微功率無線通信信號對電能表的干擾監測研究

楊梅

摘 要：傳統監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據，導致方法存在監測效果較差、信號捕捉率較低的問題，提出一種新的干擾監測方法。基于ZigBee技術，完成微功率無線組網方式的選取，通過預測無線信號在各地區的路徑損耗數據，計算各地區無線信號的分布情況，并構建干擾監測模型，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度的檢測，實驗結果表明，研究方法的監測性能更好，且微功率通信信號捕捉率更高，綜合有效性更好。

關鍵詞：微功率;無線通信;通信信號;干擾監測;ZigBee技術

中圖分類號：TM62? ? ? ? 文獻標識碼：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具有功耗低、通速率高、組網自由度高等優點，因此微功率無線通信技術在電能表中的應用，成為無線通信領域發展的必然趨勢，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測研究，成為改進電能表中微功率無線通信技術的重要依據[1]。微功率無線抄表技術是近年來新興起的先進抄表技術，在使用該技術后，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，甚至有更多的電力公司將該抄表技術設置為主體技術，其它技術設置為輔助技術。微功率無線抄表技術的快速發展，將會推進更多地區和領域使用微功率無線通信產品[2]。

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

文獻[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，針對國家電網公司企標中對微功率無線發射機功率不超過50mW的要求，對符合該標準產品的無線通信信號所產生的電場強度進行理論計算和實際采樣測試，該方法能夠實現微功率無線通信信號對電能表的干擾監測，但是檢測準確性較差;文獻[4]提出基于核回歸的移動通信信號干擾評估算法研究，構建對非參數核回歸預測模型，并改進模型的預處理過程和預測權重，優化窗寬和核函數參數，同時結合頻譜儀、工程移動通信設備等專業測量儀器實測獲得的數據，完成對實際干擾的監測，但是該方法的監測時間較長。

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測研究，以提高微功率無線通信技術質量。

1 微功率無線通信信號對電能表的干擾監測模型

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

1.1 微功率無線組網方式

基于ZigBee技術，完成微功率無線組網方式的選取，ZigBee技術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，該技術主要應用于短距離通信傳輸與遠距離通信網絡控制。ZigBee技術在微功率無線組網方式的應用構架如圖1所示。

微功率無線組網方式由應用軟件管理控制，并運用網絡層通過兩種不同方式，將通信信號傳輸到物理層，利用介質存取層與數據鏈路層，實現對通信干擾信號的監測。ZigBee網絡技術在實際應用中，具有極強的組網能力，如充當節點進行收發數據，為設備提供路由服務功能等。該技術擁有3種組網方式，分別是星型組網、樹狀組網以及網狀組網，3種不同的組網方式均屬于拓撲結構，其中網狀組網方式在覆蓋范圍與網絡自愈能力均優于另外兩者，因此針對電能表的微功率無線通信方式，本次研究采用網狀組網方式[5]。

1.2 干擾監測模型的構建

由于無線信號具有空中衰落的性質，導致微功率無線通信信號對電能表會產生干擾，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境條件下都會存在，其中快衰落與慢衰落是由于地理環境及其他因素，而造成的衰落速率不同的兩種衰落[6]。

為實現微功率無線通信信號對電能表的干擾監測測試，需要建立在無線通信信號的傳播模型的基礎上，利用干擾監測模型的原理與依據，建立無線信號傳播模型，通過預測無線信號在各地區的路徑損耗數據，再根據數據來計算各地區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驗模型，而主要運用的是經驗模型中的自由空間模型，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[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電波頻率進行計算，其公式為：

將公式（2）代入公式（1）中，得到數據模型為：

該模型為自由空間的數學模型，即干擾監測模型[8]。

1.3 干擾監測模型的測試方案

基于ZigBee技術，實現微功率無線通信信號對電能表的監測監控，并采用的組網方式。ZigBee技術的不斷普及，使基于ZigBee技術的無線通信監測技術得到升級完善[9]。因此本次研究建立一種室內互聯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。室內模型搭建如圖2所示。

如圖設立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，應在各個測試點之中搭建測試節點，圖中箭頭的連接表示節點連接的作用。根據自由空間模型中，無線通信信號傳輸距離與路徑損耗之間的關系，可推測能耗關系。在進行組網測試時應讓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兩點的測試節點。以此證明出，在無線通信信號進行遠距離傳輸中，會有更高的路徑損耗。計算公式如下：

