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文檔簡介

配電網(wǎng)雙向工頻通信裝置的研制一、前言電力網(wǎng)是規(guī)模龐大的能源供應(yīng)有線網(wǎng)絡(luò),利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)作為信道,通過電力線對連接在電網(wǎng)上的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測、控制和抄錄傳輸數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞、信息交換和自動控制,已經(jīng)成為電網(wǎng)自動化的迫切需要。由于電力線的主要功能是傳送50Hz工頻電能波形,有別于光纖、同軸電纜、雙絞線等專用的通信媒質(zhì),不能兼顧數(shù)據(jù)通信的技術(shù)要求。特別是低壓電力線,其環(huán)境是一種惡劣的信道環(huán)境,線上存在大量噪聲,負(fù)載多,配置情況復(fù)雜,信號衰減特性和干擾特性異常復(fù)雜,而且隨機(jī)性、時(shí)變性大。因此通過電力線來可靠地傳輸數(shù)據(jù),遙控監(jiān)測遠(yuǎn)端設(shè)備,技術(shù)難度很大。目前,電力線載波通信由于電網(wǎng)特性參數(shù)的隨機(jī)多變性、噪聲干擾和負(fù)載衰減等因素,效果并不理想,特別是在電網(wǎng)用電高峰期,負(fù)荷較大的時(shí)候,有效通信信號完全被噪音信號所淹沒,被負(fù)載吸收殆盡,無法進(jìn)行正常的通信。因此如何克服電力線的特性參數(shù)隨機(jī)多變性、噪聲干擾和負(fù)荷衰減等因素的影響,實(shí)現(xiàn)高可靠性遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信,為配電網(wǎng)自動化提供可靠的通信手段,成為一項(xiàng)具有十分挑戰(zhàn)性的課題。雙向工頻自動通信(TwoWayAutomaticCommunicationSystem,簡稱TWACS),是近年來為了克服上述問題而提出來的一種基于電力配電網(wǎng)絡(luò)的新型通信技術(shù)。TWACS的信號調(diào)制原理是采用工頻電壓基波過零調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào),其核心思想是利用電網(wǎng)電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息。由于雙向工頻自動通信調(diào)制信號頻率范圍一般在200hz?600hz之間。因此能夠直接跨變壓器臺區(qū)實(shí)現(xiàn)雙方的直接通信而不需要中繼環(huán)節(jié),沒有駐波和盲區(qū)現(xiàn)象。通信信號在遠(yuǎn)距離傳輸過程中,不會因線路阻抗的影響而產(chǎn)生太大的衰減,這是載波方法所無法比擬的。TWACS通信不需要改造現(xiàn)有的電力配電網(wǎng)絡(luò),無需增加中繼環(huán)節(jié),可以直接進(jìn)行跨變壓器臺區(qū)通信,這種通信方式具有低成本、信號調(diào)制功率小、抗干擾能力強(qiáng)、信號衰減小、傳輸距離遠(yuǎn)、所需設(shè)備少的特點(diǎn)。適合于傳輸速率要求不高的遠(yuǎn)距離監(jiān)測控制、自動抄錄傳輸數(shù)據(jù)和配電網(wǎng)自動化等場合,可應(yīng)用于集中抄表、無功補(bǔ)償投切自動控制、遠(yuǎn)程負(fù)荷控制管理、電力設(shè)備監(jiān)測管理等方面。具有廣泛的應(yīng)用前景和很高的實(shí)用價(jià)值。二、項(xiàng)目研究的材料與方法雙向工頻電力通信系統(tǒng)主要以配電網(wǎng)絡(luò)(220V和380V線路)為通信介質(zhì),使用50Hz作為輸入輸出信號的載波頻率通道,利用工頻電壓基波過零調(diào)制的方法,形成過零點(diǎn)附近電網(wǎng)電壓和電流波形的微弱畸變來攜帶信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)字雙向通信。