可重構(gòu)無線智能電表的自動化調(diào)制通信系統(tǒng)

洪 濤

（山西工商學(xué)院，太原 030006）

0 引言

智能電表是電網(wǎng)建設(shè)工程中最為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備之一，同時承擔(dān)原始電能數(shù)據(jù)計量、傳輸與采集的任務(wù)，是實現(xiàn)傳輸信息展示與信息集成進展的重要先決條件。除此之外，智能電表還具備傳統(tǒng)電能表的所有計量與檢測能力，能夠在適應(yīng)復(fù)雜配網(wǎng)環(huán)境的同時，對電信號參量進行雙向處理，從而實現(xiàn)對用戶端電量消耗能力的有效控制[1]。智能電表設(shè)備的應(yīng)用需參考現(xiàn)代通信、電能信息數(shù)據(jù)采集等多項處理技術(shù)，通常情況下，其應(yīng)用步驟應(yīng)遵循先采集用戶電壓，再進行通信量計算的操作流程。

隨配網(wǎng)建設(shè)環(huán)境的日益復(fù)雜，電能表所承擔(dān)的數(shù)據(jù)計量與通信互動任務(wù)量也在逐漸增大，這也是導(dǎo)致電信號數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性下降的最直接原因[2]。傳統(tǒng)ZigBee型通信系統(tǒng)在電能采集電路的支持下，對各項數(shù)據(jù)傳輸信息進行及時的統(tǒng)籌與計量，再通過ZigBee無線通信程序，將這些信息參量反饋至相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中。然而此系統(tǒng)并不能根據(jù)數(shù)據(jù)任務(wù)的計量與互動需求，為其分配可靠的信息傳輸通道，很難實現(xiàn)對信息傳輸可靠性的穩(wěn)定維護。為解決此問題，設(shè)計可重構(gòu)無線智能電表的自動化調(diào)制通信系統(tǒng)，借助主控制器核心電路與驅(qū)動繼電器芯片，對通信信號調(diào)制模塊進行初步調(diào)試，再遵循冗余性條件的約束能力，得到準(zhǔn)確的通信調(diào)制時延量數(shù)值。

1 自動化調(diào)制通信系統(tǒng)硬件設(shè)計

自動化調(diào)制通信系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由主控制器核心電路、驅(qū)動繼電器芯片、通信信號調(diào)制模塊三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 主控制器核心電路

主控制器核心電路可提供自動化調(diào)制通信系統(tǒng)所需的一切電量傳感信號，從而在Vin與VC電子傳輸端之間形成獨立的配網(wǎng)感知環(huán)境，一方面借助控制回路，實現(xiàn)對電網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的調(diào)制與處理，另一方面也可將電量通信數(shù)據(jù)平均分配至各級電路元件結(jié)構(gòu)體之中。LT3575設(shè)備作為主控制器核心電路中的核心調(diào)制元件，能夠準(zhǔn)確感知配網(wǎng)Vin端中的電壓輸出行為，并可在多極調(diào)制作用下，將直流輸出電壓反饋至VC電路端口之中[3]。作為主控器設(shè)備的下級傳感結(jié)構(gòu)，從控元件兩端同時負(fù)載著C類電阻與μ類電阻，前者阻值水平較高，負(fù)責(zé)承擔(dān)電路環(huán)境中的高壓輸入電流，后者阻值水平較低，負(fù)責(zé)承擔(dān)電路環(huán)境中的低壓輸出電流。

圖1 主控制器核心電路示意圖

1.2 驅(qū)動繼電器芯片

驅(qū)動繼電器芯片可借助瞬時脈沖信號來驅(qū)動通信系統(tǒng)中的自動化調(diào)制狀態(tài)，由于所有接入的高壓電量都滿足三相電傳輸形式，所以一個繼電器芯片結(jié)構(gòu)往往能夠同時控制多個調(diào)制通信設(shè)備。通常情況下，一個驅(qū)動繼電器中至少應(yīng)包含DGND、BL8023、IMP809、DRF四類調(diào)制應(yīng)用芯片。其中，DGND芯片能夠記錄主控制器核心電路內(nèi)的電信號傳輸行為，并將滿足調(diào)制需求的通信數(shù)據(jù)反饋至智能電表結(jié)構(gòu)體之中[4]。BL8023芯片與IMP809芯片始終保持并行連接的應(yīng)用狀態(tài)，可在感知無線智能電表所輸出可重構(gòu)指令的同時，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中暫存的信息參量進行自動化調(diào)制處理。DRF芯片負(fù)責(zé)維持繼電器結(jié)構(gòu)的原始驅(qū)動形式，可在平衡無線智能電表對于通信數(shù)據(jù)可重構(gòu)需求的同時，將各項信息參量結(jié)構(gòu)完整存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機之中。

