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1、台区用户识别仪关键技术应用研究华北电力科学研究院有限责任公司 范荻1 李绍山2(华北电网有限公司) 李海涛2 王卫2(北京市电力公司)摘 要: 根据开发台区用户识别仪技术与性能方面的需要，提出低压电力线载波技术以及研制载波模块所要用到的关键技术，文章重点介绍应用于台区用户识别仪中的载波模块所采用的硬件电路、扩频技术与路由算法。关键词：电力载波；脉冲电流；扩频通信；信号耦合；路由算法1 引言用电管理部门为实现营销精细化管理以及完成降耗减损目标考核的需要，开展配电台区普查是一项必要的工作，而台区用户识别仪（或称查询仪、营业普查仪等）等功能仪器的使用是不可或缺的，它可以查清用户是由那台变压器、那条线
2、路、甚至于那相供电等信息，将会真实反映配电台区下每一个用户的基础数据资料，为供电部门提高台区管理提供手段。 从应用角度看，台区用户识别仪应该包括主机和手持终端，主机安装在配电变压器三相低压侧，工作人员携手持终端在用户侧开展识别工作。其设计原理就是采用脉冲电流法和FSK电力载波信号法相结合进行台区识别。识别流程如下：首先由手持终端在待识别用户侧发出一脉冲电流信号，主机端脉冲电流检测器检测到此脉冲电流信号后，显示出该信号的相别（据此可判断出该用户属于此变压器的某一相，此方法为脉冲电流法）。同时主机在对应相发出电力载波信号，手持终端若收到此载波信号，说明该用户属于此变压器；若手持终端没有收到此信号则
3、需要查看主机是否收到脉冲电流信号，若收到脉冲电流信号，则说明该用户属于此变压器；若主机没有收到脉冲电流信号则说明此用户不属于该变压器。由于脉冲电流信号不会传播到其它线路上，而且传输距离可以非常的长（理论上可无限远），所以台区用户识别仪可以准确可靠的识别所有用户，不会误判，也不存在无法识别的用户。台区用户识别仪原理如下图所示。2 载波模块采用的关键技术 通过上述台区用户识别仪的原理及识别流程的描述，低压电力线载波是其中的关键技术之一。载波模块是实现主机与手持终端之间数据交换的关键部件，又是实现从研究到应用的最优开发模式。载波模块的数据链路层通信协议应遵循高级数据链路控制（HDLC）通信协议。载波
4、模块从硬件上主要包括信号耦合电路、信号发送电路、信号接收电路，模块内软件主要包括扩频处理技术和路由算法，下面就重点对其进行介绍。2.1 低压电力线载波通讯原理设计采用直接序列扩频通信方式，使用63 位伪随机编码。所谓扩频通信这一术语，就是扩展频谱通信技术（ Spread Spectrum Communication）的含义，它的基本技术特征是被传输的信息所占用的信号带宽远大于信息本身的带宽。另外，扩频通信还具有如下特征：第一它是一种数字传输方式；第二在发送端，信号带宽的展宽是通过高码率的伪随机编码对传输信息进行调制来实现的；第三在接收端，需要使用相同的伪随机编码对扩频信号进行相关解调来还原被传
5、输的信息。扩频通信的理论依据是信息论中关于信道容量的著名定理 ，即香农（C.E.Shannon）公式：式中：C 信道容量（用信息传输速率表示）；W 信号带宽；S 信号功率;N 噪声功率；香农公式表明：当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即可以通过增大信号带宽来降低对信噪比的要求。当带宽增大到一定程度，信号功率可以接近噪声功率，甚至信号被噪声淹没的情况下，仍然能保持可靠的通信。扩频通信就是以宽带传输技术来换取信噪比上的益处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信具有以下优点： 抗干扰性强，误码率低； 抗多径干扰； 保密性强； 功率谱密度低，具有隐蔽性和截获概率低
6、； 易于实现码分多址。处理增益 GP，亦称扩频增益（Spreading Gain），是扩频通信系统的重要性能指标。处理增益 GP 定义为频谱扩展前的信息带宽 F 与频带扩展后的信号带宽 W 之比，即处理增益 GP 反映了扩频通信系统对信噪比的改善程度。一般而言扩频通信系统的扩频增益：2.2信号耦合电路（Signal Coupling Circuit）2.2.1设计目标 信号耦合电路是将载波通信单元与电力线（Powerline）连接的关键单元。其主要功能包括： 滤除 220VAC50Hz（或 110VAC60Hz）的交流信号； 抑制瞬时电压冲击（如雷击造成过电压、电网电压的浪涌和尖峰电压、及静电
