摘 要: 采用過零調制技術,利用數字差分、匹配濾波、糾錯編碼方法處理接收數據。系統具有較強的抗干擾能力,可實現跨配電變壓器臺區的遠距離抄表,適合中國電網特點。
關鍵詞: 自動抄表 跨臺區 過零調制
電力系統自動抄表是電能營運部門用電管理自動化的重要手段。電力線網絡是一個廣泛存在的網絡,利用它作為介質傳輸配用電數據是非常方便的。跨變壓器臺區電力遠程抄表" title="遠程抄表">遠程抄表系統采用工頻過零調制、匹配濾波、糾錯編碼技術,利用現有10kV/220V配電網實現無中繼、無橋接設備、跨變壓器臺區、在不同電壓等級之間的遠程自動抄表。這種抄表系統是一種不同于傳統電力線載波抄表的新型技術,它不存在配電網載波抄表中的多徑干擾與通信盲點問題,調制信號的頻率僅為幾百赫茲,可以隨電網遠距離跨變壓器臺區傳輸。
目前,電力系統自動抄表主要方式有:485總線、無線、紅外、普通電力載波、擴頻電力載波、零相超窄帶(TURTLE)、超窄帶極低頻(UNB)及工頻過零調制(PFC)跨變壓器臺區方式等。其中,工頻過零調制遠程抄表以其獨特的信號傳輸原理,可以完成以配電網絡為信號傳輸媒介,跨變壓器臺區遠程自動抄表。這種抄表系統的最大特點是:系統實施簡單,信號抗干擾能力強,可實現跨配電變壓器的遠距離數據傳輸[1]。
1 系統組成
圖1所示為跨變壓器臺區遠程自動抄表系統方框圖。該自動抄表系統由系統主站與采集模塊兩部分組成。系統主站位于二次變電所,完成遠方采集模塊的電能表數據抄收,并能上傳數據至用電管理部門。采集模塊位于用戶電能表,負責電能表脈沖數的累計,能按主站命令通過電力線網絡上傳數據。這種抄表系統以配電網10kV及220V電力線路為通信介質,在用戶變壓器附近不需要增加任何附加設備,對配電網絡沒有特殊的要求,既適合架空電纜,也可用于地下線路。
跨變壓器臺區自動抄表系統以半雙工方式工作,信號分為下行信號與上行信號兩部分。下行信號為電壓調制方式,以電壓過零點附件電壓微弱畸變來表示信息,傳輸方向從系統主站到遠端采集模塊,代表系統主站的抄表命令;上行信號為電流調制方式,以電壓過零點附件電流脈沖來表示信息,傳輸方向從采集模塊到系統主站,代表電表數據。
系統遠程抄表過程如下:在變電所主站中央處理系統的指令下,通過系統主站下行信號調制系統觸發主站調制變壓器,將主站命令以電壓信號的形式耦合到10kV母線,下行電壓調制信號隨母線電壓經10kV/400V用戶配電變壓器傳輸至千家萬戶,主站命令的發送為廣播方式,所有在220V同相電壓的采集模塊都可收到信號。采集模塊收到信號后,進行地址匹配,符合地址要求的模塊返回上行信號。在采集模塊觸發系統的作用下,以瞬間電流脈沖變化實現上行信號的發送。上行電流信號最終必然會在10kV母線電流互感器上有所體現。主站信號采集處理系統從變電所10kV電流互感器上完成上行信號的檢測,以上是完成一次電表數據抄收的全過程。
2 信號調制原理
跨變壓器臺區自動抄表系統信號耦合采用基波工頻過零調制方式,以過零點附近電網波形的微弱畸變來表示信息[2]。圖2(a)所示為下行電壓調制信號示意圖。通過主站調制變壓器的作用,在二次變電所母線電壓過零點附近產生瞬間脈沖電流ic,由于主變的等效漏感對該脈沖電流的阻礙,形成了下行電壓調制信號emod,emod與ic有90°的相位差。圖2(b)中emod與母線電壓的疊加使其在過零點前30°附近產生幅值畸變,反映在時間軸上,表現為Δt1和Δt2。理想的工頻通信電壓調制信號是一個周期的正弦波形emod,持續時間2～3ms,但由于主變等效參數中阻性成分的作用,再加上調制信號在系統中的響應,實際的調制信號為衰減的振蕩信號,持續時間不會超過一個電壓周期,這樣,可以用連續的兩個電壓周期定義一位下行信號。若調制信號疊加在第1個周期電壓過零點附近,表示下行信號的bit“0”,那么調制信號疊加在第2個周期就表示下行電壓信號的bit“1″。過零調制信號的半功率點頻率范圍為200～600Hz。配電網的重要功能是輸送50Hz電力信號,電網的各次諧波也很容易沿配電網跨變壓器傳輸,這里剛好有效地應用了電網的諧波頻段。現場測試證明:過零調制信號跨變壓器傳輸可達40km以上。
3 信號檢測原理
跨變壓器臺區電力通信中信號的檢測是一種大背景下小信號的檢測。以主站上行電流信號的檢測為例,若采集模塊在電壓過零附近調制一個50A的峰值電流信號脈沖(對應電壓過零點瞬間功率很小),該電流折算到10kV母線上是50×220/10000=1.10A。而作為一個中型變電所其母線(10kV傳輸母線)上的電流大概是1000A左右,背景信號與上行電流信號的比值接近1000:1。顯然要準確地檢測出有用信號是有相當難度的,這里完全沒有考慮信號的衰減情況。下行電壓信號過零點附近電壓畸變率不到0.5%。檢測過程中的一項重要任務是背景信號的去除。這里需要判別調制信號的有無,對調制信號本身的大小和形狀并無過多要求。為了檢測跨臺區抄表系統中的調制信號,需對所采數據預處理。預處理采用數字差分技術(Digital difference technique)。
