基于TWACS技術(shù)的農(nóng)網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)研究

馮維元,張茜,朱潤生,王巖,宋華龍

摘 ?要： 農(nóng)網(wǎng)電能信息的與遠(yuǎn)程采集是配電網(wǎng)改造的重要環(huán)節(jié)，針對農(nóng)村配電網(wǎng)供電半徑大、用戶少、且分散的特點，研究設(shè)計了一種基于TWACS（電力線工頻通信）技術(shù)的自動抄表系統(tǒng)，能夠跨越配電變壓器遠(yuǎn)程傳輸電能數(shù)據(jù)，無需在10 kV線路安裝耦合設(shè)備，具有成本低、運行維護方便的特點。

關(guān)鍵詞： 工頻通信； 自動抄表系統(tǒng)； 主站系統(tǒng)； 抄表終端

中圖分類號： TN911?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）23?0115?03

Study on TWACS?based automatic meter reading system for rural power grid

FENG Wei?yuan， ZHANG Qian， ZHU Run?sheng， WANG Yan， SONG Hua?long

（Luoyang power supply company of National Grid， Luoyang 471000， China）

Abstract： Remote information acquisition of rural power grid is an important part of the distribution network transformation. In view of the characteristics of big power supply radius， less and scattered users of the rural power distribution network， an automatic meter reading system based on TWACS （two way automatic communication system） is designed in this paper， which can transmit data remotely crossing the power distribution network transformer without installation of any coupling equipment in 10 kV line. This system has the characteristics of low cost and convenient operation maintenance.

Keywords： TWACS； automatic meter reading system； main station system； meter reading terminal

0 ?引 ?言

我國農(nóng)村居民的電量消費情況，目前主要依靠人工抄表，交通成本高、耗時、容易誤抄產(chǎn)生糾紛，這些弊端日益顯露。隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)的改造，一戶一表政策的推廣[1?3]，農(nóng)網(wǎng)的自動抄表也進入了議事日程；由于農(nóng)村住戶相對分散，住宅建設(shè)沒有統(tǒng)一規(guī)劃，地形相對復(fù)雜等，城鎮(zhèn)自動抄表系統(tǒng)的經(jīng)驗可以借鑒但不能直接照搬。

在遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)中，關(guān)鍵是低成本、高可靠性的信息傳輸方式，基于此，本文研究設(shè)計了基于電力線工頻通信技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，能夠適應(yīng)農(nóng)網(wǎng)的地域條件和信道環(huán)境，為農(nóng)網(wǎng)改造創(chuàng)造有利條件。

1 ?農(nóng)網(wǎng)抄表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

1.1 ?抄表信息傳輸通道的選擇

針對農(nóng)網(wǎng)供電半徑大，自動抄表信息量不大，但地域分散等特點，與RS 485，ZigBee，中壓電力線載波等通信方式比較，采用電力線工頻通信（TWACS）作為抄表信道較為合適。

TWACS利用電網(wǎng)電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息從而實現(xiàn)通信[4]，由于畸變信號可穿越變壓器，工頻通信技術(shù)具有能夠跨越10 kV和380 V線路遠(yuǎn)距離通信的優(yōu)勢，非常適合農(nóng)村配網(wǎng)用電信息采集項目的實施。

1.2 ?系統(tǒng)基本組成

基于TWACS技術(shù)的農(nóng)網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由位于變電所的集中器和位于配電變壓器低壓側(cè)的抄表終端組成。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t1.tif>；

圖1 農(nóng)網(wǎng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

TWACS技術(shù)傳輸距離長，且可跨越變壓器進行傳輸，農(nóng)網(wǎng)中配電變壓器多，如果應(yīng)用TWACS技術(shù)作為配網(wǎng)中進行通信的通信方式，則只需在變電站處安裝主站設(shè)備（集中器）、終端設(shè)備即可進行數(shù)據(jù)通信。

