基于工頻通信、GSM 無(wú)線網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

曾水根 曾小龍 陳海燕

(1.國(guó)電 南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京210032；2.廣東火電工程總公司，廣東 廣州510730）

0 引言

電表數(shù)據(jù)的采集，如果使用485 總線方式，則施工布線工作量大，且網(wǎng)線易受人為破壞，線路損壞后，故障點(diǎn)不易查找，而且易受雷擊和過(guò)電壓的影響；大家公認(rèn)最有前途的還是低壓電力線通信。

采集到的數(shù)據(jù)往控制中心傳送，可以選擇GSM 無(wú)線網(wǎng)，控制中心可以是GSM 網(wǎng)絡(luò)可及的任何一個(gè)地方，多元的距離都不會(huì)增加成本。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

如圖1，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集中心和用電管理中心(即控制中心)構(gòu)成，兩者之間通過(guò)GSM 無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)采集中心主要由集中器和終端（采集模塊MRU 和繼電器）組成。終端負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集其所管轄的各類計(jì)量表的數(shù)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，以及當(dāng)接收到集中器發(fā)來(lái)的投、切電指令時(shí)對(duì)指定電能表進(jìn)行投、切電操作；集中器通過(guò)低壓電力線與每個(gè)終端進(jìn)行通信，收集臺(tái)變下所有電表數(shù)據(jù)，并通過(guò)GSM無(wú)線網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

2 數(shù)據(jù)采集中心工作原理

2.1 數(shù)據(jù)采集方式比較

有的抄表系統(tǒng)中采用低壓電力線載波通信（Low Voltage Power Line Carrier Communication，PLCC)方案，但由于PLCC 信號(hào)的自身缺點(diǎn)和低壓線路的惡劣情況，至今沒(méi)有取得理想的通訊效果。影響PLCC信號(hào)傳輸?shù)闹饕嬖谝韵聨讉€(gè)因素：

1）高噪聲；2）隨機(jī)性和時(shí)變性；3）信號(hào)衰減大。

前兩個(gè)因素制約PLCC 信號(hào)的傳輸距離，后一個(gè)因素決定PLCC信號(hào)的傳輸質(zhì)量。由于低壓電力線上存在諸多使PLCC 信號(hào)信噪比急劇下降的因素，使得PLCC 無(wú)法取得理想的效果[1]。

低壓電力線工頻通信技術(shù)(Low Voltage Power Line Power Frequen-cy Communication,PLPFC) 同傳統(tǒng)的PLCC 相比則提供了一種可靠的通信手段，該技術(shù)采用了獨(dú)特的信號(hào)調(diào)制機(jī)理，實(shí)現(xiàn)通信的信號(hào)頻率在200-600Hz 之間，該頻率接近于工頻，因此通信信號(hào)在傳輸過(guò)程中，將不會(huì)因線路阻抗的影響而產(chǎn)生衰減，即不受上面三個(gè)制約PLCC 因素的影響具有極高的通信可靠性和實(shí)抄率，系統(tǒng)的通信不會(huì)受線路負(fù)荷、狀況或結(jié)構(gòu)變化的影響，可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間段內(nèi)的可靠通信，且信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，在可獲得的現(xiàn)場(chǎng)距離1.5 公里信號(hào)幾乎沒(méi)有衰減，模擬線路達(dá)10 公里時(shí)也幾乎沒(méi)有衰減，因此線路上不需要安裝任何中繼設(shè)備，同時(shí)無(wú)需任何通信調(diào)試，所以其安裝成本也比PLCC 系統(tǒng)大大降低。

2.2 工作原理

2.2.1 集中器信號(hào)發(fā)送與接收

集中器信號(hào)的發(fā)送與接收包括對(duì)終端的信號(hào)發(fā)送與接收和對(duì)PC機(jī)的信號(hào)發(fā)送與接收，這里討論的是對(duì)終端的信號(hào)發(fā)送與接收。

（1）集中器信號(hào)發(fā)送

在電網(wǎng)電壓接近負(fù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，由集中器的單向可控硅調(diào)制出一個(gè)瞬時(shí)相電流脈沖ic（大小可控可調(diào)），該電流脈沖耦合到二次變壓器低壓側(cè)（220V）的漏感上，并產(chǎn)生一個(gè)畸變電壓降emod，從而使電壓波形在負(fù)過(guò)零區(qū)域產(chǎn)生波形畸變，該畸變?cè)跁r(shí)間軸表現(xiàn)為Δt1和Δt2，如圖2(a)所示，圖中Ψ 為調(diào)制相角。

