楊梅

摘 要：傳統(tǒng)監(jiān)測微功率無線通信信號對電能表干擾的方法，沒有明確路徑損耗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致方法存在監(jiān)測效果較差、信號捕捉率較低的問題，提出一種新的干擾監(jiān)測方法。基于ZigBee技術(shù)，完成微功率無線組網(wǎng)方式的選取，通過預(yù)測無線信號在各地區(qū)的路徑損耗數(shù)據(jù)，計算各地區(qū)無線信號的分布情況，并構(gòu)建干擾監(jiān)測模型，利用頻譜分析儀測量無線通信信號的頻率，并通過電磁輻射分析儀，完成對電能表天線附近電場強(qiáng)度的檢測，實驗結(jié)果表明，研究方法的監(jiān)測性能更好，且微功率通信信號捕捉率更高，綜合有效性更好。

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

中圖分類號：TM62? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，因此微功率無線通信技術(shù)在電能表中的應(yīng)用，成為無線通信領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，但也成為了電能表的干擾因素，因此針對于微功率無線通信信號對電能表的干擾監(jiān)測研究，成為改進(jìn)電能表中微功率無線通信技術(shù)的重要依據(jù)[1]。微功率無線抄表技術(shù)是近年來新興起的先進(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)。微功率無線抄表技術(shù)的快速發(fā)展，將會推進(jìn)更多地區(qū)和領(lǐng)域使用微功率無線通信產(chǎn)品[2]。

裝有微功率無線通信信號的智能電能表在運(yùn)行時，會導(dǎo)致無線通信信號的質(zhì)量下降，并且通信距離也會受到限制，當(dāng)電能表使用的開放頻段為470MHz無需授權(quán)頻段時，就可能出現(xiàn)通信中斷的情況，電能表通信信號會受到微功率無線通信信號的干擾，使電能表的工作質(zhì)量與工作效率受到嚴(yán)重影響，會給供電企業(yè)帶來巨大的損失，甚至也會給用電戶帶來一些用電故障或危險。因此，當(dāng)下的微功率無線通信信號對電能表的干擾監(jiān)測研究十分重要。

文獻(xiàn)[3]提出微功率無線通信信號對電能表的干擾研究，為分析微功率無線通信信號對智能電表的干擾，針對國家電網(wǎng)公司企標(biāo)中對微功率無線發(fā)射機(jī)功率不超過50mW的要求，對符合該標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的無線通信信號所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度進(jìn)行理論計算和實際采樣測試，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)微功率無線通信信號對電能表的干擾監(jiān)測，但是檢測準(zhǔn)確性較差;文獻(xiàn)[4]提出基于核回歸的移動通信信號干擾評估算法研究，構(gòu)建對非參數(shù)核回歸預(yù)測模型，并改進(jìn)模型的預(yù)處理過程和預(yù)測權(quán)重，優(yōu)化窗寬和核函數(shù)參數(shù)，同時結(jié)合頻譜儀、工程移動通信設(shè)備等專業(yè)測量儀器實測獲得的數(shù)據(jù)，完成對實際干擾的監(jiān)測，但是該方法的監(jiān)測時間較長。

針對以上問題，提出微功率無線通信信號對電能表的干擾監(jiān)測研究，以提高微功率無線通信技術(shù)質(zhì)量。

1 微功率無線通信信號對電能表的干擾監(jiān)測模型

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

1.1 微功率無線組網(wǎng)方式

基于ZigBee技術(shù)，完成微功率無線組網(wǎng)方式的選取，ZigBee技術(shù)是一種比較簡單的近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(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)在微功率無線組網(wǎng)方式的應(yīng)用構(gòu)架如圖1所示。

微功率無線組網(wǎng)方式由應(yīng)用軟件管理控制，并運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層通過兩種不同方式，將通信信號傳輸?shù)轿锢韺?，利用介質(zhì)存取層與數(shù)據(jù)鏈路層，實現(xiàn)對通信干擾信號的監(jiān)測。ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實際應(yīng)用中，具有極強(qiáng)的組網(wǎng)能力，如充當(dāng)節(jié)點進(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，因此針對電能表的微功率無線通信方式，本次研究采用網(wǎng)狀組網(wǎng)方式[5]。