農(nóng)村電網(wǎng)分布廣泛，配電變壓器多，如果應(yīng)用TWACS做長距離的數(shù)據(jù)通信，不僅可以節(jié)省通信線路的花費，而且可靠性高，成本低，可穿越變壓器進行通信。主站設(shè)備有集中器，集中器中有工頻通信上行解調(diào)單元、下行調(diào)制單元和工控機。終端設(shè)備與電表相連用RS 485接口進行通信，電表自帶RS 485接口，終端設(shè)備可以直接從電表中讀取數(shù)據(jù)。

上、下行工頻通信信號都在電壓過零時刻進行調(diào)制，這樣使得信號調(diào)制所需功率最低[5]；由于電網(wǎng)噪聲嚴(yán)重，為了使信號檢測時能夠通過時域差分去除背景干擾，每位上、下行數(shù)據(jù)都通過多個工頻周期內(nèi)調(diào)制信號的位置來表示。

下行數(shù)據(jù)的調(diào)制采用曼徹斯特編碼，通過2個工頻周期內(nèi)電壓調(diào)制信號的位置來表示，這樣在解調(diào)時，通過前后2個周期電壓采樣信號的時域減差運算能夠抑制大部分背景干擾[6]。

上行信號采用畸變電流代表，其畸變信號在電壓過零時刻附近，由于電流諧波較豐富，每位上行數(shù)據(jù)信息通過連續(xù)4個周期電流波形表示[7]。

2 ?抄表終端的設(shè)計

2.1 ?抄表終端結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)測終端由工頻通信模塊和綜合管理模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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圖2 抄表終端模塊結(jié)構(gòu)框圖

工頻通信模塊接收來自集中器的下行工頻信號，即管理軟件的控制命令，經(jīng)過判斷后，如果是呼叫該線路上電表的電氣參數(shù)，則繼續(xù)將控制命令經(jīng)RS 232傳送到綜合管理模塊，控制命令經(jīng)過綜合管理模塊的處理，經(jīng)RS 485到達(dá)待監(jiān)測的電表。當(dāng)通過上行工頻通信的方式向變電站端集中器發(fā)送電表監(jiān)測終端的參數(shù)時，則過程與上面相反。

工頻通信模塊主要由工頻通信調(diào)制模塊、工頻通信解調(diào)模塊、傳感器模塊（PT，CT）、信號調(diào)理電路和A/D等部分組成。

工頻通信調(diào)制模塊能夠直接在220 V上發(fā)送信號，通過在電壓過零點觸發(fā)可控硅，可控硅導(dǎo)通使電壓過零點附近產(chǎn)生微小電流畸變信號。

DSP通過采集并分析來自電表的電量信息，對用戶的用電情況進行判斷，接收來自集中器的下行工頻信號，同時通過上行工頻通信的方式向變電站端集中器發(fā)送電表的參數(shù)。

2.2 ?下行工頻信號的檢測

設(shè)[f（t）]為下行數(shù)據(jù)信息，[n（t）]為差分后的電網(wǎng)噪聲，[ρ]為畸變信號的幅度衰減系數(shù)，前后周期電壓檢差信號可表示為：

[y（t）=f（t）*ρ*v（t）+n（t）] （1）

由于電壓畸變信號的大致波形事先能夠確定，本文采用互相關(guān)技術(shù)進行信號檢測，根據(jù)畸變信號的大致波形，設(shè)置參考信號[g（t），]當(dāng)信號調(diào)制時域確定的前提下，通過互相關(guān)運算的輸出為：

[R=03 msy（t）Kg（t）dt=f（t）K03 msv（t）*v（t）dt+K03 msn（t）*v（t）dt] （2）

在[y（t）]中，畸變信號的方向取決于數(shù)據(jù)信息，互相關(guān)運算結(jié)果的正負(fù)就反映了數(shù)據(jù)信息的“0”或“1”， 這樣就實現(xiàn)了下行工頻通信的解調(diào)功能。

