面向新一代智能電表的微電流指紋自動配對技術(shù)

肖嬋　周樂明　易偉浪　張保亮　熊素琴

摘 要：針對智能電表與表后斷路器大多依賴人工掌機掃碼進行配對，配對過程過度依賴人工，成本高，且容易發(fā)生誤配對串戶等問題，提出了面向新一代智能電表的微電流指紋自動配對技術(shù)。該技術(shù)通過在藍牙斷路器內(nèi)置開關(guān)電容模塊和編碼電路，將配對特征碼信息調(diào)制成無功電流信號，利用電力線傳輸至智能電表，并與藍牙斷路器廣播發(fā)送的配對特征碼信息進行比對，從而實現(xiàn)智能電表與表后斷路器的自動配對。該配對過程無需依賴人工，極大地降低了人工成本，提高了配對的準確性。最后，實驗驗證了所提的微電流指紋自動配對技術(shù)的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：電流指紋技術(shù);自動配對;智能電表

中圖分類號：TP23????? 文獻標識碼：A

Micro-current Fingerprint Automatic Matching

Technology for New Generation Smart Meters

XIAO Chan1， ZHOU Le-ming1， YI Wei-lang1， ZHANG Bao-liang2， XIONG Su-qin3

（1. National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center， Hunan University，

Changsha， Hunan 410082，China; 2. State Grid Metering Center， Beijing 100192， China;

3. China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China ）

Abstract：In view of the problems of smart meters and post-meter circuit breakers mostly rely on manual handheld scanners for pairing. The pairing process relies too much on manual labor， which is costly and prone to mismatching. A micro-current fingerprint automatic matching technology for a new generation of intelligent meters is proposed. Through the built-in switched capacitor module and coding circuit in the Bluetooth circuit breaker， the paired signature information is modulated into a reactive current signal， which is transmitted to the smart meter by the power line， and compared with the paired signature information transmitted by the Bluetooth circuit breaker broadcast， so as to realize the automatic pairing between the smart meter and the post-meter circuit breakers. The pairing process does not need to rely on labor， which greatly reduces the labor cost and improves the accuracy of pairing. Finally， the correctness and effectiveness of the proposed micro-current fingerprint automatic matching technique are verified by experiments.

Key words：current fingerprint technology; automatic matching; smart meters

隨著我國電力物聯(lián)網(wǎng)不斷的發(fā)展，智能預(yù)付費電表取代了傳統(tǒng)的電能表，已廣泛應(yīng)用于商業(yè)小區(qū)、居民住宅等地方。據(jù)統(tǒng)計，目前我國智能電網(wǎng)已接入4.9億只智能電能表，覆蓋率高達99%以上。智能預(yù)付費電表具有便捷、可遠程控制，可網(wǎng)上繳費等優(yōu)點，是未來智能化電表范疇重要智能化終端，對打造智能電網(wǎng)具有重要意義[1-2]。

然而，與智能預(yù)付費電表配套使用的費控開關(guān)在功能上還存在著明顯不足，即欠費可自動斷電，但繳費后合閘還需人工完成，極大地增大了供電企業(yè)的工作量和人工成本[3-4]。雖然在智能預(yù)付費電表中內(nèi)置微型繼電器可基本解決繳費后費控開關(guān)自動合閘的問題，但由于內(nèi)置微型繼電器觸點間距較小，在分合閘過程中易出現(xiàn)爬電、閃絡(luò)等現(xiàn)象，長時間運行后會造成繼電器觸點氧化、接觸不良等問題，降低了供電的可靠性[5-6]。

因此，現(xiàn)有的電能表外置斷路器被設(shè)計出來，與預(yù)付費電能表配套使用，通過藍牙等無線通訊方式進行配對連接，實現(xiàn)斷路器的分合閘控制[7-9]。但目前的基于藍牙技術(shù)研制的無線斷路器和藍牙電表，需要通過掌機對電表和斷路器分別掃碼配對。一方面，電表安裝現(xiàn)場一般處于無電狀態(tài)，掃碼配對需要上電操作，操作過程繁雜;另一方面，對于多表位的電能表箱，容易錯掃描或誤配置，完成整個配對流程耗費時間長。

