计算技术与自动化
Computing Technology and Automation
第40卷第1期2 0 2 1年3月Vol. 40,No. 1Mar. 2 02 1
文章编号：1003-6199( 2021 )01-0063 — 05DOI ： 10. 16339/j. cnki. jsjsyzdh. 202101012
肖婵t，周乐明1，易伟浪1，张保亮2，熊素琴3
(1.国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学)，湖南长抄410082;
2.国网计量中心，北京100192,
3.中国电力科学研究院有限公司，北京100192)
摘要：针对智能电表与表后断路器大多依赖人工掌机扫码进行配对，配对过程过度依赖人工，成本 高，且容易发生误配对串户等问题，提出了面向新一代智能电表的微电流指纹自动配对技术。该技术通过
在蓝牙断路器内置开关电容模块和编码电路，将配对特征码信息调制成无功电流信号，利用电力线传输至 智能电表，并与蓝牙断路器广播发送的配对特征码信息进行比对，从而实现智能电表与表后断路器的自动 配对。该配对过程无需依赖人工，极大地降低了人工成本，提高了配对的准确性。最后，实验验证了所提的
微电流指纹自动配对技术的正确性和有效性。
关键词：电流指纹技术；自动配对；智能电表 中图分类号:TP23
文献标识码：A
Micro-current Fingerprint Automatic Matching Technology for New Generation Smart Meters
XIAO Chan lt , ZHOU Le-ming 1, YI Wei-lang 1, ZHANG Bao-liang 2, XIONG Su-qin 3
(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 , Beij ing 100192, China )
Abstract : In view of the problems of smart meters and post-meter circuit breakers mostly rely on manual handheld scan
ners 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 modula
ted 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 re duces 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
随着我国电力物联网不断的发展，智能预付费 电表取代了传统的电能表，已广泛应用于商业小 区、居民住宅等地方。据统计，目前我国智能电网
煅烧石油焦已接入4. 9亿只智能电能表，覆盖率高达99%以
上。智能预付费电表具有便捷、可远程控制，可网
上缴费等优点，是未来智能化电表范畴重要智能化
终端，对打造智能电网具有重要意义
然而，与智能预付费电表配套使用的费控开关
收稿日期：2020-10-30
基金项目：国家电网技术开发服务项目(SGDKJL00YQJS2000056 )
作者简介：肖 婵(1994—)，女，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向：电力电子及电力传动。 t 通讯联系人s E-mail : xiaochan0123@163. com
64计算技术与自动化2021年3月
在功能上还存在着明显不足，即欠费可自动断电，
但缴费后合闸还需人工完成，极大地增大了供电企蜂鸣器驱动电路>摇摆车
业的工作量和人工成本E3"4]o虽然在智能预付费
电表中内置微型继电器可基本解决缴费后费控开
关自动合闸的问题，但由于内置微型继电器触点间
距较小，在分合闸过程中易出现爬电、闪络等现象，
长时间运行后会造成继电器触点氧化、接触不良等
问题，降低了供电的可靠性[5-6\
因此，现有的电能表外置断路器被设计出来，与预付费电能表配套使用，通过蓝牙等无线通讯方式进行配对连接，实现断路器的分合闸控制"7」。但目前的基于蓝牙技术研制的无线断路器和蓝牙电表，需要通过掌机对电表和断路器分别扫码配对。一方面，电表安装现场一般处于无电状态，扫码配对需
要上电操作，操作过程繁杂；另一方面，对于多表位的电能表箱，容易错扫描或误配置，完成整个配对流程耗费时间长。
因此，该系统提出了面向新一代智能电表的微电流指纹自动配对技术，通过在断路器内置电流指纹模块，实现信息在电力线上传输，并结合无线蓝牙模块实现信息无线通讯，使得配对过程无需依赖人工即可有效实现智能电表与表后断路器的自动配对，极大地降低了人工成本，提高了配对的准确性。
1系统拓扑结构及其原理
