陳 穎

（國網(wǎng)四川省電力公司遂寧供電公司， 四川 遂寧 629000）

0 引言

能源是現(xiàn)代社會的生命線，電力在其中扮演著關鍵角色。了解用電行為、實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)以及提高電力供應的可靠性都是電力行業(yè)迫切需要解決的問題。隨著可再生能源的集成、電動汽車的興起以及能源網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，電力系統(tǒng)的運行和管理變得愈發(fā)復雜。因此，需要先進的信息采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)對電力供應和需求的實時跟蹤，同時改進用電負荷預測和調(diào)度。電力用電信息采集系統(tǒng)的研究和設計是為了滿足當今電力行業(yè)的需求，提高能源管理效率，促進可持續(xù)發(fā)展，以及確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。這一領域的不斷創(chuàng)新和研究對于未來的能源可持續(xù)發(fā)展至關重要，有助于建設更智能、高效、可持續(xù)的電力系統(tǒng)。

1 用電信息采集系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

電力信息采集系統(tǒng)是電力行業(yè)中的關鍵技術，用于實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和分析電力系統(tǒng)運行狀態(tài)之一[1]?，F(xiàn)狀研究表明，隨著信息技術的快速發(fā)展，電力信息采集系統(tǒng)的研究逐漸受到重視。

因此，我國電力信息采集系統(tǒng)的研究取得了顯著進展。兩大電力公司和研究機構積極開展研究，提出了一系列創(chuàng)新性方案，包括基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能電網(wǎng)信息采集系統(tǒng)、高精度數(shù)據(jù)采集，這些研究不僅提高了電力系統(tǒng)的運行效率，還為電力行業(yè)的自動化發(fā)展提供了有力支撐[2]。歐美國家也在電力信息采集系統(tǒng)領域積極探索。歐洲各國致力于構建跨國電力信息采集網(wǎng)絡，以實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置和跨國電力交易。美國則在智能電網(wǎng)技術方面投入巨資，推動了電力信息采集系統(tǒng)的研究與應用，取得了豐碩的成果。

電力信息采集系統(tǒng)的研究不僅僅關乎技術創(chuàng)新，更是推動電力行業(yè)現(xiàn)代化轉型的關鍵引擎。本文將進一步探討該領域的關鍵采集通信技術，為電力行業(yè)提供更高效、可靠的用電數(shù)據(jù)采集和管理方案，從而推動電力系統(tǒng)朝著更智能、更可持續(xù)的方向發(fā)展。

2 用電信息采集系統(tǒng)理論分析

2.1 OFDM基本原理分析

在通信系統(tǒng)中，為保證充分利用信道帶寬，通常采用多載波調(diào)制方式和頻分復用（FDM）的形式進行信號傳輸。頻分復用方式的優(yōu)勢在于，通過插入不帶數(shù)據(jù)的色彩保護帶Af，可以有效地分離子載波，防止它們之間的相互干擾。這帶來了一個顯著的好處，即子載波上的信號可以保持更長的持續(xù)時間，容易受到信號速率增加引起的線性失真的影響，這種技術的特殊應用是正交頻分復用（OFDM）。

OFDM作為一種特殊的頻率分復用方法，利用正交性原理消除了色彩保護帶，不僅繼承了傳統(tǒng)頻率分復用方法的優(yōu)點，還融合了倍數(shù)效率的特長。OFDM的調(diào)制解調(diào)原理見圖1。

圖1 OFDM 調(diào)制解調(diào)原理

該方法允許多個子承載同時傳輸不同的數(shù)據(jù)，每個子承載以這種正交的方式運行，使它們互不干擾。這種高效率的特性使得OFDM 成為許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)的首選，包括Wi-Fi、4G 和5G 移動通信。OFDM的應用不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，還提供了更好的抗干擾性能，從而提升了通信質(zhì)量和可靠性[3]。因此，OFDM技術在通信領域的迫切凸顯，為未來的通信技術發(fā)展提供了堅實的基礎。

