基于工頻通信、GSM 無線網的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

曾水根 曾小龍 陳海燕

(1.國電 南京自動化股份有限公司，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，且網線易受人為破壞，線路損壞后，故障點不易查找，而且易受雷擊和過電壓的影響；大家公認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 無線網，控制中心可以是GSM 網絡可及的任何一個地方，多元的距離都不會增加成本。

1 系統(tǒng)網絡拓撲圖

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)構成，兩者之間通過GSM 無線網進行通信。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。終端負責實時采集其所管轄的各類計量表的數(shù)值，并進行數(shù)據(jù)處理和存儲，以及當接收到集中器發(fā)來的投、切電指令時對指定電能表進行投、切電操作；集中器通過低壓電力線與每個終端進行通信，收集臺變下所有電表數(shù)據(jù)，并通過GSM無線網傳輸?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 信號的自身缺點和低壓線路的惡劣情況，至今沒有取得理想的通訊效果。影響PLCC信號傳輸?shù)闹饕嬖谝韵聨讉€因素：

1）高噪聲；2）隨機性和時變性；3）信號衰減大。

前兩個因素制約PLCC 信號的傳輸距離，后一個因素決定PLCC信號的傳輸質量。由于低壓電力線上存在諸多使PLCC 信號信噪比急劇下降的因素，使得PLCC 無法取得理想的效果[1]。

低壓電力線工頻通信技術(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，該技術采用了獨特的信號調制機理，實現(xiàn)通信的信號頻率在200-600Hz 之間，該頻率接近于工頻，因此通信信號在傳輸過程中，將不會因線路阻抗的影響而產生衰減，即不受上面三個制約PLCC 因素的影響具有極高的通信可靠性和實抄率，系統(tǒng)的通信不會受線路負荷、狀況或結構變化的影響，可實現(xiàn)任意時間段內的可靠通信，且信號傳輸距離遠，在可獲得的現(xiàn)場距離1.5 公里信號幾乎沒有衰減，模擬線路達10 公里時也幾乎沒有衰減，因此線路上不需要安裝任何中繼設備，同時無需任何通信調試，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 集中器信號發(fā)送與接收

集中器信號的發(fā)送與接收包括對終端的信號發(fā)送與接收和對PC機的信號發(fā)送與接收，這里討論的是對終端的信號發(fā)送與接收。

（1）集中器信號發(fā)送

在電網電壓接近負過零點時，由集中器的單向可控硅調制出一個瞬時相電流脈沖ic（大小可控可調），該電流脈沖耦合到二次變壓器低壓側（220V）的漏感上，并產生一個畸變電壓降emod，從而使電壓波形在負過零區(qū)域產生波形畸變，該畸變在時間軸表現(xiàn)為Δt1和Δt2，如圖2(a)所示，圖中Ψ 為調制相角。

通過相對基準點不同位置調制信號，來表示要傳輸?shù)男畔ⅰＳ脙蓚€連續(xù)工頻電壓周期中的一個調制信號來表示一位出站信息。如圖2(b)所示，調制信號在基準位置開始的電壓波形第一個負過零點處則表示信息位1，在第二個負過零點處則表示信息位0。

（2）集中器信號接收

終端將以基準點開始的兩個電壓波形進行全波整流后，設置三個比較電平如圖3 所示。

負過零點處附近的電壓波形在經過不同電平比較后，可得到t1∧t6的6 個時間信息和負過零時間信息t0，令

2.2.2 終端信號發(fā)送與接收

（1）終端信號發(fā)送

在電壓接近過零點時，終端的可控硅導通，產生瞬間相電流ic，ic過零時可控硅自動斷開，調制電流ic疊加在電壓過零區(qū)域對應的電流波形上，可在集中器處安裝的電流互感器中檢測出來。

用四個連續(xù)工頻電流周期中的四個調制信號共同來表示一位信息，如圖4(b)所示，4 個相鄰周期共有八個電壓過零點，規(guī)定在第1、3、6、8 個過零點處調制的四個電流脈沖信號表示信息位1，在第2、4、5、7 處調制的四個電流脈沖信號則表示信息位0。

（2）終端信號接收

集中器從基準點開始，在電壓波形過零區(qū)域設置8 個檢測窗口，在每個窗口對應的電流區(qū)域采樣K 個點，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現(xiàn)

