楊梅

摘 要：傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表干擾的方法，沒有明確路徑損耗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致方法存在監(jiān)測(cè)效果較差、信號(hào)捕捉率較低的問題，提出一種新的干擾監(jiān)測(cè)方法。基于ZigBee技術(shù)，完成微功率無(wú)線組網(wǎng)方式的選取，通過(guò)預(yù)測(cè)無(wú)線信號(hào)在各地區(qū)的路徑損耗數(shù)據(jù)，計(jì)算各地區(qū)無(wú)線信號(hào)的分布情況，并構(gòu)建干擾監(jiān)測(cè)模型，利用頻譜分析儀測(cè)量無(wú)線通信信號(hào)的頻率，并通過(guò)電磁輻射分析儀，完成對(duì)電能表天線附近電場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究方法的監(jiān)測(cè)性能更好，且微功率通信信號(hào)捕捉率更高，綜合有效性更好。

關(guān)鍵詞：微功率;無(wú)線通信;通信信號(hào);干擾監(jiān)測(cè);ZigBee技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM62? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）09-0160-05

Research on Interference Monitoring of Micropower Wireless Communication Signals to Electric Energy Meter

Yang Mei

（Weinan Vocational and Technical College， Weinan 714000， China）

Abstract：The traditional method to monitor the interference of micro-power wireless communication signals to electricity meters does not have clear path loss data， which leads to the problem of poor monitoring effect and low signal capture rate. A new interference monitoring method is proposed. Based on ZigBee technology， complete selection of micropower wireless network mode， by predicting the wireless signal path loss data in parts of the world， in various areas of computing the distribution of the wireless signal， and build interfere with the monitor model， by using spectrum analyzer to measure the frequency of the wireless communication signals， and through the electromagnetic radiation analyzer， complete the detection of the electric field intensity near the electric energy meter antenna， the experimental results show that the research method of monitoring performance is better， and micro power signal capture rate is higher， the comprehensive effectiveness is better.

Key words：micropower; wireless communication; communication signal; interference monitoring; ZigBee technology

0 引言

微功率無(wú)線通信技術(shù)具有功耗低、通速率高、組網(wǎng)自由度高等優(yōu)點(diǎn)，因此微功率無(wú)線通信技術(shù)在電能表中的應(yīng)用，成為無(wú)線通信領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)，但也成為了電能表的干擾因素，因此針對(duì)于微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)研究，成為改進(jìn)電能表中微功率無(wú)線通信技術(shù)的重要依據(jù)[1]。微功率無(wú)線抄表技術(shù)是近年來(lái)新興起的先進(jìn)抄表技術(shù)，在使用該技術(shù)后，抄表速率得到大幅度提升，因此越來(lái)越多的電力公司重視并使用這一技術(shù)，甚至有更多的電力公司將該抄表技術(shù)設(shè)置為主體技術(shù)，其它技術(shù)設(shè)置為輔助技術(shù)。微功率無(wú)線抄表技術(shù)的快速發(fā)展，將會(huì)推進(jìn)更多地區(qū)和領(lǐng)域使用微功率無(wú)線通信產(chǎn)品[2]。

裝有微功率無(wú)線通信信號(hào)的智能電能表在運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)線通信信號(hào)的質(zhì)量下降，并且通信距離也會(huì)受到限制，當(dāng)電能表使用的開放頻段為470MHz無(wú)需授權(quán)頻段時(shí)，就可能出現(xiàn)通信中斷的情況，電能表通信信號(hào)會(huì)受到微功率無(wú)線通信信號(hào)的干擾，使電能表的工作質(zhì)量與工作效率受到嚴(yán)重影響，會(huì)給供電企業(yè)帶來(lái)巨大的損失，甚至也會(huì)給用電戶帶來(lái)一些用電故障或危險(xiǎn)。因此，當(dāng)下的微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)研究十分重要。

