基于TWACS技術的農網自動抄表系統研究

馮維元,張茜,朱潤生,王巖,宋華龍

摘 ?要： 農網電能信息的與遠程采集是配電網改造的重要環節，針對農村配電網供電半徑大、用戶少、且分散的特點，研究設計了一種基于TWACS（電力線工頻通信）技術的自動抄表系統，能夠跨越配電變壓器遠程傳輸電能數據，無需在10 kV線路安裝耦合設備，具有成本低、運行維護方便的特點。

關鍵詞： 工頻通信； 自動抄表系統； 主站系統； 抄表終端

中圖分類號： TN911?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）23?0115?03

Study on TWACS?based automatic meter reading system for rural power grid

FENG Wei?yuan， ZHANG Qian， ZHU Run?sheng， WANG Yan， SONG Hua?long

（Luoyang power supply company of National Grid， Luoyang 471000， China）

Abstract： Remote information acquisition of rural power grid is an important part of the distribution network transformation. In view of the characteristics of big power supply radius， less and scattered users of the rural power distribution network， an automatic meter reading system based on TWACS （two way automatic communication system） is designed in this paper， which can transmit data remotely crossing the power distribution network transformer without installation of any coupling equipment in 10 kV line. This system has the characteristics of low cost and convenient operation maintenance.

Keywords： TWACS； automatic meter reading system； main station system； meter reading terminal

0 ?引 ?言

我國農村居民的電量消費情況，目前主要依靠人工抄表，交通成本高、耗時、容易誤抄產生糾紛，這些弊端日益顯露。隨著城鄉電網的改造，一戶一表政策的推廣[1?3]，農網的自動抄表也進入了議事日程；由于農村住戶相對分散，住宅建設沒有統一規劃，地形相對復雜等，城鎮自動抄表系統的經驗可以借鑒但不能直接照搬。

在遠程自動抄表系統中，關鍵是低成本、高可靠性的信息傳輸方式，基于此，本文研究設計了基于電力線工頻通信技術的遠程抄表系統，能夠適應農網的地域條件和信道環境，為農網改造創造有利條件。

1 ?農網抄表系統的整體結構

1.1 ?抄表信息傳輸通道的選擇

針對農網供電半徑大，自動抄表信息量不大，但地域分散等特點，與RS 485，ZigBee，中壓電力線載波等通信方式比較，采用電力線工頻通信（TWACS）作為抄表信道較為合適。

TWACS利用電網電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息從而實現通信[4]，由于畸變信號可穿越變壓器，工頻通信技術具有能夠跨越10 kV和380 V線路遠距離通信的優勢，非常適合農村配網用電信息采集項目的實施。

1.2 ?系統基本組成

基于TWACS技術的農網自動抄表系統結構如圖1所示，由位于變電所的集中器和位于配電變壓器低壓側的抄表終端組成。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t1.tif>；

圖1 農網抄表系統結構圖

TWACS技術傳輸距離長，且可跨越變壓器進行傳輸，農網中配電變壓器多，如果應用TWACS技術作為配網中進行通信的通信方式，則只需在變電站處安裝主站設備（集中器）、終端設備即可進行數據通信。

農村電網分布廣泛，配電變壓器多，如果應用TWACS做長距離的數據通信，不僅可以節省通信線路的花費，而且可靠性高，成本低，可穿越變壓器進行通信。主站設備有集中器，集中器中有工頻通信上行解調單元、下行調制單元和工控機。終端設備與電表相連用RS 485接口進行通信，電表自帶RS 485接口，終端設備可以直接從電表中讀取數據。

上、下行工頻通信信號都在電壓過零時刻進行調制，這樣使得信號調制所需功率最低[5]；由于電網噪聲嚴重，為了使信號檢測時能夠通過時域差分去除背景干擾，每位上、下行數據都通過多個工頻周期內調制信號的位置來表示。

下行數據的調制采用曼徹斯特編碼，通過2個工頻周期內電壓調制信號的位置來表示，這樣在解調時，通過前后2個周期電壓采樣信號的時域減差運算能夠抑制大部分背景干擾[6]。