在發(fā)送端，輸入的信號經(jīng)過正交調(diào)制（QAM）調(diào)制后，得到一串QAM序列。這個QAM序列經(jīng)過串并轉換，被分成N 個子序列。接下來，這N 個子序列經(jīng)過離散傅里葉變換（IFFT）計算，并添加另外一個循環(huán)。然后，再經(jīng)過一次并串轉換，得到了信號發(fā)送端的OFDM符號。

該OFDM符號附加被插入前導信號，然后通過電力線信道傳輸至接收端。在接收端，接收到的信號經(jīng)過解調(diào)，積分根據(jù)計算方法來獲得每個子載波攜帶的信息[4]。另外，再一次串并轉換和QAM解調(diào)的過程，最終將接收到的信號恢復成原始的發(fā)送信號。

在這個過程中，符號Xi（i=0，1，.N-1）代表N個子信道上對應的OAM調(diào)制信號。每個OFDM符號的周期為T。因此，一個完整的OFDM符號s（t）可以表示為：

式中：fi=i/T，為第i個子承載的頻率；T為一個OFDM符號的周期；fi為每個子承載的頻率。

2.2 信道建模

由于電力線路噪聲的特性，其噪聲具有隨機性和突發(fā)性的影響。通常為了進行噪聲建模，電力線路噪聲被視為高斯噪聲與脈沖噪聲的最大值。這種噪聲模型被稱為Middleton A 類噪聲模型。其概率密度函數(shù)可以表示為公式（2）：

式中：σ2為高斯噪聲的方差；ΓMA為高斯噪聲與脈沖噪聲的功率比；AMA為脈沖噪聲重疊指數(shù)；當AMA的值趨近于無窮大時，這個噪聲模型近似于高斯分布。為了方便計算和后續(xù)的建模仿真，一般會對這些參數(shù)進行設定。通?？梢詫ⅵ?的值定為1，而ΓMA和AMA的值設定為0.1。

傳統(tǒng)的自上而下的方法將電力線信道視為一個整體，利用參數(shù)的方式進行建模，這種方法因此參數(shù)較少，模型相對簡單，在實際應用中具有很強的實用性。傳統(tǒng)模型在仿真過程中未能全面考慮到所有影響信道的因素，因此導致仿真結果與實際信道行為之間存在一定的缺陷。

為了改進這個問題，M.Zimmermann 等學者提出新的算法，并對傳統(tǒng)的自上而下的方法進行了改進。他們考慮到電力線信道的多徑效應和信號傳輸過程中的衰落，提出了一種電力載波信道傳遞函數(shù)的頻域表達式：

式中：a0和a1是衰減特性因子的系數(shù)；fkp則代表了衰減特性因子的指數(shù)。該模型與Middleton A 類噪聲模型相結合，用于建立低壓電力載波的復雜模型。模型可以更全面地考慮信道中的多徑效應和信號衰減，進一步提高了對電力線信道行為的準確建模[5]。圖2 為這個組合模型，它綜合考慮了Middleton A 類噪聲和電力衰減特性，能夠更好地模擬線路信道的實際情況。

圖2 低壓電力載波信道模型

2.3 用電信息采集系統(tǒng)原理

電力信息采集系統(tǒng)具有監(jiān)測、采集和遠程查看功能，用于實時監(jiān)控計量設備的在線狀態(tài)和采集用戶用電數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)主要采集電壓、電流、電量等用電信息，通過監(jiān)測平臺幫助用戶清晰了解用電負荷的變化情況，從而促進用戶養(yǎng)成良好的用電習慣。

在通信層面，用電信息采集系統(tǒng)的結構通常分為三層。最上層是主站層，通常是云平臺或其他服務器，負責采集到的用電信息，提供遠程訪問和數(shù)據(jù)管理功能。主要是集中器，用于匯總和管理多個終端設備的數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)中轉和集中控制的作用。第三層是本地通信層，主要負責直接與終端設備交互，用于采集用電信息并傳輸?shù)郊衅骰蛑髡緦印?/p>

電力信息采集系統(tǒng)的結構如圖3 所示，它清晰地展示了不同系統(tǒng)之間的核功能。這種分層結構有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)的管理，同時也使得用戶能夠方便地訪問和分析用電數(shù)據(jù)，提高用電效率和管理能力。電力信息采集系統(tǒng)在電力行業(yè)和能源管理中發(fā)揮了重要作用，有助于實現(xiàn)能源的有效利用和管理。

