扩频采样判决输出智能电能抄表技术研究

王洪亮 曹敏 刘志坚

(1.昆明理工大学电力工程学院,昆明650224;2. 云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

扩频采样判决输出智能电能抄表技术研究

王洪亮1曹敏2刘志坚1

(1.昆明理工大学电力工程学院,昆明650224;2. 云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

国内现有抄表模式主要以人工抄表为主,目前正向四表合一远程自动抄表在线计量模式发展. 文中提出了一种扩频采样判决输出的智能电能远程集中抄表通信技术,首先给出了远程抄表系统架构,建立了抄表系统信道物理模态与数学模型,并对抄表系统进行了抄表直接序列扩频通信仿真,接着实现了采样判决输出,并在干扰及衰减的前提下对信源和信宿进行了分析,最后与其它几种通信方式进行了对比．结果表明,本研究很好地适应了远程集抄数据通信传输,保证了电能远程抄表的可靠性、可行性和准确性．对今后四表合一远程自动抄表以及在线计量技术的深入研究有一定的理论意义和实用价值.

智能电表;扩频采样;判决输出;远程抄表

DOI 10.13443/j.cjors.2016062801

引 言

随着电能计量趋于智能化,现有的电能抄表方式已不能满足行业发展的需求,目前正向四表合一远程自动抄表方式以及在线计量方向发展.

电能远程集抄系统是国外20世纪90年代发展起来的一门新技术．在美国等一些发达国家已实现了抄表自动化．在国内,目前还是以人工抄表方式为主,虽然近几年开展了远程集抄系统的研究,然而还处于理论转化为实际应用的关键时期,其中关键技术之一就是远程集抄数据通信及在线校对技术[1-2]．

在国外,美国学者Saari H指出了远程抄表系统的工作原理,Olmos L开发了一种成本较低的能量测量和分析系统,这种智能电表可以记录用户电气设备的总能量消耗．Benyoucef D研究了非侵入式电器负载监测(Nonintrusive Appliance Load Monitoring, NALM)智能电表系统技术．在国内,远程抄表通信技术的稳定性及可靠性是最大的难题之一,此外,随着智能化小区的发展,电能表数据传输网络的复杂程度远超想象[3].

因此,本文主要研究区域扩频采样判决输出的智能电能抄表通信技术．结合智能抄表系统的传输通道,选择了扩频通信技术作为主要方法,提高了数据传输的可靠性、稳定性,解决了长期困扰能源供应部门和用户之间的抄表难、管理难、集中度低等问题,实现了数据的高效、安全、精确传输以及远程抄表的智能化、远程化、网络化．不仅节省了人力,达到了资源的合理优化,还为今后四表合一远程自动抄表的推广有一定的指导意义.

1 远程抄表系统架构及模型

1.1 抄表系统架构

自动远程抄表系统是基于远程计量终端对用户电表中的数据采集分析,并通过有线或无线传输方式将数据送到计量基站．

抄表系统架构主要由主站、终端或中心站、集中器、信道、采集器、电表组成．其中通信信道技术是远程抄表系统中的一项关键性技术,实际系统中,还会受到来自设备、周围环境等所产生的噪声和干扰[4].

1.2 抄表系统信道物理模态与数学模型

电能抄表系统的通信过程简单概述为信源到信道再到信宿．其中,信道会受到噪声污染,为了提高系统容量,减少干扰,更有效地利用有限的信道资源,信道采用动态分配形式．抄表系统输入输出仿真波形如图1所示．

图1 抄表系统输入输出波形

比较输入输出信号,由于通信信道的延迟和加性随机噪声的干扰,使得通信系统的输出信号比原始信号起始时间慢,存在一定幅度的失真．只要失真小于一定的阈值,不会对输出信号在使用上造成大的影响[5-6]．文章根据实验经验值,以及原始信号、一般失真和阈值三个拐点,采用非线性拟合方法拟合出信道动态方程为

10-9y″+10-3y′+y=u．

(1)

式中:u为信道输入;y为信道输出．此信道为一线性连续信道,信道的传递函数描述如下:

(2)

信道受到服从高斯正态分布的随机加性噪声的干扰,噪声均值为0,方差为0.01.

数字滤波器的差分方程为

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

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

(3)

该数字滤波器为线性离散系统,传递函数描述如式(4)所示:

(4)

2 直接序列扩频通信

目前通信模式比较多,比如RS485总线、通用无线分组业务(GeneralPacketRadioService,GPRS)、直接序列扩频通信 (DirectSequenceSpreadSpectrum,DS)、短距离无线通信(NearFieldCommunication,NFC)等．RS485总线需要布线到电表,故障点不易查找;GPRS通信成本费用较高,系统的可靠性较低;NFC方式距离短,传输速率很低;而DS方式保密性好,传输速率、可靠性、安全性高,抗衰落、抗干扰强,易于实现码多分址．因此,本文选用直接序列扩频通信模式．

Shannon信道容量公式是扩展频谱的理论基础．在平均功率有限、带宽有限的白噪声的连续信道中,假设发送信号的平均功率为Ps,信道高斯白噪声的功率为Pn,则信道容量为

(5)

式中:Ps/Pn为信噪比(Signal-to-NoiseRatio,SNR);B为信道带宽;n0为信道数．由于Pn=n0B,式(5)可改写为

(6)

从式(6)可知:随着信噪比的增加,信道容量也会增大;当信道容量不变时,为降低系统对信噪比的要求可以通过增加带宽来实现,而当信道带宽趋于∞时,信道容量的极限值为

(7)

直接序列扩频工作方式是采用具有高码率的扩频序列在发送端扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把扩频信号还原成原始的信号.