3.1 數字差分
數字差分是用前一次的采樣值與當前的采樣值進行差運算。如圖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是電力信號周期,當無調制信號時,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,其差分結果恒等于零。這種方法,很容易實現下行信號的背景消除。同時可以減弱電網中整數次諧波信號的影響。
圖3對應下行信號的bit“0”,調制信號emod疊加在第一周期的電壓過零點,使其電壓微弱形變,顯然差分的結果d(t1)=emod。但由于各種家用電器的影響及電力負載開關的切換,再加上電網中的各種非整次諧波的干擾,數字差分所得emod往往淹沒在噪聲中,影響一次抄表成功率。
跨變壓器臺區自動抄表系統中調制信號的波形特征已知,抄表過程中僅僅需要判別在電壓過零點附近有無信號,這是一種基于先驗知識的信號檢測,可以采用匹配濾波技術。
3.2 匹配濾波
對于單頻率的周期信號,窄帶濾波器可以使輸出濾波器的信噪比大大提高。但對于非周期信號,窄帶濾波器不一定是最佳的。對于確定的輸入信號s(t),可以設計一種匹配于待測信號的濾波器,這就是匹配濾波器。理論證明,當讓加性白噪聲與信號通過匹配濾波器時,濾波器輸出信噪比達到最大。匹配濾波器脈沖響應函數與待測信號s(t)成徑向對稱,即h(t)=ks(t-t0)。這里,h(t)是濾波器系統函數,k為系統增益,t0是待測信號持續時間。
白噪聲
那么由匹配濾波原理可推出:輸出
可見,增加跨臺區自動抄表系統中調制信號的持續時間以提高發送信號的功率有利于接收端信號的檢測。匹配濾波器在時域上等同于互相關,實現起來更容易,而且互相關運算與卷積運算只有符號的差異,可以采用FFT快速算法實時處理數據[3,4]。
采集模塊與主站分別采用不同的方法得到互相關數據。對于采集模塊而言,可以在用戶端采樣,多周期同步累加去除干擾測得主站調制的下行信號數據,該數據存儲于采集模塊存儲器中用于匹配濾波;對于主站而言,因為不同的采集模塊有很大的分散性(元器件、安裝位置),不能采用同一濾波常數。采集模塊所發送上行信號前面有前導位,用于主站確定采集信號的窗口位置,同時自適應地調整匹配濾波器的參數。
3.3 差錯控制編碼技術
配電網的主要功能是傳輸電能,并不是為電力通信設計,信號傳輸過程中會遇到各種干擾。其中,影響最大的是電網中的脈沖噪聲。脈沖噪聲具有瞬間、高能量、覆蓋頻率范圍廣的特點。當抄表系統被脈沖噪聲干擾時,前面幾種信號處理辦法均無能為力,需借助糾錯編碼技術。所謂糾錯編碼,也叫差錯控制編碼。其基本實現方法是在發送端將被傳輸的信息碼元附上一些監督碼元,這些多余的碼元與信息碼位之間有某種確定的約束規則(由生成多項式確定)。接收端按照既定的規則校驗信息碼元與監督碼元之間的關系,一旦傳輸發生差錯,則信息碼元與監督碼元的關系就受到破壞,從而接收端可以發現錯誤乃至糾正錯誤[6]。漢明碼是常見的差錯控制編碼之一。本通信系統采用內嵌校驗和的(63,51)BCH碼。該碼具有較強的抗干擾能力,可以糾正數據傳輸過程中的1位及2位錯誤,對于3位及3位以上的錯誤能夠給出錯誤標志。抄表系統可根據標志位重發抄表命令。
跨變壓器臺區遠程自動抄表系統,采用獨特的信號調制及信號檢測方法,是一種適合中國城鄉配電網的自動抄表系統。目前,該系統已由哈爾濱工業大學與黑龍江電力公司合作研究成功,并進入實用階段,于2001年10月通過電力科學院檢測中心型式試驗,檢測號:(配用電)檢字2001第077號。
參考文獻
1 吳 斌.基于配電網的自動抄表[J].電測與儀表. 2001;(4)
2 Sioe T. Mak, Don L. Reed. TWACS, A New Viable Two-Way Automatic Communication System for Distribution Networks, Part I: Outbound Communication. IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems.[J].1982;101(8):2941～2949
3 趙學增,吳斌,張紹卿.基于匹配濾波器的跨變壓器臺區工頻電力通信[J].電力系統自動化.2002;(4)
4 張賢達. 現代信號處理[M].北京:清華大學出版社, 1998
5 王新梅,肖國鎮.糾錯碼-原理與方法.西安:西安電子科技大學出版社,1991