文獻(xiàn)[3]提出微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾研究，為分析微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)智能電表的干擾，針對(duì)國(guó)家電網(wǎng)公司企標(biāo)中對(duì)微功率無(wú)線發(fā)射機(jī)功率不超過(guò)50mW的要求，對(duì)符合該標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的無(wú)線通信信號(hào)所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)際采樣測(cè)試，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)，但是檢測(cè)準(zhǔn)確性較差;文獻(xiàn)[4]提出基于核回歸的移動(dòng)通信信號(hào)干擾評(píng)估算法研究，構(gòu)建對(duì)非參數(shù)核回歸預(yù)測(cè)模型，并改進(jìn)模型的預(yù)處理過(guò)程和預(yù)測(cè)權(quán)重，優(yōu)化窗寬和核函數(shù)參數(shù)，同時(shí)結(jié)合頻譜儀、工程移動(dòng)通信設(shè)備等專業(yè)測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，完成對(duì)實(shí)際干擾的監(jiān)測(cè)，但是該方法的監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。

針對(duì)以上問題，提出微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)研究，以提高微功率無(wú)線通信技術(shù)質(zhì)量。

1 微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)模型

基于微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建，可以從微功率無(wú)線組網(wǎng)方式、干擾監(jiān)測(cè)模型的測(cè)試原理、干擾監(jiān)測(cè)模型的測(cè)試方案3方面進(jìn)行研究分析。

1.1 微功率無(wú)線組網(wǎng)方式

基于ZigBee技術(shù)，完成微功率無(wú)線組網(wǎng)方式的選取，ZigBee技術(shù)是一種比較簡(jiǎn)單的近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，該技術(shù)主要應(yīng)用于短距離通信傳輸與遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)控制。ZigBee技術(shù)在微功率無(wú)線組網(wǎng)方式的應(yīng)用構(gòu)架如圖1所示。

微功率無(wú)線組網(wǎng)方式由應(yīng)用軟件管理控制，并運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)兩種不同方式，將通信信號(hào)傳輸?shù)轿锢韺?，利用介質(zhì)存取層與數(shù)據(jù)鏈路層，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，具有極強(qiáng)的組網(wǎng)能力，如充當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，為設(shè)備提供路由服務(wù)功能等。該技術(shù)擁有3種組網(wǎng)方式，分別是星型組網(wǎng)、樹狀組網(wǎng)以及網(wǎng)狀組網(wǎng)，3種不同的組網(wǎng)方式均屬于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)狀組網(wǎng)方式在覆蓋范圍與網(wǎng)絡(luò)自愈能力均優(yōu)于另外兩者，因此針對(duì)電能表的微功率無(wú)線通信方式，本次研究采用網(wǎng)狀組網(wǎng)方式[5]。

1.2 干擾監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建

由于無(wú)線信號(hào)具有空中衰落的性質(zhì)，導(dǎo)致微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表會(huì)產(chǎn)生干擾，無(wú)線信號(hào)的空中衰落包含快衰落、慢衰落、路徑損耗3種衰落方式，且無(wú)線通信信號(hào)的路徑損耗在各種環(huán)境條件下都會(huì)存在，其中快衰落與慢衰落是由于地理環(huán)境及其他因素，而造成的衰落速率不同的兩種衰落[6]。

為實(shí)現(xiàn)微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)測(cè)試，需要建立在無(wú)線通信信號(hào)的傳播模型的基礎(chǔ)上，利用干擾監(jiān)測(cè)模型的原理與依據(jù)，建立無(wú)線信號(hào)傳播模型，通過(guò)預(yù)測(cè)無(wú)線信號(hào)在各地區(qū)的路徑損耗數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算各地區(qū)的無(wú)線信號(hào)的分布情況。目前無(wú)線信號(hào)的傳播模型大多是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，而主要運(yùn)用的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械淖杂煽臻g模型，自由空間模型是無(wú)線通信信號(hào)傳播中最簡(jiǎn)單的模型，無(wú)線電波的損耗只與傳播距離和電波的頻率有關(guān)[7]。自由空間模型中的信號(hào)傳播計(jì)算公式如下：

式中，x表示路徑損耗;l表示距離;λ表示無(wú)線電波的波長(zhǎng)。

其中無(wú)線電波的波長(zhǎng)可以根據(jù)電波頻率進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

將公式（2）代入公式（1）中，得到數(shù)據(jù)模型為：

該模型為自由空間的數(shù)學(xué)模型，即干擾監(jiān)測(cè)模型[8]。

1.3 干擾監(jiān)測(cè)模型的測(cè)試方案

基于ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，并采用的組網(wǎng)方式。ZigBee技術(shù)的不斷普及，使基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信監(jiān)測(cè)技術(shù)得到升級(jí)完善[9]。因此本次研究建立一種室內(nèi)互聯(lián)互通的微功率無(wú)線通信模型，以測(cè)試無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾。室內(nèi)模型搭建如圖2所示。

