基于TWACS技术的农网自动抄表系统研究

冯维元,张茜,朱润生,王岩,宋华龙

摘  要： 农网电能信息的与远程采集是配电网改造的重要环节，针对农村配电网供电半径大、用户少、且分散的特点，研究设计了一种基于TWACS（电力线工频通信）技术的自动抄表系统，能够跨越配电变压器远程传输电能数据，无需在10 kV线路安装耦合设备，具有成本低、运行维护方便的特点。

关键词： 工频通信； 自动抄表系统； 主站系统； 抄表终端

中图分类号： TN911?34                       文献标识码： A                        文章编号： 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

我国农村居民的电量消费情况，目前主要依靠人工抄表，交通成本高、耗时、容易误抄产生纠纷，这些弊端日益显露。随着城乡电网的改造，一户一表政策的推广[1?3]，农网的自动抄表也进入了议事日程；由于农村住户相对分散，住宅建设没有统一规划，地形相对复杂等，城镇自动抄表系统的经验可以借鉴但不能直接照搬。

在远程自动抄表系统中，关键是低成本、高可靠性的信息传输方式，基于此，本文研究设计了基于电力线工频通信技术的远程抄表系统，能够适应农网的地域条件和信道环境，为农网改造创造有利条件。

1  农网抄表系统的整体结构

1.1  抄表信息传输通道的选择

针对农网供电半径大，自动抄表信息量不大，但地域分散等特点，与RS 485，ZigBee，中压电力线载波等通信方式比较，采用电力线工频通信（TWACS）作为抄表信道较为合适。

TWACS利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息从而实现通信[4]，由于畸变信号可穿越变压器，工频通信技术具有能够跨越10 kV和380 V线路远距离通信的优势，非常适合农村配网用电信息采集项目的实施。

1.2  系统基本组成

基于TWACS技术的农网自动抄表系统结构如图1所示，由位于变电所的集中器和位于配电变压器低压侧的抄表终端组成。

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图1 农网抄表系统结构图

TWACS技术传输距离长，且可跨越变压器进行传输，农网中配电变压器多，如果应用TWACS技术作为配网中进行通信的通信方式，则只需在变电站处安装主站设备（集中器）、终端设备即可进行数据通信。

农村电网分布广泛，配电变压器多，如果应用TWACS做长距离的数据通信，不仅可以节省通信线路的花费，而且可靠性高，成本低，可穿越变压器进行通信。主站设备有集中器，集中器中有工频通信上行解调单元、下行调制单元和工控机。终端设备与电表相连用RS 485接口进行通信，电表自带RS 485接口，终端设备可以直接从电表中读取数据。

上、下行工频通信信号都在电压过零时刻进行调制，这样使得信号调制所需功率最低[5]；由于电网噪声严重，为了使信号检测时能够通过时域差分去除背景干扰，每位上、下行数据都通过多个工频周期内调制信号的位置来表示。

下行数据的调制采用曼彻斯特编码，通过2个工频周期内电压调制信号的位置来表示，这样在解调时，通过前后2个周期电压采样信号的时域减差运算能够抑制大部分背景干扰[6]。

上行信号采用畸变电流代表，其畸变信号在电压过零时刻附近，由于电流谐波较丰富，每位上行数据信息通过连续4个周期电流波形表示[7]。

2  抄表终端的设计

2.1  抄表终端结构

远程监测终端由工频通信模块和综合管理模块组成，其结构如图2所示。

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图2 抄表终端模块结构框图

工频通信模块接收来自集中器的下行工频信号，即管理软件的控制命令，经过判断后，如果是呼叫该线路上电表的电气参数，则继续将控制命令经RS 232传送到综合管理模块，控制命令经过综合管理模块的处理，经RS 485到达待监测的电表。当通过上行工频通信的方式向变电站端集中器发送电表监测终端的参数时，则过程与上面相反。

工频通信模块主要由工频通信调制模块、工频通信解调模块、传感器模块（PT，CT）、信号调理电路和A/D等部分组成。

工频通信调制模块能够直接在220 V上发送信号，通过在电压过零点触发可控硅，可控硅导通使电压过零点附近产生微小电流畸变信号。

DSP通过采集并分析来自电表的电量信息，对用户的用电情况进行判断，接收来自集中器的下行工频信号，同时通过上行工频通信的方式向变电站端集中器发送电表的参数。

2.2  下行工频信号的检测

设[f（t）]为下行数据信息，[n（t）]为差分后的电网噪声，[ρ]为畸变信号的幅度衰减系数，前后周期电压检差信号可表示为：

[y（t）=f（t）*ρ*v（t）+n（t）] （1）

由于电压畸变信号的大致波形事先能够确定，本文采用互相关技术进行信号检测，根据畸变信号的大致波形，设置参考信号[g（t），]当信号调制时域确定的前提下，通过互相关运算的输出为：