因此，該系統(tǒng)提出了面向新一代智能電表的微電流指紋自動配對技術(shù)，通過在斷路器內(nèi)置電流指紋模塊，實現(xiàn)信息在電力線上傳輸，并結(jié)合無線藍牙模塊實現(xiàn)信息無線通訊，使得配對過程無需依賴人工即可有效實現(xiàn)智能電表與表后斷路器的自動配對，極大地降低了人工成本，提高了配對的準確性。

1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及其原理

1.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

智能電表與表后斷路器自動配對系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，智能電表和表后斷路器均內(nèi)置無線藍牙模塊，表后斷路器內(nèi)置電流指紋模塊，與電力線的L/N線相連。

其中，斷路器內(nèi)置集成電流指紋模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由輔助電源、電流編碼控制器、開關(guān)S1和負載組成。輔助電源從輸入L/N線（火/零線）取電為電流編碼控制器提供電源;電流編碼控制器根據(jù)配對特征碼信息，通過OOK編碼方式生成相應(yīng)的控制信號SW1來控制開關(guān)S1，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電流信息，通過電力線傳輸至智能電表。

圖3為電流指紋等效原理圖及其電流編碼波形（以電容負載為例）。其中，uLN表示等效電壓源，r表示線路等效電阻（阻值很小，可忽略不計），i表示電流傳輸?shù)男盘?，d表示電流編碼波形，Ts表示信號編碼電路每一字節(jié)的持續(xù)時間。當控制信號SW1為0時，開關(guān)S1斷開，電路中無電流，此時對應(yīng)二進制編碼“0”;當控制信號SW1為1時，開關(guān)S1接通，電路中有電流，此時對應(yīng)二進制編碼“1”;因此通過控制S1的通斷，可以將斷路器的相關(guān)信息傳輸至電表。

1.2 基于電流指紋的自動配對技術(shù)原理

在上節(jié)基礎(chǔ)上，通過將斷路器相應(yīng)的身份信息或者配對特征碼調(diào)制在電流上（即電流指紋），然后利用電力線將此信息傳輸至智能電表，并與藍牙斷路器廣播發(fā)送的配對特征碼信息進行比對，從而實現(xiàn)智能電表與表后斷路器的一一配對。

圖4所示為基于電流指紋技術(shù)的自動配對原理圖，智能電表采樣模塊將從L/N線采樣到的電流數(shù)據(jù)傳送給智能電表MCU （Microcontroller Unit， 微控制單元）;智能斷路器MCU通過無線藍牙模塊與智能電表實現(xiàn)信息交互，配對成功后通過智能斷路器MCU控制開關(guān)S1。以下為具體實現(xiàn)步驟：

（1）智能斷路器上電后，斷路器MCU將斷路器MAC地址作為自動配對特征碼，通過控制開關(guān)S1的開斷，從而將自動配對特征碼調(diào)制編碼成電流指紋發(fā)送至電力線上;同時，通過斷路器藍牙模塊廣播發(fā)送自動配對特征碼。

（2）智能電表初始化后檢查從機列表，檢測斷路器從機未設(shè)置時發(fā)起自動尋找表后斷路器，智能電表采樣模塊開始采樣電流數(shù)據(jù)。采樣完成后，電表MCU解調(diào)采樣獲得電流指紋，并與電表藍牙模塊掃描得到的斷路器自動配對特征碼一一對比，連接上特征碼完全一致的斷路器藍牙。

