工频通信装置的研制

配电网双向工频通信装置的研制一、前言电力网是规模庞大的能源供应有线网络，利用现有的电力网作为信道，通过电力线对连接在电网上的设备设施进行监测、控制和抄录传输数据，实现数据传递、信息交换和自动控制，已经成为电网自动化的迫切需要。由于电力线的主要功能是传送50Hz工频电能波形，有别于光纤、同轴电缆、双绞线等专用的通信媒质，不能兼顾数据通信的技术要求。特别是低压电力线，其环境是一种恶劣的信道环境，线上存在大量噪声，负载多，配置情况复杂，信号衰减特性和干扰特性异常复杂，而且随机性、时变性大。因此通过电力线来可靠地传输数据，遥控监测远端设备，技术难度很大。目前，电力线载波通信由于电网特性参数的随机多变性、噪声干扰和负载衰减等因素，效果并不理想，特别是在电网用电高峰期，负荷较大的时候，有效通信信号完全被噪音信号所淹没，被负载吸收殆尽，无法进行正常的通信。因此如何克服电力线的特性参数随机多变性、噪声干扰和负荷衰减等因素的影响，实现高可靠性远距离的数据通信，为配电网自动化提供可靠的通信手段，成为一项具有十分挑战性的课题。双向工频自动通信(TwoWayAutomaticCommunicationSystem，简称TWACS),是近年来为了克服上述问题而提出来的一种基于电力配电网络的新型通信技术。TWACS的信号调制原理是采用工频电压基波过零调制的方法实现信号的调制和解调，其核心思想是利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息。由于双向工频自动通信调制信号频率范围一般在200hz〜600hz之间。因此能够直接跨变压器台区实现双方的直接通信而不需要中继环节，没有驻波和盲区现象。通信信号在远距离传输过程中，不会因线路阻抗的影响而产生太大的衰减，这是载波方法所无法比拟的。TWACS通信不需要改造现有的电力配电网络，无需增加中继环节，可以直接进行跨变压器台区通信，这种通信方式具有低成本、信号调制功率小、抗干扰能力强、信号衰减小、传输距离远、所需设备少的特点。适合于传输速率要求不高的远距离监测控制、自动抄录传输数据和配电网自动化等场合，可应用于集中抄表、无功补偿投切自动控制、远程负荷控制管理、电力设备监测管理等方面。具有广泛的应用前景和很高的实用价值。二、项目研究的材料与方法双向工频电力通信系统主要以配电网络(220V和380V线路)为通信介质，使用50Hz作为输入输出信号的载波频率通道，利用工频电压基波过零调制的方法，形成过零点附近电网电压和电流波形的微弱畸变来携带信息，实现数字双向通信。由于调制信号频率很低，因此能够直接台区变压器下的通信，甚至能跨变压器台区实现信号的远距离传输，不需改造现有的配电网络和增加中继环节，具有抗干扰能力强、可靠性高、信号衰减小、传输距离远等特点，受线路阻抗、负荷或结构变化的影响小。适合于对传输速率要求不高的集中抄表、无功补偿投切控制、负荷控制管理、电力设备监测管理等应用领域。按照配电网应用的实际情况，双向工频电力通信系统可以分成跨变压器台区通信和不跨变压器台区通信两大类型。本项目的技术解决方案是：双向工频自动通信(TwoWayAutomaticCommunicationSystem，简称TWACS),是近年来为了克服上述问题而提出来的一种基于电力配电网络的新型通信技术。TWACS的信号调制原理是采用工频电压基波过零调制的方法实现信号的调制和解调，其核心思想是利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息。由于双向工频自动通信调制信号频率范围一般在200hz~600hz之间。因此能够直接跨变压器台区实现双方的直接通信而不需要中继环节，没有驻波和盲区现象。通信信号在远距离传输过程中，不会因线路阻抗的影响而产生太大的衰减，这是载波方法所无法比拟的。TWACS通信不需要改造现有的电力配电网络，无需增加中继环节，可以直接进行跨变压器台区通信，这种通信方式具有低成本、信号调制功率小、抗干扰能力强、信号衰减小、传输距离远、所需设备少的特点。适合于传输速率要求不高的远距离监测控制、自动抄录传输数据和配电网自动化等场合，可应用于集中抄表、无功补偿投切自动控制、远程负荷控制管理、电力设备监测管理等方面。