上行信號采用畸變電流代表，其畸變信號在電壓過零時刻附近，由于電流諧波較豐富，每位上行數據信息通過連續4個周期電流波形表示[7]。

2 ?抄表終端的設計

2.1 ?抄表終端結構

遠程監測終端由工頻通信模塊和綜合管理模塊組成，其結構如圖2所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t2.tif>；

圖2 抄表終端模塊結構框圖

工頻通信模塊接收來自集中器的下行工頻信號，即管理軟件的控制命令，經過判斷后，如果是呼叫該線路上電表的電氣參數，則繼續將控制命令經RS 232傳送到綜合管理模塊，控制命令經過綜合管理模塊的處理，經RS 485到達待監測的電表。當通過上行工頻通信的方式向變電站端集中器發送電表監測終端的參數時，則過程與上面相反。

工頻通信模塊主要由工頻通信調制模塊、工頻通信解調模塊、傳感器模塊（PT，CT）、信號調理電路和A/D等部分組成。

工頻通信調制模塊能夠直接在220 V上發送信號，通過在電壓過零點觸發可控硅，可控硅導通使電壓過零點附近產生微小電流畸變信號。

DSP通過采集并分析來自電表的電量信息，對用戶的用電情況進行判斷，接收來自集中器的下行工頻信號，同時通過上行工頻通信的方式向變電站端集中器發送電表的參數。

2.2 ?下行工頻信號的檢測

設[f（t）]為下行數據信息，[n（t）]為差分后的電網噪聲，[ρ]為畸變信號的幅度衰減系數，前后周期電壓檢差信號可表示為：

[y（t）=f（t）*ρ*v（t）+n（t）] （1）

由于電壓畸變信號的大致波形事先能夠確定，本文采用互相關技術進行信號檢測，根據畸變信號的大致波形，設置參考信號[g（t），]當信號調制時域確定的前提下，通過互相關運算的輸出為：

[R=03 msy（t）Kg（t）dt=f（t）K03 msv（t）*v（t）dt+K03 msn（t）*v（t）dt] （2）

在[y（t）]中，畸變信號的方向取決于數據信息，互相關運算結果的正負就反映了數據信息的“0”或“1”， 這樣就實現了下行工頻通信的解調功能。

2.3 ?上行工頻通信信號的調制

上行信號調制電路和波形如圖3所示，電壓過零點附近，可控硅S閉合[ΔT]時間，這樣在調制支路[L]上便產生瞬時電流[Ip，]當畸變電流為負時，可控硅自動斷開，然后畸變電流疊加到某相電流上，完成上行工頻通信的一次調制過程。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t3.tif>；

圖3 上行調制原理圖

設電壓為：

[e=Usin（ωt+θ1）] （3）

可控硅[S]閉合的時候，畸變電流為零，參考經典計算的結論，可得到：

[Ip=Ucos（ωt+θ1）ωL+Ucos（θ1）ωL] ?（4）

該信號疊加到線路上，被位于變電所的集中器通過CT采集電流信號，從而實現通信。

2.4 ?電表信息的匯集

該監測系統的監測對象是電表，用戶電表監測數據量很大，需要增加綜合管理模塊對數據進行管理監測。工頻通信模塊中的傳感器模塊即電壓與電流互感器將信號傳給數據采集存儲電路，經模/數轉換后由DSP處理后解調出出站命令，根據該命令對集中器需要的數據運算，然后轉化成二進制數，編碼后與工頻通信模塊通過RS 232的通信方式使DSP引腳觸發可控硅驅動電路，在電壓過零點30°前調制上行信號并發送。兩部分協同工作能夠完成監測用戶電表電量的使用情況。

3 ?變電所集中器的設計

3.1 ?集中器的整體結構

集中器是監測系統中一個重要組成部分，安裝在農網變電所內，其安裝位置如圖4所示，主要負責數據處理工作。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t4.tif>；