式中，γ表示節點損耗因子;L表示路徑長度;t表示遠距離傳輸時間。

2 基于干擾模型的微功率無線通信信號電場強

度監測

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，在自由空間內傳輸信息的無線通信技術。電磁波的產生、改變與接收，都會產生電磁場，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射或接收微功率無線通信信號時，所產生的電磁場。無線通信信號在轉發后會被調制成為正弦波，電壓會出現極性變化，導致電能表中天線與其它電子原件之間產生微弱的電場，而電場的產生必然會形成磁場，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定性。微功率無線通信信號對電能表的干擾性的強度，與微功率無線通信信號所形成的電磁場存在一定關系：隨著電場強度的增加，電能表的穩定性會降低，并且隨著關系曲線斜率的降低，電能表的數值會趨近一個穩定數，而此時電能表的穩定性已經受到了很大的影響，嚴重的影響了電能表的正常運行。

2.2 470MHz微功率無線信號電場強度的測試

微功率無線信號產生的電場強度與電能表的干擾性，存在一定關系。因此可以通過檢測電能表的電場強度，來完成對微功率無線通信信號電能表的干擾監測。接下來要針對電能表中常用的470MHz微功率無線信號，進行電場強度的測試。

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明出范圍，但也要經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測量儀器：安捷倫E4440頻譜分析儀，該儀器可按照國際標準，測量無線通信信號的頻率，實現電能表無線通信信號功率的高精度測量。測量儀器測試結果如圖4所示，其顯示數據為476.3HMz，表示該電能表達到了測量標準，能夠用于完成對電場強度的測量。

2.2.2 電能表天線附近的電場強度測試

采用德國的先進設備，完成對電能表天線附近電場強度的檢測，該設備為PMM8053電磁輻射分析儀，電磁波由天線發射與接收，因此在天線附近的電場強度最強，需要將設備的測試探頭放在接近電能表發射天線附近，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，測試結果如圖5所示。

圖5中設備所顯示的數值為90.05V/m，即為該設備檢測的電能表天線附近的電場強度。當電能表的場強在10V/m內時，不會發生故障和誤差，因此可以證明該電場強度的大小已經能對電能表產生較大干擾，會使電能表的穩定性會受到一定的影響。

3 實驗研究

3.1 實驗目的

為了驗證本次研究方法的綜合有效性，進行對比實驗，與文獻[3]方法、文獻[4]方法進行對比，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測性能，比較分析研究方法的監測能力，實驗設備如圖6所示。

3.2 干擾監測性能對比實驗

首先檢測不同方法的干擾監測性能，通過對比不同方法的信號監測頻率及范圍，來檢測方法的監測性能，信號監測范圍越大，且分布越規律，表示方法的監測信號越穩定，監測性能越好，實驗結果如圖7所示。

分析圖7可知，文獻[3]方法的信號頻率在-40～10Hz之間，監測范圍較小;文獻[4]方法的信號頻率雖然范圍較大，但是規律性較差;而研究方法的信號頻率范圍在-40～40Hz之間，且分布規律，信號穩定更高。通過以上數據可以證明，本次研究的監測方法在監測范圍與信號穩定性上均優于傳統監測方法，可以體現出研究方法在微功率無線信號監測上的可行性與可發展性。

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方法監測信號的能力，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[3]方法的捕捉率始終低于70%，獻[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方法。對微功率無線通信信號的捕捉率，可以體現方法監測微功率無線通信信號對電能表干擾性的高效性，捕捉率數值越高，表示方法的有效性越好，通過實驗數據可以證明，本次研究的監測方法性能更高，這是由于該方法建立了微功率無線組網模型，能夠實現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 結語

通過建立微功率無線通信信號對電能表的干擾監測模型，完成對微功率無線通信信號電場強度的監測分析，能夠確定微功率無線通信信號會對電能表產生一定干擾，并給出監測干擾的有效方法。同時將研究監測方法與傳統監測方法進行對比實驗，通過實驗數據證明了研究監測技術的優勢。本次研究方法能夠進一步推進微功率無線通信信號對電能表干擾監測技術的發展，為研究出降低甚至阻斷干擾的方法，提供有力的依據。

參考文獻

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