微功率无线通信信号对电能表的干扰监测研究

杨梅

摘 要：传统监测微功率无线通信信号对电能表干扰的方法，没有明确路径损耗数据，导致方法存在监测效果较差、信号捕捉率较低的问题，提出一种新的干扰监测方法。基于ZigBee技术，完成微功率无线组网方式的选取，通过预测无线信号在各地区的路径损耗数据，计算各地区无线信号的分布情况，并构建干扰监测模型，利用频谱分析仪测量无线通信信号的频率，并通过电磁辐射分析仪，完成对电能表天线附近电场强度的检测，实验结果表明，研究方法的监测性能更好，且微功率通信信号捕捉率更高，综合有效性更好。

关键词：微功率;无线通信;通信信号;干扰监测;ZigBee技术

中图分类号：TM62        文献标识码：A 文章编号：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

微功率無线通信技术具有功耗低、通速率高、组网自由度高等优点，因此微功率无线通信技术在电能表中的应用，成为无线通信领域发展的必然趋势，但也成为了电能表的干扰因素，因此针对于微功率无线通信信号对电能表的干扰监测研究，成为改进电能表中微功率无线通信技术的重要依据[1]。微功率无线抄表技术是近年来新兴起的先进抄表技术，在使用该技术后，抄表速率得到大幅度提升，因此越来越多的电力公司重视并使用这一技术，甚至有更多的电力公司将该抄表技术设置为主体技术，其它技术设置为辅助技术。微功率无线抄表技术的快速发展，将会推进更多地区和领域使用微功率无线通信产品[2]。

装有微功率无线通信信号的智能电能表在运行时，会导致无线通信信号的质量下降，并且通信距离也会受到限制，当电能表使用的开放频段为470MHz无需授权频段时，就可能出现通信中断的情况，电能表通信信号会受到微功率无线通信信号的干扰，使电能表的工作质量与工作效率受到严重影响，会给供电企业带来巨大的损失，甚至也会给用电户带来一些用电故障或危险。因此，当下的微功率无线通信信号对电能表的干扰监测研究十分重要。

文献[3]提出微功率无线通信信号对电能表的干扰研究，为分析微功率无线通信信号对智能电表的干扰，针对国家电网公司企标中对微功率无线发射机功率不超过50mW的要求，对符合该标准产品的无线通信信号所产生的电场强度进行理论计算和实际采样测试，该方法能够实现微功率无线通信信号对电能表的干扰监测，但是检测准确性较差;文献[4]提出基于核回归的移动通信信号干扰评估算法研究，构建对非参数核回归预测模型，并改进模型的预处理过程和预测权重，优化窗宽和核函数参数，同时结合频谱仪、工程移动通信设备等专业测量仪器实测获得的数据，完成对实际干扰的监测，但是该方法的监测时间较长。

针对以上问题，提出微功率无线通信信号对电能表的干扰监测研究，以提高微功率无线通信技术质量。

1 微功率无线通信信号对电能表的干扰监测模型

基于微功率无线通信信号对电能表的干扰监测模型的构建，可以从微功率无线组网方式、干扰监测模型的测试原理、干扰监测模型的测试方案3方面进行研究分析。

1.1 微功率无线组网方式

基于ZigBee技术，完成微功率无线组网方式的选取，ZigBee技术是一种比较简单的近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，该技术主要应用于短距离通信传输与远距离通信网络控制。ZigBee技术在微功率无线组网方式的应用构架如图1所示。

微功率无线组网方式由应用软件管理控制，并运用网络层通过两种不同方式，将通信信号传输到物理层，利用介质存取层与数据链路层，实现对通信干扰信号的监测。ZigBee网络技术在实际应用中，具有极强的组网能力，如充当节点进行收发数据，为设备提供路由服务功能等。该技术拥有3种组网方式，分别是星型组网、树状组网以及网状组网，3种不同的组网方式均属于拓扑结构，其中网状组网方式在覆盖范围与网络自愈能力均优于另外两者，因此针对电能表的微功率无线通信方式，本次研究采用网状组网方式[5]。