7、放电电压等）； 能够高效率地将发射信号注入电力线，保证在电力线上的有效信号功率。满足相关标准对输出信号电平和谐波电平的要求； 对来自电力线上的有用信号实现最小的衰减和最佳接收； 最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，具有良好的带通滤波的功能。2.2.2 电路组成根据通信系统的载波中心频率fc270kHz的要求，信号耦合电路的设计。如图2-1所示。图2-1 信号耦合电路2.2.3 电路元器件说明在信号耦合电路中，电容 C4 和 C5 滤除交流 50Hz 信号，采用隔离变压器T2 使电力线回路和通信单元安全隔离，并由电容 C4、C5 和隔离变压器的次级线圈电感 L 构成谐振电路，实现带通滤波器（谐
8、振频率为载波中心频率）的功能。2.2.4 滤除 220VAC50Hz 的交流信号考虑到 220V50Hz 交流信号大部分降落在电容 C4和 C5上，其通过 50Hz信号电流（亦即流过次级线圈）近似为：在次级线圈上形成的 50Hz 信号电压近似为：2.2.5抑制瞬时电压冲击瞬时电压冲击（如雷击造成的过电压冲击、电网电压的浪涌和尖峰电压、某些用电设备所产生的尖峰干扰脉冲、工业火花，及静电放电电压等）会对电路系统起到破坏和干扰作用。因此，必须采取严格的防护和抑制措施。在信号耦合电路中，采用氧化锌压敏电阻器件对瞬时电压冲击进行抑制。压敏电阻的标称电压应按下式选择：考虑到压敏电阻对于雷击造成的过电压的吸
9、收，最大通流容量应大于5000A。根据分析，压敏电阻RV1选择MYG3-20K510，对于某些应用场合亦可选用 MYG3-14K420。 2.2.6 抑制通频带内的电压冲击在信号耦合电路中，利用双向瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor，即 TVS 管）对通频带内的冲击电压进行抑制。由于通信系统的发送部分的最大电源电压限制在15V之内，因此最大发送信号的峰值电压为30V。因而，TVS 管的选择如下：选取最大反向工作电压 VRM = 16V，则击穿电压 V(BR) = 19.2V；根据击穿电压，选取最大箝位电压 VC = 1.3 * V(BR) = 24.96V
10、；根据分析，TVS 管选择 P6KE22C 或 P6KE22CA即可。2.3 信号发送部分（Transmitting Section）电力线载波通信系统的信号发送部分由扩频调制信号输入、谐振功率放大器和信号耦合电路三部分组成。其主要任务是高效率地输出信号功率，并将调频（FM）信号功率有效地注入电力线。注入电力线的最大输出信号电平的二次和三次谐波分量满足相关标准。由于发送部分和接收部分的电路结构和元器件的选择使得发送部分和接收部分的相互影响较小，因此，可以对发送部分和接收部分进行独立的综合和分析。经研究和测量表明，电力线的阻抗分布在3kHz525kHz（在0.580频率范围）之间，其阻抗主要依赖
11、于用电负荷的大小、线路结构、以及配电变压器阻抗等多种因素。由于配电线路结构和配电变压器的阻抗特性相对比较稳定，因此，用电负荷的大小对电力线阻抗的变化影响较大。我们知道，用电负荷具有随机性，其主要表现为在不同的时间，用电负荷的变化，即阻抗的时变性。研究电力线的输入阻抗，对于提高信号的发送功率和有用信号的输入功率能够起到非常重要的作用。因此，在分析发送电路部分中，设定电力线的输入阻抗为 5（不考虑电抗部分）具有典型意义。发送电路的设计如图2-2所示。图2-2 发送电路原理图2.4 信号接收部分（Receiving Section）信号接收部分由信号耦合电路、带通滤波器 BPF 和模拟前端 AFE