三、项目研究过程1、系统组成及基本原理双向工频通信系统的通信区域均在配电变压器低压一侧，系统由位于配电变压器低压一侧的主机及位于用户受控端的从机模块组成，主机和从机模块间采用半双工通信模式。主机到从机模块（下行信号）：调制信号为微弱畸变电压信号。由直接并联在配电变压器低压侧的主机可控硅调制电路进行电压过零调制产生瞬时电流脉冲，通过配变短路阻抗的效应，产生一微弱畸变电压信号叠加在220V电压上，信号随电压基波传输。用户数据采集模块通过检测电压基波的微小畸变解码，解析主机传送过来的信息，完成信息的接收。从机模块到主机（上行信号）：调制信号仍为微弱畸变电压信号,与下行信号调制完全相同。由直接并联在配电变压器低压侧的用户采集模块可控硅调制电路进行电压过零调制产生瞬时电流脉冲，由于配变短路阻抗效应，产生一微弱畸变电压信号叠加在220V电压上，信号随电压基波传输，形成微弱畸变上行电压信号。主机通过通过检测电压基波的微小畸变解码，将该信号采集识别，完成信息的接收。系统工作原理见图1。缉1台区变压器双向工频通信.系统原理图2、信号的调制方法与耦合方式下行信号：下行信号的等效调制电路如图2所示。图中，LC、RC为调制电路参数。输出信号的调制工作在主机端完成,由于主机设置在配变低压侧,所以,调制电路直接并联接在配变低压端。图2下行信号等效调制电路图下行信号调制方法是：当主机的控制系统跟踪检测电网电压基波到达过零点前约30°时，通过控制电路发送触发脉冲导通可控硅调制电路，产生瞬间脉冲电流△，，由于配电变压器短路阻抗LK、Rk的阻抗效应，该电流在配电变压器形成了下行电压调制信号emod。，emod与电网电压基波的叠加使其在过零点前30°附近产生幅值畸变，当电流Ai,降到零时可控硅自动关断，从而完成一次调制过程。根据配电变压器的短路阻抗参数LK、Rk,可以通过调整调制电路10、RC的值得到所要求的调制信号强度。由于过零调制信号的频率范围为工频的3~7倍左右，因此畸变电压信号随电压基波沿低压电网向远方传输，为从机模块所接收。下行信号调制过程的电压电流波形变化情况如图3所示。其中，产生畸变的电压电流信号是很微小的，为了便于观察，图3将其畸变波形强度加以夸大。图3(a)为电流波形示意图，I为电网电流波形，Ai为瞬间调制脉冲电流。emod为生成的下行电压调制信号。AT为调制时间。图3（b）为电压波形示意图，U为电网电压波形，V’和V"为叠加下行电压调制信号后电网电压波形产生的微小畸变。At1为可控硅在电压过零点前30°附近的导通时间、At2为可控硅关断后调制信号衰减的时间。图10下行信号调制电厩电常馥强示意图点图我们把下行电压基波是否携带畸变信号作为信息传输的一种方法。为了提高传输效率，本项目拟采用曼彻斯特编码表示方式，每相邻两个基波周期有变化（一个有调制信号，另一个没有调制信号）表示“1",无变化（两个都携带调制信号或两个都没有调制信号）表示“0"。这样，当接收信号时，主要检测判断当前电压波形与前一个周期的波形相比是否有变化，则可确定传送的是1或0。比原来的编码规则传输效率提高了1倍。如图4所示。

图4下行信号表示方式上行信号：上行信号与下行信号调制一样，采用电压信号调制方式。且由于主从机模块间采用半双工通信模式，所以上下行信号之间不会造成互相干扰。上行信号的调制工作由从机模块可控硅调制电路进行电压过零调制完成。上行信号调制方法与主机的下行信号调制方法完全相同。调制的信号也是微弱畸变电压信号。调制过程的电压电流波形变化情况与下行信号调制方法完全一样。采用的编码表示方式也完全相同，也是曼彻斯特编码表示方式。这里不再重复。2、双向工频通信装置基本结构双向工频通信系统的通信区域均在配电变压器低压一侧，系统装置由主从机模块组成。主机安装配电变压器低压一侧，从机模块安装在配电变压器低压侧提供数据收发的用户表计装置接口位置。主机功能一一参数设置、电压过零检测、下行信号调制、上行信号采集解码、与上位计算机或GPRS等连接、测试、自诊断、较时和扩展功能。

