可重构无线智能电表的自动化调制通信系统

洪 涛

（山西工商学院，太原 030006）

0 引言

智能电表是电网建设工程中最为基础的数据采集设备之一，同时承担原始电能数据计量、传输与采集的任务，是实现传输信息展示与信息集成进展的重要先决条件。除此之外，智能电表还具备传统电能表的所有计量与检测能力，能够在适应复杂配网环境的同时，对电信号参量进行双向处理，从而实现对用户端电量消耗能力的有效控制[1]。智能电表设备的应用需参考现代通信、电能信息数据采集等多项处理技术，通常情况下，其应用步骤应遵循先采集用户电压，再进行通信量计算的操作流程。

随配网建设环境的日益复杂，电能表所承担的数据计量与通信互动任务量也在逐渐增大，这也是导致电信号数据传输稳定性下降的最直接原因[2]。传统ZigBee型通信系统在电能采集电路的支持下，对各项数据传输信息进行及时的统筹与计量，再通过ZigBee无线通信程序，将这些信息参量反馈至相关设备结构体之中。然而此系统并不能根据数据任务的计量与互动需求，为其分配可靠的信息传输通道，很难实现对信息传输可靠性的稳定维护。为解决此问题，设计可重构无线智能电表的自动化调制通信系统，借助主控制器核心电路与驱动继电器芯片，对通信信号调制模块进行初步调试，再遵循冗余性条件的约束能力，得到准确的通信调制时延量数值。

1 自动化调制通信系统硬件设计

自动化调制通信系统的硬件执行环境由主控制器核心电路、驱动继电器芯片、通信信号调制模块三部分共同组成，具体搭建方法如下。

1.1 主控制器核心电路

主控制器核心电路可提供自动化调制通信系统所需的一切电量传感信号，从而在Vin与VC电子传输端之间形成独立的配网感知环境，一方面借助控制回路，实现对电网通信数据的调制与处理，另一方面也可将电量通信数据平均分配至各级电路元件结构体之中。LT3575设备作为主控制器核心电路中的核心调制元件，能够准确感知配网Vin端中的电压输出行为，并可在多极调制作用下，将直流输出电压反馈至VC电路端口之中[3]。作为主控器设备的下级传感结构，从控元件两端同时负载着C类电阻与μ类电阻，前者阻值水平较高，负责承担电路环境中的高压输入电流，后者阻值水平较低，负责承担电路环境中的低压输出电流。

图1 主控制器核心电路示意图

1.2 驱动继电器芯片

驱动继电器芯片可借助瞬时脉冲信号来驱动通信系统中的自动化调制状态，由于所有接入的高压电量都满足三相电传输形式，所以一个继电器芯片结构往往能够同时控制多个调制通信设备。通常情况下，一个驱动继电器中至少应包含DGND、BL8023、IMP809、DRF四类调制应用芯片。其中，DGND芯片能够记录主控制器核心电路内的电信号传输行为，并将满足调制需求的通信数据反馈至智能电表结构体之中[4]。BL8023芯片与IMP809芯片始终保持并行连接的应用状态，可在感知无线智能电表所输出可重构指令的同时，对系统数据库中暂存的信息参量进行自动化调制处理。DRF芯片负责维持继电器结构的原始驱动形式，可在平衡无线智能电表对于通信数据可重构需求的同时，将各项信息参量结构完整存储于系统数据库主机之中。

图2 驱动继电器芯片结构图

1.3 通信信号调制模块

通信信号调制模块由多个功能性接口管脚元件共同组成，能够监管可重构型无线智能电表两端的电压量水平，并可通过自动化调制的方式，实现对电网通信数据的按需传输处理。VCCA管脚仅能负载1个功能性接口，可在驱动继电器芯片的作用下，将主控制器核心电路的输出电压控制在+5V左右[5]。DIR管脚负载2个功能性接口，能够较好协调通信信号指令的实际传输方向。A0～A7管脚平均可负载3～10个功能性接口，可通过自动化调制信号感知的方式，对信息数据间的输入与输出指令行为进行稳定调试。GND惯脚通常负载11～13个功能性接口，一般情况下，与系统接地端直接相连，可将剩余电子量传输至系统运行环境之外。

表1 通信信号调制模块的惯脚分类

2 自动化调制通信系统软件设计

在相关硬件设备结构的支持下，按照可重构无线通信程序设计、智能电表的冗余调制条件建立、通信调制时延量计算的处理流程，实现系统的软件执行环境搭建，两相结合，完成可重构无线智能电表的自动化调制通信系统设计。

2.1 可重构无线通信程序

可重构无线通信程序主要存在于驱动继电器芯片与通信信号调制模块之中，可借助调制信道从通信主机传输至实际作用结构，且在此过程中，可重构无线智能电表两端的物理电压始终保持相对稳定的数值状态。在确保自动化调制通信主机的数据输出能力保持稳定的情况下，可重构无线通信程序首先记录系统内电量信息的传输需求，再将这些数据参量汇集于既定应用模块之中，最后继电器设备进入直行连接状态，并完全释放存储于其中的通信数据信息[6]。当通信信号调制模块不足以负担驱动继电器芯片的数据传输需求时，可重构无线通信程序也就不再具有二次传输的能力，即智能电表此时拥有最强的通信数据处理能力。