12、三部分组成，其主要功能是对来自电力线上的扩频通信信号进行有效的接收和模拟解调。其中，信号接收电路的设计目标是提高频带内的信号接收功率（信号耦合电路设计的一部分，需要同发送部分统一设计），并最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，且使无源滤波网络的插入损耗最小。信号接收电路原理图如图2-3所示。图2-3接收电路原理图2.5扩频技术及路由算法由于我国配网用户数量多、负载特性复杂、用户用电设备对电网污染比较严重。加上我国对低压电网电能质量没有相关的强制性管理措施，有些家电类产品产生的噪声对电网的污染非常严重。因此扩频技术虽然有其优势，但仅单纯依靠硬件是无法达到较好效果的。提高电力载波的可靠性是一个综合
13、处理的过程，作为系统的基础，硬件固然重要，但相应的算法、路由等同样不容忽视。在做电力线载波试验过程中，我们发现，即使采用同样硬件电路，二次开发所采用的算法和路由技术不同，载波模块在系统中的应用效果相差很大，这充分体现了软件技术和算法的重要性。3 需要开展的其他技术研究工作应用于台区用户识别仪中的载波模块不同于应用于低压抄表系统中的载波模块，它还必须解决下面两个问题：一是在共高压、共地、及共电缆沟情况下造成误判的问题。由于传统台区识别仪仅仅采用FSK电力载波信号进行用户识别，而载波信号会通过变压器传输到高压侧，再通过高压线传输到相邻变压器，造成“串线”现象即“共高压串线”。同样原因，若相邻变压器
14、有共地情况，载波信号也会串线到相邻变压器即“共地串线”。若相邻变压器的低压电缆走同一电缆沟，电力载波信号会通过电缆间的耦合电容传播到其它变压器上，即“共电缆沟串线”。由于共高压串线、共地串线、共电缆沟串线等情况的存在，仅仅采用电力载波信号的传统台区识别仪经常会造成误判。二是对于距离长、干扰大的线路无法识别的问题。城市公变台区的供电半径在500米到2000米之间，所以台区识别仪测量距离应不小于2000米。电力载波信号是高频信号，衰减严重，无法远距离传输，使得传统台区识别仪无法识别距离长、线路干扰大的用户。那么解决上述问题可以采用脉冲电流法和FSK电力载波信号法相结合进行台区识别。因此接下来我们需
15、要研究脉冲电流法的原理与实用技术，真正开发出技术先进、实用的台区用户识别仪，服务于电力营销业务。4 结论通过上述对应用于台区用户识别仪中载波模块的关键技术，如硬件电路、软件算法以及其它需要进一步研究的技术探讨与初步实践，我们认为采用脉冲电流法和FSK电力载波信号法相结合的方法进行台区识别是完全可行的。既可以解决共高压、共地、及共电缆沟情况下造成误判的问题，也可以解决距离长、干扰大的线路无法识别的问题。相信通过进一步的试验研究就可以研制出实用的产品，从而为获得台区真实准确的基础数据资料以及实现营销精细化管理提供坚实的技术支持。参考文献：1、 Radford D. Spread-Spectrum
16、Data Leap Through AC Power Wiring J.IEEE Spectrum,19962、 EASTSOFT Reseach and Development Guide for PLCi36M Application J.2004 3、 Dostert Klaus，Powerline CommunicationsJ. 2003 4、 程晓荣，苑津莎，侯思祖等，中压宽带电力线通信接入及信道特性测试与分析J.电力系统及自动化，2005，29（14）：69-725、 王思彤，袁瑞铭，孙志杰，低压电力载波技术及其在抄表系统中的应用J.华北电力科学研究院有限责任公司优秀科技论文汇编
17、（2008年）：63-676、 中华人民共和国电力行业标准电力线载波通信设计技术规程DL/T5189-20047、 齐淑清，电力线通信(PLC)技术与应用，中国电力出版社 2005作者简介：范荻（1969 ），女，高级工程师，华北电力科学研究院有限责任公司电力系统研究所高级主管，武汉水力电力大学硕士研究生毕业，从事多年电力系统分析计算工作。邮编：100045 联系地址：北京复兴门外地藏庵南巷一号电力系统研究所 010-88071339幼课绪杀梆之听父透昨倔猾诵策蚕冻弘佩篙馒梢适方众废撮孝獭换暇饮葱碎峪挛暴夕伙葛云潘谜磕扛逞柳爷策腊蜕沥垛拢族腆鲜酒吻轮纯扣淫鲍观踪隶次中浑趁口懦烃铺哭佛比膘反闪夏
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