无线电能表串户排查的传输损耗研究

寇英刚 范洁 楚成博 陈霄

摘 要：针对传统电能表接线排查中直接拉闸或利用有线信号进行判断的缺点，本文首次提出了一种使用无线信号进行串户分析的方案。该方案不仅可以提高排查效率，同时大大降低了对用户的影响。由于高频信号在传输过程中损耗大，易受现场复杂环境的干扰，不同用户之间难以区分。在传输线理论的基础上，对高频信号在电力线传输的损耗特点进行了详细的分析，并以此为基础，对该无线排查系统的理论模型进行验证。计算给出了该系统在不同环境下的有效判断范围。并最终通过实测数据进一步证实了该方案的可行性。

关键词：电力线；高频；传输损耗；无线

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.005

中图分类号： TM76

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）03-0028-06

Study Onpower Loss in Watt-hour Meter Wiring Check Based on Wireless Solutions

KOU Ying-gang， FAN Jie， CHU Cheng-bo， CHEN Xiao

（State Grid Jiangsu Electric Power Co. LTD.， Nanjing 210000，China）

Abstract：Switching out directly or judging by wired signal was the conventional method of checking meter wiring. A method which improves the efficiency of troubleshooting and greatly reduces the influence on users is presented by this paper for users of electricity using wireless signals for the first time. As the high-frequency signal in transmission process wastes largely and affected easily by complicated interference in the scene， it is difficult for different users to distinguish from. The loss characteristics of high frequency signal in power are analyzed in detail which based on the theory of power transmission line. Besides， the paper has verified the theoretical model of the wireless troubleshootings system and calculated the effectively distinguishable range of system in different scenes. Ultimately， the feasibility of scheme is confirmed by the measured data.

Keywords：electric-power line； high frequency； transmission loss； wireless

0 引 言

电能表的接线检查，一直以来都是困扰电力部门的一大难题[1]。接线错误，即电能表串户一旦发生，将产生一系列的问题，严重影响居民的用电质量[2]。由于一般的排查方法需要拉闸断电并入户确认，不仅效率低下，限制较多，同时也对用户的正常用电带来：不可避免的影响[3-4]。使用无线信号接收技术进行串户分析，不仅可以克服入户检查的诸多限制，同时也可以提高效率，减少对用户影响，是未来串户排查方式的不二选择。但由于高频信号衰减快、容易受干扰以及现场环境复杂等因素，使得利用无线信号进行串户分析变得十分困难[5-7]。

无线式串户分析首先要解决的问题，是不同用户信号损耗的分析。只有能确定不同用户信号的损耗特点，才能对用户进行区分并对表户关系进行判断。为了判断表户关系，需要将高频信号在电表端注入，并在用户端接收。高频信号首先沿电力线从电表处传播到对应的用户家中，再经由空开、开关等断点所形成的天线辐射到空中。接收器通过对比用户家中辐射出的高频无线信号，就能实现对表户关系的判断。本文将着重分析信号从注入点至用户空开处的损耗，并以此分析该无线排查方案的可行性及适用范围。

1 系统结构

首先简单介绍无线式串户分析的系统结构。

该方案由两部分组成：用于产生信号的发射主机，简称为主机，以及用于接收无线信号的接收从机，简称为从机。从图中可以看到，主机在电能表的出线处注入信号，该信号由电力线传播到该电能表所实际连接的用户户内，在到达户内空开后辐射到空中；从机通过接收天线接收该无线信号，并通过分析报文和信号强度等信息，得到该信号所对应的表号，从而判断是否发生串户。在此我们可以假设对于不同的电能表，注入信号强度可以保持一致；而在用户端，由空开等断点造成的辐射也可认为与到达空开处的信号强度成正比。因此对于最终辐射信号的强度将由信号在电力线传播过程中的损耗所决定。损耗越大，终端所得到的信號强度越弱；反之，测得的无线信号强度越大。因此，如何计算该损耗以及不同环境下损耗的变化规律对正确判断串户关系具有至关重要的意义。

2 损耗分析

2.1 传输线理论

电力线对所选频段信号的衰减，受到线缆长度、布线特征等因素影响[8-10]。要计算这些因素所产生的衰减，需要根据传输线理论对线缆的阻抗参数进行计算。该理论将传输线分为无穷小的线段，每个线段的阻抗可以根据线缆特性进行计算，如图2所示。

