陈晓娟 李松寒 隋吉生

(东北电力大学信息工程学院1，吉林 吉林 132012;吉林省电力有限公司2，吉林 长春 130021)

0 引言

为了提升电力营销市场的快速响应水平、提高客户服务的质量，应逐步建立适应市场变化、快速反映客户需求的电力营销体系。全面构建低压电力用户集中抄表系统，实现电力用户用电信息自动采集，也是智能电网建设的重要组成部分。

本文在充分研究现有国内外自动抄表方案的基础上[2－3]，结合我国电网的实际情况，设计了一种基于工频通信[4](power frequency communication，PFC)技术和GPRS技术的远程自动抄表系统。此外，为了提高通信的可靠性，将小波消噪与联合近似对角化(jointly approximate diagonalization of Eigen-matrices，JADE) 相结合的算法应用到信号检测过程中，并通过仿真分析验证了算法的可行性。

1 系统构成及工作原理

1.1 系统构成

抄表系统采用分布式体系结构。分布式体系结构分为上下2层。上层(管理中心与GPRS集中器之间)采用GPRS无线网络和Internet采集数据。GPRS是目前较好的无线传输方式，它在现有GSM网络的基础上加入分组交换功能，支持TCP/IP协议，可以与分组数据网(Internet等)直接互通，大大提高了数据传输速率和传输量。下层(GPRS集中器与采集器之间)采用工频通信PFC采集数据。PFC采用过零调制方式，具有无泄漏旁路、衰减小、无需增加中继环节、可直接跨台区进行通信、成本低、通信可靠等特点。

系统主要由集中器和采集器两大部分组成，其组成框图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 The system strucure

集中器和采集器分别介绍如下。

①集中器

GPRS集中器安装于配电变压所内，主要由集中器与GPRS无线传输模块组成。集中器负责同一台变压器下所有数据的采集、处理和上传，并可以按供电局数据采集服务器的命令执行数据抄收功能。此外，集中器还可以采集变压器的实时信息，并通过与采集终端通信以获取用户电量信息。

②采集器

贫困地区基层组织弱化，部分地方执行人员由于自身素质不高，以一副领导视察的态势对待扶贫指导工作，执行力不够。部分审查与管理专项扶贫资金部门存在管理不严，自身内部督管不力，制度不健全的不良行政现象。在利益、权势驱动下少数地区政府为了追求短期政绩，不惜大量浪费和透支扶贫资源，有的还摊指标、造数字，使得扶贫开发的收效甚微。

采集器位于配电变压器的低压侧，命令的接收和信息的发送都是在配电变压器低压回路上实现的，无需任何载波系统的耦合、转接或中继等设备。将电表脉冲的输出端接入采集器，通过记录脉冲个数来实现电量的采集。

1.2 工作原理

自动抄表系统的原理与载波抄表系统的原理相似。两者的不同之处在于，本抄表系统采用PFC将采集到的数据传送到配电变电所内的GPRS集中器，然后通过GPRS无线网络接入到Internet。该数据通过供电局的对外宽带网络进入GPRS通信服务器、数据服务器(与营销系统接口)，用户通过各供电分局的客户端可以访问数据采集数据[5]。

2 硬件设计

2.1 采集器的硬件设计

本抄表系统的采集器基于与51单片机指令兼容、运行速度快并且数据处理能力强的高速微处理器PL3105设计。PL3105是专为面向未来的开放式自动抄表、智能家电以及远程监控系统而设计的单芯片处理器。该采集器的硬件结构如图2所示。

图2 采集器硬件结构框图Fig.2 Hardware structure of the collector

通过RS-485串行通信口，可利用外设对系统进行初始化设置和数据抄录。同时，PL3105还具备红外或其他方式的通信功能，以便在采集器与外界联系中断时，采用半自动的方式进行抄表。

2.2 集中器的硬件设计

在整个系统中，集中器处于信息传递通路的中间位置，它通过上行信道与相关的管理中心通信，接收相关发送指令，并向管理中心传送相关数据。同时，集中器又通过工频通信的方式将管理中心的指令传送给采集器。其主要功能具体介绍如下。

①负责双向工频通信协议与GPRS通信协议之间的转换;