1.2 干擾監(jiān)測模型的構(gòu)建

由于無線信號具有空中衰落的性質(zhì)，導(dǎo)致微功率無線通信信號對電能表會產(chǎn)生干擾，無線信號的空中衰落包含快衰落、慢衰落、路徑損耗3種衰落方式，且無線通信信號的路徑損耗在各種環(huán)境條件下都會存在，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]。

為實現(xiàn)微功率無線通信信號對電能表的干擾監(jiān)測測試，需要建立在無線通信信號的傳播模型的基礎(chǔ)上，利用干擾監(jiān)測模型的原理與依據(jù)，建立無線信號傳播模型，通過預(yù)測無線信號在各地區(qū)的路徑損耗數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)來計算各地區(qū)的無線信號的分布情況。目前無線信號的傳播模型大多是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，而主要運(yùn)用的是經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械淖杂煽臻g模型，自由空間模型是無線通信信號傳播中最簡單的模型，無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傳播計算公式如下：

式中，x表示路徑損耗;l表示距離;λ表示無線電波的波長。

其中無線電波的波長可以根據(jù)電波頻率進(jìn)行計算，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)測模型[8]。

1.3 干擾監(jiān)測模型的測試方案

基于ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)微功率無線通信信號對電能表的監(jiān)測監(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)的無線通信監(jiān)測技術(shù)得到升級完善[9]。因此本次研究建立一種室內(nèi)互聯(lián)互通的微功率無線通信模型，以測試無線通信信號對電能表的干擾。室內(nèi)模型搭建如圖2所示。

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

式中，γ表示節(jié)點損耗因子;L表示路徑長度;t表示遠(yuǎn)距離傳輸時間。

2 基于干擾模型的微功率無線通信信號電場強(qiáng)

度監(jiān)測

2.1 微功率無線信號的通信原理及干擾原理

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

圖3表示半波偶極子天線在發(fā)射或接收微功率無線通信信號時，所產(chǎn)生的電磁場。無線通信信號在轉(zhuǎn)發(fā)后會被調(diào)制成為正弦波，電壓會出現(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，而電場的產(chǎn)生必然會形成磁場，此極性變化與天線及附近原件的電流方向會在一個周期變換兩次[10]。這樣電場與磁場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，就成為了電能表的干擾源，并且會影響到電能表的穩(wěn)定性。微功率無線通信信號對電能表的干擾性的強(qiáng)度，與微功率無線通信信號所形成的電磁場存在一定關(guān)系：隨著電場強(qiáng)度的增加，電能表的穩(wěn)定性會降低，并且隨著關(guān)系曲線斜率的降低，電能表的數(shù)值會趨近一個穩(wěn)定數(shù)，而此時電能表的穩(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微功率無線信號電場強(qiáng)度的測試

微功率無線信號產(chǎn)生的電場強(qiáng)度與電能表的干擾性，存在一定關(guān)系。因此可以通過檢測電能表的電場強(qiáng)度，來完成對微功率無線通信信號電能表的干擾監(jiān)測。接下來要針對電能表中常用的470MHz微功率無線信號，進(jìn)行電場強(qiáng)度的測試。

2.2.1 微功率無線信號功率測試

為檢測電能表的電場強(qiáng)度，首先要測量無線信號的功率，雖然電能表的無線信號的功率會標(biāo)明出范圍，但也要經(jīng)過實際測量來確定無線信號的功率，是否符合測量要求，限制范圍為470MHz～480MHz。本次研究采用高精度的專業(yè)測量儀器：安捷倫E4440頻譜分析儀，該儀器可按照國際標(biāo)準(zhǔn)，測量無線通信信號的頻率，實現(xiàn)電能表無線通信信號功率的高精度測量。測量儀器測試結(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)到了測量標(biāo)準(zhǔn)，能夠用于完成對電場強(qiáng)度的測量。

