王洪亮 曹敏 劉志堅

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,昆明650224;2. 云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217)

擴頻采樣判決輸出智能電能抄表技術(shù)研究

王洪亮1曹敏2劉志堅1

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,昆明650224;2. 云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217)

國內(nèi)現(xiàn)有抄表模式主要以人工抄表為主,目前正向四表合一遠程自動抄表在線計量模式發(fā)展. 文中提出了一種擴頻采樣判決輸出的智能電能遠程集中抄表通信技術(shù),首先給出了遠程抄表系統(tǒng)架構(gòu),建立了抄表系統(tǒng)信道物理模態(tài)與數(shù)學(xué)模型,并對抄表系統(tǒng)進行了抄表直接序列擴頻通信仿真,接著實現(xiàn)了采樣判決輸出,并在干擾及衰減的前提下對信源和信宿進行了分析,最后與其它幾種通信方式進行了對比．結(jié)果表明,本研究很好地適應(yīng)了遠程集抄數(shù)據(jù)通信傳輸,保證了電能遠程抄表的可靠性、可行性和準(zhǔn)確性．對今后四表合一遠程自動抄表以及在線計量技術(shù)的深入研究有一定的理論意義和實用價值.

智能電表;擴頻采樣;判決輸出;遠程抄表

DOI 10.13443/j.cjors.2016062801

引 言

隨著電能計量趨于智能化,現(xiàn)有的電能抄表方式已不能滿足行業(yè)發(fā)展的需求,目前正向四表合一遠程自動抄表方式以及在線計量方向發(fā)展.

電能遠程集抄系統(tǒng)是國外20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一門新技術(shù)．在美國等一些發(fā)達國家已實現(xiàn)了抄表自動化．在國內(nèi),目前還是以人工抄表方式為主,雖然近幾年開展了遠程集抄系統(tǒng)的研究,然而還處于理論轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的關(guān)鍵時期,其中關(guān)鍵技術(shù)之一就是遠程集抄數(shù)據(jù)通信及在線校對技術(shù)[1-2]．

在國外,美國學(xué)者Saari H指出了遠程抄表系統(tǒng)的工作原理,Olmos L開發(fā)了一種成本較低的能量測量和分析系統(tǒng),這種智能電表可以記錄用戶電氣設(shè)備的總能量消耗．Benyoucef D研究了非侵入式電器負載監(jiān)測(Nonintrusive Appliance Load Monitoring, NALM)智能電表系統(tǒng)技術(shù)．在國內(nèi),遠程抄表通信技術(shù)的穩(wěn)定性及可靠性是最大的難題之一,此外,隨著智能化小區(qū)的發(fā)展,電能表數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度遠超想象[3].

因此,本文主要研究區(qū)域擴頻采樣判決輸出的智能電能抄表通信技術(shù)．結(jié)合智能抄表系統(tǒng)的傳輸通道,選擇了擴頻通信技術(shù)作為主要方法,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性,解決了長期困擾能源供應(yīng)部門和用戶之間的抄表難、管理難、集中度低等問題,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效、安全、精確傳輸以及遠程抄表的智能化、遠程化、網(wǎng)絡(luò)化．不僅節(jié)省了人力,達到了資源的合理優(yōu)化,還為今后四表合一遠程自動抄表的推廣有一定的指導(dǎo)意義.

1 遠程抄表系統(tǒng)架構(gòu)及模型

1.1 抄表系統(tǒng)架構(gòu)

自動遠程抄表系統(tǒng)是基于遠程計量終端對用戶電表中的數(shù)據(jù)采集分析,并通過有線或無線傳輸方式將數(shù)據(jù)送到計量基站．

抄表系統(tǒng)架構(gòu)主要由主站、終端或中心站、集中器、信道、采集器、電表組成．其中通信信道技術(shù)是遠程抄表系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵性技術(shù),實際系統(tǒng)中,還會受到來自設(shè)備、周圍環(huán)境等所產(chǎn)生的噪聲和干擾[4].

1.2 抄表系統(tǒng)信道物理模態(tài)與數(shù)學(xué)模型

電能抄表系統(tǒng)的通信過程簡單概述為信源到信道再到信宿．其中,信道會受到噪聲污染,為了提高系統(tǒng)容量,減少干擾,更有效地利用有限的信道資源,信道采用動態(tài)分配形式．抄表系統(tǒng)輸入輸出仿真波形如圖1所示．

圖1 抄表系統(tǒng)輸入輸出波形

比較輸入輸出信號,由于通信信道的延遲和加性隨機噪聲的干擾,使得通信系統(tǒng)的輸出信號比原始信號起始時間慢,存在一定幅度的失真．只要失真小于一定的閾值,不會對輸出信號在使用上造成大的影響[5-6]．文章根據(jù)實驗經(jīng)驗值,以及原始信號、一般失真和閾值三個拐點,采用非線性擬合方法擬合出信道動態(tài)方程為

10-9y″+10-3y′+y=u．

(1)

式中:u為信道輸入;y為信道輸出．此信道為一線性連續(xù)信道,信道的傳遞函數(shù)描述如下:

(2)

信道受到服從高斯正態(tài)分布的隨機加性噪聲的干擾,噪聲均值為0,方差為0.01.