通過(guò)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)不同位置調(diào)制信號(hào)，來(lái)表示要傳輸?shù)男畔?。用兩個(gè)連續(xù)工頻電壓周期中的一個(gè)調(diào)制信號(hào)來(lái)表示一位出站信息。如圖2(b)所示，調(diào)制信號(hào)在基準(zhǔn)位置開始的電壓波形第一個(gè)負(fù)過(guò)零點(diǎn)處則表示信息位1，在第二個(gè)負(fù)過(guò)零點(diǎn)處則表示信息位0。

（2）集中器信號(hào)接收

終端將以基準(zhǔn)點(diǎn)開始的兩個(gè)電壓波形進(jìn)行全波整流后，設(shè)置三個(gè)比較電平如圖3 所示。

負(fù)過(guò)零點(diǎn)處附近的電壓波形在經(jīng)過(guò)不同電平比較后，可得到t1∧t6的6 個(gè)時(shí)間信息和負(fù)過(guò)零時(shí)間信息t0，令

2.2.2 終端信號(hào)發(fā)送與接收

（1）終端信號(hào)發(fā)送

在電壓接近過(guò)零點(diǎn)時(shí)，終端的可控硅導(dǎo)通，產(chǎn)生瞬間相電流ic，ic過(guò)零時(shí)可控硅自動(dòng)斷開，調(diào)制電流ic疊加在電壓過(guò)零區(qū)域?qū)?yīng)的電流波形上，可在集中器處安裝的電流互感器中檢測(cè)出來(lái)。

用四個(gè)連續(xù)工頻電流周期中的四個(gè)調(diào)制信號(hào)共同來(lái)表示一位信息，如圖4(b)所示，4 個(gè)相鄰周期共有八個(gè)電壓過(guò)零點(diǎn)，規(guī)定在第1、3、6、8 個(gè)過(guò)零點(diǎn)處調(diào)制的四個(gè)電流脈沖信號(hào)表示信息位1，在第2、4、5、7 處調(diào)制的四個(gè)電流脈沖信號(hào)則表示信息位0。

（2）終端信號(hào)接收

集中器從基準(zhǔn)點(diǎn)開始，在電壓波形過(guò)零區(qū)域設(shè)置8 個(gè)檢測(cè)窗口，在每個(gè)窗口對(duì)應(yīng)的電流區(qū)域采樣K 個(gè)點(diǎn)，分別為A11－A1k、B11－B1k、…、A41－A4k、B41－B4k，如圖5 所示：

3 低壓電力線工頻通信的實(shí)現(xiàn)

3.1 集中器功能模塊的硬件及軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中由集中器向用戶傳輸信息的通道稱為輸出通道（Outbound Channel），其利用調(diào)制的電壓波形攜帶信息，調(diào)制信號(hào)稱為出站信號(hào)（Outbound Signal）。這部分的主要工作是在充分分析出站信號(hào)調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，將需要發(fā)送的二進(jìn)制信息進(jìn)行信源編碼之后，調(diào)制到電網(wǎng)電壓的波形上。由于電網(wǎng)電壓相當(dāng)于比較理想的恒壓源，將信號(hào)調(diào)制上去具有一定的難度。由用戶端到集中器的通道稱為輸入通道（Inbound Channel），通過(guò)電流波形的變化傳輸信息，調(diào)制信號(hào)稱為入站信號(hào)（Inbound Signal）。這部分的主要工作是將入站信號(hào)準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)，其結(jié)果送往中央控制計(jì)算機(jī)，并時(shí)刻準(zhǔn)備接收來(lái)自中央控制計(jì)算機(jī)的命令信息和給中央控制計(jì)算機(jī)提供電網(wǎng)的一些情況。所以，集中器功能模塊硬件結(jié)構(gòu)從大體上可以分為兩大部分：出站信號(hào)調(diào)制單元、入站信號(hào)檢測(cè)單元。整個(gè)硬件以微處理器為核心，加上一些外圍電路組成，集中器功能模塊的硬件總體構(gòu)成如圖6 所示：

集中器功能模塊的總體軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程的思想，并以單片機(jī)C51 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的方式完成整個(gè)軟件設(shè)計(jì)。在通信時(shí)間內(nèi)，集中器功能模塊的整個(gè)程序要完成三個(gè)方面的工作：與中央控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、調(diào)制出站信號(hào)、檢測(cè)并糾錯(cuò)入站信號(hào)；在非通信時(shí)間段內(nèi)（空閑時(shí)間段），集中器控制模塊的軟件主要完成兩個(gè)方面的工作：搜集并判斷當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)電網(wǎng)負(fù)載電流浪涌情況和非整數(shù)次諧波頻率成分，為下一組通信提供相關(guān)的有用信息，其次是時(shí)刻保持與中央控制計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，以便及時(shí)響應(yīng)來(lái)自中央控制單元的命令。軟件的整體流程圖如圖7 所示：