1.1系统拓扑结构
智能电表与表后断路器自动配对系统拓扑结构如图1所示，其中，智能电表和表后断路器均内置无线蓝牙模块，表后断路器内置电流指纹模块，与电力线的L/N线相连。
其中，断路器内置集成电流指纹模块结构如图2所示，主要由辅助电源、电流编码控制器、开关Si 和负载组成。辅助电源从输入L/N线（火/零线）取电为电流编码控制器提供电源；电流编码控制器根据配对特征码信息，通过OOK编码方式生成相应的控制信号SWi来控制开关$，从而产生相应的电流信息，通过电力线传输至智能电表。
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图1系统拓扑结构
SW，为片光S，的揑制命号
图2电流指纹模块
图3为电流指纹等效原理图及其电流编码波形（以电容负载为例）。其中，“LN表示等效电压源，厂表示线路等效电阻（阻值很小，可忽略不计）异表示电流传输的信号，d表示电流编码波形，久表示信号编码电路每一字节的持续时间。当控制信号SWi为0时，开关Si断开，电路中无电流，此时对应二进制编码“0”；当控制信号SWi为1时，开关Si接通，电路中有电流，此时对应二进制编码T”；因此通过控制$的通断，可以将断路器的相关信息传输至电表。
图3电容负载等效原理图及其电流编码波形图
1.2基于电流指纹的自动配对技术原理
在上节基础上，通过将断路器相应的身份信息或者配对特征码调制在电流上（即电流指纹），然后利用电力线将此信息传输至智能电表，并与蓝牙断路器广播发送的配对特征码信息进行比对，从而实现智能电表与表后断路器的一一配对。
图4基于电流指纹技术的自动配对原理图
图4所示为基于电流指纹技术的自动配对原理图，智能电表采样模块将从L/N线采样到的电
第40卷第1期肖婵等：面向新一代智能电表的微电流指纹自动配对技术65
红豆杉提取物流数据传送给智能电表MCU(Microcontroller U-nit，微控制单元)；智能断路器MCU通过无线蓝牙模块与智能电表实现信息交互，配对成功后通过智能断路器MCU控制开关S-以下为具体实现步骤：
(1)智能断路器上电后，断路器MCU将断路器MAC地址作为自动配对特征码，通过控制开关Si的开断，从而将自动配对特征码调制编码成电流指纹发送至电力线上；同时，通过断路器蓝牙模块广播发送自动配对特征码。
(2)智能电表初始化后检查从机列表，检测断路器从机未设置时发起自动寻表后断路器，智能电表采样模块开始采样电流数据。采样完成后，电表MCU解调采样获得电流指纹，并与电表蓝牙模块扫描得到的断路器自动配对特征码一一对比，连接上特征码完全一致的断路器蓝牙。
(3)电能表MCU产生数位随机数作为新的自动配对特征码，并通过电表蓝牙模块广播发送至断路器蓝牙。
(4)断路器蓝牙接收到命令后，将新的自动配对特征码编码调制成电流指纹发送至电力线上，并通过断路器蓝牙回复电表蓝牙已收到特征码。
(5)电能表蓝牙模块收到断路器蓝牙回复后延时一小段时间，再次开始采样电流数据，采样完成后，电
表MCU再次解调采样获得的电流指纹，并与更新后的自动配对特征码相比较，当特征码一致时，可以确认该断路器即为电表寻的表后断路器，智能电表存储该断路器地址。
(6)若电表再次解调得到的自动配对特征码与更新后的自动配对特征码不一致时，断开已连接的断路器蓝牙，并删除该断路器蓝牙地址，转至步骤(3)。若扫描列表为空，则认为自动寻表后断路器失败。
1.3有功电流与无功电流指纹比较
1.3.1电阻有功负载技术
有功电流指纹是通过在智能断路器内置阻性负载进行调制而实现的，其产生的电流编码波形如图5所示。
柑曲电46朋调岀为式
图5电阻有功负载技术
有功电流指纹由前导码、数据码和校验码构成，通过脉冲长度来表达数据，如图5所示，在两个高脉冲(以前2秒高脉冲、后1秒高脉冲为例)之间的低电平持续时间作为调制数据，低电平持续1秒为二进制00，低电平持续2秒为二进制01，低电平持续3秒为二进制10，低电平持续4秒为表二进制11，然后利用1秒的高电平表示下一段数据开始，如此反复，从而实现数据的编码和调制。
有功电流指纹在传输不同数据时所需要的时间不一致，同时存在有功损耗。
1.3.2电容功负载技术
无功电流电流指纹是通过在智能断路器内置的容性负载进行调制而实现的，称为电容无功负载技术，其产生的电流编码波形如图6所示。
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无功电流折魏询制方式
纳米除臭装置
iifl ms60niS
a i a1o i fl
蕭码格式
图6电容无功负载技术
无功电流指纹编码实现通过容性负载的通断来实现数据位1和0，采用OOK方式调制数据，即当功率开关Si闭合，负载接入产生周期电流(表示二进制1)，当功率开关$断开时，负载退出则无电流发生(表示
二进制0)。
