目前，電力系統(tǒng)自動(dòng)抄表主要方式有：485總線、無(wú)線、紅外、普通電力載波、擴(kuò)頻電力載波、零相超窄帶（TURTLE）、超窄帶極低頻（UNB）及工頻過(guò)零調(diào)制（PFC）跨變壓器臺(tái)區(qū)方式等。其中，工頻過(guò)零調(diào)制遠(yuǎn)程抄表以其獨(dú)特的信號(hào)傳輸原理，可以完成以配電網(wǎng)絡(luò)為信號(hào)傳輸媒介，跨變壓器臺(tái)區(qū)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。這種抄表系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是：系統(tǒng)實(shí)施簡(jiǎn)單，信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)跨配電變壓器的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸[1]。
1 系統(tǒng)組成
圖1所示為跨變壓器臺(tái)區(qū)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)方框圖。該自動(dòng)抄表系統(tǒng)由系統(tǒng)主站與采集模塊兩部分組成。系統(tǒng)主站位于二次變電所，完成遠(yuǎn)方采集模塊的電能表數(shù)據(jù)抄收，并能上傳數(shù)據(jù)至用電管理部門。采集模塊位于用戶電能表，負(fù)責(zé)電能表脈沖數(shù)的累計(jì)，能按主站命令通過(guò)電力線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。這種抄表系統(tǒng)以配電網(wǎng)10kV及220V電力線路為通信介質(zhì)，在用戶變壓器附近不需要增加任何附加設(shè)備，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有特殊的要求，既適合架空電纜，也可用于地下線路。
跨變壓器臺(tái)區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)以半雙工方式工作，信號(hào)分為下行信號(hào)與上行信號(hào)兩部分。下行信號(hào)為電壓調(diào)制方式，以電壓過(guò)零點(diǎn)附件電壓微弱畸變來(lái)表示信息，傳輸方向從系統(tǒng)主站到遠(yuǎn)端采集模塊，代表系統(tǒng)主站的抄表命令；上行信號(hào)為電流調(diào)制方式，以電壓過(guò)零點(diǎn)附件電流脈沖來(lái)表示信息，傳輸方向從采集模塊到系統(tǒng)主站，代表電表數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)遠(yuǎn)程秒表過(guò)程如下：在變電所主站中央處理系統(tǒng)的指令下，通過(guò)系統(tǒng)主站下行信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)觸發(fā)主站調(diào)制變壓器，將主站命令以電壓信號(hào)的形式耦合到10kV母線，下行電壓調(diào)制信號(hào)隨母線電壓經(jīng)10kV/400V用戶配電變壓器傳輸至千家萬(wàn)戶，主站命令的發(fā)送到廣播方式，所有在220V同相電壓的采集模塊都可收到信號(hào)。采集模塊收到信號(hào)后，進(jìn)行地址匹配，符合地址要求的模塊返回上行信號(hào)。在采集模塊觸發(fā)系統(tǒng)的作用下，以瞬間電流脈沖變化實(shí)現(xiàn)了行信號(hào)的發(fā)送。上行電流信號(hào)是終必然會(huì)在10kV母線電流互感器上有所體現(xiàn)。主站信號(hào)采集處理系統(tǒng)從變電所10kV電流互感器上完成上行信號(hào)的檢測(cè)，以上是完成一次電表數(shù)據(jù)抄收的全過(guò)程。
2 信號(hào)調(diào)制原理