圖4 集中器的整體結構示意圖

集中器通過TWACS下行信號調制單元向電表監測終端發送下行信號來獲取終端的各種電量、電壓，同時，通過CT，PT采集電流、電壓信號通過工頻通信上行解調單元可以接收、解調來自終端電表的上行信號。然后將集中器存儲的電能信息通過多路系統內部企業網傳到管理中心。

與抄表終端的工頻通信模塊類似，集中器的工頻通信單元主要是為了實現下行信號的調制和上行信號的解調，主要由以下三部分組成：

上行工頻信號解調模塊。監測終端發送來的上行信號首先經過電壓、電流互感器，利用工頻通信跨變壓器臺區傳輸的特點，互感器安裝在配電變壓器低壓側即可，但是互感器安裝的相要與上行信號發送的相對應一致。然后經過16位A/D芯片通過二次互感器完成對電壓互感器和對應線路上電流互感器的電壓電流信號采集傳給DSP進行處理。DSP可以選用MB91F467D，讀取A/D轉換過來的電壓、電流采樣數據，進行濾波后通過相應的上行解調運算解調出監測終端傳來的上行信號。

下行工頻信號調制模塊。可控硅驅動電路是下行調制模塊的主要組成部分，主要負責根據DSP發出的命令完成下行電壓畸變信號的調制，還能起到電路板和調制站用變二次側380 V隔離作用。為防止可控硅長時間出現誤觸發、長時間觸發等故障情況，設置觸發電路作為保護回路，采用三輸入端或者非門芯片保證觸發安全性與穩定性。

中央處理模塊。主要完成以下工作：與各監測儀表通信，直接獲取電表的參數；利用電表的電量參數對用戶是否應該停電進行判斷。

3.2 ?上行工頻通信信號的檢測

在工頻通信上行信號傳輸時，根據正交編碼調制方法，每位數據信息對應4個工頻周期，根據正交編碼方式可實現6路上行信號的并行傳輸，當[M]路上行信號傳輸時（[M]最大為6），4個工頻周期內的采樣電流可表示為：

[I（t）=Is（t）+i=07k=0M-1akiIkpt+iT2] ? ?（5）

式中：[Ikp（t）]為第[k]路電流畸變信號，[aki]為該路信號在第[i]個電壓過零點的調制編碼，由于各路信號的調制編碼相互正交；[bji]為對[j]路信號在第[i]電壓過零點的檢測向量，調制編碼與檢測向量之間具有如下關系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k] ? （6）

這樣，第[j]路檢測輸出的正負由該路數據信息“1”，“0”的調制編碼決定，而其他路調制編碼的檢測輸出接近零，這樣，根據電流信號的采樣值，按照每路上行信號各自的檢測向量就能形成幾乎互不影響的加權輸出。

3.3 ?下行工頻通信信號的調制

工頻通信下行通信的調制原理圖如圖5所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t5.tif>；

圖5 下行調制原理圖

在圖5中，[iL]為電網電流；[E]為調制變電所子站變電壓；[L1]為調制變電所子站用變漏感；[ic]為調制電流，S為可控硅；[Lc]為調制電感。當電壓波形過零前附近（通常在過零點前30°）閉合可控硅[S，]電路產生的瞬間電流[i′C]在調制變壓器的原端生成[ic，]同時在變壓器漏感[L1]上產生了一個電壓降。

[ei=-Ri+Liddtic] ?（7）

這樣既可形成電壓波形調制信號。當[i′c]過 0時，S將會反向截止，完成一次電壓波形的調制。

4 ?結 ?語

本文針對農網用戶分散、供電線路長、負荷相對較輕但地形條件復雜等情況，在研究城市自動抄表系統常用的幾種通信方式基礎上，研究設計了基于電力線工頻通信技術的遠程抄表系統，包括抄表終端和變電站集中器部分，可以對農網自動化建設創造有利條件。

參考文獻

[1] VELASCO?RAM?REZ E， ?NGELES?CAMACHO C， GARC?A?MART?NEZ M. Smart transmission grids： benefits and risks [J]. Ingeniería， Investigacióny Tecnología， ?2013， 14（1）： 81?88.