②负责数据的存储、转发;

③对用户提供透明连接;

④通信过程使用密匙校验。

鉴于以上所要实现的功能，本文所设计的集中器采用16/32位RISC的S3C2440作为微处理器。该微处理器的内核采用ARM920T。其低功耗、全静态的设计特别适合于对成本和功率敏感的抄表系统。

集中器硬件框图如图3所示。

图3 集中器硬件结构框图Fig.3 Hardware structure of the concentrator

3 信号检测

信号检测的实质就是检测信号的有无，而对调制信号本身的大小和形状并无过多要求。传统检测方法多利用数字差分技术来识别信号。该方法不能保证前后2个周期对应采样点的角度完全一致，准确性差。小波变换的方法不能有效抑制谐波的干扰，通常需加入陷波滤波器去除谐波干扰，但是陷波滤波器在低频段的系数敏感度高，使得滤波效果不理想，且会对有用信号成分造成一定的破坏。为了提高远程抄表系统的通信可靠性，必须提出一种新的信号检测方法[6－7]。

本文以上行通信信号(采集器到集中器之间的通信信号)的检测为例，采用小波与JADE相结合的算法来实现信号的检测。

3.1 小波与JADE相结合的检测算法

本算法先用小波对待处理的信号进行去噪处理，再运用JADE算法实现对工频通信信号的检测[8－9]。其具体实现步骤如下。

①对待处理的信号进行小波去噪预处理;

②对预处理过后的信号进行白化处理，求得白化矩阵;

③计算球化矩阵W的四阶累积量。

④通过优化，联合对角化球化矩阵W的4阶累积量，得到矩阵U。

3.2 仿真及结果分析

本文在上行工频通信信号数据处理前，先利用参考文献[10]介绍的三相背景电流抵消方法，即采用加权求和法，可消除绝大部分基波电流影响，同时使信号强度增加。背景电流抵消结果如图4所示。

图4 背景电流抵消结果Fig.4 The offset result for background current

含有噪声的观测信号如图5所示。

图5 含有噪声的观测信号Fig.5 The observation signals with noise

经过三相电流加权求和之后的信号，与上行调制电流信号形状相同但幅度稍有不同。因此，将此两路信号作为待观测的信号。为了更好地模拟实际电网的噪声情况，在上述两路信号中加入随机白噪声和奇次谐波。叠加后的信号频谱如图6所示

图6 含有噪声观测信号的频谱Fig.6 The frequency spectrums of observation signals with noise

小波消噪预处理采用db3小波对含噪信号进行4层分解。首先采用软阈值的方法对相应的小波分解系数进行处理;再对阈值处理后的小波系数进行重构，得到恢复原始信号的估计;然后运用JADE算法对估计值进行分离，其结果如图7所示。

图7 JADE处理结果Fig.7 Results by using JADE method

由图7可以看出，基于小波与JADE相结合的检测算法不仅能够有效地去除谐波干扰，而且能够有效地从含噪信号中提取上行信号的特征，便于信号的识别。

4 结束语

在总结现有抄表技术的基础上，结合我国的电网实际运行情况，提出一种基于PFC和GPRS技术的远程自动抄表系统。该抄表系统所采用的PFC技术保证了数据在电力线上稳定、可靠地传输，不存在电力线载波数据传输技术的信号阻塞及数据采集盲区;GPRS利用无线公网，便可实现对用电装置的实时跟踪监测，且运行成本低廉，能够实现自动切换。这种抄表系统构建简单，不受地理位置的限制，适用于用户多、位置分布散、不定期和长时间的数据采集环境，是一种经济实用的自动抄表系统。

[1]谭志强，黄懿.自动抄表技术的发展[J].电测与仪表，2009(1)：1－5.

[2]王艳，刘素英，李玉忠.低压电力载波抄表系统[J].继电器，2002(7)：48 －51.

[3]赵普琴.基于GPRS技术的无线远程抄表系统设计与实现[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2010，24(11)：89 －92.

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[10]吴斌，赵学增，滕志军.基于自适应陷波器的工频电力通信信号检测[J].电力系统自动化，2003，27(20)：35－38.