光电传感器在电力抄表系统中的控制研究

陶玉春 孟德义 崔丽红 肖春秋 陶冶

摘 要：目前，在市场化经济飞速发展的背景下，因为电力抄表系统受到控制结构和信道通信的不良影响，其受控效果不完善，在这个前提下，进行光电传感器在电力抄表系统中的控制研究。通过分析主流电力抄表系统的原始控制结构，令光电传感器直接在系统主电路上设控，完善控制结构和数据传输过程，符合系统适应性需求。提出适用于电力抄表系统自动控制的光电传感器设计方法，将采集方位和采集时间嵌入JPEG图像中，统一接受光电传感器控制。针对光电传感器下的控制结构，设计电力抄表系统控制电路，介绍控制电路的抗干扰策略。选用型号为E3JM-DS7的光电传感器，集成6路驱动电路，完善控制电路功能。实验结果表明，光电传感器所提供的控制策略在电力抄表系统中的可控范围大，控制效果非常好。

关键词：光电传感器；电力抄表；系统；控制

引言

光电传感器具有反应速度快、检测灵敏度及精度较高等优点，广泛应用于目前不同领域。而由于我国每年的用电负荷都处于急剧增长当中，现在施行的每家每户都安装电表举措，大量增加了抄表人员的工作量，误抄、漏抄等现象不可避免，电力抄表系统正在逐步开发和完善当中，因此，开发利用新型高效技术进行抄表势在必行，光电传感器凭借其自身优点吸引广大研究学者的关注，且已应用于电力系统中。将光电传感器应用与高压断路器电寿命的监控系统中，利用光电传感器收集目标电流信号，然后进行加权累计处理，计算高压断路器电寿命，实验证明使用光电传感器后，有效提高了监测的精确度，保障了其安全性能，具有良好的应用前景。基于光电传感器设计路灯的自动控制系统，实现利用光电传感器自动控制路灯，具有良好的自适应性能。光电传感器的兴起提供了一种新型控制策略，一部分开发成果已在电力行业试运行。电力抄表系统的控制电路是其重要结构，光电传感器在电力抄表系统控制中的研究与应用，将对电力行业产生深远影响。本文提出基于光电传感器的电力系统自动抄表控制方法研究，实现较大范围的自动抄表控制，且具有较高的控制性能。

1光电传感器对电力抄表系统的影响

数据同控制指令的传输途径叫做信道，有上层和下层之分，上层信道与计算机建立连接，下层信道开展控制电路控制指令向计量电路传递等工作。信道通信方式多种多样，现场总线、GPRS、光纤、无线电、传感器等都可以作为通信媒介，现场总线频率控制难度大、无线电稳定性不强、光纤成本过高等问题影响着电力抄表系统的受控效果。对于采用集中控制策略的电力抄表系统来讲，主电路在电力控制中心上。对分布式控制来讲，主电路贯穿系统总线和电力控制中心，信道长，控制精准。采用分布式控制策略的电力抄表系统为主流应用，其结构用图1描述，其具有分散采集电力抄表数据的高精度优势，但设施和电路间缺少协同作业能力，采集到的电力抄表数据与其它电路无法同享，电线布局繁杂，功能扩展能力差。

光电传感器由激光光源、光学通路以及一些光电元件构成，光电传感器作用在电力抄表系统的上层信道和下层信道，控制底层数据通信，重点处理计算机与系统结构的数据交换协议，传输区间遍布系统主电路。在电力抄表系统的主电路上放置转速调节器，于转速调节器一侧发射稳定的激光光源，用二极管接入光源能量，用光学通路检测主电路中的电力抄表数据，当系统信道在数据通信中，光电传感器就会不停地输出脉冲。控制脉冲信号就是一个调节主电路转速的过程，用转速反向控制电力抄表数据的采集和传输，如图2所描述。

2光电传感器在电力抄表系统中的控制研究

2.1用于电力抄表系统的光电传感器设计方法

光电传感器最初是以JPEG（Joint Photographic Experts Group，联合图像专家小组）图像作为依据。JPEG图像是国际上第一个通用的图像压缩格式，技术水平成熟，解、编码程序少，压缩比例高，静态、动态图像同样适用。由于必须区分电力抄表数据属于哪个用户电表箱，光电传感器需要将电力抄表数据的采集方位和采集时间打印到JPEG图像上，由此提出光电传感器的设计方法。

