基于工频通信、GSM 无线网的远程数据采集系统

曾水根 曾小龙 陈海燕

(1.国电 南京自动化股份有限公司，江苏 南京210032；2.广东火电工程总公司，广东 广州510730）

0 引言

电表数据的采集，如果使用485 总线方式，则施工布线工作量大，且网线易受人为破坏，线路损坏后，故障点不易查找，而且易受雷击和过电压的影响；大家公认最有前途的还是低压电力线通信。

采集到的数据往控制中心传送，可以选择GSM 无线网，控制中心可以是GSM 网络可及的任何一个地方，多元的距离都不会增加成本。

1 系统网络拓扑图

如图1，系统由数据采集中心和用电管理中心(即控制中心)构成，两者之间通过GSM 无线网进行通信。数据采集中心主要由集中器和终端（采集模块MRU 和继电器）组成。终端负责实时采集其所管辖的各类计量表的数值，并进行数据处理和存储，以及当接收到集中器发来的投、切电指令时对指定电能表进行投、切电操作；集中器通过低压电力线与每个终端进行通信，收集台变下所有电表数据，并通过GSM无线网传输到控制中心。

2 数据采集中心工作原理

2.1 数据采集方式比较

有的抄表系统中采用低压电力线载波通信（Low Voltage Power Line Carrier Communication，PLCC)方案，但由于PLCC 信号的自身缺点和低压线路的恶劣情况，至今没有取得理想的通讯效果。影响PLCC信号传输的主要存在以下几个因素：

1）高噪声；2）随机性和时变性；3）信号衰减大。

前两个因素制约PLCC 信号的传输距离，后一个因素决定PLCC信号的传输质量。由于低压电力线上存在诸多使PLCC 信号信噪比急剧下降的因素，使得PLCC 无法取得理想的效果[1]。

低压电力线工频通信技术(Low Voltage Power Line Power Frequen-cy Communication,PLPFC) 同传统的PLCC 相比则提供了一种可靠的通信手段，该技术采用了独特的信号调制机理，实现通信的信号频率在200-600Hz 之间，该频率接近于工频，因此通信信号在传输过程中，将不会因线路阻抗的影响而产生衰减，即不受上面三个制约PLCC 因素的影响具有极高的通信可靠性和实抄率，系统的通信不会受线路负荷、状况或结构变化的影响，可实现任意时间段内的可靠通信，且信号传输距离远，在可获得的现场距离1.5 公里信号几乎没有衰减，模拟线路达10 公里时也几乎没有衰减，因此线路上不需要安装任何中继设备，同时无需任何通信调试，所以其安装成本也比PLCC 系统大大降低。

2.2 工作原理

2.2.1 集中器信号发送与接收

集中器信号的发送与接收包括对终端的信号发送与接收和对PC机的信号发送与接收，这里讨论的是对终端的信号发送与接收。

（1）集中器信号发送

在电网电压接近负过零点时，由集中器的单向可控硅调制出一个瞬时相电流脉冲ic（大小可控可调），该电流脉冲耦合到二次变压器低压侧（220V）的漏感上，并产生一个畸变电压降emod，从而使电压波形在负过零区域产生波形畸变，该畸变在时间轴表现为Δt1和Δt2，如图2(a)所示，图中Ψ 为调制相角。

通过相对基准点不同位置调制信号，来表示要传输的信息。用两个连续工频电压周期中的一个调制信号来表示一位出站信息。如图2(b)所示，调制信号在基准位置开始的电压波形第一个负过零点处则表示信息位1，在第二个负过零点处则表示信息位0。

（2）集中器信号接收

终端将以基准点开始的两个电压波形进行全波整流后，设置三个比较电平如图3 所示。

负过零点处附近的电压波形在经过不同电平比较后，可得到t1∧t6的6 个时间信息和负过零时间信息t0，令

2.2.2 终端信号发送与接收

（1）终端信号发送

在电压接近过零点时，终端的可控硅导通，产生瞬间相电流ic，ic过零时可控硅自动断开，调制电流ic叠加在电压过零区域对应的电流波形上，可在集中器处安装的电流互感器中检测出来。

用四个连续工频电流周期中的四个调制信号共同来表示一位信息，如图4(b)所示，4 个相邻周期共有八个电压过零点，规定在第1、3、6、8 个过零点处调制的四个电流脉冲信号表示信息位1，在第2、4、5、7 处调制的四个电流脉冲信号则表示信息位0。

（2）终端信号接收

集中器从基准点开始，在电压波形过零区域设置8 个检测窗口，在每个窗口对应的电流区域采样K 个点，分别为A11－A1k、B11－B1k、…、A41－A4k、B41－B4k，如图5 所示：