由于調(diào)制信號頻率很低,因此能夠直接臺區(qū)變壓器下的通信,甚至能跨變壓器臺區(qū)實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳輸,不需改造現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)和增加中繼環(huán)節(jié),具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、信號衰減小、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),受線路阻抗、負(fù)荷或結(jié)構(gòu)變化的影響小。適合于對傳輸速率要求不高的集中抄表、無功補(bǔ)償投切控制、負(fù)荷控制管理、電力設(shè)備監(jiān)測管理等應(yīng)用領(lǐng)域。按照配電網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)際情況,雙向工頻電力通信系統(tǒng)可以分成跨變壓器臺區(qū)通信和不跨變壓器臺區(qū)通信兩大類型。本項(xiàng)目的技術(shù)解決方案是:雙向工頻自動通信(TwoWayAutomaticCommunicationSystem,簡稱TWACS),是近年來為了克服上述問題而提出來的一種基于電力配電網(wǎng)絡(luò)的新型通信技術(shù)。TWACS的信號調(diào)制原理是采用工頻電壓基波過零調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào),其核心思想是利用電網(wǎng)電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息。由于雙向工頻自動通信調(diào)制信號頻率范圍一般在200hz~600hz之間。因此能夠直接跨變壓器臺區(qū)實(shí)現(xiàn)雙方的直接通信而不需要中繼環(huán)節(jié),沒有駐波和盲區(qū)現(xiàn)象。通信信號在遠(yuǎn)距離傳輸過程中,不會因線路阻抗的影響而產(chǎn)生太大的衰減,這是載波方法所無法比擬的。TWACS通信不需要改造現(xiàn)有的電力配電網(wǎng)絡(luò),無需增加中繼環(huán)節(jié),可以直接進(jìn)行跨變壓器臺區(qū)通信,這種通信方式具有低成本、信號調(diào)制功率小、抗干擾能力強(qiáng)、信號衰減小、傳輸距離遠(yuǎn)、所需設(shè)備少的特點(diǎn)。適合于傳輸速率要求不高的遠(yuǎn)距離監(jiān)測控制、自動抄錄傳輸數(shù)據(jù)和配電網(wǎng)自動化等場合,可應(yīng)用于集中抄表、無功補(bǔ)償投切自動控制、遠(yuǎn)程負(fù)荷控制管理、電力設(shè)備監(jiān)測管理等方面。三、項(xiàng)目研究過程1、系統(tǒng)組成及基本原理雙向工頻通信系統(tǒng)的通信區(qū)域均在配電變壓器低壓一側(cè),系統(tǒng)由位于配電變壓器低壓一側(cè)的主機(jī)及位于用戶受控端的從機(jī)模塊組成,主機(jī)和從機(jī)模塊間采用半雙工通信模式。主機(jī)到從機(jī)模塊(下行信號):調(diào)制信號為微弱畸變電壓信號。由直接并聯(lián)在配電變壓器低壓側(cè)的主機(jī)可控硅調(diào)制電路進(jìn)行電壓過零調(diào)制產(chǎn)生瞬時(shí)電流脈沖,通過配變短路阻抗的效應(yīng),產(chǎn)生一微弱畸變電壓信號疊加在220V電壓上,信號隨電壓基波傳輸。用戶數(shù)據(jù)采集模塊通過檢測電壓基波的微小畸變解碼,解析主機(jī)傳送過來的信息,完成信息的接收。從機(jī)模塊到主機(jī)(上行信號):調(diào)制信號仍為微弱畸變電壓信號,與下行信號調(diào)制完全相同。由直接并聯(lián)在配電變壓器低壓側(cè)的用戶采集模塊可控硅調(diào)制電路進(jìn)行電壓過零調(diào)制產(chǎn)生瞬時(shí)電流脈沖,由于配變短路阻抗效應(yīng),產(chǎn)生一微弱畸變電壓信號疊加在220V電壓上,信號隨電壓基波傳輸,形成微弱畸變上行電壓信號。主機(jī)通過通過檢測電壓基波的微小畸變解碼,將該信號采集識別,完成信息的接收。系統(tǒng)工作原理見圖1。緝1臺區(qū)變壓器雙向工頻通信.系統(tǒng)原理圖2、信號的調(diào)制方法與耦合方式下行信號:下行信號的等效調(diào)制電路如圖2所示。