跨變壓器臺(tái)區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)信號(hào)耦合采用基波工頻過(guò)零調(diào)制方式，以過(guò)零點(diǎn)附近電網(wǎng)波形的微弱畸變來(lái)表示信息[2]。圖2（a）所示為下行電壓調(diào)制信號(hào)示意圖。通過(guò)主站調(diào)制變壓器的作用，在二次變電后母線電壓過(guò)零點(diǎn)附近產(chǎn)生瞬間脈沖電流ic，由于主變的等效漏感對(duì)該脈沖電流的阻礙，形成了下行電壓調(diào)制信號(hào)emod，emod與ic有90°的相位差。圖2(b)中emod與母線電壓的疊加使其在過(guò)零點(diǎn)前30°附近產(chǎn)生幅值畸變，反映在時(shí)間軸上，表示為Δt1和Δt2。理想的工頻通信電壓調(diào)制信號(hào)是一個(gè)周期的正弦波形emod，持續(xù)時(shí)間2～3ms，但由于主變待效參數(shù)中阻性成分的作用，再加調(diào)制信號(hào)在系統(tǒng)中的響應(yīng)，實(shí)際的調(diào)制信號(hào)為衰減的振蕩信號(hào)，持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過(guò)一個(gè)電壓周期，這樣，可以用連續(xù)的兩個(gè)電壓周期定主一位下行信號(hào)。若調(diào)制信號(hào)疊加在第1個(gè)周期電壓過(guò)零點(diǎn)附近，表示下行信號(hào)的bit“0”，那么調(diào)制信號(hào)疊加在第2個(gè)周期就表示下行電壓信號(hào)的bit“1”。過(guò)零調(diào)制信號(hào)的半功率點(diǎn)頻率范圍為200～600Hz。配電網(wǎng)的重要功能是輸送50Hz電力信號(hào)，電網(wǎng)的各次諧波也很容量沿配電網(wǎng)跨變壓器傳輸，這里剛好有效地應(yīng)用了電網(wǎng)的諧波頻段。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明；過(guò)零調(diào)制信號(hào)跨變壓器傳輸可達(dá)40km以上。
3 信號(hào)檢測(cè)原理
跨變壓器臺(tái)區(qū)電力通信中信號(hào)的檢測(cè)是一種大背景下小信號(hào)的檢測(cè)。以主站上行電流信號(hào)的檢測(cè)為例，若采集模塊在電壓過(guò)零附近調(diào)制一個(gè)50A的峰值電流信號(hào)脈沖（對(duì)應(yīng)電壓過(guò)零點(diǎn)瞬間功率很小），該電流折算到10kV母線上是50×220/10000=1.10A。而作為一個(gè)中型變電所其母線（10kV/傳輸母線）上的電流大概是1000A左右，背景信號(hào)與上行電流信號(hào)的比值接的1000：1。顯然要準(zhǔn)確地檢測(cè)出有用信號(hào)是相當(dāng)難度的，這里完全沒(méi)有考慮信號(hào)的衰減情況。下行電壓信號(hào)過(guò)零點(diǎn)附近電壓畸變率不到0.5%。檢測(cè)過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)是背景信號(hào)的去除。這里需要判別調(diào)制信號(hào)的有無(wú)，對(duì)調(diào)制信號(hào)本身的大小和形狀并無(wú)過(guò)多要求。為了檢測(cè)跨臺(tái)區(qū)抄表系統(tǒng)中的調(diào)制信號(hào)，需對(duì)所采數(shù)據(jù)預(yù)處理。預(yù)處理采用數(shù)字差分技術(shù)（Digital difference technique）。
3.1 數(shù)字差分
數(shù)字差分是用前一次的采樣值與當(dāng)前的采樣值進(jìn)行差運(yùn)算。如圖3所示，可以用方程（1）描述：
d(t1)=F(t1)-F(t1-T) （1）
如果，F(xiàn)（t）=A1Sin(ω1t),T是電力信號(hào)周期，當(dāng)無(wú)調(diào)制信號(hào)時(shí)，d(t1)=0。從這個(gè)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(hào)時(shí)，其差分結(jié)果恒等于零。這種方法，很容易實(shí)現(xiàn)下行信號(hào)的背景消除。同時(shí)可以減弱電網(wǎng)中整數(shù)次諧波信號(hào)的影響。
圖3對(duì)應(yīng)下行信號(hào)的bit“0”，調(diào)制信號(hào)emod疊加在第一周期的電壓過(guò)零點(diǎn)，使其電壓微弱形變，顯然差分的結(jié)果d(t1)=emod。但由于各種家用電器的影響及電力負(fù)載開(kāi)關(guān)的切換，再加上電網(wǎng)中的各種非整次諧波的干擾，數(shù)字差分所得emod往往淹沿在噪聲中，影響一次抄表成功率。