如圖設(shè)立7個(gè)測(cè)試點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G，在每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別放置一個(gè)計(jì)量箱，并在計(jì)量箱中放入多個(gè)微功率智能電表，為模擬用戶們的實(shí)際使用情況，應(yīng)在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)之中搭建測(cè)試節(jié)點(diǎn)，圖中箭頭的連接表示節(jié)點(diǎn)連接的作用。根據(jù)自由空間模型中，無(wú)線通信信號(hào)傳輸距離與路徑損耗之間的關(guān)系，可推測(cè)能耗關(guān)系。在進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試時(shí)應(yīng)讓C、D、F、G 4點(diǎn)與A點(diǎn)的路徑損耗足夠高，以保證這4點(diǎn)與A點(diǎn)的通信需要借助B、E兩點(diǎn)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)。以此證明出，在無(wú)線通信信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸中，會(huì)有更高的路徑損耗。計(jì)算公式如下：

式中，γ表示節(jié)點(diǎn)損耗因子;L表示路徑長(zhǎng)度;t表示遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)間。

2 基于干擾模型的微功率無(wú)線通信信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)

度監(jiān)測(cè)

2.1 微功率無(wú)線信號(hào)的通信原理及干擾原理

微功率無(wú)線通信是一種利用電磁波信號(hào)，在自由空間內(nèi)傳輸信息的無(wú)線通信技術(shù)。電磁波的產(chǎn)生、改變與接收，都會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，對(duì)于微功率無(wú)線通信信號(hào)的電磁場(chǎng)如圖3所示。

圖3表示半波偶極子天線在發(fā)射或接收微功率無(wú)線通信信號(hào)時(shí)，所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。無(wú)線通信信號(hào)在轉(zhuǎn)發(fā)后會(huì)被調(diào)制成為正弦波，電壓會(huì)出現(xiàn)極性變化，導(dǎo)致電能表中天線與其它電子原件之間產(chǎn)生微弱的電場(chǎng)，而電場(chǎng)的產(chǎn)生必然會(huì)形成磁場(chǎng)，此極性變化與天線及附近原件的電流方向會(huì)在一個(gè)周期變換兩次[10]。這樣電場(chǎng)與磁場(chǎng)的變化也就呈周期性變化，并且周期與電流變化周期相同，這種周期性變化的電磁場(chǎng)，就成為了電能表的干擾源，并且會(huì)影響到電能表的穩(wěn)定性。微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾性的強(qiáng)度，與微功率無(wú)線通信信號(hào)所形成的電磁場(chǎng)存在一定關(guān)系：隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電能表的穩(wěn)定性會(huì)降低，并且隨著關(guān)系曲線斜率的降低，電能表的數(shù)值會(huì)趨近一個(gè)穩(wěn)定數(shù)，而此時(shí)電能表的穩(wěn)定性已經(jīng)受到了很大的影響，嚴(yán)重的影響了電能表的正常運(yùn)行。

2.2 470MHz微功率無(wú)線信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)試

微功率無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度與電能表的干擾性，存在一定關(guān)系。因此可以通過(guò)檢測(cè)電能表的電場(chǎng)強(qiáng)度，來(lái)完成對(duì)微功率無(wú)線通信信號(hào)電能表的干擾監(jiān)測(cè)。接下來(lái)要針對(duì)電能表中常用的470MHz微功率無(wú)線信號(hào)，進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)試。

2.2.1 微功率無(wú)線信號(hào)功率測(cè)試

為檢測(cè)電能表的電場(chǎng)強(qiáng)度，首先要測(cè)量無(wú)線信號(hào)的功率，雖然電能表的無(wú)線信號(hào)的功率會(huì)標(biāo)明出范圍，但也要經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)確定無(wú)線信號(hào)的功率，是否符合測(cè)量要求，限制范圍為470MHz～480MHz。本次研究采用高精度的專業(yè)測(cè)量?jī)x器：安捷倫E4440頻譜分析儀，該儀器可按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量無(wú)線通信信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)電能表無(wú)線通信信號(hào)功率的高精度測(cè)量。測(cè)量?jī)x器測(cè)試結(jié)果如圖4所示，其顯示數(shù)據(jù)為476.3HMz，表示該電能表達(dá)到了測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，能夠用于完成對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。