2.3 ?上行工頻通信信號的調(diào)制

上行信號調(diào)制電路和波形如圖3所示，電壓過零點附近，可控硅S閉合[ΔT]時間，這樣在調(diào)制支路[L]上便產(chǎn)生瞬時電流[Ip，]當(dāng)畸變電流為負(fù)時，可控硅自動斷開，然后畸變電流疊加到某相電流上，完成上行工頻通信的一次調(diào)制過程。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t3.tif>；

圖3 上行調(diào)制原理圖

設(shè)電壓為：

[e=Usin（ωt+θ1）] （3）

可控硅[S]閉合的時候，畸變電流為零，參考經(jīng)典計算的結(jié)論，可得到：

[Ip=Ucos（ωt+θ1）ωL+Ucos（θ1）ωL] ?（4）

該信號疊加到線路上，被位于變電所的集中器通過CT采集電流信號，從而實現(xiàn)通信。

2.4 ?電表信息的匯集

該監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象是電表，用戶電表監(jiān)測數(shù)據(jù)量很大，需要增加綜合管理模塊對數(shù)據(jù)進行管理監(jiān)測。工頻通信模塊中的傳感器模塊即電壓與電流互感器將信號傳給數(shù)據(jù)采集存儲電路，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后由DSP處理后解調(diào)出出站命令，根據(jù)該命令對集中器需要的數(shù)據(jù)運算，然后轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)，編碼后與工頻通信模塊通過RS 232的通信方式使DSP引腳觸發(fā)可控硅驅(qū)動電路，在電壓過零點30°前調(diào)制上行信號并發(fā)送。兩部分協(xié)同工作能夠完成監(jiān)測用戶電表電量的使用情況。

3 ?變電所集中器的設(shè)計

3.1 ?集中器的整體結(jié)構(gòu)

集中器是監(jiān)測系統(tǒng)中一個重要組成部分，安裝在農(nóng)網(wǎng)變電所內(nèi)，其安裝位置如圖4所示，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理工作。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t4.tif>；

圖4 集中器的整體結(jié)構(gòu)示意圖

集中器通過TWACS下行信號調(diào)制單元向電表監(jiān)測終端發(fā)送下行信號來獲取終端的各種電量、電壓，同時，通過CT，PT采集電流、電壓信號通過工頻通信上行解調(diào)單元可以接收、解調(diào)來自終端電表的上行信號。然后將集中器存儲的電能信息通過多路系統(tǒng)內(nèi)部企業(yè)網(wǎng)傳到管理中心。

與抄表終端的工頻通信模塊類似，集中器的工頻通信單元主要是為了實現(xiàn)下行信號的調(diào)制和上行信號的解調(diào)，主要由以下三部分組成：

上行工頻信號解調(diào)模塊。監(jiān)測終端發(fā)送來的上行信號首先經(jīng)過電壓、電流互感器，利用工頻通信跨變壓器臺區(qū)傳輸?shù)奶攸c，互感器安裝在配電變壓器低壓側(cè)即可，但是互感器安裝的相要與上行信號發(fā)送的相對應(yīng)一致。然后經(jīng)過16位A/D芯片通過二次互感器完成對電壓互感器和對應(yīng)線路上電流互感器的電壓電流信號采集傳給DSP進行處理。DSP可以選用MB91F467D，讀取A/D轉(zhuǎn)換過來的電壓、電流采樣數(shù)據(jù)，進行濾波后通過相應(yīng)的上行解調(diào)運算解調(diào)出監(jiān)測終端傳來的上行信號。

下行工頻信號調(diào)制模塊。可控硅驅(qū)動電路是下行調(diào)制模塊的主要組成部分，主要負(fù)責(zé)根據(jù)DSP發(fā)出的命令完成下行電壓畸變信號的調(diào)制，還能起到電路板和調(diào)制站用變二次側(cè)380 V隔離作用。為防止可控硅長時間出現(xiàn)誤觸發(fā)、長時間觸發(fā)等故障情況，設(shè)置觸發(fā)電路作為保護回路，采用三輸入端或者非門芯片保證觸發(fā)安全性與穩(wěn)定性。