3 低压电力线工频通信的实现

3.1 集中器功能模块的硬件及软件结构

系统中由集中器向用户传输信息的通道称为输出通道（Outbound Channel），其利用调制的电压波形携带信息，调制信号称为出站信号（Outbound Signal）。这部分的主要工作是在充分分析出站信号调制原理的基础上，将需要发送的二进制信息进行信源编码之后，调制到电网电压的波形上。由于电网电压相当于比较理想的恒压源，将信号调制上去具有一定的难度。由用户端到集中器的通道称为输入通道（Inbound Channel），通过电流波形的变化传输信息，调制信号称为入站信号（Inbound Signal）。这部分的主要工作是将入站信号准确地检测出来，其结果送往中央控制计算机，并时刻准备接收来自中央控制计算机的命令信息和给中央控制计算机提供电网的一些情况。所以，集中器功能模块硬件结构从大体上可以分为两大部分：出站信号调制单元、入站信号检测单元。整个硬件以微处理器为核心，加上一些外围电路组成，集中器功能模块的硬件总体构成如图6 所示：

集中器功能模块的总体软件设计采用模块化编程的思想，并以单片机C51 语言和汇编语言混合编程的方式完成整个软件设计。在通信时间内，集中器功能模块的整个程序要完成三个方面的工作：与中央控制计算机进行数据交换、调制出站信号、检测并纠错入站信号；在非通信时间段内（空闲时间段），集中器控制模块的软件主要完成两个方面的工作：搜集并判断当前时间段内电网负载电流浪涌情况和非整数次谐波频率成分，为下一组通信提供相关的有用信息，其次是时刻保持与中央控制计算机的联系，以便及时响应来自中央控制单元的命令。软件的整体流程图如图7 所示：

一个入站信息包长度为64 个比特，根据入站信号的表示方法，四个周期携带一个比特，在一个过零点处我们设定32 个采样点（采样频率定为5kHz）很容易算出一个比特的数据量和一个信息包的数据量。由于受到微处理器的主频的限制而必须采取事后处理的方式，因为对于微处理芯片而言，这样的数据量已经不小了。所以为了尽量节省运算时间，提高整个系统的传输速率，就必须在软件算法上下工夫。图8给出了入站信息检测部分的软件流程图。

3.2 终端功能模块的硬件及软件结构

终端硬件电路主要分下行电压信号接收,上行电流信号发送及终端数据转换三个部分，如图9 所示。由图可以看出，单片机是整个系统的中心，电源电路不仅给各部分供电，而且基波过零调制电力通讯的来自集中器的下行电压信号也取自电源，同样由用户终端发给集中器的上行电流信号同样也通过电源初级绕组最后上配电网返回集中器。所以说，不需在配电网上加其它任何中间设备，仅需提供220V 市电即可同与集中器进行通信。

终端装置的软件主要是配合硬件完成下行电压信号的检测、上行电流信号的发送、数据的显示、串行EEPROM 的读写时序的模拟及电表电能数的脉冲转换，终端软件系统框图如10 所示。

4 采集中心与控制中心间数据传输

采集中心和控制中心之间通过GSM 无线网进行通讯，GSM“即买即通”、通信可靠、费用低廉的GSM 无线通信网络[2]。

4.1 指令传送

控制中心可随时向需要抄表的采集中心发送抄表指令进行抄表操作，采集中心收到抄表指令后进行抄表操作，将数据通过GSM 无线网发回控制中心。

各采集中心也可定时将数据发回控制中心。

控制中心还可向指定采集系统发送指令，对指定的表进行对应操作。

4.2 数据传输

采集系统通过GSM 无线网将采集到的数据及时传送到控制中心。

5 系统特点

（1）采集系统抗干扰能力强，可靠性高，通信效率高，且安装成本低。PLPFC 技术抗干扰能力强、通信可靠，可由集中器发布冻结命令，由终端记录下不同时刻的用户用电量进行滞后传输，可完成任何时段的电量计量，不仅为电力部门准确计算线损和估计负荷提供可靠依据，也使采用老式电表进行复费率计价成为可能。PLPFC 技术不受线路负荷、结构制约的特点，安装时直接将终端投入线路，无需对原线路做任何改造，无需任何调试，便可进行正常通信。

（2）传输距离可无限远，抄表成本低。相比昂贵的人力资源成本，GSM 无线网短信服务收费低廉，控制中心只要操纵几下鼠标就完成电表数据的采集，速度快，效率高。

6 结论

本文从数据采集和传输两方面介绍远程数据采集系统的实现。将工频通信技术应用于我国低压电网的抄表系统，从实际应用情况来看，成功的克服了以往PLCC 抄表系统中存在的成本高、稳定性差的缺点，为低压电力线通信提供了可靠的数据通道，也为配电网自动化的实施提供了基础。系统除了自动抄表功能外，还增加了远程投、切电的功能，使低压用电的管理更加完善和便捷。在电力系统对自动化及实时性要求日益提高的今天，将有很广阔的应用发展前景。

［1］戴庆辉，王治超.一种新型低压载波抄表系统的设计[J].数字技术与应用，2011（12）：83-84.

［2］吴军基，王文斌，张鹏.基于GSM 短消息远程抄表系统研究[J].电力自动化设备，2006，26（4）：53-55.