（3）電能表MCU產(chǎn)生數(shù)位隨機數(shù)作為新的自動配對特征碼，并通過電表藍牙模塊廣播發(fā)送至斷路器藍牙。

（4）斷路器藍牙接收到命令后，將新的自動配對特征碼編碼調(diào)制成電流指紋發(fā)送至電力線上，并通過斷路器藍牙回復(fù)電表藍牙已收到特征碼。

（5）電能表藍牙模塊收到斷路器藍牙回復(fù)后延時一小段時間，再次開始采樣電流數(shù)據(jù)，采樣完成后，電表MCU再次解調(diào)采樣獲得的電流指紋，并與更新后的自動配對特征碼相比較，當特征碼一致時，可以確認該斷路器即為電表尋找的表后斷路器，智能電表存儲該斷路器地址。

（6）若電表再次解調(diào)得到的自動配對特征碼與更新后的自動配對特征碼不一致時，斷開已連接的斷路器藍牙，并刪除該斷路器藍牙地址，轉(zhuǎn)至步驟（3）。若掃描列表為空，則認為自動尋找表后斷路器失敗。

1.3 有功電流與無功電流指紋比較

1.3.1 電阻有功負載技術(shù)

有功電流指紋是通過在智能斷路器內(nèi)置阻性負載進行調(diào)制而實現(xiàn)的，其產(chǎn)生的電流編碼波形如圖5所示。

有功電流指紋由前導(dǎo)碼、數(shù)據(jù)碼和校驗碼構(gòu)成，通過脈沖長度來表達數(shù)據(jù)，如圖5所示，在兩個高脈沖（以前2秒高脈沖、后1秒高脈沖為例）之間的低電平持續(xù)時間作為調(diào)制數(shù)據(jù)，低電平持續(xù)1秒為二進制00，低電平持續(xù)2秒為二進制01，低電平持續(xù)3秒為二進制10，低電平持續(xù)4秒為表二進制11，然后利用1秒的高電平表示下一段數(shù)據(jù)開始，如此反復(fù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制。

有功電流指紋在傳輸不同數(shù)據(jù)時所需要的時間不一致，同時存在有功損耗。

1.3.2 電容功負載技術(shù)

無功電流電流指紋是通過在智能斷路器內(nèi)置的容性負載進行調(diào)制而實現(xiàn)的，稱為電容無功負載技術(shù)，其產(chǎn)生的電流編碼波形如圖6所示。

無功電流指紋編碼實現(xiàn)通過容性負載的通斷來實現(xiàn)數(shù)據(jù)位1和0，采用OOK方式調(diào)制數(shù)據(jù)，即當功率開關(guān)S1閉合，負載接入產(chǎn)生周期電流（表示二進制1），當功率開關(guān)S1斷開時，負載退出則無電流發(fā)生（表示二進制0）。

相比有功電流指紋調(diào)制方式，采用無功電流指紋，系統(tǒng)基本無損耗，發(fā)熱量低，數(shù)據(jù)傳輸速率高。因此，采用無功電流指紋實現(xiàn)電表和斷路器的配對。

2 調(diào)制解調(diào)及編碼方式

2.1 OOK調(diào)制方式

調(diào)制信號為二進制數(shù)字信號時，對載波信號的振幅進行調(diào)制，這種調(diào)制稱為二進制振幅鍵控調(diào)制，即2ASK （Amplitude Shift Keying）。實現(xiàn)2ASK最簡單的形式是載波在二進制信號為1或0的控制下進行通或斷，這種二進制振幅鍵控方式稱為通-斷鍵控，即OOK （On-Off Keying），其實現(xiàn)原理框圖及輸出波形如圖7所示。

當調(diào)制信號u（t）=0時，開關(guān)S1置于0處，即開關(guān)S1斷開信號，輸出電壓Uout波形為0;當調(diào)制信號u（t）=1時，開關(guān)S1置于1處，即開關(guān)S1接通信號，輸出電壓Uout波形跟載波一致。開關(guān)S1為雙向模擬開關(guān)，在電路中起接通信號或斷開信號的作用。