中央處理模塊。主要完成以下工作：與各監(jiān)測儀表通信，直接獲取電表的參數(shù)；利用電表的電量參數(shù)對用戶是否應(yīng)該停電進行判斷。

3.2 ?上行工頻通信信號的檢測

在工頻通信上行信號傳輸時，根據(jù)正交編碼調(diào)制方法，每位數(shù)據(jù)信息對應(yīng)4個工頻周期，根據(jù)正交編碼方式可實現(xiàn)6路上行信號的并行傳輸，當(dāng)[M]路上行信號傳輸時（[M]最大為6），4個工頻周期內(nèi)的采樣電流可表示為：

[I（t）=Is（t）+i=07k=0M-1akiIkpt+iT2] ? ?（5）

式中：[Ikp（t）]為第[k]路電流畸變信號，[aki]為該路信號在第[i]個電壓過零點的調(diào)制編碼，由于各路信號的調(diào)制編碼相互正交；[bji]為對[j]路信號在第[i]電壓過零點的檢測向量，調(diào)制編碼與檢測向量之間具有如下關(guān)系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k] ? （6）

這樣，第[j]路檢測輸出的正負(fù)由該路數(shù)據(jù)信息“1”，“0”的調(diào)制編碼決定，而其他路調(diào)制編碼的檢測輸出接近零，這樣，根據(jù)電流信號的采樣值，按照每路上行信號各自的檢測向量就能形成幾乎互不影響的加權(quán)輸出。

3.3 ?下行工頻通信信號的調(diào)制

工頻通信下行通信的調(diào)制原理圖如圖5所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t5.tif>；

圖5 下行調(diào)制原理圖

在圖5中，[iL]為電網(wǎng)電流；[E]為調(diào)制變電所子站變電壓；[L1]為調(diào)制變電所子站用變漏感；[ic]為調(diào)制電流，S為可控硅；[Lc]為調(diào)制電感。當(dāng)電壓波形過零前附近（通常在過零點前30°）閉合可控硅[S，]電路產(chǎn)生的瞬間電流[i′C]在調(diào)制變壓器的原端生成[ic，]同時在變壓器漏感[L1]上產(chǎn)生了一個電壓降。

[ei=-Ri+Liddtic] ?（7）

這樣既可形成電壓波形調(diào)制信號。當(dāng)[i′c]過 0時，S將會反向截止，完成一次電壓波形的調(diào)制。

4 ?結(jié) ?語

本文針對農(nóng)網(wǎng)用戶分散、供電線路長、負(fù)荷相對較輕但地形條件復(fù)雜等情況，在研究城市自動抄表系統(tǒng)常用的幾種通信方式基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了基于電力線工頻通信技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，包括抄表終端和變電站集中器部分，可以對農(nóng)網(wǎng)自動化建設(shè)創(chuàng)造有利條件。

參考文獻

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[7] MAK S T. Application of a differential technique for characterization of waveform distortions [C]// Power Engineering Society Winter Meeting. [S.l.]： Power Engineering Society， 2000： 975?980.

在工頻通信上行信號傳輸時，根據(jù)正交編碼調(diào)制方法，每位數(shù)據(jù)信息對應(yīng)4個工頻周期，根據(jù)正交編碼方式可實現(xiàn)6路上行信號的并行傳輸，當(dāng)[M]路上行信號傳輸時（[M]最大為6），4個工頻周期內(nèi)的采樣電流可表示為：

[I（t）=Is（t）+i=07k=0M-1akiIkpt+iT2] ? ?（5）

式中：[Ikp（t）]為第[k]路電流畸變信號，[aki]為該路信號在第[i]個電壓過零點的調(diào)制編碼，由于各路信號的調(diào)制編碼相互正交；[bji]為對[j]路信號在第[i]電壓過零點的檢測向量，調(diào)制編碼與檢測向量之間具有如下關(guān)系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k] ? （6）

這樣，第[j]路檢測輸出的正負(fù)由該路數(shù)據(jù)信息“1”，“0”的調(diào)制編碼決定，而其他路調(diào)制編碼的檢測輸出接近零，這樣，根據(jù)電流信號的采樣值，按照每路上行信號各自的檢測向量就能形成幾乎互不影響的加權(quán)輸出。