[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，畸变信号的方向取决于数据信息，互相关运算结果的正负就反映了数据信息的“0”或“1”， 这样就实现了下行工频通信的解调功能。

2.3  上行工频通信信号的调制

上行信号调制电路和波形如图3所示，电压过零点附近，可控硅S闭合[ΔT]时间，这样在调制支路[L]上便产生瞬时电流[Ip，]当畸变电流为负时，可控硅自动断开，然后畸变电流叠加到某相电流上，完成上行工频通信的一次调制过程。

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图3 上行调制原理图

设电压为：

[e=Usin（ωt+θ1）] （3）

可控硅[S]闭合的时候，畸变电流为零，参考经典计算的结论，可得到：

[Ip=Ucos（ωt+θ1）ωL+Ucos（θ1）ωL]  （4）

该信号叠加到线路上，被位于变电所的集中器通过CT采集电流信号，从而实现通信。

2.4  电表信息的汇集

该监测系统的监测对象是电表，用户电表监测数据量很大，需要增加综合管理模块对数据进行管理监测。工频通信模块中的传感器模块即电压与电流互感器将信号传给数据采集存储电路，经模/数转换后由DSP处理后解调出出站命令，根据该命令对集中器需要的数据运算，然后转化成二进制数，编码后与工频通信模块通过RS 232的通信方式使DSP引脚触发可控硅驱动电路，在电压过零点30°前调制上行信号并发送。两部分协同工作能够完成监测用户电表电量的使用情况。

3  变电所集中器的设计

3.1  集中器的整体结构

集中器是监测系统中一个重要组成部分，安装在农网变电所内，其安装位置如图4所示，主要负责数据处理工作。

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图4 集中器的整体结构示意图

集中器通过TWACS下行信号调制单元向电表监测终端发送下行信号来获取终端的各种电量、电压，同时，通过CT，PT采集电流、电压信号通过工频通信上行解调单元可以接收、解调来自终端电表的上行信号。然后将集中器存储的电能信息通过多路系统内部企业网传到管理中心。

与抄表终端的工频通信模块类似，集中器的工频通信单元主要是为了实现下行信号的调制和上行信号的解调，主要由以下三部分组成：

上行工频信号解调模块。监测终端发送来的上行信号首先经过电压、电流互感器，利用工频通信跨变压器台区传输的特点，互感器安装在配电变压器低压侧即可，但是互感器安装的相要与上行信号发送的相对应一致。然后经过16位A/D芯片通过二次互感器完成对电压互感器和对应线路上电流互感器的电压电流信号采集传给DSP进行处理。DSP可以选用MB91F467D，读取A/D转换过来的电压、电流采样数据，进行滤波后通过相应的上行解调运算解调出监测终端传来的上行信号。

下行工频信号调制模块。可控硅驱动电路是下行调制模块的主要组成部分，主要负责根据DSP发出的命令完成下行电压畸变信号的调制，还能起到电路板和调制站用变二次侧380 V隔离作用。为防止可控硅长时间出现误触发、长时间触发等故障情况，设置触发电路作为保护回路，采用三输入端或者非门芯片保证触发安全性与稳定性。

中央处理模块。主要完成以下工作：与各监测仪表通信，直接获取电表的参数；利用电表的电量参数对用户是否应该停电进行判断。

3.2  上行工频通信信号的检测

在工频通信上行信号传输时，根据正交编码调制方法，每位数据信息对应4个工频周期，根据正交编码方式可实现6路上行信号的并行传输，当[M]路上行信号传输时（[M]最大为6），4个工频周期内的采样电流可表示为：

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

式中：[Ikp（t）]为第[k]路电流畸变信号，[aki]为该路信号在第[i]个电压过零点的调制编码，由于各路信号的调制编码相互正交；[bji]为对[j]路信号在第[i]电压过零点的检测向量，调制编码与检测向量之间具有如下关系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k]   （6）

这样，第[j]路检测输出的正负由该路数据信息“1”，“0”的调制编码决定，而其他路调制编码的检测输出接近零，这样，根据电流信号的采样值，按照每路上行信号各自的检测向量就能形成几乎互不影响的加权输出。

3.3  下行工频通信信号的调制

工频通信下行通信的调制原理图如图5所示。

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图5 下行调制原理图

在图5中，[iL]为电网电流；[E]为调制变电所子站变电压；[L1]为调制变电所子站用变漏感；[ic]为调制电流，S为可控硅；[Lc]为调制电感。当电压波形过零前附近（通常在过零点前30°）闭合可控硅[S，]电路产生的瞬间电流[i′C]在调制变压器的原端生成[ic，]同时在变压器漏感[L1]上产生了一个电压降。

[ei=-Ri+Liddtic]  （7）

这样既可形成电压波形调制信号。当[i′c]过 0时，S将会反向截止，完成一次电压波形的调制。

4  结  语

本文针对农网用户分散、供电线路长、负荷相对较轻但地形条件复杂等情况，在研究城市自动抄表系统常用的几种通信方式基础上，研究设计了基于电力线工频通信技术的远程抄表系统，包括抄表终端和变电站集中器部分，可以对农网自动化建设创造有利条件。

参考文献

[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，刘赫，李文，等.双向工频通信下行信号系统的准最优控制方法[J].中国电机工程学报，2010，30（10）：84?91.