2.2.2 電能表天線附近的電場強(qiáng)度測試

采用德國的先進(jìn)設(shè)備，完成對電能表天線附近電場強(qiáng)度的檢測，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強(qiáng)度最強(qiáng)，需要將設(shè)備的測試探頭放在接近電能表發(fā)射天線附近，并盡量接近天線，但不能使測試探頭與天線接觸，以避免損壞儀器，測試結(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)備檢測的電能表天線附近的電場強(qiáng)度。當(dāng)電能表的場強(qiáng)在10V/m內(nèi)時，不會發(fā)生故障和誤差，因此可以證明該電場強(qiáng)度的大小已經(jīng)能對電能表產(chǎn)生較大干擾，會使電能表的穩(wěn)定性會受到一定的影響。

3 實驗研究

3.1 實驗?zāi)康?/p>

為了驗證本次研究方法的綜合有效性，進(jìn)行對比實驗，與文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行對比，通過對比3種方法，在同一微功率無線通信信號下對電能表的干擾監(jiān)測性能，比較分析研究方法的監(jiān)測能力，實驗設(shè)備如圖6所示。

3.2 干擾監(jiān)測性能對比實驗

首先檢測不同方法的干擾監(jiān)測性能，通過對比不同方法的信號監(jiān)測頻率及范圍，來檢測方法的監(jiān)測性能，信號監(jiān)測范圍越大，且分布越規(guī)律，表示方法的監(jiān)測信號越穩(wěn)定，監(jiān)測性能越好，實驗結(jié)果如圖7所示。

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

3.3 信號捕捉率對比實驗

檢測不同方法的信號捕捉率，信號捕捉率可以體現(xiàn)方法監(jiān)測信號的能力，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，且不同時刻下均高于傳統(tǒng)方法。對微功率無線通信信號的捕捉率，可以體現(xiàn)方法監(jiān)測微功率無線通信信號對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，通過實驗數(shù)據(jù)可以證明，本次研究的監(jiān)測方法性能更高，這是由于該方法建立了微功率無線組網(wǎng)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對微功率無線通信信號的捕捉，提高了方法捕捉信號的效率。

4 結(jié)語

通過建立微功率無線通信信號對電能表的干擾監(jiān)測模型，完成對微功率無線通信信號電場強(qiáng)度的監(jiān)測分析，能夠確定微功率無線通信信號會對電能表產(chǎn)生一定干擾，并給出監(jiān)測干擾的有效方法。同時將研究監(jiān)測方法與傳統(tǒng)監(jiān)測方法進(jìn)行對比實驗，通過實驗數(shù)據(jù)證明了研究監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢。本次研究方法能夠進(jìn)一步推進(jìn)微功率無線通信信號對電能表干擾監(jiān)測技術(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)。

參考文獻(xiàn)

[1]王毅，段大程，程昊，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的低壓電力線載波通信信號調(diào)制識別研究[J].電測與儀表，2016，53（11）：51-55.

[2]馬曉奇，趙宇東，邵濱，等.基于OFDM的低壓電力線載波通信和微功率無線通信的雙模通信的低壓集抄系統(tǒng)[J].科技通報，2016，32（6）：80-83.

[3]張建偉，楊昊，趙永輝，等.微功率無線通信信號對電能表的干擾研究[J].電測與儀表，2016，53（S1）：106-110.

[4]李燕龍，李尚坤，丁勇，等.基于核回歸的移動通信信號干擾評估算法研究[J].計算機(jī)仿真，2016（8）：189-192.

[5]馮凌，魏東，歐習(xí)洋，等.無線通信在高壓配電線路電能計量裝置的應(yīng)用[J].電測與儀表，2016，53（19）：72-76.

[6]劉栓.無線網(wǎng)中基于接收信號強(qiáng)度的位置校驗系統(tǒng)研究[J].控制工程，2018，25（11）：2109-2114.

[7]宋國林，忽嘵偉，陳景召.一種無線通信信號超窄帶濾波方法的改進(jìn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（30）：253-257.

[8]宋鑫，宋建成，田慕琴，等.基于無線跳頻通訊的液壓支架工作狀態(tài)無線采集和監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2016，29（9）：1457-1463.

[9]周桃云，梁平元，成運(yùn)，等.面向?qū)崟r監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的通信協(xié)議[J].測繪科學(xué)，2016（9）：181-185.

[10]呂英杰，徐文靜，劉鷹，等.基于密碼技術(shù)的智能電能表軟件備案與比對系統(tǒng)設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（11）：3604-3608.