2.2 OOK解調(diào)方式

2ASK的基本解調(diào)方法有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方法。非相關(guān)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)備簡單，且由于OOK調(diào)制方式噪音信號的無規(guī)律性，用相干解調(diào)的難度較大，因此，本系統(tǒng)采用非相關(guān)解調(diào)方法。非相關(guān)解調(diào)也稱為包絡(luò)檢測法，其解調(diào)信號流程如圖8所示。

信號先通過帶通濾波器，保留設(shè)定范圍內(nèi)的波，此處輸出波形如圖9波形a;再通過全波整流將所有負軸以下的信號翻轉(zhuǎn)，此處輸出波形如圖9中波形b;接著，經(jīng)過低通濾波器，濾除高于閾值頻率的波，此處輸出波形如圖9中波形c;最后抽樣判斷數(shù)據(jù)是0還是1，最終輸出波形如圖9中波形d。

2.3 編碼方式

自動配對系統(tǒng)的編碼方式如圖10所示，數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)同步頭、起始位、數(shù)據(jù)位、插入位、校驗位和結(jié)束位構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)同步頭為6位“1”;起始位為1位“0”;中間數(shù)據(jù)位/插入位持續(xù)20個位，每4個數(shù)據(jù)位插入一個插入位，插入位與前一個數(shù)據(jù)位相反;校驗位為一個奇校驗位，所有數(shù)據(jù)位、插入位、校驗位保持奇數(shù)個“1”;結(jié)束位為1位“0”。

3 智能電表軟件設(shè)計

智能電表自動尋找表后斷路器自動配對的流程圖如圖11所示。電表上電后若檢測到自身未配置表后斷路器，便開始采樣表后斷路器發(fā)送過來的電流指紋，采樣完成后，利用軟件算法解調(diào)編碼數(shù)據(jù)后與智能電表藍牙接收到的特征碼一一比較，當特征碼一致時，與斷路器藍牙連接。隨后，電表藍牙將更改電流特征碼，待收到斷路器藍牙的回復(fù)信息后，重新開始采樣電流指紋，再重新利用軟件算法解調(diào)編碼數(shù)據(jù)。最后，與電表藍牙更改后的新特征碼相比較，若一致，便獲得合法斷路器藍牙MAC地址，實現(xiàn)自動配對。

4 仿真與實驗驗證

為了驗證所提電流指紋技術(shù)的有效性，按照圖3中的等效原理圖在PSIM仿真環(huán)境中搭建采用電容無功負載技術(shù)的電流指紋發(fā)生器，控制信號設(shè)為01010101101，電流發(fā)生器參數(shù)設(shè)置如表1所示。電流波形如圖12所示，當控制信號為0時，電路中無電流;當控制信號為1時，電路中有電流。

同時，為進一步驗證所提電流指紋配對技術(shù)的有效性，研制了一款無功電容電流指紋模塊內(nèi)置在斷路器中，電表和斷路器系統(tǒng)實物圖如13所示。

當設(shè)置電流指紋信息為01010101101時，在電力線路中檢測到如圖14所示電流波形。圖中解析出來的電流信息與設(shè)置信息相吻合。

為了驗證基于電流指紋技術(shù)的智能電表與表后斷路器自動配對的有效性。在圖13所示系統(tǒng)中，進行上電自動配對實驗。如圖15所示，斷路器藍牙App上顯示已與電表配對成功，說明本文提出的方法可以很好的實現(xiàn)智能電表與斷路器自動配對。

5 結(jié) 論

針對目前掌機配對過度依賴人工，成本高，容易發(fā)生誤配對串戶等問題，提出了一種基于電流指紋的自動配對技術(shù)。文中闡述了電流指紋配對技術(shù)的基本原理，詳細描述了電流指紋調(diào)制和解調(diào)、編碼與解碼原理，對比分析了有功電流指紋和無功電流指紋的優(yōu)缺點，并對智能電表與配對過程的程序進行了設(shè)計，最后通過實驗驗證了所提的電流指紋自動配對技術(shù)的正確性和有效性。

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