光電傳感器在電力抄表系統中的控制研究

陶玉春 孟德義 崔麗紅 肖春秋 陶冶

摘 要：目前，在市場化經濟飛速發展的背景下，因為電力抄表系統受到控制結構和信道通信的不良影響，其受控效果不完善，在這個前提下，進行光電傳感器在電力抄表系統中的控制研究。通過分析主流電力抄表系統的原始控制結構，令光電傳感器直接在系統主電路上設控，完善控制結構和數據傳輸過程，符合系統適應性需求。提出適用于電力抄表系統自動控制的光電傳感器設計方法，將采集方位和采集時間嵌入JPEG圖像中，統一接受光電傳感器控制。針對光電傳感器下的控制結構，設計電力抄表系統控制電路，介紹控制電路的抗干擾策略。選用型號為E3JM-DS7的光電傳感器，集成6路驅動電路，完善控制電路功能。實驗結果表明，光電傳感器所提供的控制策略在電力抄表系統中的可控范圍大，控制效果非常好。

關鍵詞：光電傳感器；電力抄表；系統；控制

引言

光電傳感器具有反應速度快、檢測靈敏度及精度較高等優點，廣泛應用于目前不同領域。而由于我國每年的用電負荷都處于急劇增長當中，現在施行的每家每戶都安裝電表舉措，大量增加了抄表人員的工作量，誤抄、漏抄等現象不可避免，電力抄表系統正在逐步開發和完善當中，因此，開發利用新型高效技術進行抄表勢在必行，光電傳感器憑借其自身優點吸引廣大研究學者的關注，且已應用于電力系統中。將光電傳感器應用與高壓斷路器電壽命的監控系統中，利用光電傳感器收集目標電流信號，然后進行加權累計處理，計算高壓斷路器電壽命，實驗證明使用光電傳感器后，有效提高了監測的精確度，保障了其安全性能，具有良好的應用前景。基于光電傳感器設計路燈的自動控制系統，實現利用光電傳感器自動控制路燈，具有良好的自適應性能。光電傳感器的興起提供了一種新型控制策略，一部分開發成果已在電力行業試運行。電力抄表系統的控制電路是其重要結構，光電傳感器在電力抄表系統控制中的研究與應用，將對電力行業產生深遠影響。本文提出基于光電傳感器的電力系統自動抄表控制方法研究，實現較大范圍的自動抄表控制，且具有較高的控制性能。

1光電傳感器對電力抄表系統的影響

數據同控制指令的傳輸途徑叫做信道，有上層和下層之分，上層信道與計算機建立連接，下層信道開展控制電路控制指令向計量電路傳遞等工作。信道通信方式多種多樣，現場總線、GPRS、光纖、無線電、傳感器等都可以作為通信媒介，現場總線頻率控制難度大、無線電穩定性不強、光纖成本過高等問題影響著電力抄表系統的受控效果。對于采用集中控制策略的電力抄表系統來講，主電路在電力控制中心上。對分布式控制來講，主電路貫穿系統總線和電力控制中心，信道長，控制精準。采用分布式控制策略的電力抄表系統為主流應用，其結構用圖1描述，其具有分散采集電力抄表數據的高精度優勢，但設施和電路間缺少協同作業能力，采集到的電力抄表數據與其它電路無法同享，電線布局繁雜，功能擴展能力差。

光電傳感器由激光光源、光學通路以及一些光電元件構成，光電傳感器作用在電力抄表系統的上層信道和下層信道，控制底層數據通信，重點處理計算機與系統結構的數據交換協議，傳輸區間遍布系統主電路。在電力抄表系統的主電路上放置轉速調節器，于轉速調節器一側發射穩定的激光光源，用二極管接入光源能量，用光學通路檢測主電路中的電力抄表數據，當系統信道在數據通信中，光電傳感器就會不停地輸出脈沖。控制脈沖信號就是一個調節主電路轉速的過程，用轉速反向控制電力抄表數據的采集和傳輸，如圖2所描述。