采集模块功能——下行信号采集解码、子站命令接收、数据发送、上行信号调制、信道测试、预置、停电数据保存。和485/232接口的用户设备和电表通讯、和掌上电脑通讯、停电控制、在线程序更新。3、主机结构可控硅保护电路图5主机装置结构示意图上行信号入站预处理电路A/D采样电路可控硅保护电路图5主机装置结构示意图上行信号入站预处理电路A/D采样电路数据处理数据存储（1）、单片机控制系统采用嵌入式ARM7LPC2214/STM32F系列芯片为核心组成单片机控制系统，完成装置进行通信时的全部控制操作和信号检测分析功能。（2）、下行信号可控硅调制电路包括过零脉冲驱动电路单元和可控硅开关电路单元及相关的保护电路等，主要功能是当要发送下行信号时，由单片机控制系统跟踪电网电压，发出指令控制过零脉冲驱动电路在电压过零点附近产生触发脉冲，驱动可控硅开关电路单元导通和断开，调制出代表一个信号位码的瞬时电流脉冲，生成一个微小畸变的电压信号，直接耦合到配变的220V上。（3）上行信号采集解调电路包括电压互感器、信号预处理电路单元、以AD1674芯片为核心的12位A/D高速采样电路单元、信号处理单元等。主要功能是电压互感器先将220V电压信号降压到适合电子线路接收的12V模拟电压信号。然后，在单片机控制系统指令控制下，通过预处理电路单元将上行电压信号相邻波形进行对比预处理，启动12位A/D转换电路将含有畸变信号的电压波形信号经过A/D转换高速采样处理后送入单片机系统中，经过采用现代数字信号处理技术编写的单片机控制软件进行去噪滤波和分析处理，确认是否含有用户采集模块的上行信号传送过来的代表一个位码的畸变信号,检测出来的数字信号再通过纠错控制编码通信方式组合成为信息码序列，完成信息码的检测接收。RS232/485接口电路标准数据接口电路。提供与外接上位计算机设备进行数据交换的接口电路。软件控制与数据处理系统数据缓存和输入/输出模块——提供接收数据和待发送数据的缓存处理和与外接设备交换功能，通过RS232/485标准数据接口与外接设备交换输入输出数据。当输出数据时，控制接口电路按照RS232/485通信规约将片内RAM或FLASH输出数据存储区域的待发送数据发送到外接设备；当输入数据时，控制接口电路按照RS232/485通信规约将外接设备的数据读入存储在片内RAM或FLASH的输入数据存储区域。信号调制控制模块一一读入片内RAM或FLASH的发送数据暂存区域的待发送位码。分析判断电压波形数据是否在过零点附近，当条件满足时，控制发出触发脉冲，驱动可控硅调制电路，调制产生出代表一个信号位码的瞬时电流脉冲到电力网上。信号解调采样模块—-发出控制电平控制12位A/D转换芯片完成电压波形数据的采样，然后对采样数据进行数字滤波、小波变换分析等，确认是否含有远端传送过来的代表一个位码的畸变信号，存入片内RAM或FLASH的接收数据暂存区域。接收数据处理模块一一将片内RAM或FLASH的接收数据暂存区域的数据按一定的帧结构串接，然后按BCH差错控制编码方式自动纠错。产生一帧完整的接收数据送入片内RAM或FLASH输出数据存储区域。若误码率超过规定个数，则该帧数据接收失败。产生重新发送中

断，将重新发送指令发送出去，并进入重新接收该帧数据的状态。4、从机模块结构图5从机模块装置结构示意图预处理电路人谏样电路数据处理可控硅保护电路下行信号图5从机模块装置结构示意图预处理电路人谏样电路数据处理可控硅保护电路下行信号数据存储（1）、单片机控制系统采用嵌入式ARM7LPC2214/STM32F系列芯片为核心组成单片机控制系统，完成装置进行通信时的全部控制操作和信号检测分析功能。（2）、上行信号可控硅调制电路包括过零脉冲驱动电路单元和可控硅开关电路单元及相关的保护电路等，主要功能是当要发送上行信号时，由单片机控制系统跟踪电网电压，发出指令控制过零脉冲驱动电路在电压过零点附近产生触发脉冲，驱动可控硅开关电路单元导通和断开，调制出代表一个信号位码的瞬时电流脉冲，生成一个微小畸变的电压信号，耦合到配变的220V线路上。（3）下行信号采集解调电路包括电压互感器、信号预处理电路单元、以AD1674芯片为核心的12位A/D高速采样电路单元、信号处理单元等。主要功能是电压模拟信号降压变压器先将220V电压信号降压到适合电子线路接收的12V模拟电压信号。然后，在单片机控制系统指令控制下，通过预处理电路单元将下行电压信号相邻波形进行对比预处理，启动12位A/D转换电路将含有畸变信号的电压波形信号经过A/D转换高速采样处理后送入单片机系统中，经过采用现代数字信号处理技术编写的单片机控制软件进行去噪滤波和分析处理，确认是否含有主机下行信号传送过来的代表一个位码的畸变信号,检测出来的数字信号再通过纠错控制编码通信方式组合成为信息码序列，完成信息码的检测接收。（4）RS232/485接口电路标准数据接口电路。提供