[2] BARKER I J. Some considerations on future developments in ferroalloy furnaces [J]. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy， 2011， 111（10）： 691?696.

[3] ALBIERO Daniel， DAHER Sérgio， LEONARDO DE Almeida. Wind turbine for family farming in semi?arid areas with technological innovations for low wind speeds [J]. Revista Ciência Agron?mica， 2014， 45（1）： 186?196.

[4] MAK S T， MAGINNIS R L. Power Frequency Communication on Long Feeders and High Levels of Harmonic Distortion [J]. IEEE Transactions on Powa Delivery， 1995， 10（4）： 1731?1736.

[5] 全玉生，劉赫，李文，等.雙向工頻通信下行信號系統的準最優控制方法[J].中國電機工程學報，2010，30（10）：84?91.

[6] 盧文冰.用于電機群遠程監控的電力線通信關鍵技術研究[D].北京：華北電力大學，2011.

[7] MAK S T. Application of a differential technique for characterization of waveform distortions [C]// Power Engineering Society Winter Meeting. [S.l.]： Power Engineering Society， 2000： 975?980.

在工頻通信上行信號傳輸時，根據正交編碼調制方法，每位數據信息對應4個工頻周期，根據正交編碼方式可實現6路上行信號的并行傳輸，當[M]路上行信號傳輸時（[M]最大為6），4個工頻周期內的采樣電流可表示為：

[I（t）=Is（t）+i=07k=0M-1akiIkpt+iT2] ? ?（5）

式中：[Ikp（t）]為第[k]路電流畸變信號，[aki]為該路信號在第[i]個電壓過零點的調制編碼，由于各路信號的調制編碼相互正交；[bji]為對[j]路信號在第[i]電壓過零點的檢測向量，調制編碼與檢測向量之間具有如下關系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k] ? （6）

這樣，第[j]路檢測輸出的正負由該路數據信息“1”，“0”的調制編碼決定，而其他路調制編碼的檢測輸出接近零，這樣，根據電流信號的采樣值，按照每路上行信號各自的檢測向量就能形成幾乎互不影響的加權輸出。

3.3 ?下行工頻通信信號的調制

工頻通信下行通信的調制原理圖如圖5所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t5.tif>；

圖5 下行調制原理圖

在圖5中，[iL]為電網電流；[E]為調制變電所子站變電壓；[L1]為調制變電所子站用變漏感；[ic]為調制電流，S為可控硅；[Lc]為調制電感。當電壓波形過零前附近（通常在過零點前30°）閉合可控硅[S，]電路產生的瞬間電流[i′C]在調制變壓器的原端生成[ic，]同時在變壓器漏感[L1]上產生了一個電壓降。

[ei=-Ri+Liddtic] ?（7）

這樣既可形成電壓波形調制信號。當[i′c]過 0時，S將會反向截止，完成一次電壓波形的調制。

4 ?結 ?語

本文針對農網用戶分散、供電線路長、負荷相對較輕但地形條件復雜等情況，在研究城市自動抄表系統常用的幾種通信方式基礎上，研究設計了基于電力線工頻通信技術的遠程抄表系統，包括抄表終端和變電站集中器部分，可以對農網自動化建設創造有利條件。

參考文獻

[1] VELASCO?RAM?REZ E， ?NGELES?CAMACHO C， GARC?A?MART?NEZ M. Smart transmission grids： benefits and risks [J]. Ingeniería， Investigacióny Tecnología， ?2013， 14（1）： 81?88.

[2] BARKER I J. Some considerations on future developments in ferroalloy furnaces [J]. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy， 2011， 111（10）： 691?696.

[3] ALBIERO Daniel， DAHER Sérgio， LEONARDO DE Almeida. Wind turbine for family farming in semi?arid areas with technological innovations for low wind speeds [J]. Revista Ciência Agron?mica， 2014， 45（1）： 186?196.

[4] MAK S T， MAGINNIS R L. Power Frequency Communication on Long Feeders and High Levels of Harmonic Distortion [J]. IEEE Transactions on Powa Delivery， 1995， 10（4）： 1731?1736.