3.1 集中器功能模塊的硬件及軟件結構

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），其利用調制的電壓波形攜帶信息，調制信號稱為出站信號（Outbound Signal）。這部分的主要工作是在充分分析出站信號調制原理的基礎上，將需要發(fā)送的二進制信息進行信源編碼之后，調制到電網電壓的波形上。由于電網電壓相當于比較理想的恒壓源，將信號調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），通過電流波形的變化傳輸信息，調制信號稱為入站信號（Inbound Signal）。這部分的主要工作是將入站信號準確地檢測出來，其結果送往中央控制計算機，并時刻準備接收來自中央控制計算機的命令信息和給中央控制計算機提供電網的一些情況。所以，集中器功能模塊硬件結構從大體上可以分為兩大部分：出站信號調制單元、入站信號檢測單元。整個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成如圖6 所示：

集中器功能模塊的總體軟件設計采用模塊化編程的思想，并以單片機C51 語言和匯編語言混合編程的方式完成整個軟件設計。在通信時間內，集中器功能模塊的整個程序要完成三個方面的工作：與中央控制計算機進行數(shù)據(jù)交換、調制出站信號、檢測并糾錯入站信號；在非通信時間段內（空閑時間段），集中器控制模塊的軟件主要完成兩個方面的工作：搜集并判斷當前時間段內電網負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的有用信息，其次是時刻保持與中央控制計算機的聯(lián)系，以便及時響應來自中央控制單元的命令。軟件的整體流程圖如圖7 所示：

一個入站信息包長度為64 個比特，根據(jù)入站信號的表示方法，四個周期攜帶一個比特，在一個過零點處我們設定32 個采樣點（采樣頻率定為5kHz）很容易算出一個比特的數(shù)據(jù)量和一個信息包的數(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，因為對于微處理芯片而言，這樣的數(shù)據(jù)量已經不小了。所以為了盡量節(jié)省運算時間，提高整個系統(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部分的軟件流程圖。

3.2 終端功能模塊的硬件及軟件結構

終端硬件電路主要分下行電壓信號接收,上行電流信號發(fā)送及終端數(shù)據(jù)轉換三個部分，如圖9 所示。由圖可以看出，單片機是整個系統(tǒng)的中心，電源電路不僅給各部分供電，而且基波過零調制電力通訊的來自集中器的下行電壓信號也取自電源，同樣由用戶終端發(fā)給集中器的上行電流信號同樣也通過電源初級繞組最后上配電網返回集中器。所以說，不需在配電網上加其它任何中間設備，僅需提供220V 市電即可同與集中器進行通信。

終端裝置的軟件主要是配合硬件完成下行電壓信號的檢測、上行電流信號的發(fā)送、數(shù)據(jù)的顯示、串行EEPROM 的讀寫時序的模擬及電表電能數(shù)的脈沖轉換，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GSM 無線網進行通訊，GSM“即買即通”、通信可靠、費用低廉的GSM 無線通信網絡[2]。

4.1 指令傳送

控制中心可隨時向需要抄表的采集中心發(fā)送抄表指令進行抄表操作，采集中心收到抄表指令后進行抄表操作，將數(shù)據(jù)通過GSM 無線網發(fā)回控制中心。

各采集中心也可定時將數(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，對指定的表進行對應操作。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

采集系統(tǒng)通過GSM 無線網將采集到的數(shù)據(jù)及時傳送到控制中心。

5 系統(tǒng)特點

（1）采集系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高，通信效率高，且安裝成本低。PLPFC 技術抗干擾能力強、通信可靠，可由集中器發(fā)布凍結命令，由終端記錄下不同時刻的用戶用電量進行滯后傳輸，可完成任何時段的電量計量，不僅為電力部門準確計算線損和估計負荷提供可靠依據(jù)，也使采用老式電表進行復費率計價成為可能。PLPFC 技術不受線路負荷、結構制約的特點，安裝時直接將終端投入線路，無需對原線路做任何改造，無需任何調試，便可進行正常通信。

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

6 結論

本文從數(shù)據(jù)采集和傳輸兩方面介紹遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)。將工頻通信技術應用于我國低壓電網的抄表系統(tǒng)，從實際應用情況來看，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，為低壓電力線通信提供了可靠的數(shù)據(jù)通道，也為配電網自動化的實施提供了基礎。系統(tǒng)除了自動抄表功能外，還增加了遠程投、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)對自動化及實時性要求日益提高的今天，將有很廣闊的應用發(fā)展前景。

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

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