3.3 ?下行工頻通信信號的調(diào)制

工頻通信下行通信的調(diào)制原理圖如圖5所示。

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圖5 下行調(diào)制原理圖

在圖5中，[iL]為電網(wǎng)電流；[E]為調(diào)制變電所子站變電壓；[L1]為調(diào)制變電所子站用變漏感；[ic]為調(diào)制電流，S為可控硅；[Lc]為調(diào)制電感。當(dāng)電壓波形過零前附近（通常在過零點前30°）閉合可控硅[S，]電路產(chǎn)生的瞬間電流[i′C]在調(diào)制變壓器的原端生成[ic，]同時在變壓器漏感[L1]上產(chǎn)生了一個電壓降。

[ei=-Ri+Liddtic] ?（7）

這樣既可形成電壓波形調(diào)制信號。當(dāng)[i′c]過 0時，S將會反向截止，完成一次電壓波形的調(diào)制。

4 ?結(jié) ?語

本文針對農(nóng)網(wǎng)用戶分散、供電線路長、負(fù)荷相對較輕但地形條件復(fù)雜等情況，在研究城市自動抄表系統(tǒng)常用的幾種通信方式基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了基于電力線工頻通信技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，包括抄表終端和變電站集中器部分，可以對農(nóng)網(wǎng)自動化建設(shè)創(chuàng)造有利條件。

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在工頻通信上行信號傳輸時，根據(jù)正交編碼調(diào)制方法，每位數(shù)據(jù)信息對應(yīng)4個工頻周期，根據(jù)正交編碼方式可實現(xiàn)6路上行信號的并行傳輸，當(dāng)[M]路上行信號傳輸時（[M]最大為6），4個工頻周期內(nèi)的采樣電流可表示為：

[I（t）=Is（t）+i=07k=0M-1akiIkpt+iT2] ? ?（5）

式中：[Ikp（t）]為第[k]路電流畸變信號，[aki]為該路信號在第[i]個電壓過零點的調(diào)制編碼，由于各路信號的調(diào)制編碼相互正交；[bji]為對[j]路信號在第[i]電壓過零點的檢測向量，調(diào)制編碼與檢測向量之間具有如下關(guān)系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k] ? （6）

這樣，第[j]路檢測輸出的正負(fù)由該路數(shù)據(jù)信息“1”，“0”的調(diào)制編碼決定，而其他路調(diào)制編碼的檢測輸出接近零，這樣，根據(jù)電流信號的采樣值，按照每路上行信號各自的檢測向量就能形成幾乎互不影響的加權(quán)輸出。

3.3 ?下行工頻通信信號的調(diào)制

工頻通信下行通信的調(diào)制原理圖如圖5所示。

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圖5 下行調(diào)制原理圖

在圖5中，[iL]為電網(wǎng)電流；[E]為調(diào)制變電所子站變電壓；[L1]為調(diào)制變電所子站用變漏感；[ic]為調(diào)制電流，S為可控硅；[Lc]為調(diào)制電感。當(dāng)電壓波形過零前附近（通常在過零點前30°）閉合可控硅[S，]電路產(chǎn)生的瞬間電流[i′C]在調(diào)制變壓器的原端生成[ic，]同時在變壓器漏感[L1]上產(chǎn)生了一個電壓降。

[ei=-Ri+Liddtic] ?（7）

這樣既可形成電壓波形調(diào)制信號。當(dāng)[i′c]過 0時，S將會反向截止，完成一次電壓波形的調(diào)制。

4 ?結(jié) ?語

本文針對農(nóng)網(wǎng)用戶分散、供電線路長、負(fù)荷相對較輕但地形條件復(fù)雜等情況，在研究城市自動抄表系統(tǒng)常用的幾種通信方式基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了基于電力線工頻通信技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，包括抄表終端和變電站集中器部分，可以對農(nóng)網(wǎng)自動化建設(shè)創(chuàng)造有利條件。

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