面向新一代智能电表的微电流指纹自动配对技术

肖婵　周乐明　易伟浪　张保亮　熊素琴

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 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

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，對打造智能电网具有重要意义[1-2]。

然而，与智能预付费电表配套使用的费控开关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业的工作量和人工成本[3-4]。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[7-9]。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S1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SW1来控制开关S1，从而产生相应的电流信息，通过电力线传输至智能电表。

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，uLN表示等效电压源，r表示线路等效電阻（阻值很小，可忽略不计），i表示电流传输的信号，d表示电流编码波形，Ts表示信号编码电路每一字节的持续时间。当控制信号SW1为0时，开关S1断开，电路中无电流，此时对应二进制编码“0”;当控制信号SW1为1时，开关S1接通，电路中有电流，此时对应二进制编码“1”;因此通过控制S1的通断，可以将断路器的相关信息传输至电表。

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线采样到的电流数据传送给智能电表MCU （Microcontroller Unit， 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S1。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S1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找表后断路器，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找的表后断路器，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，则认为自动寻找表后断路器失败。

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。

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。

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S1闭合，负载接入产生周期电流（表示二进制1），当功率开关S1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

2.1 OOK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）。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-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u（t）=0时，开关S1置于0处，即开关S1断开信号，输出电压Uout波形为0;当调制信号u（t）=1时，开关S1置于1处，即开关S1接通信号，输出电压Uout波形跟载波一致。开关S1为双向模拟开关，在电路中起接通信号或断开信号的作用。

2.2 OOK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。

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。

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

智能电表自动寻找表后断路器自动配对的流程图如图11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。

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01010101101，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，电路中无电流;当控制信号为1时，电路中有电流。

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。

当设置电流指纹信息为01010101101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。

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。如圖15所示，断路器蓝牙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。

5 结 论

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。

参考文献

[1] 余宇红，吴志群，周虹.预付费电能表的应用研究[J].华东电力，2008，36（12）：142-144.

[2] 吴记江.智能预付费电能表的运用[J].通讯世界，2014，（23）：193-194.

[3] 陈建进.防止误重合闸的电能表外置断路器研制[J].自动化装置与设备，2019，41（3）：16-17.

[4] 郭栋，孙明珠，金洁，等.基于无线技术的智能电能表设计[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2014，34（4）：220-225.

[5] 马利人，汪斯珂.基于微型断路器的三相智能电能表费控电路应用分析[J].仪表技术，2012，（11）：9-11.

[6] 王雪莲.浅谈智能电能表中继电器的故障及解决方案[J].通讯世界，2016，（2）：180-181.

[7] 张培，姜家寅.电能表外置断路器的应用[J].农村电工，2013，（3）：51.

[8] 赵荣康.基于蓝牙通信的智能断路器控制器研究[J].电器与能效管理技术，2016，（18）：33-36.

[9] 王甲，华号，曹晓锋.智能电表和外置蓝牙断路器的配对方法[J].电子技术，2019，48（1）：70-71.

[10]沈保锁，侯春萍主编.现代通信原理（第二版）[M].北京：国防工业出版社，2008.