數(shù)字濾波器的差分方程為

y(n)-1.6y(n-1)+0.7y(n-2)

=0.4u(n)+0.08u(n-1)+0.04u(n-2).

(3)

該數(shù)字濾波器為線性離散系統(tǒng),傳遞函數(shù)描述如式(4)所示:

(4)

2 直接序列擴頻通信

目前通信模式比較多,比如RS485總線、通用無線分組業(yè)務(wù)(GeneralPacketRadioService,GPRS)、直接序列擴頻通信 (DirectSequenceSpreadSpectrum,DS)、短距離無線通信(NearFieldCommunication,NFC)等．RS485總線需要布線到電表,故障點不易查找;GPRS通信成本費用較高,系統(tǒng)的可靠性較低;NFC方式距離短,傳輸速率很低;而DS方式保密性好,傳輸速率、可靠性、安全性高,抗衰落、抗干擾強,易于實現(xiàn)碼多分址．因此,本文選用直接序列擴頻通信模式．

Shannon信道容量公式是擴展頻譜的理論基礎(chǔ)．在平均功率有限、帶寬有限的白噪聲的連續(xù)信道中,假設(shè)發(fā)送信號的平均功率為Ps,信道高斯白噪聲的功率為Pn,則信道容量為

(5)

式中:Ps/Pn為信噪比(Signal-to-NoiseRatio,SNR);B為信道帶寬;n0為信道數(shù)．由于Pn=n0B,式(5)可改寫為

(6)

從式(6)可知:隨著信噪比的增加,信道容量也會增大;當(dāng)信道容量不變時,為降低系統(tǒng)對信噪比的要求可以通過增加帶寬來實現(xiàn),而當(dāng)信道帶寬趨于∞時,信道容量的極限值為

(7)

直接序列擴頻工作方式是采用具有高碼率的擴頻序列在發(fā)送端擴展信號的頻譜,而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴,把擴頻信號還原成原始的信號.

2.1 生成隨機待發(fā)送二進制比特序列

由于存在傳輸失真和傳輸損耗,抄表系統(tǒng)中的基帶信號無法在無線信道上進行長距離傳輸,因此需要通過載波調(diào)制將頻譜調(diào)制到適合無線信道傳輸?shù)念l帶處．文章采用二進制相移鍵控(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)調(diào)制方式[7-8],生成的50位隨機二進制比特序列即是抄表系統(tǒng)的信源部分,經(jīng)過電力線傳輸?shù)讲杉靼l(fā)射端．?dāng)U頻前,生成原始信息碼的頻率為100/7Hz,和高速率的偽隨機碼相乘后,頻率變?yōu)?00Hz,信號頻率擴大7倍，符合擴頻理論,數(shù)據(jù)有效[9-11]．?dāng)U頻調(diào)制信息源碼如圖2所示.

圖2 信息源碼

2.2 擴頻調(diào)制傳輸

擴頻調(diào)制時域波形如圖3所示．

從圖3可見,無擴頻系統(tǒng)頻率仍然是100/7Hz即0.07s出現(xiàn)變化,而擴頻系統(tǒng)是100Hz即0.01s出現(xiàn)變化,因為擴頻后頻率加快為原來的7倍.

從圖4可以看出,擴頻調(diào)制時,在基帶和4 000Hz處出現(xiàn)頻譜分量,即通過擴頻調(diào)制,把信號頻譜搬移到4 000Hz這個較高的頻率范圍內(nèi),使信號與后面的傳輸通路相匹配,將數(shù)字基帶信號變換成適合信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號[12-14]. 結(jié)果顯示,擴頻調(diào)制成功．

圖3 擴頻調(diào)制前后時域波形

圖4 擴頻調(diào)制前后信號頻譜

在信道傳輸過程中,由于電力載波通信利用小區(qū)布線進行數(shù)據(jù)采集傳輸,會受到外界產(chǎn)生的高斯白噪聲、干擾、衰減等因素的影響[15]．信號經(jīng)過加高斯白噪聲信道傳輸后,信道傳輸擴頻前后信號時域和頻域圖如圖5、6所示.

由圖6可見,受外界高斯白噪聲干擾前后的時域并未改變,而信號頻譜被擴寬,表示待傳輸信號的帶寬擴寬,為后續(xù)解擴判決輸出打下基礎(chǔ).

