基于工频畸变技术的抄表系统 技术, 通信

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关键字：工频畸变技术   抄表系统   小波变换  
　　O 引言

　　目前国内已经将扩频、超窄带通信、多载波调制、自适应跳频、正交频分复用(OFDM)等技术应用于自动抄表系统。但由于我国低压电网环境恶劣，以上技术的应用效果始终不理想。工频畸变是双向工频自动通信(Two Way Automatic Communication，TWAC)的简称，与载波通信相比具有有效传输距离长，通信可靠，信号可通过变压器等优势。

　　1 系统组成

　　自动抄表系统一般由采集用户电能表信息的采集终端、集中器、主站系统组成。采集器和集中器位于每个变压器下，对采集器上传数据进行管理，同时作为联系采集器与主站的桥梁(主站是位于最上层的计算机管理系统)。基于双向工频自动通信的自动抄表系统，其畸变信号可进行跨变压器台区的传输，位于电表附近的采集器与主站之间无需另加集中器作为连接桥梁，系统组成如图1所示。

　　双向工频自动通信系统由中央控制单元、子站端调制解调设备和用户端调制解调设备组成，其原理就是利用工频电压基波过零调制方式实现通信。出站信号调制，在电压过零点前△T／2(过零点前30度)时刻，打开调制电路图2(a)中晶闸管，产生的瞬时电流耦合进工频电压的电流ic，引起一个电压降emod，在 10 kV电压E过零点处发生畸变，如图2(b)所示。电压畸变信号的编码是利用相邻两个周期电压波形来携带一位信息，利用调制位置的不同来表示“1”或 “O”。入站信号调制方法与出站信号类似，只是入站信号调制是将畸变信号加于电压过零点时刻的电流上。

　　2 硬件电路设计

　　调制电路系统主要由滤波电路、过零检测电路及调制电路组成。调制电路的等效电路已给出，不再讨论。图3所示硬件电路是由A1(MAX-291)、 A2(TA7504P)、A3(OP07)组成的滤波电路和过零检测电路。A1通过改变时钟输入频率可改变滤波器截止频率，并且截止频率为时钟频率的 1／100。时钟输入端加5 V电平的方波信号，在A1的输入(IN)与输出(OUT)端之间可以获得低通滤波器的特性。A2用于平滑A1的输出阶梯状波形，增强其效果。过零检测电路主要由运放器OP07，4个二极管以及1个三极管组成。

　　畸变信号的检测电路由前置滤波电路、数据采集电路、数据处理电路组成。数据采集电路由ADl674芯片及其外围电路组成。整个检测系统核心是一块 PLC24系列微处理器芯片加上必要的数据存储器、程序存储器及必要的输入、输出电路组成的单片机系统。单片机技术已经非常成熟，在此只给出如图4所示的系统框图。

　　3 信号检测

　　信号检测是一个判断过零点处有无畸变的问题。目前国内一般采用数字差分技术(Digital Differential Technique)进行检测，即前一次的采样值与当前的采样值进行做差运算。

　　

　　如果F(t)=A1 sin(ω1t)，T是其周期Tper的整数倍，则d(t1)≡0。从这个结果可以看出，由式(1)所描述的数字差分技术应用到具有稳定周期的周期信号时，其差分结果恒等于O。但由于电网信道环境复杂，其中充斥了大量的谐波分量和噪声的干扰，使得理论上十分可行的数字差分技术在实际运用中效果却并不理想。

　　本文采用的小波检测法是时频分析的有力工具。信号x(t)的连续小波变换为：

　　

　　式中：a为伸缩尺度因子；b为平移因子。离散小波函数ψj，k(t)可表示为：

　　

　　为了使小波变换具有可变化的时间和频率分辨率，需要改变a，b的大小，使小波变换具有“变焦距”的功能。实际中，广泛应用的是二进制离散小波，即用二进制动态采样网格，a0=2，b0=1，每个网格点对应的尺度为2j，而平移为2jk。由此得到的小波ψj，k(t)被称为二进小波(Dyadic Wavelet)。



　　二进小波对信号的分析具有变焦距的作用。假定开始选择一个放大倍数2-j，它对应为观测到信号的某部分内容。如果要进一步观看信号更小的细节，就需要增加放大倍数，即减小j值；反之，则减小放大倍数，即加大j值。任意信号都可以表示成式(5)形式：