基于北斗一代的電力數據通信終端的硬件設計

田 暉，何 婧，江小輝

（1.國網江西省電力公司江西南昌330077；2.國網江西鷹潭供電公司江西鷹潭335001）

配電網的自動化系統是通過計算機硬件、軟件、自動控制和數據通信等技術[1]，實現配電網絡實時數據和離線數據的集成，形成完整的管理系統，其總體目標為完成配電網自動化地管理[2]。北斗一代為定位系統，北斗衛星是我國自主研發的，將先地區，后全球當作北斗一代，與北斗二代的設計思想[3]。

我國的電網公司歷經多年的改造，幾乎覆蓋了各級變電站電力通信網[4]。經統計，我國的大型變電站和環網通信的方式，采用的是電力專用的光纖網絡[5]。但是中小型的變電器和農村，低壓配電網的通信問題亟待解決，尤其是南方的大量山區，配電子站比較分散，所處的地理位置比較偏，電纜和光纖等線路的建設，產生的成本比較高，且施工的難度比較大，尤其是后期的維護很不方便[6]。

綜合上述問題，文中提出采用北斗一代的定位和短報文通信性能，為電力數據通信終端，提供一種可靠性良好的通信硬件。

1 電力數據通信終端構建和工作原理

1.1 指揮中心

電力自動化主站體系為配電網自動化的核心，該核心將變電、配電再到用電的過程，進行了監視和管理，均包含于其中的自動化體系[7]。其主要是完成配電網數據的收集和監控，同樣具有和其他系統實現信息的交互，電力網的調度以及生產管理功能[8]。

1.2 用戶指揮中心

北斗一代用戶的指揮中心主要的作用是，便于指揮機構利用北斗一代，對其進行有關的指揮和監控[9]。其不僅具有普通用戶機的全部性能，還具有監收其他下屬用戶機定位和通信的功能。其主要用在固定的指揮部。

北斗一代用戶指揮中心主要是由天線，主機和顯示控制系統組成。其中天線部分中含有北斗收和發雙頻天線、前端多工器等模塊。文章采用的天線的外形尺寸為220 mm*150 mm。主機部分是由信息處理、及電源單元組成[10]。信息處理模塊通過信號處理單元，信息處理單元組建而成；電源模塊為整機供給電流，其中包含+5 V的DC/DC單元，+28 V的DC/DC單元。顯示系統根據便攜式的計算機和監控軟件組成。

1.3 FTU/DTU

FTU/DTU就是饋線終端設備，安裝于柱上的開關附近，本身具備遙控和遙信功能。在配電末端的設備DTU，其主要為安裝于常規的箱式變電站和小型變電站等位置[11]，分析計算開關位置的電流、電壓以及信號等數據，同時對開關設備實施分合閘的操作，實現故障的隔離和非故障區間恢復供電等一系列作用。

文章選擇了DAF—830作為終端DTU，其可實現對線路流量和設備狀態進行實時監控，可提高設備故障信息的發現效率；其保護功能可對故障就地檢查，并進行切除。

1.4 工作原理

依據實用型的智能配電網體系的需求，將通信終端劃分為：配電主站的指揮機、北斗一代電力數據傳輸端。該終端安裝在配電子站，配電末端的終端FTU/DTU內、配電子站的指揮機。

定位原理：配電末端的終端FTU/DTU中北斗通信單元[12]，在每次上電的時候，就主動向子站和主站將位置信息進行報告；子站和主站同樣能夠命令配電末端的終端FTU/DTU對位置進行上報。

短報文的通信：在配電末端的終端FTU/DTU，根據北斗將采集到的數據，發送至配電子站，或者是配電主站，根據配電子站或者是配電主站所發出的指令，能夠經過北斗利用通播的方式，一次性地發送到所有的下屬配電末端的終端FTU/DTU，實現遠程遙測和遙信功能[13]。

2 電力數據通信端硬件構造

在規約轉換器硬件的結構中，其主要的組成部分是CPU控制電路、以太網的通信電路，RS485通信電路及電源管理電路[14]。北斗數據傳輸用戶機硬件功能為：

1）以太網的通信。其利用網口變壓器，與一個RJ45的插頭構成，網口變壓器是個隔離變壓器，其將芯片PHY傳輸的差分信號，根據差模耦合線圈耦合的濾波，使信號得到增強之后，利用電磁場的變換耦合至連接網線的，另一端的RJ45插頭之上。其中，RJ45插頭是個連接器，通過該連接器完成規約轉換器和配電末端的FTU/DTU間數據通信。

2）CPU的控制。利用CPU芯片本身攜帶的，以太網控制器，完成對配電末端的FTU/DTU傳輸過來的，IEC60870-5-104協議數據的實時接收，并分析出所需的可用數據，其次將IEC60870-5-104協議數據變為北斗一代的通信協議，每當接收到用戶機傳送過來的遙測和遙信時，利用RS485串通信接口[15]，將北斗數據用戶機所需的遙測遙控信息，經分析處理之后，轉換為IEC60870-5-104協議數據，并對FTU/DTU工作狀態進行控制。

3）RS485通信。該電路中包括電平的轉換芯片，與隔離芯片。電平轉換芯片是TTL，和RS485電平的轉換芯片，其將CPU串行通信口中，TTL/CMOS電平信號，轉換為RS-485電平信號[16]。