2.1 生成随机待发送二进制比特序列

由于存在传输失真和传输损耗,抄表系统中的基带信号无法在无线信道上进行长距离传输,因此需要通过载波调制将频谱调制到适合无线信道传输的频带处．文章采用二进制相移键控(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)调制方式[7-8],生成的50位随机二进制比特序列即是抄表系统的信源部分,经过电力线传输到采集器发射端．扩频前,生成原始信息码的频率为100/7Hz,和高速率的伪随机码相乘后,频率变为100Hz,信号频率扩大7倍，符合扩频理论,数据有效[9-11]．扩频调制信息源码如图2所示.

图2 信息源码

2.2 扩频调制传输

扩频调制时域波形如图3所示．

从图3可见,无扩频系统频率仍然是100/7Hz即0.07s出现变化,而扩频系统是100Hz即0.01s出现变化,因为扩频后频率加快为原来的7倍.

从图4可以看出,扩频调制时,在基带和4 000Hz处出现频谱分量,即通过扩频调制,把信号频谱搬移到4 000Hz这个较高的频率范围内,使信号与后面的传输通路相匹配,将数字基带信号变换成适合信道传输的已调信号[12-14]. 结果显示,扩频调制成功．

图3 扩频调制前后时域波形

图4 扩频调制前后信号频谱

在信道传输过程中,由于电力载波通信利用小区布线进行数据采集传输,会受到外界产生的高斯白噪声、干扰、衰减等因素的影响[15]．信号经过加高斯白噪声信道传输后,信道传输扩频前后信号时域和频域图如图5、6所示.

由图6可见,受外界高斯白噪声干扰前后的时域并未改变,而信号频谱被扩宽,表示待传输信号的带宽扩宽,为后续解扩判决输出打下基础.

图5 信道传输扩频前后信号时域图

图6 信道传输扩频前后信号频域图

3 解扩判决输出

3.1 解扩

解扩后信号波形和频谱如图7所示．

图7 解扩后信号波形和频谱

接收端解扩时,将接收的信号乘以与发送端相同的伪码,这个过程称为伪码同步,由图7可见,解扩后基本还原出原信号时域波形,频谱还原出原信号频谱.

根据香农信息论,给定的信道容量可以用不同带宽和信噪比的组合来传输．若增加信号带宽,就通过调整信噪比来保持信道传输容量不变．结合图8所示,解扩后信号的频谱被压缩,功率幅度增加,符合理论分析结果．

图8 解扩前后信号对比

3.2 判决输出

对解扩信号采样,并对采样信号进行判决．因为硬判决比软判决在译码性能上要损失2～3dB的增益,因此本文选用软判决作为信道译码的判决方式．采样判决输出如图9所示．

图9 采样判决输出

软判决处理接收信号之后,已将信号恢复为0、1的状态,至此信息源码被恢复.

最后,通过图10所示对比输入输出信号可见判决输出信号与原始信号完全一致,安全、准确、可靠．

图10 输入输出信号对比

3.3 性能对比分析

文章最后基于其他几种通信方式做了实验,并与直接序列扩频方式做了传输信号抗干扰能力的性能评估对比,对比分析结果如表1所示[16]．

由表1可见,在上述常用的几种通信方法中,DS方法保密性好、传输可靠性高、安全性高、传输信号抗干扰能力性能强,在较短的采样时间具有很好的降噪信噪比,非常适合远程抄表系统．

表1 通信性能对比分析

4 结 论

传统抄表模式主要以人工抄表为主,目前国内外都在积极研究远程抄表系统,其中通信部分是最重要的组成部分之一,由于远程抄表在传输过程中往往会存在噪声、干扰等问题,数据的传输会受到较大影响,本文针对以上问题基于直接序列扩频通信进行研究与仿真分析,并与其他方法做了对比．仿真试验结果证明了研究方案的可靠性、可行性和准确性．

本研究很好地适应了远程集抄数据通信及传输,保证了远程计量的准确性,具有一定的理论意义和实用价值,对今后四表合一在线计量技术的发展有一定的指导意义.

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王洪亮 (1985—),男,山东人,博士、博士后,昆明理工大学电力工程学院硕士研究生导师,主要研究方向为电力物联网、电能计量、弱信号检测与处理.

曹敏 (1961—),男,山东人,云南电网公司电力科学研究院教授级高级工程师,主要研究方向为计量测试等.

刘志坚 (1975—),男,山东人,教授,昆明理工大学电力工程学院硕士研究生导师,主要研究方向为电力系统分析.

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);云南省教育厅基金(KKJB201604004)

10.13443/j.cjors.2016062801

TP972

A

1005-0388(2017)01-0090-06

联系人： 王洪亮 E-mail: whl010011@163.com

王洪亮, 曹敏, 刘志坚, 等. 扩频采样判决输出智能电能抄表技术研究[J]. 电波科学学报,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