[6] 卢文冰.用于电机群远程监控的电力线通信关键技术研究[D].北京：华北电力大学，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.

在工频通信上行信号传输时，根据正交编码调制方法，每位数据信息对应4个工频周期，根据正交编码方式可实现6路上行信号的并行传输，当[M]路上行信号传输时（[M]最大为6），4个工频周期内的采样电流可表示为：

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

式中：[Ikp（t）]为第[k]路电流畸变信号，[aki]为该路信号在第[i]个电压过零点的调制编码，由于各路信号的调制编码相互正交；[bji]为对[j]路信号在第[i]电压过零点的检测向量，调制编码与检测向量之间具有如下关系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k]   （6）

这样，第[j]路检测输出的正负由该路数据信息“1”，“0”的调制编码决定，而其他路调制编码的检测输出接近零，这样，根据电流信号的采样值，按照每路上行信号各自的检测向量就能形成几乎互不影响的加权输出。

3.3  下行工频通信信号的调制

工频通信下行通信的调制原理图如图5所示。

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图5 下行调制原理图

在图5中，[iL]为电网电流；[E]为调制变电所子站变电压；[L1]为调制变电所子站用变漏感；[ic]为调制电流，S为可控硅；[Lc]为调制电感。当电压波形过零前附近（通常在过零点前30°）闭合可控硅[S，]电路产生的瞬间电流[i′C]在调制变压器的原端生成[ic，]同时在变压器漏感[L1]上产生了一个电压降。

[ei=-Ri+Liddtic]  （7）

这样既可形成电压波形调制信号。当[i′c]过 0时，S将会反向截止，完成一次电压波形的调制。

4  结  语

本文针对农网用户分散、供电线路长、负荷相对较轻但地形条件复杂等情况，在研究城市自动抄表系统常用的几种通信方式基础上，研究设计了基于电力线工频通信技术的远程抄表系统，包括抄表终端和变电站集中器部分，可以对农网自动化建设创造有利条件。

参考文献

[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.

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[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.

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[6] 卢文冰.用于电机群远程监控的电力线通信关键技术研究[D].北京：华北电力大学，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.

在工频通信上行信号传输时，根据正交编码调制方法，每位数据信息对应4个工频周期，根据正交编码方式可实现6路上行信号的并行传输，当[M]路上行信号传输时（[M]最大为6），4个工频周期内的采样电流可表示为：

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

式中：[Ikp（t）]为第[k]路电流畸变信号，[aki]为该路信号在第[i]个电压过零点的调制编码，由于各路信号的调制编码相互正交；[bji]为对[j]路信号在第[i]电压过零点的检测向量，调制编码与检测向量之间具有如下关系：

[i=07bjiaki=±4，j=k0，j≠k]   （6）

这样，第[j]路检测输出的正负由该路数据信息“1”，“0”的调制编码决定，而其他路调制编码的检测输出接近零，这样，根据电流信号的采样值，按照每路上行信号各自的检测向量就能形成几乎互不影响的加权输出。

3.3  下行工频通信信号的调制

工频通信下行通信的调制原理图如图5所示。

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图5 下行调制原理图

在图5中，[iL]为电网电流；[E]为调制变电所子站变电压；[L1]为调制变电所子站用变漏感；[ic]为调制电流，S为可控硅；[Lc]为调制电感。当电压波形过零前附近（通常在过零点前30°）闭合可控硅[S，]电路产生的瞬间电流[i′C]在调制变压器的原端生成[ic，]同时在变压器漏感[L1]上产生了一个电压降。

[ei=-Ri+Liddtic]  （7）

这样既可形成电压波形调制信号。当[i′c]过 0时，S将会反向截止，完成一次电压波形的调制。

4  结  语

本文针对农网用户分散、供电线路长、负荷相对较轻但地形条件复杂等情况，在研究城市自动抄表系统常用的几种通信方式基础上，研究设计了基于电力线工频通信技术的远程抄表系统，包括抄表终端和变电站集中器部分，可以对农网自动化建设创造有利条件。

参考文献

[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，刘赫，李文，等.双向工频通信下行信号系统的准最优控制方法[J].中国电机工程学报，2010，30（10）：84?91.

[6] 卢文冰.用于电机群远程监控的电力线通信关键技术研究[D].北京：华北电力大学，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.