一個(gè)入站信息包長(zhǎng)度為64 個(gè)比特，根據(jù)入站信號(hào)的表示方法，四個(gè)周期攜帶一個(gè)比特，在一個(gè)過(guò)零點(diǎn)處我們?cè)O(shè)定32 個(gè)采樣點(diǎn)（采樣頻率定為5kHz）很容易算出一個(gè)比特的數(shù)據(jù)量和一個(gè)信息包的數(shù)據(jù)量。由于受到微處理器的主頻的限制而必須采取事后處理的方式，因?yàn)閷?duì)于微處理芯片而言，這樣的數(shù)據(jù)量已經(jīng)不小了。所以為了盡量節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸速率，就必須在軟件算法上下工夫。圖8給出了入站信息檢測(cè)部分的軟件流程圖。

3.2 終端功能模塊的硬件及軟件結(jié)構(gòu)

終端硬件電路主要分下行電壓信號(hào)接收,上行電流信號(hào)發(fā)送及終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換三個(gè)部分，如圖9 所示。由圖可以看出，單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中心，電源電路不僅給各部分供電，而且基波過(guò)零調(diào)制電力通訊的來(lái)自集中器的下行電壓信號(hào)也取自電源，同樣由用戶終端發(fā)給集中器的上行電流信號(hào)同樣也通過(guò)電源初級(jí)繞組最后上配電網(wǎng)返回集中器。所以說(shuō)，不需在配電網(wǎng)上加其它任何中間設(shè)備，僅需提供220V 市電即可同與集中器進(jìn)行通信。

終端裝置的軟件主要是配合硬件完成下行電壓信號(hào)的檢測(cè)、上行電流信號(hào)的發(fā)送、數(shù)據(jù)的顯示、串行EEPROM 的讀寫時(shí)序的模擬及電表電能數(shù)的脈沖轉(zhuǎn)換，終端軟件系統(tǒng)框圖如10 所示。

4 采集中心與控制中心間數(shù)據(jù)傳輸

采集中心和控制中心之間通過(guò)GSM 無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行通訊，GSM“即買即通”、通信可靠、費(fèi)用低廉的GSM 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)[2]。

4.1 指令傳送

控制中心可隨時(shí)向需要抄表的采集中心發(fā)送抄表指令進(jìn)行抄表操作，采集中心收到抄表指令后進(jìn)行抄表操作，將數(shù)據(jù)通過(guò)GSM 無(wú)線網(wǎng)發(fā)回控制中心。

各采集中心也可定時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)回控制中心。

控制中心還可向指定采集系統(tǒng)發(fā)送指令，對(duì)指定的表進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

采集系統(tǒng)通過(guò)GSM 無(wú)線網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到控制中心。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）采集系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，通信效率高，且安裝成本低。PLPFC 技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、通信可靠，可由集中器發(fā)布凍結(jié)命令，由終端記錄下不同時(shí)刻的用戶用電量進(jìn)行滯后傳輸，可完成任何時(shí)段的電量計(jì)量，不僅為電力部門準(zhǔn)確計(jì)算線損和估計(jì)負(fù)荷提供可靠依據(jù)，也使采用老式電表進(jìn)行復(fù)費(fèi)率計(jì)價(jià)成為可能。PLPFC 技術(shù)不受線路負(fù)荷、結(jié)構(gòu)制約的特點(diǎn)，安裝時(shí)直接將終端投入線路，無(wú)需對(duì)原線路做任何改造，無(wú)需任何調(diào)試，便可進(jìn)行正常通信。

（2）傳輸距離可無(wú)限遠(yuǎn)，抄表成本低。相比昂貴的人力資源成本，GSM 無(wú)線網(wǎng)短信服務(wù)收費(fèi)低廉，控制中心只要操縱幾下鼠標(biāo)就完成電表數(shù)據(jù)的采集，速度快，效率高。

6 結(jié)論

本文從數(shù)據(jù)采集和傳輸兩方面介紹遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。將工頻通信技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)低壓電網(wǎng)的抄表系統(tǒng)，從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，成功的克服了以往PLCC 抄表系統(tǒng)中存在的成本高、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，為低壓電力線通信提供了可靠的數(shù)據(jù)通道，也為配電網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)施提供了基礎(chǔ)。系統(tǒng)除了自動(dòng)抄表功能外，還增加了遠(yuǎn)程投、切電的功能，使低壓用電的管理更加完善和便捷。在電力系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化及實(shí)時(shí)性要求日益提高的今天，將有很廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

［1］戴慶輝，王治超.一種新型低壓載波抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（12）：83-84.

［2］吳軍基，王文斌，張鵬.基于GSM 短消息遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，26（4）：53-55.