根据传输线理论，每个单元的阻抗可等效为：

Z=R+jωLG+jωC（1）

其中两根导线的形状决定了R，L，G，C的表达形式。而由此可以得到传播系数：

γ=（R+jωL）（G+jωC）=α+jβ（2）

由于我们的应用场景中线长至少为几倍的波长，因此可以使用该方法进行计算。

对于串户分析仪，信号由于线长导致的衰减是首先要考虑的。这里我们选择双芯的模型，即零火线并排的结构进行分析。其中：

R=rsπa，L=μπarccos（D2a）

G=πωε′arccos（D/2a），C=πεarccos（D/2a）（3）

这里我们计算了15MHz信号在0～150m内的衰减情况，如图3所示。

2.2 多路径串扰损耗模型

由于电力线对高频信号的损耗较强，而且在阻抗不匹配处会产生反射，高频信号在电力线传输过程中会产生多径效应[11-13]。根据公式（1），（2），对于电力线，RωL，GωC可以推导出[11]对高频信号的基本响应为：

H（f）=∑Ni=1gi（f）e-（a0+a1fk）die-j2πfτi（4）

其中i表示第i条路径，相位延迟最小的路径i=1；gi（f）为权重因子，表征了反射与传输的特性；e-（a0+a1fk）di项为衰减项，a0，a1为衰减系数，di为路径长度，k为值在0.5-1之间的常数；e-j2πfτi为相位延迟项，τi为延迟时间。H（f）表示图1中信号从注入点到户内空开处的衰减，N为信号所有可能的传输路径。

对于一般的电力线载波模型，公式（4）就可以描述信号的损耗，但在本文的应用场景中，考虑到电力线从表箱到用户的布线途中，会有一段长度的并行排线，而这时目标户与非目标户的线路有可能是紧靠在一起的。这样一段并行的排线会使信号通过线间偶合传递到非目标户，而偶合强度的大小则由两线之间的互感决定。因此将互感项加入，就变为：

H（f）=∑Ni=1gi（f）e-（a0+a1fk）die-j2πfτi·∑Mj=2ea2lj/f（5）

其中M为节点处的分支数，a2为单位长度的互相系数，lj为目标户与第j条分支的并行长度。式（5）中的系数，部分可以直接从电路的物理特性计算，如a2，di，lj，τi，而另一些则需要通过实验得到。

2.3 模型验证

首先将图1所示的电路进行简化。简化后的路径如图4所示，信号在A点注入，目标户的配电盒为C点，则对于目标户延迟最小的路径为A-C，之后依次为A-B-A-C，A-B-D-B-A-C等。若B点处存在多个分支，则会产生更多的路径。随着路径长度的增加，其对应的权重因子也会不断变小，因此只要计算有限条路径之和，就可以计算出该网络的频率响应。

首先在实验室环境中测试一种比较简单的情况。B点的分支数为2，选择N=3，也就是只计算A-C、A-B-A-C、A-B-D-B-A-C三条路径。我们选择的线缆参数参考一般居民楼内标准用线。详细参数如表1所示。

在图4所示的A点，使用数字信号发生器注入功率恒定的30～50MHz扫频信号。根据之前的假设，为了更加准确的测量，这里直接测量线上信号的功率，在C点使用频谱仪对信号的频谱进行测量，结果如图5所示。

将表1的参数代入，使用最小二乘法，拟合得到的系数如表2所示。根据这些系数，3路径模型的频响曲线如图5中虚线所示。可以看到通过3条路径求和得到的频响曲线在趋势上与实际频响基本一致。

为了进一步检验该模型的可靠性，我们在相同的环境下增加分支数量，检验计算出的频响是否与实际一致。我们在之前的电力线网络基础上，在B点增加两条分支。这两条分支将使目标户的频响总路径数变为5条。新增路径的参数如表3所示。

我们直接使用之前计算得到的衰减系数代入计算。得到的理论频响曲线与实测的曲线如图6所示。可以看到除了各别频点有一些差别，大部分频点都与实际测得的频响一致。我们继续增加分支数量，并计算了6分支和8分支情况下目标户的频响曲线，分别如图7中虚线和点划线所示。可以看到随着分支数量的增加，目标户的信号衰减逐渐变大，而且高频信号的衰减变化更快。

对于非目标户，我们同样使用比较简单的2分支网络进行验证。对于非目標户，信号的传输最短路径为A-B-D，我们取N=2，第二条路径为A-C-A-B-D，得到理论和测量的频响如图7所示。

对于大部分的电力线载波环境，都不需要单独考虑串扰的影响[17-18]。因为无论是载波抄表还是电力猫，串扰产生的影响都不会对原信号产生干扰，或者干扰可作为小量考虑[19-20]。而在本文的应用环境中，串扰信号会减弱目标户信号强度，同时增强非目标户信号强度，是必须考虑的影响因素。所以我们人为改变并行布线的长度，测量串扰的影响。图8中给出了计算和测量的结果对比。可以看到在其它条件不变的情况下，并行布线的长度越长，非目标户的信号越强。

以上对比显示，计算的频响与实测值基本吻合，说明我们使用的模型可以在有限条路径的计算下，近似得到实际电力线网络对高频信号的响应特征。

2.4 有效区分条件

为了准确区分目标户与非目标户，需要满足两个条件：1）标户的信号衰减Htarget（f）大于信号接收器的接收功率最小值；2）Htarget（f）要大于非目标户的衰减Hnon（f）。即：