1.2 干扰监测模型的构建

由于无线信号具有空中衰落的性质，导致微功率无线通信信号对电能表会产生干扰，无线信号的空中衰落包含快衰落、慢衰落、路径损耗3种衰落方式，且无线通信信号的路径损耗在各种环境条件下都会存在，其中快衰落与慢衰落是由于地理环境及其他因素，而造成的衰落速率不同的两种衰落[6]。

为实现微功率无线通信信号对电能表的干扰监测测试，需要建立在无线通信信号的传播模型的基础上，利用干扰监测模型的原理与依据，建立无线信号传播模型，通过预测无线信号在各地区的路径损耗数据，再根据数据来计算各地区的无线信号的分布情况。目前无线信号的传播模型大多是经验模型，而主要运用的是经验模型中的自由空间模型，自由空间模型是无线通信信号传播中最简单的模型，无线电波的损耗只与传播距离和电波的频率有关[7]。自由空间模型中的信号传播计算公式如下：

式中，x表示路径损耗;l表示距离;λ表示无线电波的波长。

其中无线电波的波长可以根据电波频率进行计算，其公式为：

将公式（2）代入公式（1）中，得到数据模型为：

该模型为自由空间的数学模型，即干扰监测模型[8]。

1.3 干扰监测模型的测试方案

基于ZigBee技术，实现微功率无线通信信号对电能表的监测监控，并采用的组网方式。ZigBee技术的不断普及，使基于ZigBee技术的无线通信监测技术得到升级完善[9]。因此本次研究建立一种室内互联互通的微功率无线通信模型，以测试无线通信信号对电能表的干扰。室内模型搭建如图2所示。

如图设立7个测试点A、B、C、D、E、F、G，在每一个测试点分别放置一个计量箱，并在计量箱中放入多个微功率智能电表，为模拟用户们的实际使用情况，应在各个测试点之中搭建测试节点，图中箭头的连接表示节点连接的作用。根据自由空间模型中，无线通信信号传输距离与路径损耗之间的关系，可推测能耗关系。在进行组网测试时应让C、D、F、G 4点与A点的路径损耗足够高，以保证这4点与A点的通信需要借助B、E两点的测试节点。以此证明出，在无线通信信号进行远距离传输中，会有更高的路径损耗。计算公式如下：

式中，γ表示节点损耗因子;L表示路径长度;t表示远距离传输时间。

2 基于干扰模型的微功率无线通信信号电场强

度监测

2.1 微功率无线信号的通信原理及干扰原理

微功率无线通信是一种利用电磁波信号，在自由空间内传输信息的无线通信技术。电磁波的产生、改变与接收，都会产生电磁场，对于微功率无线通信信号的电磁场如图3所示。

图3表示半波偶极子天线在发射或接收微功率无线通信信号时，所产生的电磁场。无线通信信号在转发后会被调制成为正弦波，电压会出现极性变化，导致电能表中天线与其它电子原件之间产生微弱的电场，而电场的产生必然会形成磁场，此极性变化与天线及附近原件的电流方向会在一个周期变换两次[10]。这样电场与磁场的变化也就呈周期性变化，并且周期与电流变化周期相同，这种周期性变化的电磁场，就成为了电能表的干扰源，并且会影响到电能表的稳定性。微功率无线通信信号对电能表的干扰性的强度，与微功率无线通信信号所形成的电磁场存在一定关系：随着电场强度的增加，电能表的稳定性会降低，并且随着关系曲线斜率的降低，电能表的数值会趋近一个稳定数，而此时电能表的稳定性已经受到了很大的影响，严重的影响了电能表的正常运行。

