電力用電信息采集系統的設計研究

陳 穎

（國網四川省電力公司遂寧供電公司， 四川 遂寧 629000）

0 引言

能源是現代社會的生命線，電力在其中扮演著關鍵角色。了解用電行為、實時監測電網狀態以及提高電力供應的可靠性都是電力行業迫切需要解決的問題。隨著可再生能源的集成、電動汽車的興起以及能源網絡的互聯互通，電力系統的運行和管理變得愈發復雜。因此，需要先進的信息采集系統，以實現對電力供應和需求的實時跟蹤，同時改進用電負荷預測和調度。電力用電信息采集系統的研究和設計是為了滿足當今電力行業的需求，提高能源管理效率，促進可持續發展，以及確保電力系統的穩定和可靠性。這一領域的不斷創新和研究對于未來的能源可持續發展至關重要，有助于建設更智能、高效、可持續的電力系統。

1 用電信息采集系統研究現狀

電力信息采集系統是電力行業中的關鍵技術，用于實時監測、數據采集和分析電力系統運行狀態之一[1]?，F狀研究表明，隨著信息技術的快速發展，電力信息采集系統的研究逐漸受到重視。

因此，我國電力信息采集系統的研究取得了顯著進展。兩大電力公司和研究機構積極開展研究，提出了一系列創新性方案，包括基于物聯網技術的智能電網信息采集系統、高精度數據采集，這些研究不僅提高了電力系統的運行效率，還為電力行業的自動化發展提供了有力支撐[2]。歐美國家也在電力信息采集系統領域積極探索。歐洲各國致力于構建跨國電力信息采集網絡，以實現電力資源的優化配置和跨國電力交易。美國則在智能電網技術方面投入巨資，推動了電力信息采集系統的研究與應用，取得了豐碩的成果。

電力信息采集系統的研究不僅僅關乎技術創新，更是推動電力行業現代化轉型的關鍵引擎。本文將進一步探討該領域的關鍵采集通信技術，為電力行業提供更高效、可靠的用電數據采集和管理方案，從而推動電力系統朝著更智能、更可持續的方向發展。

2 用電信息采集系統理論分析

2.1 OFDM基本原理分析

在通信系統中，為保證充分利用信道帶寬，通常采用多載波調制方式和頻分復用（FDM）的形式進行信號傳輸。頻分復用方式的優勢在于，通過插入不帶數據的色彩保護帶Af，可以有效地分離子載波，防止它們之間的相互干擾。這帶來了一個顯著的好處，即子載波上的信號可以保持更長的持續時間，容易受到信號速率增加引起的線性失真的影響，這種技術的特殊應用是正交頻分復用（OFDM）。

OFDM作為一種特殊的頻率分復用方法，利用正交性原理消除了色彩保護帶，不僅繼承了傳統頻率分復用方法的優點，還融合了倍數效率的特長。OFDM的調制解調原理見圖1。

圖1 OFDM 調制解調原理

該方法允許多個子承載同時傳輸不同的數據，每個子承載以這種正交的方式運行，使它們互不干擾。這種高效率的特性使得OFDM 成為許多現代通信系統的首選，包括Wi-Fi、4G 和5G 移動通信。OFDM的應用不僅提高了數據傳輸速度，還提供了更好的抗干擾性能，從而提升了通信質量和可靠性[3]。因此，OFDM技術在通信領域的迫切凸顯，為未來的通信技術發展提供了堅實的基礎。

在發送端，輸入的信號經過正交調制（QAM）調制后，得到一串QAM序列。這個QAM序列經過串并轉換，被分成N 個子序列。接下來，這N 個子序列經過離散傅里葉變換（IFFT）計算，并添加另外一個循環。然后，再經過一次并串轉換，得到了信號發送端的OFDM符號。

該OFDM符號附加被插入前導信號，然后通過電力線信道傳輸至接收端。在接收端，接收到的信號經過解調，積分根據計算方法來獲得每個子載波攜帶的信息[4]。另外，再一次串并轉換和QAM解調的過程，最終將接收到的信號恢復成原始的發送信號。

在這個過程中，符號Xi（i=0，1，.N-1）代表N個子信道上對應的OAM調制信號。每個OFDM符號的周期為T。因此，一個完整的OFDM符號s（t）可以表示為：

式中：fi=i/T，為第i個子承載的頻率；T為一個OFDM符號的周期；fi為每個子承載的頻率。

2.2 信道建模

由于電力線路噪聲的特性，其噪聲具有隨機性和突發性的影響。通常為了進行噪聲建模，電力線路噪聲被視為高斯噪聲與脈沖噪聲的最大值。這種噪聲模型被稱為Middleton A 類噪聲模型。其概率密度函數可以表示為公式（2）：

式中：σ2為高斯噪聲的方差；ΓMA為高斯噪聲與脈沖噪聲的功率比；AMA為脈沖噪聲重疊指數；當AMA的值趨近于無窮大時，這個噪聲模型近似于高斯分布。為了方便計算和后續的建模仿真，一般會對這些參數進行設定。通常可以將σ2的值定為1，而ΓMA和AMA的值設定為0.1。

傳統的自上而下的方法將電力線信道視為一個整體，利用參數的方式進行建模，這種方法因此參數較少，模型相對簡單，在實際應用中具有很強的實用性。傳統模型在仿真過程中未能全面考慮到所有影響信道的因素，因此導致仿真結果與實際信道行為之間存在一定的缺陷。