2光電傳感器在電力抄表系統中的控制研究

2.1用于電力抄表系統的光電傳感器設計方法

光電傳感器最初是以JPEG（Joint Photographic Experts Group，聯合圖像專家小組）圖像作為依據。JPEG圖像是國際上第一個通用的圖像壓縮格式，技術水平成熟，解、編碼程序少，壓縮比例高，靜態、動態圖像同樣適用。由于必須區分電力抄表數據屬于哪個用戶電表箱，光電傳感器需要將電力抄表數據的采集方位和采集時間打印到JPEG圖像上，由此提出光電傳感器的設計方法。

JPEG圖像使用按序編碼，編碼流程如圖3所示，其將電力抄表圖像平均切割成行列、數均為8的數據塊，也就是64個數據塊，先進行橫排掃描，再進行豎排掃描，將掃描數據排成一列進行離散余弦變換。變換數據輸入量化設備排列成“之”字形輸出，變換標準參照電力抄表系統的量化控制文件。熵值編輯器采用哈爾曼編碼表將量化設備的輸出改寫成文本壓縮數據。二值化文本壓縮數據，在數據末尾嵌入電力抄表數據的采集方位和采集時間，之后進行解碼，修改JPEG圖像灰度，完成文字嵌入。

從圖3可看出，光電傳感器對電力抄表系統的影響表現在兩個部分。第一部分，光電傳感器直接在系統主電路上設控，延長了總線長度，方便接口使用，通過點對點通信分享電力抄表數據。電力抄表數據采用光電數字信號傳輸，比模擬信號傳輸消耗的電線長度和接口數量少很多，用電保護設施可以相應減少。傳統總線分布方式與通信協議的兼容性不好，而光電傳感器進行了模塊化設計，符合電力抄表系統的適應性需求。

2.2光電傳感器下的系統控制電路設計

光電傳感器下的電力抄表系統控制電路安置在電表箱內，繼電器控制電表箱通電與斷電，供電電源為10V，圖4是控制電路圖，圖4中，繼電器T的額定電壓為10V，最小吸合電壓和釋放電壓分別為6.9V和1.5V，實際運轉功率為150W。數據采集電路要求切斷電表箱電源采集電力抄表數據，緩沖器D通過主電路連接點的通用輸入輸出傳遞出高電平，架空繼電器，實現電表箱斷電；通電時再傳遞出低電平，重置繼電器，繼續控制電表箱通電。電源開關采用220V家庭電源供電，應用了節能技術。

利用E3JM-DS7型號光電傳感器控制電路連接，其具有耐高壓、抗大電流、自動防電磁干擾等優良性能，最大感應距離為5m，可以在粉塵環境下運轉。采用雙列直插式封裝技術，最大管腳數量為100個，雙入線形式。由八個硅膠三極管構成，分別串聯了八個機電電阻，采用標準作業程序，控制指令到達E3JM-DS7光電傳感器并進行下一步傳輸時，可通過緩沖器D優先處理電力抄表數據。集成6路驅動電路，由圖4可看出，電力抄表系統使用了其中3路，驅動繼電器、轉速調節器和數據采集電路，還可以另外加入數顯屏幕、指示器和步進電機，完善電力抄表系統控制電路的個性化功能。

2.3控制電路抗干擾策略

E3JM-DS7光電傳感器設計靈活，可以保護控制電路免受環境干擾，其抗干擾策略主要包括控制單指令冗余、陷阱攔截和循環定時。光電傳感器控制電力抄表系統的計算機CPU調用指令是從指令碼過渡到指令數，當控制電路中出現干擾，控制指令離開既定信道，指令碼與指令數局部分離混合在一起，導致控制失敗。在指令碼與指令數的分離部位嵌入單指令冗余數據，可防止分離部位遮擋重要指令。在信道中布置陷阱，攔截混合指令，可使局部分離數據回歸到原有信道中。1K的信道區間通常布置2個陷阱。當控制指令在控制電路中陷入無限循環，通過循環定時停止控制指令實施。

結語

本文研究光電傳感器在電力抄表系統中的控制應用，提出了用于電力抄表自動控制的光電傳感器設計方法，并設計了系統控制電路以及抗干擾策略。通過改變控制指令傳輸速度的對比實驗，分析了光電傳感器在電力抄表系統中的控制效果，實驗結果表明，光電傳感器控制下的電力抄表系統控制效果非常好。

參考文獻

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（作者單位：國網遼寧省電力有限公司鐵嶺供電公司）