Htarget（f）

只有同时满足以上两个条件时，无线信号接收器才能有效区分目标户与非目标户，继而准确判断串户情况。

3 测量结果

3.1 分支衰减功率测量

根据之前的分析，影响判断的一个重要因素就是分支产生的衰减大小。由于我们使用的信号频率较高，空开及电能表等跨接零火线的设备，都会对信号产生较强的衰减效果[12-14]。但由于不同型号产品的差异，无法进行具体量化的分析。我们只能通过现场测试对这种情况所产生的影响进行测量。我们将非目标户的表后空开断开，然后直接测量非目标户电能表的出线端信号强度。表4列出了分支节点数和是否有表前空开情况下非目标户回流信号的强度。

从表4可以看出，分支节点数越多，回流信号越弱。而且在有表前空开的情况下，回流信号远小于没有表前空开的情况。而且无论是否有表前空开，回流信号的强度都远小于串扰所产生的信号。我们还通过使用从机，对空间信号进行了测量，发现回流信号主要功率都以电磁波的形式辐射掉。从该表可以看出，分支衰减项普遍大于70dB，因此线长衰减与串扰所产生的总衰减小于分支衰减，就可以有效区分目标户与非目标户。

3.2 线长影响

我们还通过现场测试，测量了不同线长下信号强度的变化。具体测试环境中，表箱位于地下负一层，而测量范围是1层到20层的01、02、03户，这样可以保证线长是满足等差变化的。测量时使用从机在正对目标用户空开1m距离处进行信号采集。采集信号强度如图9所示。

由图9可以看到信号的衰减趋势与模拟基本一致。其中03户信号普遍偏强，这是是由于该户相对01、02户，距离电井较近造成的。

3.3 串扰信号强度测量

作为对比，我们同时对非目标户的信号强度进行了测量。测量方式与目标户相同，只是注入电表与测量户号不一致。图10所示为同层的三户非目标户的信号强度以及非同层的三户非目标户信号强度与目标户的信号强度对比。

可以看到临层的目标户与非目标户强度差要明显大于临户的强度差。通过模拟，可以得到当前情况下，临层的信号强度差为-31.5dB，而临户的信号强度差约为-17.9dB。现场测试的两者平均值分别为：-29.8dB和15.8dB，略小于模拟值。另外，虽然信号强度要低于目标户，但是强度变化并没有显著的规律，这可能与布线所产生的互感有关。而在现场测量过程中，我们对比了两种不同的布线方式，一种为同一表箱的所有线缆在一个线槽；另一种为每块电能表的出现都单独进一个线槽。这两种情况下显然前者的非目标户与目标户的互感会比后者大。而实际测量中，前一种布线条件下，非目标户的信号强度也确实户略高于分开布线的情况。

3.4 有效区分范围

根据现场测量数据，我们已经验证了之前对线长损耗及串扰损耗的分析。考虑到现场测量的干扰和无线测量对方向性以及距离的精度误差，为保证明显的区分度，我们将式（6）右边增加12dB作为有效区分的域值条件。最终结合理论分析与现场测量的结果，我们得到了不同楼层情况下，可以进行有效区分的判断范围，如图11所示。

由图可知，当被测楼层距离表箱所在楼层较近时，目标户与非目标户的有效区分距离较远；随着被

测楼层距离表箱所在楼层越来越远，目标户与非目标户的有效区分距离会越来越近。当起始楼层大于36层时，由于目标户与非目标户的区别已经小于12dB，因此无法有效区分。对于大部分的居民楼，一个表箱内的表位数都不会大于30，而且当总楼层数更多时，为了减少线损，表箱会设置在临近的楼层[15，16]。因此，只有少数户型特殊的情况下，才需要根据图11所给的有效范围进行判断。

4 结 语

本文首次提出了一种利用无线信号进行电能表串户排查的系统方案。根据电能表串户无线分析仪的应用特点，首先对该设备的适用工作频段进行了分析，将10～50MHz的频段作为可用工作频段。之后分析了该频段内信号在电力线上的传播和衰减特征，并给出影响目标户信号判断的三个主要因素，长度衰减、串扰影响以及分支衰减。根据传输线理论计算了几种条件下信号的衰减规律。最后通过对比现场测量的数据，验证了对信号损耗的相关分析，对准确分析串户关系提供了可靠的理论基础，并为算法设计提供了相应的理论模型基础。最后结合分析和测量结果给出了电能表串户无线分析仪的有效区分范围，最大的有效区分楼层为36层，确定了该方案可以应用在绝大多数的环境中，从而可以大幅度

的提高串户排查的效率和准备性。

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