電力計量自動化現(xiàn)場無線通信檢測裝置設(shè)計

張建強 劉江田 閆峰 常剛 牛倩楠

（國網(wǎng)山西省電力公司沁水縣供電公司，山西 晉城 048200）

隨著社會經(jīng)濟與科技的不斷發(fā)展，電力計量中自動化技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣，雖然目前我國在電力計量自動化建設(shè)方面已經(jīng)取得了一些成就，但仍然存在不少問題，這就要求相關(guān)人員必須進一步明確電力計量自動化設(shè)計的目標(biāo)和要求，在建設(shè)方案上予以改進和優(yōu)化。

一、電力計量自動化的建設(shè)目標(biāo)和思想

（一）建設(shè)目標(biāo)

一是電力計量自動化建設(shè)能深化數(shù)據(jù)應(yīng)用，推進其實用化進程。具體而言，利用系統(tǒng)的實時通信和信息采集能力為客戶提供用電信息的支持；通過提出公變數(shù)據(jù)應(yīng)用計劃，在分析公變采集數(shù)據(jù)和設(shè)備異常狀況的基礎(chǔ)上，進一步提高供電質(zhì)量，進而為配網(wǎng)的改進建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)；在采集公變臺區(qū)關(guān)口電量的基礎(chǔ)上，能有效完成對臺變線損的分析和計算，進而為線損分析提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進一步提升線損整體指標(biāo)的可控性。二是通過電力計量自動化建設(shè)，可大大減少供電企業(yè)的運行管理成本，彌補人工抄表方式的缺陷，有效減少在人工抄表上的人力資源消耗，同時，還能避免因人工操作失誤而帶來的誤差，促進工作效率和質(zhì)量的提升。

（二）設(shè)計思想

現(xiàn)階段，電力計量自動化系統(tǒng)的建設(shè)一般采用的是分層次結(jié)構(gòu)，主要包括4個層次，即智能電度表、計算機、集中器以及管理中心。其中，智能電度表負(fù)責(zé)采集的模塊大多為機械式電度表中所添加的智能計數(shù)模塊，它的主要功能是實現(xiàn)計數(shù)的存儲和通訊，能起到節(jié)約能耗和成本的作用。電力用戶用電采集系統(tǒng)主要由職能維護管理模塊、支撐保障模塊以及信息采集模塊組成。在實際設(shè)計中，要求按照各模塊的特征對班組生產(chǎn)體系進行協(xié)調(diào)重整，確保所有程序之間的有效銜接、人員的明確分工以及各流程的相互配合，并將重點放在數(shù)據(jù)應(yīng)用的共享上。

二、硬件設(shè)計

（一）無線射頻接收單元

無線射頻接收單元的核心是射頻收發(fā)芯片ADF7020-1，芯片共有11個可編程寄存器，內(nèi)部集成了功率放大器、低噪聲放大器、壓控振蕩器、小數(shù)分頻器、混頻器、中頻放大器、調(diào)制解調(diào)電路和自動增益控制電路等其它無線通信需要的模塊。根據(jù)微功率無線通信性能檢測裝置總體設(shè)計要求，通過設(shè)計外圍控制電路對芯片進行配置，配置項目包括：接收模式、工作頻段、工作信道、調(diào)制解調(diào)方式、傳輸速率、接收靈敏度、輸出功率等。其中工作信道的選擇很重要，通信信道定義在471-486 MHz/491-506 MHz頻段，每個頻段有33個信道組，每個信道組有兩個信道。

（二）報文分析單元

微功率無線通信性能檢測裝置主要應(yīng)用于智能電網(wǎng)集抄系統(tǒng)工作現(xiàn)場的無線通信性能檢測，要求報文分析單元的主控芯片應(yīng)具有良好的用戶開發(fā)環(huán)境、較強的處理能力、豐富的片內(nèi)資源和外設(shè)資源、較大的存儲容量和較低的功耗等特點。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需要，主控制板采用了半導(dǎo)體STM32的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的主控芯片。該芯片的工作頻率可以達到72 M，內(nèi)置512 K閃存和64 K的SRAM具有豐富的端口和片內(nèi)外設(shè)，能夠滿足本設(shè)計的低功耗應(yīng)用要求。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，參數(shù)保存和固件升級等功能，在片上FLASH容量為512 k B的基礎(chǔ)上，本模塊又通過SPI接口擴展了一個16 M字節(jié)的存儲芯片M25PE16-VMW6TP。

三、軟件設(shè)計

（一）檢測指標(biāo)

微功率無線通信的優(yōu)勢在于：網(wǎng)絡(luò)狀況穩(wěn)定、通信可靠性高、速率快且不用布線。然而在實際應(yīng)用中，微功率無線通信的劣勢在于：在同頻干擾情況下通信效果差、射頻性能指標(biāo)超限、協(xié)議一致性不高等。因此，需要對微功率無線通信設(shè)備之間的通信狀況進行檢測，驗證不同微功率無線通信設(shè)備之間是否具有良好的互聯(lián)互通性，確保微功率無線通信設(shè)備之間能組織起更高效、更可靠的網(wǎng)絡(luò)。本文所設(shè)計的微功率無線通信性能檢測裝置主要應(yīng)用于協(xié)議一致性測試和互聯(lián)互通性測試。協(xié)議一致性測試用來驗證空中報文的格式和內(nèi)容與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是否吻合；互聯(lián)互通性測試用來驗證在實際環(huán)境中，以相同無線通信協(xié)議為基礎(chǔ)設(shè)計的不同微功率無線通信模塊之間是否能夠正常通信。

（二）檢測方法

在協(xié)議一致性的測試過程中，要對空中報文的物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層進行解讀和校驗。其中每一層都有多種類型的報文內(nèi)容需要解析測試。以“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)”報文為例，在物理層就定義了數(shù)據(jù)的白化處理。通過白化處理可使數(shù)據(jù)在無線傳輸過程中，保持0和1的數(shù)量大致相等，且隨機分布，使載波頻率更容易被穩(wěn)定的鎖相，呈現(xiàn)比較好的運行效果。但我們傳送的數(shù)據(jù)往往不符合這種特征，有時會含有較多的0或者1。因此我們使用偽隨機編碼對原始數(shù)據(jù)進行白化。數(shù)據(jù)白化的編碼操作方法是：將待發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)與一組偽隨機數(shù)按位做“異或”運算。數(shù)據(jù)白化譯碼的操作方法是：在接收方也使用相同的偽隨機編碼進行相同的“異或”運算，即可還原出原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)白化編碼不會增加數(shù)據(jù)量。

總結(jié)：本文以微功率無線通信技術(shù)在自動化抄表應(yīng)用過程中的諸多通信問題為基礎(chǔ)，根據(jù)微功率無線通信所依照的無線協(xié)議，確定了檢測指標(biāo)和測試方案，設(shè)計了基于STM32的計量自動化現(xiàn)場通信性能檢測裝置。本裝置采用模塊化設(shè)計，可滿足基于微功率無線通信的用電信息采集系統(tǒng)通信單元的互換互通需求測試。