跨變壓器臺(tái)區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)中調(diào)制信號(hào)的波形特征已知，抄表過(guò)程中僅僅需要判別在電壓過(guò)零點(diǎn)附過(guò)近有無(wú)信號(hào)，這是一種基于先驗(yàn)知識(shí)的信號(hào)檢測(cè)，可以采用匹配濾波技術(shù)。
3.2 匹配濾波
對(duì)于單頻率的周期信號(hào)，窄帶濾波器可以使輸出濾波器的信噪比大大提高。但對(duì)于非周期信號(hào)，窄帶濾波器不一定是最佳的。對(duì)于確定的輸入信號(hào)s(t)，可以設(shè)計(jì)一定是最佳的。對(duì)于確定的輸入信號(hào)s(t)，可以設(shè)計(jì)一種匹配于待測(cè)信號(hào)的濾波器，這就是匹配濾波器。理論證明，當(dāng)讓加性白噪聲與信號(hào)通過(guò)匹配濾波器時(shí)，濾波器輸出信噪比達(dá)到最大。匹配濾波器脈沖響應(yīng)函數(shù)與待測(cè)信號(hào)s(t)成徑向?qū)ΨQ，即h(t)=ks（t-t0）。這里，h(t)是濾波器系統(tǒng)函數(shù)，k為系統(tǒng)增益，t0是待測(cè)信號(hào)待續(xù)時(shí)間。令
表示調(diào)制信號(hào)的功率，白噪聲的功率譜密度為N0/2，那么由匹配濾波原理可推出：輸出信噪比
。可見(jiàn)，增加跨臺(tái)區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間以提高發(fā)送信號(hào)的功率有利于接收端信號(hào)的檢測(cè)。匹配濾波器在時(shí)域上等同于互相關(guān)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更容易，而且互相關(guān)運(yùn)算與卷積運(yùn)算只有符號(hào)的差異，可以采用FFT快速算法實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)[3,4]。
采集模塊與主站分別采用不同的方法得到互相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)于采集模塊而言，可以在用戶端采樣，多周期同步累加去除干擾測(cè)得主站調(diào)制的下行信號(hào)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于采集模塊存儲(chǔ)器中用于匹配濾波；對(duì)于主站而言，因?yàn)椴煌牟杉K有很大的分散性（元器件、安裝位置），不能采用同一濾波常數(shù)。采集模塊所發(fā)送上行信號(hào)前面有前導(dǎo)位，用于主站確定采集信號(hào)的窗口位置，同時(shí)自適應(yīng)地調(diào)整匹配濾波器的參數(shù)。
?
3.3 差錯(cuò)控制編碼技術(shù)
配電網(wǎng)的主要功能是傳輸電路，并不是為電力通信設(shè)計(jì)，信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)遇到各種干擾。其中，影響最大的是電網(wǎng)中的脈沖噪聲。脈沖噪聲具有瞬間、高能量、覆蓋頻率范圍廣的特點(diǎn)。當(dāng)抄表系統(tǒng)被脈沖噪聲干擾時(shí)，前面幾種信號(hào)處理辦法均無(wú)能為力，需借助糾錯(cuò)編碼技術(shù)。所謂糾錯(cuò)編碼，也叫差錯(cuò)控制編碼。其基本實(shí)現(xiàn)方法是在發(fā)送端將被傳輸?shù)男畔⒋a元附上一些監(jiān)督碼元，這些多余的碼元與信息碼位之間有某種確定的約束規(guī)則（由生成多項(xiàng)式確定）。接收端按照既定的規(guī)則校驗(yàn)信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸發(fā)生差錯(cuò)，則信息碼元與監(jiān)督碼元的關(guān)系就受到破壞，從而接收端可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤乃至糾正錯(cuò)誤[6]。漢明碼是常見(jiàn)的差錯(cuò)控制編碼之一。本通信系統(tǒng)采用內(nèi)嵌校驗(yàn)和的（63，51）BCH碼。該碼具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以糾正數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的1位及2位錯(cuò)誤，對(duì)于3位及3位以上錯(cuò)誤能夠給出錯(cuò)誤標(biāo)志。抄表系統(tǒng)可根據(jù)標(biāo)志位重發(fā)抄表命令。