2.2.2 電能表天線附近的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試

采用德國(guó)的先進(jìn)設(shè)備，完成對(duì)電能表天線附近電場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)，該設(shè)備為PMM8053電磁輻射分析儀，電磁波由天線發(fā)射與接收，因此在天線附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，需要將設(shè)備的測(cè)試探頭放在接近電能表發(fā)射天線附近，并盡量接近天線，但不能使測(cè)試探頭與天線接觸，以避免損壞儀器，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5中設(shè)備所顯示的數(shù)值為90.05V/m，即為該設(shè)備檢測(cè)的電能表天線附近的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)電能表的場(chǎng)強(qiáng)在10V/m內(nèi)時(shí)，不會(huì)發(fā)生故障和誤差，因此可以證明該電場(chǎng)強(qiáng)度的大小已經(jīng)能對(duì)電能表產(chǎn)生較大干擾，會(huì)使電能表的穩(wěn)定性會(huì)受到一定的影響。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了驗(yàn)證本次研究方法的綜合有效性，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，與文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比3種方法，在同一微功率無(wú)線通信信號(hào)下對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)性能，比較分析研究方法的監(jiān)測(cè)能力，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6所示。

3.2 干擾監(jiān)測(cè)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

首先檢測(cè)不同方法的干擾監(jiān)測(cè)性能，通過(guò)對(duì)比不同方法的信號(hào)監(jiān)測(cè)頻率及范圍，來(lái)檢測(cè)方法的監(jiān)測(cè)性能，信號(hào)監(jiān)測(cè)范圍越大，且分布越規(guī)律，表示方法的監(jiān)測(cè)信號(hào)越穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)性能越好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可知，文獻(xiàn)[3]方法的信號(hào)頻率在-40～10Hz之間，監(jiān)測(cè)范圍較小;文獻(xiàn)[4]方法的信號(hào)頻率雖然范圍較大，但是規(guī)律性較差;而研究方法的信號(hào)頻率范圍在-40～40Hz之間，且分布規(guī)律，信號(hào)穩(wěn)定更高。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以證明，本次研究的監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)范圍與信號(hào)穩(wěn)定性上均優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，可以體現(xiàn)出研究方法在微功率無(wú)線信號(hào)監(jiān)測(cè)上的可行性與可發(fā)展性。

3.3 信號(hào)捕捉率對(duì)比實(shí)驗(yàn)

檢測(cè)不同方法的信號(hào)捕捉率，信號(hào)捕捉率可以體現(xiàn)方法監(jiān)測(cè)信號(hào)的能力，捕捉率越高表示方法的性能越好，3種方法的捕捉率如圖8所示。

通過(guò)圖8可知，文獻(xiàn)[3]方法的捕捉率始終低于70%，獻(xiàn)[4]方法的捕捉率始終低于69%，而研究方法的捕捉率在65%～96%之間，且不同時(shí)刻下均高于傳統(tǒng)方法。對(duì)微功率無(wú)線通信信號(hào)的捕捉率，可以體現(xiàn)方法監(jiān)測(cè)微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表干擾性的高效性，捕捉率數(shù)值越高，表示方法的有效性越好，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以證明，本次研究的監(jiān)測(cè)方法性能更高，這是由于該方法建立了微功率無(wú)線組網(wǎng)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微功率無(wú)線通信信號(hào)的捕捉，提高了方法捕捉信號(hào)的效率。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表的干擾監(jiān)測(cè)模型，完成對(duì)微功率無(wú)線通信信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)分析，能夠確定微功率無(wú)線通信信號(hào)會(huì)對(duì)電能表產(chǎn)生一定干擾，并給出監(jiān)測(cè)干擾的有效方法。同時(shí)將研究監(jiān)測(cè)方法與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了研究監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。本次研究方法能夠進(jìn)一步推進(jìn)微功率無(wú)線通信信號(hào)對(duì)電能表干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為研究出降低甚至阻斷干擾的方法，提供有力的依據(jù)。

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