摘要：随着我国电力系统的飞速发展，传统的粗放型管理暴露出了诸多弊端， 科学化、责任化、精细化成为了对配电变压器台区管理最新的管理标准。为了快速、准确、方便的梳理低压网络线路的供电关系，低压线路分支--用户的识别装置应运而生。目前市面上的识别装置多采用FSK调试方式，该技术由于其本身的原理性缺陷，仅能台区与用户的关系，且在实际使用中已经不能满足现场复杂的需求，因此提出一种基于低频过零通信与脉冲电流相结合的检测技术。 一方面该技术可有效避免FSK调试方式带来的缺陷，使识别更加准确、高效，另一方面该技术也使低压线路网络的精确度从“变—户”提高至“分支开关—户”。同时考虑信息采集的海量性，该装置引入PAD的数据处理技术，实现海量信息的智能采集，使数据易于接入管理平台。
关键词：低频载波；FSK；分支识别；PAD
概述：为满足电力公司需求，快速梳理户变关系。诸多公司开始研制台区识别装置，一时间各种台区识别仪充斥着电力仪器市场。这些仪器台区识别原理上采用的是FSK调制方式，这种方式在理想的实验室环境下或者短距离的测试中确实有明显的效果。但是，现场的环境复杂多变很可能存在以下问题1、多台变压器短距离下共高压的情况，电力载波就会存在一定概率的串扰，这种问题是这种FSK调制方式所不能解决的。2、在农村或者山区当变压器与用户之间的距离过长，由于载波信号的衰减，这种技术同样不能很好的适用。3、在输电线路上有多条电缆共用一条电缆沟，载波信号将很有可能产生并行传输串扰，导致测试失败。4、多数现场安装了集中抄表系统，该系统大多同样采用了FSK调制方式来采集电能表数据，如果识别装置的频率与该系统的频率相同或者接近时将不仅影响仪器本身的测试，还将影响集抄系统的数据采集。基于此问题，提出一种基于低频过零通信与脉冲电流相结合的检测技术，该技术可有效解决FSK调制方式的缺陷，做到准确、高速、有效的识别户变关系。同时考虑信息采集的海量性，引入PAD的数据处理功能，将PAD与电力企业的营销系统进行数据交互，实现海量信息的智能采集，使数据易于接入管理平台。
一、FSK的原理及缺陷
FSK是频移键控调制的简写，就是用不同的频率来分别来表示不同的信息，也就是说当传输信息“0”时波形频率将变为f1,当传输信息为“0”时波形将变为f2。
利用载波调频法实现的FSK信号，原理框图如下1-1所示：
图1-1 FSK调制原理框图
由上图可以看出，基带信号输入后分为两路，一路接选通开关，另一路经过反相器后再接选通开关。由振荡器f1和f2产生的两路频率不同的信号分别接入到选通开关。最后从选通开关输出的两路信号经过相加器得到FSK已调信号。
例如当基带信号为低电平，其表示的信息为“0”时，基带信号不能使选通开关1打开，这时第一路信号输入选通开关1，选通开关1将没有信号输入到相加器内。而这时基带信号经过反相器后输入第二路选通开关2，选通开关2打开，信号f2，通过选通开关2输入到相加器。反之，当基带信号为高电平时，信号f1将通过选通开关输入到相加器。两路信号通过相加器后就可以得到FSK已调信号。波形如下图1所示：
图1 FSK已调波形
这种载波信息的传输方式虽然可以实现台区识别的功能，但是其缺点是频带的利用率较低，传输速率低，抗干扰性能不佳，在复杂的布线现场，很可能造成共高压串扰，共地串扰、并行传输串扰等问题，其结果直接影响台区识别的准确性，给户变关系的梳理带来很大麻烦。
二．低频载波的基本原理及优势
考虑到分支识别装置的应用环境为50Hz，220V的交流输电。因此直接利用输电线缆的频率，对其进行过零载波的调制将会是一种不错的选择。在交流电压波形过零时刻附近，控制可控硅对电压波形进行短时间的短接，这样完整的正弦电压波形将形成一个微小的畸变，利用有波形畸变的来表示信息“1”，没有畸变的来表示信息“0”。利用这种调制方式，电压的正弦波形将携带着一个序列的数据。
利用低频过零载波调制实现信号传输，原理框图如下图2所示：
图2过零载波调制原理框图
由上图可以看出，变压器转换出的220V，50Hz的交流电进行波形整形之后分为两部分，分别进入分压单元和电压过零检测单元，电压过零检测电压把过零点信号传输到CPU，CPU经过计算后，输出控制信号到过零调制单元，在过零调制单元，对电压波形在过零点附近进行短接，使波形产生畸变，用这个畸变的波形变换来进行信息的传递。
这种载波方式的特点是低速、稳定、抗干扰能力强、无串扰、传输距离远，特别适合于台区识别的这种场合，可有效避免FSK调制方式带来的不稳定、串扰、距离短等问题，在现场复杂环境下有效通讯距离可达3km以上，足以覆盖一个超大型台区。
