水表、電表和氣表的抄錄是城市生活的一個大問題。傳統(tǒng)上采用的人工上門抄表方法不僅效率低，而且經(jīng)常出現(xiàn)漏抄、誤抄等現(xiàn)象。隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了自動抄表系統(tǒng)。現(xiàn)代智能化系統(tǒng)一般采用兩種：電力載波集抄和總線通信方式。由于我國的電網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)過程中，經(jīng)常會受無線電信號、電磁信號、脈沖信號的干擾，導致傳輸數(shù)據(jù)錯碼、丟碼的情況?？偩€通信方式集抄系統(tǒng)較為復(fù)雜，而且要另外鋪設(shè)通訊電纜，特別對于舊城區(qū)改造項目，就存在更大問題。工頻畸變是雙向工頻自動通信（Two Way Automatic Communication,TWAC）的簡稱，與載波通信相比具有有效傳輸距離長，通信可靠，信號可通過變壓器等優(yōu)勢。

　　1 系統(tǒng)組成

　　自動抄表系統(tǒng)一般由采集用戶電能表信息的采集終端、集中器、主站系統(tǒng)組成。采集器和集中器位于每個變壓器下，對采集器上傳數(shù)據(jù)進行管理，同時作為聯(lián)系采集器與主站的橋梁（主站是位于上層的計算機管理系統(tǒng)）?；陔p向工頻自動通信的自動抄表系統(tǒng)，其畸變信號可進行跨變壓器臺區(qū)的傳輸，位于電表附近的采集器與主站之間無需另加集中器作為連接橋梁，系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　雙向工頻自動通信系統(tǒng)由中央控制單元、子站端調(diào)制解調(diào)設(shè)備和用戶端調(diào)制解調(diào)設(shè)備組成，其原理就是利用工頻電壓基波過零調(diào)制方式實現(xiàn)通信。出站信號調(diào)制，在電壓過零點前△T/2（過零點前30度）時刻，打開調(diào)制電路圖2（a）中晶閘管，產(chǎn)生的瞬時電流耦合進工頻電壓的電流ic,引起一個電壓降emod,在 10 kV電壓E過零點處發(fā)生畸變，如圖2（b）所示。電壓畸變信號的編碼是利用相鄰兩個周期電壓波形來攜帶一位信息，利用調(diào)制位置的不同來表示"1"或 "O".入站信號調(diào)制方法與出站信號類似，只是入站信號調(diào)制是將畸變信號加于電壓過零點時刻的電流上。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　調(diào)制電路系統(tǒng)主要由濾波電路、過零檢測電路及調(diào)制電路組成。調(diào)制電路的等效電路已給出，不再討論。圖3所示硬件電路是由A1（MAX-291）、 A2（TA7504P）、A3（OP07）組成的濾波電路和過零檢測電路。A1通過改變時鐘輸入頻率可改變?yōu)V波器截止頻率，并且截止頻率為時鐘頻率的 1/100.時鐘輸入端加5 V電平的方波信號，在A1的輸入（IN）與輸出（OUT）端之間可以獲得低通濾波器的特性。A2用于平滑A1的輸出階梯狀波形，增強其效果。過零檢測電路主要由運放器OP07,4個二極管以及1個三極管組成。

　　濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。

　　畸變信號的檢測電路由前置濾波電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路組成。數(shù)據(jù)采集電路由ADl674芯片及其外圍電路組成。整個檢測系統(tǒng)是一塊 PLC24系列微處理器芯片加上必要的數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器及必要的輸入、輸出電路組成的單片機系統(tǒng)。單片機技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在此只給出如圖4所示的系統(tǒng)框圖。

　　3 信號檢測

　　信號檢測是針對反應(yīng)偏差問題的一種系統(tǒng)研究測試方法。信號檢測并不嚴格地關(guān)注感覺過程，而是強調(diào)刺激事件出現(xiàn)與否的決策判斷過程。在雷達信號檢測中常常遇到多個信號，強信號遮蔽弱信號，這時的信號檢測問題值得研究。

　　信號檢測是一個判斷過零點處有無畸變的問題。目前國內(nèi)一般采用數(shù)字差分技術(shù)（Digital Differential Technique）進行檢測，即前的采樣值與當前的采樣值進行做差運算。

　　如果F（t）=A1 sin（ω1t），T是其周期Tper的整數(shù)倍，則d（t1）≡0.從這個結(jié)果可以看出，由式（1）所描述的數(shù)字差分技術(shù)應(yīng)用到具有穩(wěn)定周期的周期信號時，其差分結(jié)果恒等于O.但由于電網(wǎng)信道環(huán)境復(fù)雜，其中充斥了大量的諧波分量和噪聲的干擾，使得理論上十分可行的數(shù)字差分技術(shù)在實際運用中效果卻并不理想。

　　小波分析是一種新興的數(shù)學分支，它是泛函數(shù)、Fourier分析、調(diào)和分析、數(shù)值分析的完美的結(jié)晶；在應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在信號處理、圖像處理、語音處理以及眾多非線性科學領(lǐng)域，它被認為是繼Fourier分析之后的又一有效的時頻分析方法。小波變換與Fourier變換相比，是一個時間和頻域的局域變換因而能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析（MultiscaleAnalysis），解決了Fourier變換不能解決的許多困難問題。

