基于PFC和GPRS的遠程自動抄表系統設計

陳曉娟 李松寒 隋吉生

(東北電力大學信息工程學院1，吉林 吉林 132012;吉林省電力有限公司2，吉林 長春 130021)

0 引言

為了提升電力營銷市場的快速響應水平、提高客戶服務的質量，應逐步建立適應市場變化、快速反映客戶需求的電力營銷體系。全面構建低壓電力用戶集中抄表系統，實現電力用戶用電信息自動采集，也是智能電網建設的重要組成部分。

本文在充分研究現有國內外自動抄表方案的基礎上[2－3]，結合我國電網的實際情況，設計了一種基于工頻通信[4](power frequency communication，PFC)技術和GPRS技術的遠程自動抄表系統。此外，為了提高通信的可靠性，將小波消噪與聯合近似對角化(jointly approximate diagonalization of Eigen-matrices，JADE) 相結合的算法應用到信號檢測過程中，并通過仿真分析驗證了算法的可行性。

1 系統構成及工作原理

1.1 系統構成

抄表系統采用分布式體系結構。分布式體系結構分為上下2層。上層(管理中心與GPRS集中器之間)采用GPRS無線網絡和Internet采集數據。GPRS是目前較好的無線傳輸方式，它在現有GSM網絡的基礎上加入分組交換功能，支持TCP/IP協議，可以與分組數據網(Internet等)直接互通，大大提高了數據傳輸速率和傳輸量。下層(GPRS集中器與采集器之間)采用工頻通信PFC采集數據。PFC采用過零調制方式，具有無泄漏旁路、衰減小、無需增加中繼環節、可直接跨臺區進行通信、成本低、通信可靠等特點。

系統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 系統結構圖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，主要由集中器與GPRS無線傳輸模塊組成。集中器負責同一臺變壓器下所有數據的采集、處理和上傳，并可以按供電局數據采集服務器的命令執行數據抄收功能。此外，集中器還可以采集變壓器的實時信息，并通過與采集終端通信以獲取用戶電量信息。

②采集器

貧困地區基層組織弱化，部分地方執行人員由于自身素質不高，以一副領導視察的態勢對待扶貧指導工作，執行力不夠。部分審查與管理專項扶貧資金部門存在管理不嚴，自身內部督管不力，制度不健全的不良行政現象。在利益、權勢驅動下少數地區政府為了追求短期政績，不惜大量浪費和透支扶貧資源，有的還攤指標、造數字，使得扶貧開發的收效甚微。

采集器位于配電變壓器的低壓側，命令的接收和信息的發送都是在配電變壓器低壓回路上實現的，無需任何載波系統的耦合、轉接或中繼等設備。將電表脈沖的輸出端接入采集器，通過記錄脈沖個數來實現電量的采集。

1.2 工作原理

自動抄表系統的原理與載波抄表系統的原理相似。兩者的不同之處在于，本抄表系統采用PFC將采集到的數據傳送到配電變電所內的GPRS集中器，然后通過GPRS無線網絡接入到Internet。該數據通過供電局的對外寬帶網絡進入GPRS通信服務器、數據服務器(與營銷系統接口)，用戶通過各供電分局的客戶端可以訪問數據采集數據[5]。

2 硬件設計

2.1 采集器的硬件設計

本抄表系統的采集器基于與51單片機指令兼容、運行速度快并且數據處理能力強的高速微處理器PL3105設計。PL3105是專為面向未來的開放式自動抄表、智能家電以及遠程監控系統而設計的單芯片處理器。該采集器的硬件結構如圖2所示。

圖2 采集器硬件結構框圖Fig.2 Hardware structure of the collector

通過RS-485串行通信口，可利用外設對系統進行初始化設置和數據抄錄。同時，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系中斷時，采用半自動的方式進行抄表。

2.2 集中器的硬件設計

在整個系統中，集中器處于信息傳遞通路的中間位置，它通過上行信道與相關的管理中心通信，接收相關發送指令，并向管理中心傳送相關數據。同時，集中器又通過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負責雙向工頻通信協議與GPRS通信協議之間的轉換;

②負責數據的存儲、轉發;

③對用戶提供透明連接;

④通信過程使用密匙校驗。

鑒于以上所要實現的功能，本文所設計的集中器采用16/32位RISC的S3C2440作為微處理器。該微處理器的內核采用ARM920T。其低功耗、全靜態的設計特別適合于對成本和功率敏感的抄表系統。

集中器硬件框圖如圖3所示。

圖3 集中器硬件結構框圖Fig.3 Hardware structure of the concentrator

3 信號檢測

信號檢測的實質就是檢測信號的有無，而對調制信號本身的大小和形狀并無過多要求。傳統檢測方法多利用數字差分技術來識別信號。該方法不能保證前后2個周期對應采樣點的角度完全一致，準確性差。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敏感度高，使得濾波效果不理想，且會對有用信號成分造成一定的破壞。為了提高遠程抄表系統的通信可靠性，必須提出一種新的信號檢測方法[6－7]。

本文以上行通信信號(采集器到集中器之間的通信信號)的檢測為例，采用小波與JADE相結合的算法來實現信號的檢測。

3.1 小波與JADE相結合的檢測算法

本算法先用小波對待處理的信號進行去噪處理，再運用JADE算法實現對工頻通信信號的檢測[8－9]。其具體實現步驟如下。

①對待處理的信號進行小波去噪預處理;

②對預處理過后的信號進行白化處理，求得白化矩陣;

③計算球化矩陣W的四階累積量。

④通過優化，聯合對角化球化矩陣W的4階累積量，得到矩陣U。

3.2 仿真及結果分析

本文在上行工頻通信信號數據處理前，先利用參考文獻[10]介紹的三相背景電流抵消方法，即采用加權求和法，可消除絕大部分基波電流影響，同時使信號強度增加。背景電流抵消結果如圖4所示。

圖4 背景電流抵消結果Fig.4 The offset result for background current

含有噪聲的觀測信號如圖5所示。

圖5 含有噪聲的觀測信號Fig.5 The observation signals with noise

經過三相電流加權求和之后的信號，與上行調制電流信號形狀相同但幅度稍有不同。因此，將此兩路信號作為待觀測的信號。為了更好地模擬實際電網的噪聲情況，在上述兩路信號中加入隨機白噪聲和奇次諧波。疊加后的信號頻譜如圖6所示

圖6 含有噪聲觀測信號的頻譜Fig.6 The frequency spectrums of observation signals with noise

小波消噪預處理采用db3小波對含噪信號進行4層分解。首先采用軟閾值的方法對相應的小波分解系數進行處理;再對閾值處理后的小波系數進行重構，得到恢復原始信號的估計;然后運用JADE算法對估計值進行分離，其結果如圖7所示。

圖7 JADE處理結果Fig.7 Results by using JADE method

由圖7可以看出，基于小波與JADE相結合的檢測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中提取上行信號的特征，便于信號的識別。

4 結束語

在總結現有抄表技術的基礎上，結合我國的電網實際運行情況，提出一種基于PFC和GPRS技術的遠程自動抄表系統。該抄表系統所采用的PFC技術保證了數據在電力線上穩定、可靠地傳輸，不存在電力線載波數據傳輸技術的信號阻塞及數據采集盲區;GPRS利用無線公網，便可實現對用電裝置的實時跟蹤監測，且運行成本低廉，能夠實現自動切換。這種抄表系統構建簡單，不受地理位置的限制，適用于用戶多、位置分布散、不定期和長時間的數據采集環境，是一種經濟實用的自動抄表系統。

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