相比有功电流指纹调制方式，采用无功电流指纹，系统基本无损耗，发热量低，数据传输速率高。因此，采用无功电流指纹实现电表和断路器的配对。
2调制解调及编码方式
2.1OOK调制方式
调制信号为二进制数字信号时，对载波信号的振幅进行调制，这种调制称为二进制振幅键控调制，即2ASK(Amplitude Shift Keying)o实现2ASK最简单的形式是载波在二进制信号为1或0的控制下进行通或断，这种二进制振幅键控方式称为通一断键控，即OOK(On-Off Keying)，其实现原理框图及输出波形如图7所示。
当调制信号“&)=0时，开关Si置于0处，即开关Si断开信号，输出电压U如波形为0；当调制信号=l时，开关Si置于1处，即开关Si接通信号，输出电压U如波形跟载波一致。开关Si为双向模拟开关，在电路中起接通信号或断开信号的作用
。
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图7OOK原理框图及输出波形
-1'
A K 图10自动配对技术的编码格式
2.2OOK解调方式
2ASK的基本解调方法有相干解调和非相干解调两种方法。非相关解调系统设备简单，且由于OOK调制方式噪音信号的无规律性，用相干解调的难度较大，因此，本系统采用非相关解调方法。非相关解调也称为包络检测法，其解调信号流程如图8所示。
图8OOK包络解调框图
信号先通过带通滤波器，保留设定范围内的波，此处输出波形如图9波形a；再通过全波整流将所有负轴以下的信号翻转，此处输出波形如图9中波形b；接着，经过低通滤波器，滤除高于阈值频率的波，此处输出波形如图9中波形c；最后抽样判断数据是0还是1，最终输出波形如图9中波形d o
m°jl,
图9OOK包络解调过程的时间波形
2.3编码方式
自动配对系统的编码方式如图10所示，数据帧由数据同步头、起始位、数据位、插入位、校验位和结束位构成。其中，数据同步头为6位“1”；起始位为1位“0”；中间数据位/插入位持续20个位，每4个数据位插入一个插入位，插入位与前一个数据位相反；校验位为一个奇校验位，所有数据位、插入位、校验位保持奇数个“1”；结束位为1位“0”。3智能电表软件设计
智能电表自动寻表后断路器自动配对的流程图如图n所示。电表上电后若检测到自身未配置表后断路器，便开始采样表后断路器发送过来的电流指纹，采样完成后，利用软件算法解调编码数据后与智能电表蓝牙接收到的特征码一一比较，当特征码一致时，与断路器蓝牙连接。随后，电表蓝牙将更改电流特征码，待收到断路器蓝牙的回复信息后，重新开始采样电流指纹，再重新利用软件算法解调编码数据。最后，与电表蓝牙更改后的新特征码相比较，若一致，便获得合法断路器蓝牙MAC地址，实现自动配对。
图11系统主程序流程图
4仿真与实验验证
为了验证所提电流指纹技术的有效性，按照图3中的等效原理图在PSIM仿真环境中搭建采用电容无功负载技术的电流指纹发生器，控制信号设为***********，电流发生器参数设置如表1所示。电流波形如图12所示，当控制信号为0时，电
第40卷第1期肖 婵等：面向新一代智能电表的微电流指纹自动配对技术67
路中无电流；当控制信号为1时，电路中有电流。
表1电流指纹发生器参数
参数
red5集数值
U ln /V
220//Hz
50C/”F
10T s /ms
60
蓝牙App 上显示已与电表配对成功，说明本文提
出的方法可以很好的实现智能电表与断路器自动 配对。
；通讯地址
011SQOOOOIW2
Ureak0r_MACCfl;OO:OO 00:00:00
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③已斷开
图15 断路器蓝牙app 界面
5结论
图12仿真电流波形
同时，为进一步验证所提电流指纹配对技术的 有效性，研制了一款无功电容电流指纹模块内置在 断路器中，电表和断路器系统实物图如13所示。
E ：席排内'X 电就掃改峨址
图13 电流指纹模块实物图
当设置电流指纹信息为***********时，在电
力线路中检测到如图14所示电流波形。图中解析
出来的电流信息与设置信息相吻合。
图14 无功电流指纹波形
为了验证基于电流指纹技术的智能电表与表
后断路器自动配对的有效性。在图13所示系统
中，进行上电自动配对实验。如图15所示，断路器
针对目前掌机配对过度依赖人工，成本高，容
易发生误配对串户等问题，提出了一种基于电流指
纹的自动配对技术。文中阐述了电流指纹配对技 术的基本原理，详细描述了电流指纹调制和解调、
编码与解码原理，对比分析了有功电流指纹和无功
电流指纹的优缺点，并对智能电表与配对过程的程
序进行了设计，最后通过实验验证了所提的电流指 纹自动配对技术的正确性和有效性。
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