2.2 470MHz微功率无线信号电场强度的测试

微功率无线信号产生的电场强度与电能表的干扰性，存在一定关系。因此可以通过检测电能表的电场强度，来完成对微功率无线通信信号电能表的干扰监测。接下来要针对电能表中常用的470MHz微功率无线信号，进行电场强度的测试。

2.2.1 微功率无线信号功率测试

为检测电能表的电场强度，首先要测量无线信号的功率，虽然电能表的无线信号的功率会标明出范围，但也要经过实际测量来确定无线信号的功率，是否符合测量要求，限制范围为470MHz～480MHz。本次研究采用高精度的专业测量仪器：安捷倫E4440频谱分析仪，该仪器可按照国际标准，测量无线通信信号的频率，实现电能表无线通信信号功率的高精度测量。测量仪器测试结果如图4所示，其显示数据为476.3HMz，表示该电能表达到了测量标准，能够用于完成对电场强度的测量。

2.2.2 电能表天线附近的电场强度测试

采用德国的先进设备，完成对电能表天线附近电场强度的检测，该设备为PMM8053电磁辐射分析仪，电磁波由天线发射与接收，因此在天线附近的电场强度最强，需要将设备的测试探头放在接近电能表发射天线附近，并尽量接近天线，但不能使测试探头与天线接触，以避免损坏仪器，测试结果如图5所示。

图5中设备所显示的数值为90.05V/m，即为该设备检测的电能表天线附近的电场强度。当电能表的场强在10V/m内时，不会发生故障和误差，因此可以证明该电场强度的大小已经能对电能表产生较大干扰，会使电能表的稳定性会受到一定的影响。

3 实验研究

3.1 实验目的

为了验证本次研究方法的综合有效性，进行对比实验，与文献[3]方法、文献[4]方法进行对比，通过对比3种方法，在同一微功率无线通信信号下对电能表的干扰监测性能，比较分析研究方法的监测能力，实验设备如图6所示。

3.2 干扰监测性能对比实验

首先检测不同方法的干扰监测性能，通过对比不同方法的信号监测频率及范围，来检测方法的监测性能，信号监测范围越大，且分布越规律，表示方法的监测信号越稳定，监测性能越好，实验结果如图7所示。

分析图7可知，文献[3]方法的信号频率在-40～10Hz之间，监测范围较小;文献[4]方法的信号频率虽然范围较大，但是规律性较差;而研究方法的信号频率范围在-40～40Hz之间，且分布规律，信号稳定更高。通过以上数据可以证明，本次研究的监测方法在监测范围与信号稳定性上均优于传统监测方法，可以体现出研究方法在微功率无线信号监测上的可行性与可发展性。

3.3 信号捕捉率对比实验

检测不同方法的信号捕捉率，信号捕捉率可以体现方法监测信号的能力，捕捉率越高表示方法的性能越好，3种方法的捕捉率如图8所示。

通过图8可知，文献[3]方法的捕捉率始终低于70%，献[4]方法的捕捉率始终低于69%，而研究方法的捕捉率在65%～96%之间，且不同时刻下均高于传统方法。对微功率无线通信信号的捕捉率，可以体现方法监测微功率无线通信信号对电能表干扰性的高效性，捕捉率数值越高，表示方法的有效性越好，通过实验数据可以证明，本次研究的监测方法性能更高，这是由于该方法建立了微功率无线组网模型，能够实现对微功率无线通信信号的捕捉，提高了方法捕捉信号的效率。

4 结语

通过建立微功率无线通信信号对电能表的干扰监测模型，完成对微功率无线通信信号电场强度的监测分析，能够确定微功率无线通信信号会对电能表产生一定干扰，并给出监测干扰的有效方法。同时将研究监测方法与传统监测方法进行对比实验，通过实验数据证明了研究监测技术的优势。本次研究方法能够进一步推进微功率无线通信信号对电能表干扰监测技术的发展，为研究出降低甚至阻断干扰的方法，提供有力的依据。

参考文献

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