圖3 用電信息采集系統(tǒng)通信層結構框

3 用電信息采集系統(tǒng)通信建模與仿真

3.1 OFDM系統(tǒng)的建模流程（見圖4）

圖4 OFDM 系統(tǒng)建模流程

首先，對于OFDM系統(tǒng)，設置一系列參數(shù)，包括子載波需要的數(shù)量、每個子載波所攜帶的比特數(shù)、保護間隔長度、信噪比等。這些參數(shù)的選擇會直接影響系統(tǒng)性能，因此需要鏈路調(diào)整滿足通信特定需求。

接下來，對信號發(fā)送部分進行建模。這一步包括建立信號源，通常通過生成需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或信息來實現(xiàn)。之后進行16QAM調(diào)制，將數(shù)字數(shù)據(jù)映射到復數(shù)符號。另外，需要循環(huán)添加另一個，以處理OFDM 信號在傳輸過程中的多徑效應，并提高信號的抗干擾性能。還需要進行信號加窗操作，以平滑信號的過渡。然后，進行并串轉換，將信號準備好以便發(fā)送。進一步，需要基于載波通信信道的特性進行建模。這包括考慮信號在電力線通信信道中傳輸時的衰落影響、多徑電場效應以及噪聲等因素。這些因素對信號的傳輸和接收都具有重要影響。

最后，在信號接收部分進行建模。接收部分會接收到來自信道的信號，并進行解調(diào)和信號處理。在接收端終止，可以通過比較接收到的信號與發(fā)送的信號來計算數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差，該步驟有助于評估系統(tǒng)的性能，并且在需要時進行錯誤修正或重傳。

整個過程中，需要綜合考慮信號處理、信道特性和誤碼率計算，以保證OFDM 系統(tǒng)在電力線路通信等應用中能夠有效地傳輸數(shù)據(jù)并維持高質(zhì)量的通信連接。這些模型和參數(shù)設置是為了優(yōu)化和改進系統(tǒng)性能，非常關鍵。

3.2 仿真分析

借助Matlab，對OFDM系統(tǒng)中添加循環(huán)遠端和加窗操作的部分進行了仿真分析，圖5 為發(fā)送端前200序號的圖示，每個信號代表二進制調(diào)制后的復數(shù)形式。

圖5 發(fā)送端星座調(diào)制后星座圖

對星座圖中信號通過16QAM解調(diào)后，即可得到二進制信號序列，從圖6 中分析對比前序信號數(shù)據(jù)，前200 位誤碼率計算結果低于6×10-5，繼續(xù)進行10次重復OFDM通訊流程驗證，誤碼率皆低于6×10-5，該分析說明這些操作下的調(diào)制和解調(diào)流程結果符合電力負載通信的基本要求，這意味著信號可以在通信中得以恢復和解碼。仿真結果表明系統(tǒng)在面對不同信道條件下也能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，保持傳輸數(shù)據(jù)較低的誤碼率，這對于電力承載通信的可靠性和穩(wěn)定性至關重要。這些仿真分析結果為系統(tǒng)性能的評估和優(yōu)化提供了有力的支持，確保在實際應用中具備高質(zhì)量的通信連接。

圖6 采集系統(tǒng)信號序列波形圖

4 結語

通過對系統(tǒng)各方面進行深入研究，本文研究與設計的電力用電采集系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對電力數(shù)據(jù)的全面采集、監(jiān)測和深度分析，從而有效保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效管理。在系統(tǒng)設計中，充分考慮了通信、信道特性和數(shù)據(jù)處理等多個關鍵因素，確保系統(tǒng)滿足電力載波通信的嚴格要求，提高通信質(zhì)量和抗干擾性。為了驗證系統(tǒng)的性能是否能夠滿足電力系統(tǒng)的需求，進行了模擬和仿真分析。通過這些分析，驗證了系統(tǒng)在實際應用中能夠穩(wěn)定可靠地運行，并對電力數(shù)據(jù)進行準確、及時地采集與監(jiān)測，這為電力系統(tǒng)的運行提供了堅實的技術支持。