3 各單元電路的設計

3.1 規約轉換器電路設計—RS485通信電路構建

在RS485串行通信中，其為完成中長距離的，智能設備間實現數據信息交換的關鍵部分[10]。其作為一種節點比較多，通訊接口的組網也相對容易，由此被廣泛地應用在安防和交通等設備中。文章中，規約轉換器和用戶機間存在若干米的線纜。其要保障該端距離數據的傳輸質量，文中選擇了RS485通信方式。

文中的北斗一代電力數據通信系統安裝在戶外，環境相對惡劣，存在各種干擾，由此必須對雷擊和其他的干擾因素進行考慮，實現信號的隔離。要完成RS485電路的隔離，需要根據隔離型RS485收發器，同類型的DC-DC電源芯片和ISO15芯片組建，文章選取了AUDM5000芯片，完成電壓的隔離和保護。

ISO15芯片的數據傳輸速率能夠達到1 Mbps，溫度的范圍在-10℃-+85℃。其中主要介紹ISO15芯片的邏輯圖，如圖1所示。

圖1 ISO15芯片的邏輯圖

3.2 數模和模數電路與收發器電路的構建

在電力數據通信系統中，可能會存在某一路模擬量輸出，或者多路模擬量無需同時輸出狀況，數模轉換芯片和北斗一代的連接途徑是單緩沖，這時把二級寄存器的控制信號進行融合，其中，輸入數據信息在控制信號作用之下，將會直接進入D/A轉換器實現D/A的轉換，并以此來增加電力數據通信系統頻帶的利用率。

利用PL3150收發器實現和耦合電路的連接，于收發電路內，融入外接程序的存儲器，存儲數據構成收發器模塊，完成數據的發送和接收，進而提升數據的傳輸速度。

3.3 RS232配置電路

為了可以與PC中RS-232C接口進行連接，需要在RS-232C，和TTL電路間完成電平與邏輯關系的轉換。文章中，利用MAX232實現TTL-EIA雙向電平的轉換，在電力數據通信系統中選取UART1，根據中斷的形式實現和PC機的通信，該電路用在配置FTU/DUT構建的網口號和北斗SIM卡號。配置電路如圖2所示。

圖2 RS232配置電路原理圖

3.4 用戶機電路設計

在北斗一代數據傳輸用戶機中，根據RS485的接口，和規約轉換器完成數據的轉換。在電力數據通信的終端中選取了UARTO，通過中斷形式實現和北斗一代用戶機的通信，接口電路使用的和規約轉換器一樣。

北斗一代10W通信電路，是由用戶機和配電主機的指揮中心信息交換的橋梁，文章選擇的是GYM2003B單元，該單元的內部集成了10W輸出功率功放單元、LNA、射頻收發單元和短報文的通信以及定位單元。

北斗一代10W通信單元工作的原理：當天線收到信號后，將信號通過低噪放芯片進行放大之后，然后放至射頻的收發芯片，其中，射頻的收發芯片完成下變頻性能，把射頻信號轉換為中頻信號，當作基帶芯片的中頻輸入；但當基帶芯片產生發射基帶信號，并輸入至射頻的收發芯片中時，于射頻的收發芯片中，實現上變頻性能，通過功放放大器的放大之后，利用天線完成發射。

4 實驗結果與分析

為驗證文中提到的基于北斗一代的電力數據通信硬件設計方法有效性，要通過相關的實驗對其進行驗證。實驗平臺為PSCAD/EMTDC，利用手持數據采集器分別將當前方法下的電力數據通信系統和本文方法下的電力數據通信系統中的數據進行采集，將其作為文章的實驗數據來源。實驗分別在以下幾個方面進行：

1）電力數據傳輸的速度。

2）電力數據通信系統頻帶的利用率。

在對電力數據傳輸速度方面進行驗證，需要將數據劃分為10組，實驗結果如表1所示。

表1 不同方法電力數據傳輸速度

分析上述實驗結果可知，文中方法分別在數據傳輸的速度和頻帶利用率方面，均優于當前方法。在本文方法中選擇了DAF—830作為終端DTU，可提高設備故障信息的發現效率，其保護功能可對故障就地檢查并進行切除；在北斗一代10W通信電路中，利用CPU串行接口和北斗一代10W通信單元實現數據的低噪通信，提高了通信的穩定性；在文章的數模和模數電路中，輸入數據信息在控制信號作用之下，將會直接繼續進入D/A轉換器實現D/A的轉換，并以此來增加電力數據通信系統頻帶的利用率；在收發器電路中融入外接程序的存儲器存儲數據構成收發器模塊，完成數據的發送和接收，進而提升數據的傳輸速度。綜上，證明了所提方法具有整體可靠性。

圖3 不同方法頻帶利用率

表2 不同電力通信系統設計方法故障發現效率

5 結束語

文中利用北斗一代的通信性能，闡述了基于北斗一代的電力數據通信系統的硬件構建方法。并依據北斗一代的天線對其安裝的環境要求比較特殊，將基于北斗一代的電力數據通信系統硬件劃分為，規約轉換器及用戶機兩個部分，并分別進行了設計。

對于下一步的工作，應盡量爭取頻度比較快的北斗卡，進而進一步提高電力數據傳輸的效果。