圖中,LC、RC為調(diào)制電路參數(shù)。輸出信號的調(diào)制工作在主機(jī)端完成,由于主機(jī)設(shè)置在配變低壓側(cè),所以,調(diào)制電路直接并聯(lián)接在配變低壓端。圖2下行信號等效調(diào)制電路圖下行信號調(diào)制方法是:當(dāng)主機(jī)的控制系統(tǒng)跟蹤檢測電網(wǎng)電壓基波到達(dá)過零點(diǎn)前約30°時(shí),通過控制電路發(fā)送觸發(fā)脈沖導(dǎo)通可控硅調(diào)制電路,產(chǎn)生瞬間脈沖電流△,,由于配電變壓器短路阻抗LK、Rk的阻抗效應(yīng),該電流在配電變壓器形成了下行電壓調(diào)制信號emod。,emod與電網(wǎng)電壓基波的疊加使其在過零點(diǎn)前30°附近產(chǎn)生幅值畸變,當(dāng)電流Ai,降到零時(shí)可控硅自動關(guān)斷,從而完成一次調(diào)制過程。根據(jù)配電變壓器的短路阻抗參數(shù)LK、Rk,可以通過調(diào)整調(diào)制電路10、RC的值得到所要求的調(diào)制信號強(qiáng)度。由于過零調(diào)制信號的頻率范圍為工頻的3~7倍左右,因此畸變電壓信號隨電壓基波沿低壓電網(wǎng)向遠(yuǎn)方傳輸,為從機(jī)模塊所接收。下行信號調(diào)制過程的電壓電流波形變化情況如圖3所示。其中,產(chǎn)生畸變的電壓電流信號是很微小的,為了便于觀察,圖3將其畸變波形強(qiáng)度加以夸大。圖3(a)為電流波形示意圖,I為電網(wǎng)電流波形,Ai為瞬間調(diào)制脈沖電流。emod為生成的下行電壓調(diào)制信號。AT為調(diào)制時(shí)間。圖3(b)為電壓波形示意圖,U為電網(wǎng)電壓波形,V’和V"為疊加下行電壓調(diào)制信號后電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生的微小畸變。At1為可控硅在電壓過零點(diǎn)前30°附近的導(dǎo)通時(shí)間、At2為可控硅關(guān)斷后調(diào)制信號衰減的時(shí)間。圖10下行信號調(diào)制電廄電常馥強(qiáng)示意圖點(diǎn)圖我們把下行電壓基波是否攜帶畸變信號作為信息傳輸?shù)囊环N方法。為了提高傳輸效率,本項(xiàng)目擬采用曼徹斯特編碼表示方式,每相鄰兩個(gè)基波周期有變化(一個(gè)有調(diào)制信號,另一個(gè)沒有調(diào)制信號)表示“1",無變化(兩個(gè)都攜帶調(diào)制信號或兩個(gè)都沒有調(diào)制信號)表示“0"。這樣,當(dāng)接收信號時(shí),主要檢測判斷當(dāng)前電壓波形與前一個(gè)周期的波形相比是否有變化,則可確定傳送的是1或0。比原來的編碼規(guī)則傳輸效率提高了1倍。如圖4所示。

圖4下行信號表示方式上行信號:上行信號與下行信號調(diào)制一樣,采用電壓信號調(diào)制方式。且由于主從機(jī)模塊間采用半雙工通信模式,所以上下行信號之間不會造成互相干擾。上行信號的調(diào)制工作由從機(jī)模塊可控硅調(diào)制電路進(jìn)行電壓過零調(diào)制完成。上行信號調(diào)制方法與主機(jī)的下行信號調(diào)制方法完全相同。調(diào)制的信號也是微弱畸變電壓信號。調(diào)制過程的電壓電流波形變化情況與下行信號調(diào)制方法完全一樣。采用的編碼表示方式也完全相同,也是曼徹斯特編碼表示方式。這里不再重復(fù)。2、雙向工頻通信裝置基本結(jié)構(gòu)雙向工頻通信系統(tǒng)的通信區(qū)域均在配電變壓器低壓一側(cè),系統(tǒng)裝置由主從機(jī)模塊組成。主機(jī)安裝配電變壓器低壓一側(cè),從機(jī)模塊安裝在配電變壓器低壓側(cè)提供數(shù)據(jù)收發(fā)的用戶表計(jì)裝置接口位置。主機(jī)功能一一參數(shù)設(shè)置、電壓過零檢測、下行信號調(diào)制、上行信號采集解碼、與上位計(jì)算機(jī)或GPRS等連接、測試、自診斷、較時(shí)和擴(kuò)展功能。