為了改進這個問題，M.Zimmermann 等學者提出新的算法，并對傳統的自上而下的方法進行了改進。他們考慮到電力線信道的多徑效應和信號傳輸過程中的衰落，提出了一種電力載波信道傳遞函數的頻域表達式：

式中：a0和a1是衰減特性因子的系數；fkp則代表了衰減特性因子的指數。該模型與Middleton A 類噪聲模型相結合，用于建立低壓電力載波的復雜模型。模型可以更全面地考慮信道中的多徑效應和信號衰減，進一步提高了對電力線信道行為的準確建模[5]。圖2 為這個組合模型，它綜合考慮了Middleton A 類噪聲和電力衰減特性，能夠更好地模擬線路信道的實際情況。

圖2 低壓電力載波信道模型

2.3 用電信息采集系統原理

電力信息采集系統具有監測、采集和遠程查看功能，用于實時監控計量設備的在線狀態和采集用戶用電數據信息。該系統主要采集電壓、電流、電量等用電信息，通過監測平臺幫助用戶清晰了解用電負荷的變化情況，從而促進用戶養成良好的用電習慣。

在通信層面，用電信息采集系統的結構通常分為三層。最上層是主站層，通常是云平臺或其他服務器，負責采集到的用電信息，提供遠程訪問和數據管理功能。主要是集中器，用于匯總和管理多個終端設備的數據，起到數據中轉和集中控制的作用。第三層是本地通信層，主要負責直接與終端設備交互，用于采集用電信息并傳輸到集中器或主站層。

電力信息采集系統的結構如圖3 所示，它清晰地展示了不同系統之間的核功能。這種分層結構有助于系統的穩定運行和數據的管理，同時也使得用戶能夠方便地訪問和分析用電數據，提高用電效率和管理能力。電力信息采集系統在電力行業和能源管理中發揮了重要作用，有助于實現能源的有效利用和管理。

圖3 用電信息采集系統通信層結構框

3 用電信息采集系統通信建模與仿真

3.1 OFDM系統的建模流程（見圖4）

圖4 OFDM 系統建模流程

首先，對于OFDM系統，設置一系列參數，包括子載波需要的數量、每個子載波所攜帶的比特數、保護間隔長度、信噪比等。這些參數的選擇會直接影響系統性能，因此需要鏈路調整滿足通信特定需求。

接下來，對信號發送部分進行建模。這一步包括建立信號源，通常通過生成需要傳輸的數據或信息來實現。之后進行16QAM調制，將數字數據映射到復數符號。另外，需要循環添加另一個，以處理OFDM 信號在傳輸過程中的多徑效應，并提高信號的抗干擾性能。還需要進行信號加窗操作，以平滑信號的過渡。然后，進行并串轉換，將信號準備好以便發送。進一步，需要基于載波通信信道的特性進行建模。這包括考慮信號在電力線通信信道中傳輸時的衰落影響、多徑電場效應以及噪聲等因素。這些因素對信號的傳輸和接收都具有重要影響。

最后，在信號接收部分進行建模。接收部分會接收到來自信道的信號，并進行解調和信號處理。在接收端終止，可以通過比較接收到的信號與發送的信號來計算數據傳輸的誤差，該步驟有助于評估系統的性能，并且在需要時進行錯誤修正或重傳。

整個過程中，需要綜合考慮信號處理、信道特性和誤碼率計算，以保證OFDM 系統在電力線路通信等應用中能夠有效地傳輸數據并維持高質量的通信連接。這些模型和參數設置是為了優化和改進系統性能，非常關鍵。

3.2 仿真分析

借助Matlab，對OFDM系統中添加循環遠端和加窗操作的部分進行了仿真分析，圖5 為發送端前200序號的圖示，每個信號代表二進制調制后的復數形式。

圖5 發送端星座調制后星座圖

對星座圖中信號通過16QAM解調后，即可得到二進制信號序列，從圖6 中分析對比前序信號數據，前200 位誤碼率計算結果低于6×10-5，繼續進行10次重復OFDM通訊流程驗證，誤碼率皆低于6×10-5，該分析說明這些操作下的調制和解調流程結果符合電力負載通信的基本要求，這意味著信號可以在通信中得以恢復和解碼。仿真結果表明系統在面對不同信道條件下也能夠穩定傳輸數據，保持傳輸數據較低的誤碼率，這對于電力承載通信的可靠性和穩定性至關重要。這些仿真分析結果為系統性能的評估和優化提供了有力的支持，確保在實際應用中具備高質量的通信連接。

圖6 采集系統信號序列波形圖

4 結語

通過對系統各方面進行深入研究，本文研究與設計的電力用電采集系統能夠實現對電力數據的全面采集、監測和深度分析，從而有效保障電力系統的穩定運行和高效管理。在系統設計中，充分考慮了通信、信道特性和數據處理等多個關鍵因素，確保系統滿足電力載波通信的嚴格要求，提高通信質量和抗干擾性。為了驗證系統的性能是否能夠滿足電力系統的需求，進行了模擬和仿真分析。通過這些分析，驗證了系統在實際應用中能夠穩定可靠地運行，并對電力數據進行準確、及時地采集與監測，這為電力系統的運行提供了堅實的技術支持。