2.2 智能电表的冗余调制条件

图3 可重构无线通信程序传输流程

可重构无线智能电表除了可通过软件程序实现各项系统调制通信功能外，还必须将所有通信数据的干扰性影响能力考虑在内。所谓冗余调制条件是指可重构无线智能电表对于传输电压差的最大承载量条件，一般情况下，受到传输电压差数量、调制信号干扰强度两项物理量的直接影响[7]。传输电压差数量可表示为ˆU，由于可重构无线智能电表对于传感电流的适应能力较强，因此该项物理量的数值结果基本不具备波动性变化的能力。调制信号干扰强度可表示为ε，为适应系统环境中的通信数据调制需求，该项物理量则始终具备较强的波动变化能力。联立上述物理量，可将智能电表的冗余调制条件定义为：

2.3 通信调制时延量

通信调制时延量是指系统在处理通信数据信号时所面临的物理间隔时间，随可重构无线智能电表两端电压数值量的增大，该项物理系数的实际计算数值结果也会不断增大。在不考虑其他干扰条件的情况下，通信调制时延量计算结果只受到通信调制波段系数、通信数据传输量两项物理系数的直接影响[8]。通信调制波段系数可表示为f，随配网核心调制电压的改变，该项物理量也会产生相应的数值变化趋势。通信数据传输量可表示为在可重构的无线电表调试空间内，该项物理量的数值结果越大，最终计算所得的通信调制时延量数值也就越大。在上述物理量的支持下，联立式(1)，可将系统通信调制时延量计算结果表示为：

式(2)中，r1、r2、r3代表电量信号在三个不同调制波段内的传输通信系数，k代表无线通信环境中的电信号重构条件，β代表无线通信数据的单向性重构系数，x代表智能电表设备对于调制通信信号的感知作用权限。至此，完成各项物理系数指标的计算与处理，在确保不出现信息过量传输的情况下，实现可重构无线智能电表自动化调制通信系统的顺利应用。

3 实验结果分析

为验证可重构无线智能电表自动化调制通信系统的实际应用价值，设计如下对比实验。以两块输出能力相同的R型无线智能电表作为实验对象（如图4所示），将其分别接入实验组与对照组系统应用环境中，其中实验组搭载可重构无线智能电表自动化调制通信系统，对照组搭载传统ZigBee型通信系统，在相同实验环境下，分析各项实验指标的具体变化情况。

图4 R型无线智能电表

DQP指标能够反映通信系统数据任务计量与互动需求间的匹配度水平，一般情况下，DQP指标数值越大，通信系统数据任务计量与互动需求间的匹配度水平也就越高，反之则越低。表2记录了实验组、对照组DQP指标数值的具体变化情况。

表2 DQP指标对比

分析表2可知，实验组DQP指标在整个实验过程中，始终保持相对稳定的波动性数值变化状态，全局最大值达到了77.6%，与全局最小值77.3%相比，差值仅为0.03%。对照组DQP指标则保持先上升、再小幅波动的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果为50.6%，远低于实验组数值结果，与全局最小值50.1%相比，差值为0.05%，高于实验组。

表2 （续）

RDD指标描述了通信系统对于信息传输通道的分配可靠性，一般情况下，RDD指标的数值波动性越小，通信系统对于信息传输通道的分配可靠性也就越高，反之则越低。表3记录了实验组、对照组RDD指标数值的具体变化情况。

表3 RDD指标对比

分析表3可知，实验组RDD指标在整个实验过程中的均值水平达到了80.6%，但其最大波动变化值却只为0.2%。对照组RDD指标在整个实验过程中的均值水平49.9%，与实验组均值相比，下降了30.7%，且其最大波动变化值也达到了29.1%，与实验组波动变化值相比，上升了28.9%。

综上可知，随着自动化调制通信系统的应用，与可重构无线智能电表匹配的DQP指标出现了明显增大的数值变化趋势，而RDD指标的波动性变化趋势却得到了有效抑制，不仅可按照数据任务的计量与互动需求，为其分配可靠的信息传输通道，也能较好满足稳定配网电表信息传输稳定性的实际应用需求。

4 结语

在已知主控制器核心电路连接形式的基础上，可重构无线智能电表的自动化调制通信系统借助驱动继电器芯片与通信信号调制模块，对可重构无线通信程序进行设置，又通过定义智能电表冗余调制条件的方式，确定通信调制时延量的实际计算结果。从实用性角度来看，DQP指标数值的增大、RDD指标波动性水平的降低，都能较好减轻智能电能表所承担的复杂数据计量与通信互动任务量水平，在智能电网建设工程中，可提升系统对于通信数据的调制与处理能力，从而实现对配电网信息传输环境的有效稳定。