　　本文采用的小波檢測法是時頻分析的有力工具。信號x（t）的連續(xù)小波變換為：

　　式中：a為伸縮尺度因子；b為平移因子。離散小波函數(shù)ψj，k(t)可表示為：

　　為了使小波變換具有可變化的時間和頻率分辨率，需要改變a，b的大小，使小波變換具有“變焦距”的功能。實際中，廣泛應(yīng)用的是二進制離散小波，即用二進制動態(tài)采樣網(wǎng)格，a0=2，b0=1，每個網(wǎng)格點對應(yīng)的尺度為2j，而平移為2jk。由此得到的小波ψj，k(t)被稱為二進小波(DyADIc Wavelet)。

　　二進小波對信號的分析具有變焦距的作用。假定開始選擇一個放大倍數(shù)2-j，它對應(yīng)為觀測到信號的某部分內(nèi)容。如果要進一步觀看信號更小的細節(jié)，就需要增加放大倍數(shù)，即減小j值；反之，則減小放大倍數(shù)，即加大j值。任意信號都可以表示成式(5)形式：

　　j和k的取值均在±∞，意味著在所有尺度上做細化處理，補充細部特征。在用尺度的觀點分析各種信號時，超過某一特定的尺度（例如j0）后，細部特征就不再起作用了，這時可將式（5）以尺度j0為界限分成兩部分，j0以下各尺度作為細化特征的近似；j0以上的各尺度用于基本特征的提取。用濾波的觀點就是j0 以下各尺度對應(yīng)于中心頻率不同的帶通濾波器組，j0以上各尺度對應(yīng)于帶寬不同的低通濾波器組。式（5）可表示為：等式右邊部分可看作信號x（t）的尺度為2j0的逼近低頻信號；第二部分可看作是x（t）的細節(jié)高頻信號。任意一個尺度的逼近信號均可表示成下一尺度的逼近信號和細節(jié)信號之和。

　　4 仿真實驗

　　根據(jù)等效電路，在Simulink中搭建工頻畸變信號仿真電路，將兩個連續(xù)周期電壓信號的第1,3過零點處加上正向脈沖，產(chǎn)生的單相電壓畸變波形（夸張了畸變信號）如圖5所示。從仿真圖中可以直觀地看出，電壓波形的兩次畸變發(fā)生在采樣點50和150附近。

　　在兩個工頻周期（0.04 s）的時間內(nèi)取200個采樣點，利用小波基db4將畸變信號分為兩個子信號，如圖6所示，近似信號a1（即低頻信號）和細節(jié)信號d1（即高頻信號）。

　　工頻一般指市電的頻率，在我國是50Hz,其他國家也有60Hz的。國電力工業(yè)的標準頻率定為50赫茲。有些國家或地區(qū)（如美國等）則定為60赫茲。不同的頻率對電網(wǎng)供電的各方面影響是不一樣的，通常一個國家的電網(wǎng)頻率是固定的，然后所有為這個國家和地區(qū)供應(yīng)用電設(shè)備的廠家必須按照這個頻率制作設(shè)備才能正常使用。具體頻率定的多少由各個國家自己按照國際習慣定義或者自己定義。就像民用電壓也一樣，國內(nèi)用的220v,國際上日本等地方用的是110v.

　　近似信號a1與原始信號（圖5）近似；細節(jié)信號d1在采樣點50,150附近均有強烈的變化。由d1可以清晰地找到信號的畸變點，所以，以二進制小波變化的方法檢測畸變點，就是檢測細節(jié)信號上的變化，通過設(shè)定閾值，確定畸變時刻。

　　5 通信協(xié)議

　　低壓配網(wǎng)信道環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸距離有限，為保證通信的可靠性以擴大傳輸距離，在抄表系統(tǒng)采集器一端就需要用到中繼。在DL/T6 45-1997基礎(chǔ)上，使幀格式支持中繼轉(zhuǎn)發(fā)的控制，并要求幀不能過長，基本幀格式如表1所示。其中，每字節(jié)含8 b二進制碼，傳輸時加上一個起始位、一個校驗位和一個停止位，共11 b.控制碼C中，D7=O時，即是主站發(fā)出的命令幀，D6,D5控制中繼轉(zhuǎn)發(fā)，D4~DO用于功能編碼控制；D7=1時，即采集器發(fā)出的應(yīng)答幀。

　　6 結(jié)語

　　本文實現(xiàn)的工頻雙向通信下自動抄表系統(tǒng)，在電力線復(fù)雜的信道環(huán)境中具有較強的穩(wěn)定性，通信距離較傳統(tǒng)的擴頻載波抄表系統(tǒng)有明顯的提高，利用低壓電網(wǎng)作為通信介質(zhì)節(jié)省了建設(shè)系統(tǒng)的成本，是一種非常適合我國電力信道的抄表系統(tǒng)，未來將成為自動抄表系統(tǒng)的重點研究方向。