采用小波與JADE相結(jié)合的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。

3.1 小波與JADE相結(jié)合的檢測(cè)算法

本算法先用小波對(duì)待處理的信號(hào)進(jìn)行去噪處理，再運(yùn)用JADE算法實(shí)現(xiàn)對(duì)工頻通信信號(hào)的檢測(cè)[8－9]。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

①對(duì)待處理的信號(hào)進(jìn)行小波去噪預(yù)處理;

②對(duì)預(yù)處理過(guò)后的信號(hào)進(jìn)行白化處理，求得白化矩陣;

③計(jì)算球化矩陣W的四階累積量。

④通過(guò)優(yōu)化，聯(lián)合對(duì)角化球化矩陣W的4階累積量，得到矩陣U。

3.2 仿真及結(jié)果分析

本文在上行工頻通信信號(hào)數(shù)據(jù)處理前，先利用參考文獻(xiàn)[10]介紹的三相背景電流抵消方法，即采用加權(quán)求和法，可消除絕大部分基波電流影響，同時(shí)使信號(hào)強(qiáng)度增加。背景電流抵消結(jié)果如圖4所示。

圖4 背景電流抵消結(jié)果Fig.4 The offset result for background current

含有噪聲的觀測(cè)信號(hào)如圖5所示。

圖5 含有噪聲的觀測(cè)信號(hào)Fig.5 The observation signals with noise

經(jīng)過(guò)三相電流加權(quán)求和之后的信號(hào)，與上行調(diào)制電流信號(hào)形狀相同但幅度稍有不同。因此，將此兩路信號(hào)作為待觀測(cè)的信號(hào)。為了更好地模擬實(shí)際電網(wǎng)的噪聲情況，在上述兩路信號(hào)中加入隨機(jī)白噪聲和奇次諧波。疊加后的信號(hào)頻譜如圖6所示

圖6 含有噪聲觀測(cè)信號(hào)的頻譜Fig.6 The frequency spectrums of observation signals with noise

小波消噪預(yù)處理采用db3小波對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行4層分解。首先采用軟閾值的方法對(duì)相應(yīng)的小波分解系數(shù)進(jìn)行處理;再對(duì)閾值處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到恢復(fù)原始信號(hào)的估計(jì);然后運(yùn)用JADE算法對(duì)估計(jì)值進(jìn)行分離，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 JADE處理結(jié)果Fig.7 Results by using JADE method

由圖7可以看出，基于小波與JADE相結(jié)合的檢測(cè)算法不僅能夠有效地去除諧波干擾，而且能夠有效地從含噪信號(hào)中提取上行信號(hào)的特征，便于信號(hào)的識(shí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

在總結(jié)現(xiàn)有抄表技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，提出一種基于PFC和GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。該抄表系統(tǒng)所采用的PFC技術(shù)保證了數(shù)據(jù)在電力線上穩(wěn)定、可靠地傳輸，不存在電力線載波數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的信號(hào)阻塞及數(shù)據(jù)采集盲區(qū);GPRS利用無(wú)線公網(wǎng)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)用電裝置的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，且運(yùn)行成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換。這種抄表系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)單，不受地理位置的限制，適用于用戶多、位置分布散、不定期和長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集環(huán)境，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動(dòng)抄表系統(tǒng)。

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