基于无线通信技术的智能电能表通信性能优化研究.pdf

Telecom Power Technology 153 Sep.10,2023,Vol.40 No.17 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期通信网络技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.17.050基于无线通信技术的智能电能表通信性能优化研究黄相尧（国网夏县供电公司，山西 运城 044400）摘要：传统智能电能表通信存在通信距离受限、数据传输速率低、抗干扰能力差、通信稳定性差、能耗大以及安全隐患多等问题。探讨无线通信技术在智能电能表通信上的应用价值，提出基于无线通信技术的智能电能表通信性能优化策略，包括优化通信协议、改进天线设计、加强信号处理算法、优化功耗管理、强化安全措施、环境适应性优化、采用多路径传输技术以及引入智能优化算法等。关键词：无线通信技术；智能电能表；通信性能优化；功耗管理Research on the Communication Performance Optimization of Smart Electricity Meters Based on Wireless Communication TechnologyHUANG Xiangyao(State Grid Xia County Power Supply Company,Yuncheng 044400,China)Abstract:The traditional intelligent watt-hour meter communication has some problems,such as limited communication distance,low data transmission rate,poor anti-interference ability,poor communication stability,high energy consumption and many security risks.This paper discusses the application value of wireless communication technology in smart watt-hour meter communication,and puts forward the communication performance optimization strategy of smart watt-hour meter based on wireless communication technology,including optimizing communication protocol,improving antenna design,strengthening signal processing algorithm,optimizing power management,strengthening security measures,optimizing environmental adaptability,adopting multipath transmission technology and introducing intelligent optimization algorithm.Keywords:wireless communication technology;smart electricity meters;communication performance optimization;power consumption management0 引 言智能电能表通过无线通信技术，可实现远程数据采集、实时监测与反馈、节能与管理等多种功能。由于传统智能电能表存在通信距离受限、数据传输速率低、抗干扰能力差、通信稳定性差、能耗大以及安全性隐患多等问题，基于无线通信技术的智能电能表通信性能优化成为当前电力领域的研究热点之一1。1 传统智能电能表通信性能现状分析1.1 通信距离受限传统智能电能表通信距离通常受限于其使用的无线通信技术，一般在 100 500 m。然而，在一些特殊情况下，如在山区或城市密集地区，电能表与数据采集系统之间的距离可能达到数千米。经过长距离传输后，通信信号衰减严重，从而影响数据传输的可靠性和稳定性。1.2 数据传输速率低传统智能电能表通信模块的技术限制使其数据传输速率相对较低，通常在几十 kb/s 至几百 kb/s。实际应用中，在传输大量电能数据时，通信效率显著降低。根据实验统计，在大数据量传输时，通信速率下降至每秒仅几 kb/s，数据传输存在延迟，甚至引发数据丢失问题。1.3 抗干扰能力差智能电能表通常部署于工业环境复杂多变的电力系统，易受各种干扰源的影响。根据测试结果，传统智能电能表的通信模块抗干扰能力较差，容易受到电磁干扰、无线信号干扰等影响，导致通信中断或数据错误2。1.4 通信稳定性差由于无线信号传输容易受到环境和设备等的影响，传统智能电能表的通信稳定性存在一定问题。不稳定的通信可能导致数据传输不可靠，进而影响能源计量和远程监控等关键功能的正常运行，增大电力系统管理的风险和难度。1.5 能耗大传统智能电能表的通信模块功耗较高，特别是在频繁通信或长距离传输数据时，能耗显著增加。测试数据表明，通信功耗占智能电能表整体功耗的30%50%，导致电池寿命缩短，增加外部电源的维护成本，影响智能电能表的可持续使用。收稿日期：2023-07-20作者简介：黄相尧（1996），男，山西万荣人，本科，助理工程师，主要研究方向为营销管理。