三．低频载波电路设计
由于其载波原理是基于在过零点附近控制可控硅导通使电压波形的产生畸变，在可控硅导通瞬间其通过的电流将产生瞬间的突变，如果电路设计不合理很可能对可控硅造成损坏。在导通时间的控制上也是十分讲究的，这依赖于长时间的现场测试经验，导通时间过长，直接结果就是造成通过可控硅的电流过大，烧坏设备保险，甚至烧毁可控硅元器件。而导通时间过短将会存在波形畸变太小，经过长距离的输电线路传输后载波信号很可能被淹没，导致信号检测单元无法正确识别此信号。低频载波调制电路原理图如图3所示
图3 过零载波调制原理图
由上图可以看出，通过过零检测的信号通过电阻R7输入到三极管Q3的基极，用于控制光耦U1的导通与关闭。可控硅Q1接在220V交流电的两端，用于调制电压的正弦波形。需要传输信号“1”时，过零检测单元检测到波形将过零点时，导通信号将输入到光耦U1控制可控硅Q1导通，此时电压的正弦波形走向将直接降到0V，形成波形畸变。要保证畸变信号的有效性，在传输线路中不能被淹没，又不能畸变时间过长造成电路元器件损坏，现场经验表明短接3ms是比较合适的选择。通道时间结束后，CPU将发出截至信号，截止信号将控制可控硅关闭，波形恢复正常，此时所表示的信息为“0”。信号检测单元检测到此畸变后，检查波形携带信息若与规约对应，则说明信息传递成功。
四．脉冲电流检测技术的应用
当分机通过低频过零载波检测出台区和相别结果后，分机通过控制可控硅导通发送脉冲电流。主机检测到脉冲电流信号后，再通过过零载波通讯方式发送一帧含有台区，相别，和分支结果的信息发送给分机，分机接收测试结果。主机为了同时检测分支，采用2片DSP+1片STM32组合，实现系统工作，高速处理芯片DSP只负责脉冲电流检测，STM32负责显示和汇总信息结果，这样就提高了脉冲电流的采样准确率，并且提高了工作效率，使装置更加快速的确定用户所在分支。
主机对脉冲电流的的检测，采用自动程控增益放大器对信号进行放大。放大后的信号经过调理后输入AD进行采样计算。
DSP对电流信号同步采样计算，找出某一路中的电流信号，通过比对分析计算出有效分支号。
图 5接收模块原理图
五．电压及电流信号的消噪调理
电压、电流信号接收模块中背景信号抵消是非常重要的部分，否则就可能出现误判、错判或识别不出的问题。所以必须做到既抵消背景信号，又不使调制信号淹没于噪声中。我们采用将有调制信号的相与相邻相求差，第三相移相 90°并放大 3 倍后与之求和的方法。电路如下图 5所示。
输入信号和经 R-C 移相后的信号作为运放的差动输入信号，这样可在输入端产生稳定的相移。当 W1 和 C 选定后，运放差动输入端间的相角随着输入信号的频率改变而改变。可克服负载变化时，移相也变化这个缺点。
六．海量信息的智能采集设计
电力企业的分支与户的信息采集，涉及几百万以上的海量的数据，人工采集，无论是前期的信息收集还是后期的数据整理，都将耗费大量的人力物力，同时海量信息的人工采集，人为的错误难以避免，这又将进一步加大了海量信息采集的工作量，因此装置引入PAD，利用PAD的数据处理功能，实现电力企业的营销信息与装置的数据交互，杜绝采集信息的人工记录。一方面避免人工采集海量信息出现的信息紊乱等异常，确保采集的准确率100%；另一方面也使采集智能化、简便化，节约人力物力至少70%以上。
七．结论
通过比较FSK载波调制和低频过零载波调制后，发现基于低频过零载波的低压网络线路智能识别装置在户变区别台区识别这方面应用有着明显的优势。独特的利用波形畸变来携带信息方式，叠加在低频的交流信号上，在信号稳定性和传输距离方面有着很大优势。合理的电路设计结合丰富的现场经验可以将这项技术的优势发挥到最大。针对在分支识别现场的共高压、共电缆沟、距离远、负载重、干扰大等问题可有效避免，为分支与户的区分带来很大的方便。
参考文献：
[1]电力线扩频载波通信技术及其应用，哈尔滨工业出版社，2000
[2]现代通信原理与技术，西安电子科技大学出版社，2002
[3]通信原理，国防工业出版社，1995
[4]数字信号处理教程，清华大学出版社，1995
作者简介：
刘丽珠 , 女,高级经济师，本科，学士学位，从事计量线损工作21年。
论文作者:刘丽珠
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：信号论文; 载波论文; 波形论文; 畸变论文; 低频论文; 电流论文; 信息论文; 《电力设备》2017年第34期论文;