圖2 驅(qū)動繼電器芯片結(jié)構(gòu)圖

1.3 通信信號調(diào)制模塊

通信信號調(diào)制模塊由多個功能性接口管腳元件共同組成，能夠監(jiān)管可重構(gòu)型無線智能電表兩端的電壓量水平，并可通過自動化調(diào)制的方式，實現(xiàn)對電網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的按需傳輸處理。VCCA管腳僅能負(fù)載1個功能性接口，可在驅(qū)動繼電器芯片的作用下，將主控制器核心電路的輸出電壓控制在+5V左右[5]。DIR管腳負(fù)載2個功能性接口，能夠較好協(xié)調(diào)通信信號指令的實際傳輸方向。A0～A7管腳平均可負(fù)載3～10個功能性接口，可通過自動化調(diào)制信號感知的方式，對信息數(shù)據(jù)間的輸入與輸出指令行為進行穩(wěn)定調(diào)試。GND慣腳通常負(fù)載11～13個功能性接口，一般情況下，與系統(tǒng)接地端直接相連，可將剩余電子量傳輸至系統(tǒng)運行環(huán)境之外。

表1 通信信號調(diào)制模塊的慣腳分類

2 自動化調(diào)制通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

在相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的支持下，按照可重構(gòu)無線通信程序設(shè)計、智能電表的冗余調(diào)制條件建立、通信調(diào)制時延量計算的處理流程，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，完成可重構(gòu)無線智能電表的自動化調(diào)制通信系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 可重構(gòu)無線通信程序

可重構(gòu)無線通信程序主要存在于驅(qū)動繼電器芯片與通信信號調(diào)制模塊之中，可借助調(diào)制信道從通信主機傳輸至實際作用結(jié)構(gòu)，且在此過程中，可重構(gòu)無線智能電表兩端的物理電壓始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)。在確保自動化調(diào)制通信主機的數(shù)據(jù)輸出能力保持穩(wěn)定的情況下，可重構(gòu)無線通信程序首先記錄系統(tǒng)內(nèi)電量信息的傳輸需求，再將這些數(shù)據(jù)參量匯集于既定應(yīng)用模塊之中，最后繼電器設(shè)備進入直行連接狀態(tài)，并完全釋放存儲于其中的通信數(shù)據(jù)信息[6]。當(dāng)通信信號調(diào)制模塊不足以負(fù)擔(dān)驅(qū)動繼電器芯片的數(shù)據(jù)傳輸需求時，可重構(gòu)無線通信程序也就不再具有二次傳輸?shù)哪芰Γ粗悄茈姳泶藭r擁有最強的通信數(shù)據(jù)處理能力。

2.2 智能電表的冗余調(diào)制條件

圖3 可重構(gòu)無線通信程序傳輸流程

可重構(gòu)無線智能電表除了可通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)各項系統(tǒng)調(diào)制通信功能外，還必須將所有通信數(shù)據(jù)的干擾性影響能力考慮在內(nèi)。所謂冗余調(diào)制條件是指可重構(gòu)無線智能電表對于傳輸電壓差的最大承載量條件，一般情況下，受到傳輸電壓差數(shù)量、調(diào)制信號干擾強度兩項物理量的直接影響[7]。傳輸電壓差數(shù)量可表示為?U，由于可重構(gòu)無線智能電表對于傳感電流的適應(yīng)能力較強，因此該項物理量的數(shù)值結(jié)果基本不具備波動性變化的能力。調(diào)制信號干擾強度可表示為ε，為適應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境中的通信數(shù)據(jù)調(diào)制需求，該項物理量則始終具備較強的波動變化能力。聯(lián)立上述物理量，可將智能電表的冗余調(diào)制條件定義為：

2.3 通信調(diào)制時延量

通信調(diào)制時延量是指系統(tǒng)在處理通信數(shù)據(jù)信號時所面臨的物理間隔時間，隨可重構(gòu)無線智能電表兩端電壓數(shù)值量的增大，該項物理系數(shù)的實際計算數(shù)值結(jié)果也會不斷增大。在不考慮其他干擾條件的情況下，通信調(diào)制時延量計算結(jié)果只受到通信調(diào)制波段系數(shù)、通信數(shù)據(jù)傳輸量兩項物理系數(shù)的直接影響[8]。通信調(diào)制波段系數(shù)可表示為f，隨配網(wǎng)核心調(diào)制電壓的改變，該項物理量也會產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)值變化趨勢。通信數(shù)據(jù)傳輸量可表示為在可重構(gòu)的無線電表調(diào)試空間內(nèi)，該項物理量的數(shù)值結(jié)果越大，最終計算所得的通信調(diào)制時延量數(shù)值也就越大。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(1)，可將系統(tǒng)通信調(diào)制時延量計算結(jié)果表示為：