2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 154 1.6 安全性隐患多传统智能电能表通常采用固定的通信加密方式，缺乏动态性和多样性。通信过程中，传输数据更容易被攻击或篡改，带来信息安全隐患。部分智能电能表的通信加密算法存在漏洞，可能被黑客利用进行数据篡改或盗取用户隐私信息。2无线通信技术在智能电能表通信中的应用价值无线通信技术在智能电能表通信中的应用价值如图 1 所示。2.1 远程数据采集利用无线通信技术，电力公司或运营商能够轻松实现对智能电能表的遥测和遥控，实时获取电能使用数据。相较于传统的人工逐户抄表，无线远程数据采集可节省大量人力和时间成本，为电力行业提供高效的数据收集手段，使电力公司能够及时准确地掌握用户用电情况，为电力供需平衡和电网规划提供有力支撑3。2.2 实时监测与反馈无线通信技术为智能电能表实时监测与反馈提供支撑。通过无线传输电能使用数据至数据中心或监控中心，使电力公司准确把握电网状态和用户用电情况。在发生异常情况或高峰用电时，电力公司能够及时获得数据反馈并调整，优化电力供应，有助于提高电力系统的稳定性和效率，有效避免电力供需失衡引发的问题，为用户提供更加稳定可靠的电力服务。2.3 节能与管理用户可以通过智能电能表获取实时用电数据，并了解电能使用情况。当发现电能浪费或异常时，及时采取相应的节能措施，合理规划用电，降低用电成本。此外，电力公司可根据大量智能电能表数据进行能源管理优化，实现电力系统的智能化调度，从而减少能源浪费，降低对环境的影响4。2.4 异常监测与报警无线通信技术为智能电能表的异常监测与报警提供了高效途径。利用智能电能表能够及时感知电网中的异常情况，如电能盗窃、电网故障等。一旦检测到异常，智能电能表就能通过通信渠道及时向相关部门发送报警信号，有助于加强对电力系统的安全监控，提高电网的稳定性和安全性，保障用户用电和电网运行的安全性。2.5 灵活部署与维护传统有线通信网络需要大量铺设线缆，费时费力。无线通信网络则能减少这些烦琐的布线工作。智能电能表不受有线连接的限制，可灵活部署于不同的地理位置和环境。同时，无须频繁更换电池或维护有线连接，大大降低维护成本，节约人力和财力。2.6 数据分析与优化利用无线通信技术，智能电能表能将数据快速传输至数据中心。电力公司可利用大量数据进行深度分析，借助人工智能和大数据技术实现电力供需规划和能源管理优化。数据分析和优化能辅助电力公司更加智能化地做出决策，提高电力系统的运营效率和资源利用率5。3 基于无线通信技术的智能电能表通信性能优化策略3.1 优化通信协议采用低功耗物联网技术，如窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）或长距离无线广域网（Long Range Wireless Area Network，LoRaWAN），实时用电数据支持节能大数据支持能源管理优化加强电力系统安全监控提供稳定可靠的电力服务节能与管理智能决策及时调整和优化电力供应实时监测与反馈实时把握电网状态深度数据分析数据分析与优化节省大量人力和时间成本准确掌握用户用电情况远程数据采集灵活部署与维护异常监测与报警及时发现异常情况高效的数据收集手段维护成本降低部署更加灵活无线通信技术在智能电能表通信中的应用价值图 1 无线通信技术在智能电能表通信中的应用价值 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 155 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 黄相尧：基于无线通信技术的智能电能表 通信性能优化研究选择高效稳定的通信协议。NB-IoT 协议可在现有蜂窝网络运行，打破通信距离限制。LoRaWAN 协议在低频段操作，具备抗干扰能力，可保证通信稳定性。根据数据传输要求，灵活选择通信协议，平衡通信距离、功耗及数据速率。通过优化通信协议，提高智能电能表的远程数据采集效率和实时监测水平。3.2 改进天线设计为提升智能电能表的通信性能，可改进天线设计。通过优化天线设计，提升智能电能表的信号接收和发送能力，提高通信质量，扩大覆盖范围。采用多天线设计，通过引入多个天线，实现空间多样性接收和传输。智能电能表能同时利用多个天线接收来自不同方向的信号，从而有效抵抗信号弱化和干扰，提高通信的可靠性。此外，多天线设计可增加信号的传输带宽，提高数据传输速率，使智能电能表能更快地与数据采集系统通信。引入天线增益调节技术，根据通信环境的不同，灵活调整天线的接收增益和发送增益，以适应不同距离和信号强度的传输需求。在距离较远的情况下，增加天线增益可以提升信号传输能力；在距离较近的情况下，降低天线增益可以减少信号过载，保证通信的稳定性。3.3 加强信号处理为进一步优化智能电能表的通信性能，引入更先进的信号处理技术和算法至关重要。传输过程中，信号可能受干扰、衰减等因素的影响，采用错误检测和纠错编码技术能有效提高通信可靠性，降低数据传输错误率，确保数据的准确性和完整性。加强信号处理具体架构如图 2 所示。错误检测技术通过在数据传输过程中添加冗余信息，使接收端能够检测传输过程中可能产生的错误。当接收端检测到错误时，可要求发送端重新发送数据，确保数据的正确传输。常见的错误检测技术包括循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）和帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS）。