采集模塊功能——下行信號采集解碼、子站命令接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、上行信號調(diào)制、信道測試、預(yù)置、停電數(shù)據(jù)保存。和485/232接口的用戶設(shè)備和電表通訊、和掌上電腦通訊、停電控制、在線程序更新。3、主機(jī)結(jié)構(gòu)可控硅保護(hù)電路圖5主機(jī)裝置結(jié)構(gòu)示意圖上行信號入站預(yù)處理電路A/D采樣電路可控硅保護(hù)電路圖5主機(jī)裝置結(jié)構(gòu)示意圖上行信號入站預(yù)處理電路A/D采樣電路數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲(1)、單片機(jī)控制系統(tǒng)采用嵌入式ARM7LPC2214/STM32F系列芯片為核心組成單片機(jī)控制系統(tǒng),完成裝置進(jìn)行通信時(shí)的全部控制操作和信號檢測分析功能。(2)、下行信號可控硅調(diào)制電路包括過零脈沖驅(qū)動電路單元和可控硅開關(guān)電路單元及相關(guān)的保護(hù)電路等,主要功能是當(dāng)要發(fā)送下行信號時(shí),由單片機(jī)控制系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)電壓,發(fā)出指令控制過零脈沖驅(qū)動電路在電壓過零點(diǎn)附近產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,驅(qū)動可控硅開關(guān)電路單元導(dǎo)通和斷開,調(diào)制出代表一個(gè)信號位碼的瞬時(shí)電流脈沖,生成一個(gè)微小畸變的電壓信號,直接耦合到配變的220V上。(3)上行信號采集解調(diào)電路包括電壓互感器、信號預(yù)處理電路單元、以AD1674芯片為核心的12位A/D高速采樣電路單元、信號處理單元等。主要功能是電壓互感器先將220V電壓信號降壓到適合電子線路接收的12V模擬電壓信號。然后,在單片機(jī)控制系統(tǒng)指令控制下,通過預(yù)處理電路單元將上行電壓信號相鄰波形進(jìn)行對比預(yù)處理,啟動12位A/D轉(zhuǎn)換電路將含有畸變信號的電壓波形信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換高速采樣處理后送入單片機(jī)系統(tǒng)中,經(jīng)過采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)編寫的單片機(jī)控制軟件進(jìn)行去噪濾波和分析處理,確認(rèn)是否含有用戶采集模塊的上行信號傳送過來的代表一個(gè)位碼的畸變信號,檢測出來的數(shù)字信號再通過糾錯(cuò)控制編碼通信方式組合成為信息碼序列,完成信息碼的檢測接收。RS232/485接口電路標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口電路。提供與外接上位計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口電路。軟件控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存和輸入/輸出模塊——提供接收數(shù)據(jù)和待發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存處理和與外接設(shè)備交換功能,通過RS232/485標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口與外接設(shè)備交換輸入輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)時(shí),控制接口電路按照RS232/485通信規(guī)約將片內(nèi)RAM或FLASH輸出數(shù)據(jù)存儲區(qū)域的待發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送到外接設(shè)備;當(dāng)輸入數(shù)據(jù)時(shí),控制接口電路按照RS232/485通信規(guī)約將外接設(shè)備的數(shù)據(jù)讀入存儲在片內(nèi)RAM或FLASH的輸入數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。信號調(diào)制控制模塊一一讀入片內(nèi)RAM或FLASH的發(fā)送數(shù)據(jù)暫存區(qū)域的待發(fā)送位碼。