圖5 信道傳輸擴頻前后信號時域圖

圖6 信道傳輸擴頻前后信號頻域圖

3 解擴判決輸出

3.1 解擴

解擴后信號波形和頻譜如圖7所示．

圖7 解擴后信號波形和頻譜

接收端解擴時,將接收的信號乘以與發(fā)送端相同的偽碼,這個過程稱為偽碼同步,由圖7可見,解擴后基本還原出原信號時域波形,頻譜還原出原信號頻譜.

根據(jù)香農(nóng)信息論,給定的信道容量可以用不同帶寬和信噪比的組合來傳輸．若增加信號帶寬,就通過調(diào)整信噪比來保持信道傳輸容量不變．結(jié)合圖8所示,解擴后信號的頻譜被壓縮,功率幅度增加,符合理論分析結(jié)果．

圖8 解擴前后信號對比

3.2 判決輸出

對解擴信號采樣,并對采樣信號進行判決．因為硬判決比軟判決在譯碼性能上要損失2～3dB的增益,因此本文選用軟判決作為信道譯碼的判決方式．采樣判決輸出如圖9所示．

圖9 采樣判決輸出

軟判決處理接收信號之后,已將信號恢復(fù)為0、1的狀態(tài),至此信息源碼被恢復(fù).

最后,通過圖10所示對比輸入輸出信號可見判決輸出信號與原始信號完全一致,安全、準(zhǔn)確、可靠．

圖10 輸入輸出信號對比

3.3 性能對比分析

文章最后基于其他幾種通信方式做了實驗,并與直接序列擴頻方式做了傳輸信號抗干擾能力的性能評估對比,對比分析結(jié)果如表1所示[16]．

由表1可見,在上述常用的幾種通信方法中,DS方法保密性好、傳輸可靠性高、安全性高、傳輸信號抗干擾能力性能強,在較短的采樣時間具有很好的降噪信噪比,非常適合遠程抄表系統(tǒng)．

表1 通信性能對比分析

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)抄表模式主要以人工抄表為主,目前國內(nèi)外都在積極研究遠程抄表系統(tǒng),其中通信部分是最重要的組成部分之一,由于遠程抄表在傳輸過程中往往會存在噪聲、干擾等問題,數(shù)據(jù)的傳輸會受到較大影響,本文針對以上問題基于直接序列擴頻通信進行研究與仿真分析,并與其他方法做了對比．仿真試驗結(jié)果證明了研究方案的可靠性、可行性和準(zhǔn)確性．

本研究很好地適應(yīng)了遠程集抄數(shù)據(jù)通信及傳輸,保證了遠程計量的準(zhǔn)確性,具有一定的理論意義和實用價值,對今后四表合一在線計量技術(shù)的發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義.

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王洪亮 (1985—),男,山東人,博士、博士后,昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院碩士研究生導(dǎo)師,主要研究方向為電力物聯(lián)網(wǎng)、電能計量、弱信號檢測與處理.

曹敏 (1961—),男,山東人,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院教授級高級工程師,主要研究方向為計量測試等.

劉志堅 (1975—),男,山東人,教授,昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院碩士研究生導(dǎo)師,主要研究方向為電力系統(tǒng)分析.

Smart energy meter reading technique based on spread spectrum sampling decision

WANG Hongliang1CAO Min2LIU Zhijian1

(1.KunmingUniversityofScienceandTechnology,SchoolofElectricalEngineering,Kunming650224,China;2.YunnanPowerGridElectricResearchInstitute,Kunming650217,China)

The existing meter reading mode in China is mainly based on manual meter reading, and it is developing to the four-in-one remote automatic meter reading and on-line metering. In this paper, a smart energy reading technique based on spread spectrum sampling decision is proposed. The physical mode and mathematic model of the meter reading system channel are established. Then the meter reading system is analyzed by direct sequence spread spectrum communication, and the final decision output is sampled. Finally, the article compared with other communication methods.The result shows that the research is well adapted to the remote data collection and transmission, which ensures the reliability, feasibility and accuracy of remote meter reading. Therefore, this study has theoretical significance and practical value for the development of four-in-one remote automatic meter reading and on-line measurement technology.

smart meters; spreading sampling; decision output; remote meter reading

2016-06-28

云南省人培基金(KKSY201504055);云南省教育廳基金(KKJB201604004)

10.13443/j.cjors.2016062801

TP972

A

1005-0388(2017)01-0090-06

聯(lián)系人： 王洪亮 E-mail: whl010011@163.com

王洪亮, 曹敏, 劉志堅, 等. 擴頻采樣判決輸出智能電能抄表技術(shù)研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2017,32(1):90-95.

WANG H L, CAO M, LIU Z J, et al. Smart energy meter reading technique based on spread spectrum sampling decision[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):90-95. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016062801