式(2)中，r1、r2、r3代表電量信號在三個不同調(diào)制波段內(nèi)的傳輸通信系數(shù)，k代表無線通信環(huán)境中的電信號重構(gòu)條件，β代表無線通信數(shù)據(jù)的單向性重構(gòu)系數(shù)，x代表智能電表設(shè)備對于調(diào)制通信信號的感知作用權(quán)限。至此，完成各項物理系數(shù)指標(biāo)的計算與處理，在確保不出現(xiàn)信息過量傳輸?shù)那闆r下，實現(xiàn)可重構(gòu)無線智能電表自動化調(diào)制通信系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 實驗結(jié)果分析

為驗證可重構(gòu)無線智能電表自動化調(diào)制通信系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值，設(shè)計如下對比實驗。以兩塊輸出能力相同的R型無線智能電表作為實驗對象（如圖4所示），將其分別接入實驗組與對照組系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中，其中實驗組搭載可重構(gòu)無線智能電表自動化調(diào)制通信系統(tǒng)，對照組搭載傳統(tǒng)ZigBee型通信系統(tǒng)，在相同實驗環(huán)境下，分析各項實驗指標(biāo)的具體變化情況。

圖4 R型無線智能電表

DQP指標(biāo)能夠反映通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)任務(wù)計量與互動需求間的匹配度水平，一般情況下，DQP指標(biāo)數(shù)值越大，通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)任務(wù)計量與互動需求間的匹配度水平也就越高，反之則越低。表2記錄了實驗組、對照組DQP指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表2 DQP指標(biāo)對比

分析表2可知，實驗組DQP指標(biāo)在整個實驗過程中，始終保持相對穩(wěn)定的波動性數(shù)值變化狀態(tài)，全局最大值達(dá)到了77.6%，與全局最小值77.3%相比，差值僅為0.03%。對照組DQP指標(biāo)則保持先上升、再小幅波動的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果為50.6%，遠(yuǎn)低于實驗組數(shù)值結(jié)果，與全局最小值50.1%相比，差值為0.05%，高于實驗組。

表2 （續(xù)）

RDD指標(biāo)描述了通信系統(tǒng)對于信息傳輸通道的分配可靠性，一般情況下，RDD指標(biāo)的數(shù)值波動性越小，通信系統(tǒng)對于信息傳輸通道的分配可靠性也就越高，反之則越低。表3記錄了實驗組、對照組RDD指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表3 RDD指標(biāo)對比

分析表3可知，實驗組RDD指標(biāo)在整個實驗過程中的均值水平達(dá)到了80.6%，但其最大波動變化值卻只為0.2%。對照組RDD指標(biāo)在整個實驗過程中的均值水平49.9%，與實驗組均值相比，下降了30.7%，且其最大波動變化值也達(dá)到了29.1%，與實驗組波動變化值相比，上升了28.9%。

綜上可知，隨著自動化調(diào)制通信系統(tǒng)的應(yīng)用，與可重構(gòu)無線智能電表匹配的DQP指標(biāo)出現(xiàn)了明顯增大的數(shù)值變化趨勢，而RDD指標(biāo)的波動性變化趨勢卻得到了有效抑制，不僅可按照數(shù)據(jù)任務(wù)的計量與互動需求，為其分配可靠的信息傳輸通道，也能較好滿足穩(wěn)定配網(wǎng)電表信息傳輸穩(wěn)定性的實際應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

在已知主控制器核心電路連接形式的基礎(chǔ)上，可重構(gòu)無線智能電表的自動化調(diào)制通信系統(tǒng)借助驅(qū)動繼電器芯片與通信信號調(diào)制模塊，對可重構(gòu)無線通信程序進行設(shè)置，又通過定義智能電表冗余調(diào)制條件的方式，確定通信調(diào)制時延量的實際計算結(jié)果。從實用性角度來看，DQP指標(biāo)數(shù)值的增大、RDD指標(biāo)波動性水平的降低，都能較好減輕智能電能表所承擔(dān)的復(fù)雜數(shù)據(jù)計量與通信互動任務(wù)量水平，在智能電網(wǎng)建設(shè)工程中，可提升系統(tǒng)對于通信數(shù)據(jù)的調(diào)制與處理能力，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)信息傳輸環(huán)境的有效穩(wěn)定。