[5] 全玉生，劉赫，李文，等.雙向工頻通信下行信號系統的準最優控制方法[J].中國電機工程學報，2010，30（10）：84?91.

[6] 盧文冰.用于電機群遠程監控的電力線通信關鍵技術研究[D].北京：華北電力大學，2011.

[7] MAK S T. Application of a differential technique for characterization of waveform distortions [C]// Power Engineering Society Winter Meeting. [S.l.]： Power Engineering Society， 2000： 975?980.

在工頻通信上行信號傳輸時，根據正交編碼調制方法，每位數據信息對應4個工頻周期，根據正交編碼方式可實現6路上行信號的并行傳輸，當[M]路上行信號傳輸時（[M]最大為6），4個工頻周期內的采樣電流可表示為：

[I（t）=Is（t）+i=07k=0M-1akiIkpt+iT2] ? ?（5）

式中：[Ikp（t）]為第[k]路電流畸變信號，[aki]為該路信號在第[i]個電壓過零點的調制編碼，由于各路信號的調制編碼相互正交；[bji]為對[j]路信號在第[i]電壓過零點的檢測向量，調制編碼與檢測向量之間具有如下關系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k] ? （6）

這樣，第[j]路檢測輸出的正負由該路數據信息“1”，“0”的調制編碼決定，而其他路調制編碼的檢測輸出接近零，這樣，根據電流信號的采樣值，按照每路上行信號各自的檢測向量就能形成幾乎互不影響的加權輸出。

3.3 ?下行工頻通信信號的調制

工頻通信下行通信的調制原理圖如圖5所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼36t5.tif>；

圖5 下行調制原理圖

在圖5中，[iL]為電網電流；[E]為調制變電所子站變電壓；[L1]為調制變電所子站用變漏感；[ic]為調制電流，S為可控硅；[Lc]為調制電感。當電壓波形過零前附近（通常在過零點前30°）閉合可控硅[S，]電路產生的瞬間電流[i′C]在調制變壓器的原端生成[ic，]同時在變壓器漏感[L1]上產生了一個電壓降。

[ei=-Ri+Liddtic] ?（7）

這樣既可形成電壓波形調制信號。當[i′c]過 0時，S將會反向截止，完成一次電壓波形的調制。

4 ?結 ?語

本文針對農網用戶分散、供電線路長、負荷相對較輕但地形條件復雜等情況，在研究城市自動抄表系統常用的幾種通信方式基礎上，研究設計了基于電力線工頻通信技術的遠程抄表系統，包括抄表終端和變電站集中器部分，可以對農網自動化建設創造有利條件。

參考文獻

[1] VELASCO?RAM?REZ E， ?NGELES?CAMACHO C， GARC?A?MART?NEZ M. Smart transmission grids： benefits and risks [J]. Ingeniería， Investigacióny Tecnología， ?2013， 14（1）： 81?88.

[2] BARKER I J. Some considerations on future developments in ferroalloy furnaces [J]. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy， 2011， 111（10）： 691?696.

[3] ALBIERO Daniel， DAHER Sérgio， LEONARDO DE Almeida. Wind turbine for family farming in semi?arid areas with technological innovations for low wind speeds [J]. Revista Ciência Agron?mica， 2014， 45（1）： 186?196.

[4] MAK S T， MAGINNIS R L. Power Frequency Communication on Long Feeders and High Levels of Harmonic Distortion [J]. IEEE Transactions on Powa Delivery， 1995， 10（4）： 1731?1736.

[5] 全玉生，劉赫，李文，等.雙向工頻通信下行信號系統的準最優控制方法[J].中國電機工程學報，2010，30（10）：84?91.

[6] 盧文冰.用于電機群遠程監控的電力線通信關鍵技術研究[D].北京：華北電力大學，2011.

[7] MAK S T. Application of a differential technique for characterization of waveform distortions [C]// Power Engineering Society Winter Meeting. [S.l.]： Power Engineering Society， 2000： 975?980.