分析判斷電壓波形數(shù)據(jù)是否在過零點(diǎn)附近,當(dāng)條件滿足時(shí),控制發(fā)出觸發(fā)脈沖,驅(qū)動可控硅調(diào)制電路,調(diào)制產(chǎn)生出代表一個(gè)信號位碼的瞬時(shí)電流脈沖到電力網(wǎng)上。信號解調(diào)采樣模塊—-發(fā)出控制電平控制12位A/D轉(zhuǎn)換芯片完成電壓波形數(shù)據(jù)的采樣,然后對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、小波變換分析等,確認(rèn)是否含有遠(yuǎn)端傳送過來的代表一個(gè)位碼的畸變信號,存入片內(nèi)RAM或FLASH的接收數(shù)據(jù)暫存區(qū)域。接收數(shù)據(jù)處理模塊一一將片內(nèi)RAM或FLASH的接收數(shù)據(jù)暫存區(qū)域的數(shù)據(jù)按一定的幀結(jié)構(gòu)串接,然后按BCH差錯(cuò)控制編碼方式自動糾錯(cuò)。產(chǎn)生一幀完整的接收數(shù)據(jù)送入片內(nèi)RAM或FLASH輸出數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。若誤碼率超過規(guī)定個(gè)數(shù),則該幀數(shù)據(jù)接收失敗。產(chǎn)生重新發(fā)送中

斷,將重新發(fā)送指令發(fā)送出去,并進(jìn)入重新接收該幀數(shù)據(jù)的狀態(tài)。4、從機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖5從機(jī)模塊裝置結(jié)構(gòu)示意圖預(yù)處理電路人諫樣電路數(shù)據(jù)處理可控硅保護(hù)電路下行信號圖5從機(jī)模塊裝置結(jié)構(gòu)示意圖預(yù)處理電路人諫樣電路數(shù)據(jù)處理可控硅保護(hù)電路下行信號數(shù)據(jù)存儲(1)、單片機(jī)控制系統(tǒng)采用嵌入式ARM7LPC2214/STM32F系列芯片為核心組成單片機(jī)控制系統(tǒng),完成裝置進(jìn)行通信時(shí)的全部控制操作和信號檢測分析功能。(2)、上行信號可控硅調(diào)制電路包括過零脈沖驅(qū)動電路單元和可控硅開關(guān)電路單元及相關(guān)的保護(hù)電路等,主要功能是當(dāng)要發(fā)送上行信號時(shí),由單片機(jī)控制系統(tǒng)跟蹤電網(wǎng)電壓,發(fā)出指令控制過零脈沖驅(qū)動電路在電壓過零點(diǎn)附近產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,驅(qū)動可控硅開關(guān)電路單元導(dǎo)通和斷開,調(diào)制出代表一個(gè)信號位碼的瞬時(shí)電流脈沖,生成一個(gè)微小畸變的電壓信號,耦合到配變的220V線路上。(3)下行信號采集解調(diào)電路包括電壓互感器、信號預(yù)處理電路單元、以AD1674芯片為核心的12位A/D高速采樣電路單元、信號處理單元等。主要功能是電壓模擬信號降壓變壓器先將220V電壓信號降壓到適合電子線路接收的12V模擬電壓信號。然后,在單片機(jī)控制系統(tǒng)指令控制下,通過預(yù)處理電路單元將下行電壓信號相鄰波形進(jìn)行對比預(yù)處理,啟動12位A/D轉(zhuǎn)換電路將含有畸變信號的電壓波形信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換高速采樣處理后送入單片機(jī)系統(tǒng)中,經(jīng)過采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)編寫的單片機(jī)控制軟件進(jìn)行去噪濾波和分析處理,確認(rèn)是否含有主機(jī)下行信號傳送過來的代表一個(gè)位碼的畸變信號,檢測出來的數(shù)字信號再通過糾錯(cuò)控制編碼通信方式組合成為信息碼序列,完成信息碼的檢測接收。(4)RS232/485接口電路標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口電路。提供

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