JPEG圖像使用按序编码，编码流程如图3所示，其将电力抄表图像平均切割成行列、数均为8的数据块，也就是64个数据块，先进行横排扫描，再进行竖排扫描，将扫描数据排成一列进行离散余弦变换。变换数据输入量化设备排列成“之”字形输出，变换标准参照电力抄表系统的量化控制文件。熵值编辑器采用哈尔曼编码表将量化设备的输出改写成文本压缩数据。二值化文本压缩数据，在数据末尾嵌入电力抄表数据的采集方位和采集时间，之后进行解码，修改JPEG图像灰度，完成文字嵌入。

从图3可看出，光电传感器对电力抄表系统的影响表现在两个部分。第一部分，光电传感器直接在系统主电路上设控，延长了总线长度，方便接口使用，通过点对点通信分享电力抄表数据。电力抄表数据采用光电数字信号传输，比模拟信号传输消耗的电线长度和接口数量少很多，用电保护设施可以相应减少。传统总线分布方式与通信协议的兼容性不好，而光电传感器进行了模块化设计，符合电力抄表系统的适应性需求。

2.2光电传感器下的系统控制电路设计

光电传感器下的电力抄表系统控制电路安置在电表箱内，继电器控制电表箱通电与断电，供电电源为10V，图4是控制电路图，图4中，继电器T的额定电压为10V，最小吸合电压和释放电压分别为6.9V和1.5V，实际运转功率为150W。数据采集电路要求切断电表箱电源采集电力抄表数据，缓冲器D通过主电路连接点的通用输入输出传递出高电平，架空继电器，实现电表箱断电；通电时再传递出低电平，重置继电器，继续控制电表箱通电。电源开关采用220V家庭电源供电，应用了节能技术。

利用E3JM-DS7型号光电传感器控制电路连接，其具有耐高压、抗大电流、自动防电磁干扰等优良性能，最大感应距离为5m，可以在粉尘环境下运转。采用双列直插式封装技术，最大管脚数量为100个，双入线形式。由八个硅胶三极管构成，分别串联了八个机电电阻，采用标准作业程序，控制指令到达E3JM-DS7光电传感器并进行下一步传输时，可通过缓冲器D优先处理电力抄表数据。集成6路驱动电路，由图4可看出，电力抄表系统使用了其中3路，驱动继电器、转速调节器和数据采集电路，还可以另外加入数显屏幕、指示器和步进电机，完善电力抄表系统控制电路的个性化功能。

2.3控制电路抗干扰策略

E3JM-DS7光电传感器设计灵活，可以保护控制电路免受环境干扰，其抗干扰策略主要包括控制单指令冗余、陷阱拦截和循环定时。光电传感器控制电力抄表系统的计算机CPU调用指令是从指令码过渡到指令数，当控制电路中出现干扰，控制指令离开既定信道，指令码与指令数局部分离混合在一起，导致控制失败。在指令码与指令数的分离部位嵌入单指令冗余数据，可防止分离部位遮挡重要指令。在信道中布置陷阱，拦截混合指令，可使局部分离数据回归到原有信道中。1K的信道区间通常布置2个陷阱。当控制指令在控制电路中陷入无限循环，通过循环定时停止控制指令实施。

结语

本文研究光电传感器在电力抄表系统中的控制应用，提出了用于电力抄表自动控制的光电传感器设计方法，并设计了系统控制电路以及抗干扰策略。通过改变控制指令传输速度的对比实验，分析了光电传感器在电力抄表系统中的控制效果，实验结果表明，光电传感器控制下的电力抄表系统控制效果非常好。

参考文献

[1]陈刚，赵双双，陈铭明，等.光学电流互感器技术在电力系统中的应用[J].电气应用，2017，（20）：86-89.

[2]王建强，许鹏，谢正光，等.无线燃气表抄表系统的集中器设计与实现[J].计算机工程与设计，2016，35（5）：1624-1629.

[3]李英杰，翟瑞占，韩长伟.基于光电传感器的高压断路器电寿命在线监测系统[J].山东工业技术，2017（14）：105-115.

（作者单位：国网辽宁省电力有限公司铁岭供电公司）