它们能够快速有效地检测出传输错误，提高通信的可靠性。纠错编码技术能在数据传输中添加冗余信息，并在接收端根据这些冗余信息进行数据纠错，从而恢复原始数据。利用纠错编码技术，即使传输过程中发生部分错误，接收端仍能正确恢复数据，确保数据的完整性。常见的纠错编码技术包括汉明码和卷积码，能有效提高通信系统的抗干扰能力和容错性。3.4 优化功耗管理为有效降低智能电能表通信模块的功耗，可采用创新的功耗管理技术。当智能电能表处于空闲状态或通信需求较低时，引入睡眠模式，降低能耗。一旦有数据传输或通信需求，智能电能表会自动唤醒并开始通信。此举能有效延长电池寿命，减少电池更换频率，降低维护成本。3.5 多路径传输技术在特殊环境或通信距离较远的情况下，多路径传输技术可提供有效的解决方案。通过同时利用多个通信路径传输数据，提高通信的稳定性和可靠性。即使在某条通信路径出现干扰或信号衰减等情况，其他路径仍可保持通信，确保数据传输的顺利进行。3.6 引入智能优化算法结合人工智能和大数据分析技术，利用历史通信数据和实时数据来优化智能电能表的通信性能。智能优化算法可以根据不同的通信情况自动调整通信参数，实现自适应优化。通过分析通信的模式和趋势，智能电能表能做出更加智能化的决策，提高通信效率和稳定性。这种智能优化能有效应对不断变化的通信环境，持续提升智能电能表的通信性能。4 结 论通过分析传统智能电能表通信性能的现状和无线通信技术在智能电能表通信中的应用价值，提出一系列基于无线通信技术的智能电能表通信性能优化策略，提高电力系统的运行效率，提升用户体验，为智能电力网络的建设和发展提供有益的参考。随着相关优化通信性能引入纠错编码技术引入错误检测技术汉明码和卷积码提高通信的可靠性降低数据传输错误率提高抗干扰能力和容错性循环冗余校验（CRC）和帧校验序列（FCS）确保数据的准确性和完整性图 2 加强信号处理具体架构（下转第 159 页）2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 159 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 朱宝荣：有线电视 FTTH 数字光纤分配网的 设计规划节点的业务信号功率之和，再计算光损耗，两者之和为 FTTH 的业务信号光功率。3 FTTH 数字光纤分配网设计的关键问题3.1 双纤三波组网的问题该组网方案虽然能够有效降低业务信号与电视信号之间的串扰，但要求波分复用器的波长隔离度必须达到 35 dB 以上，否则抗干扰的效果不明显，需要提高光接收机的性能配置。此外，双纤方案会增加传输链路的建设成本，如纤芯和光分路器的数量会呈现几何倍数增长，且硬件配置和参数计算的复杂度也会随之增加。3.2 多级光分的问题根据 FTTH 技术规范，光分路器的设置通常不会超过 3 级，分级数的增加将导致节点数成倍数增加，网络更容易出现故障，且维护管理难度也更大。此外，多级光分也会带来功率分配不合理的问题，使得获得高光功率的终端接收的信号阈值溢出，引起电视信号的非线性失真7。3.3 入纤光功率的问题为实现远距离的信号传输，通常的做法是提高发射机辐射端的入纤光功率，使得接收端能够获得更高的光功率。但入纤光功率过高会引起信号的非线性失真，直接降低信号质量。仍以以城区内某新建小区实践案例的配置参数为例，当有线 FTTH 数字光纤分配网需要实现超过 20 km 的远距传输时，入纤光功率应当 17 dBm，否则会导致输出端的信号非线性 失真。4 结 论随着数字设备推动有线电视行业的不断发展，有线电视网 FTTH 是必然选择。通过基于 FTTH 的有线电视数字光纤分配网设计规划，为终端用户提供多样化、个性化的信息资源，有效提升技术水平和服务质量。通过逐步完善有线电视网络的建设体系，为广播电视行业带来新机遇和新发展。参考文献：1 潘宇宁.光纤传输技术在有线电视信号传输中的应用 J.广播电视网络，2022，29（2）：45-47.2 普 琼.光纤传输技术在有线电视信号传输中的应用分析 J.电视技术，2020，44（1）：74-75.3 王从涛.浅谈有线电视 HFC 系统的双向改造 J.中国有线电视，2021（11）：1188-1190.4 战立祥.探究有线电视网络 FTTH 宽带光纤接入系统的设计方案 J.西部广播电视，2020（12）：251-252.5 郑家松.城区有线电视接入网改造方案的设计和实践 J.广播与电视技术，2022，49（11）：86-91.6 王胜利，杨家胜，李征昊.有线电视光纤到户演进方案探讨 J.广播电视网络，2022，29（1）：109-111.7 任文欣.有线电视网络 FTTH 宽带光纤接入系统的设计 J.中国有线电视，2019（12）：1330-1331.技术的进一步发展和完善，智能电能表在电力系统中发挥着越来越重要的作用，将为建设智能、高效的电力网络做出更大的贡献。参考文献：1 李 强.分布式无线通信系统在智能电网中的应用分析 J.光源与照明，2022（7）：61-63.2 欧阳曾恺，刘 建，田正其.基于 NB-IoT 无线通信的智能电表监测系统设计 J.电子设计工程，2022，30（11）：131-134.3 熊来红，潘树昌，孙 阳，等.智能电网中分布式无线通信系统的需求响应误差成本和能量效率分析 J.现代电力，2022，39（3）：371-378.4 印正誉，姚春羽，蔡仲言.一种基于 ESP32 的智能电表无线通信模块设计J.数字技术与应用，2021，39（7）：16-18.5 洪 涛.可重构无线智能电表的自动化调制通信系统 J.制造业自动化，2021，43（5）：72-75.（上接第 155 页）