基于電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

謝曉華，鄭勇偉，陳 芳

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，廣東 湛江 524000）

0 引 言

用電信息采集系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中扮演著重要角色。電力計(jì)量自動化終端是用電信息采集系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，一般由配變監(jiān)測計(jì)量終端、自動化負(fù)荷管理終端、相關(guān)信息采集終端以及集中抄表裝置等構(gòu)成。另外，一般為其配備科學(xué)的通信網(wǎng)絡(luò)，如常用的無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)及光纖網(wǎng)。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，還設(shè)置科學(xué)的通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）公網(wǎng)終端。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及GPRS公網(wǎng)終端構(gòu)建的主要目的是解決電力系統(tǒng)中設(shè)備通信異常和現(xiàn)場信號弱等問題，基于此對低壓用戶采集終端進(jìn)行研究，希望解決傳統(tǒng)應(yīng)用中存在的難題，為用戶側(cè)提供高質(zhì)量通信服務(wù)。目前，低壓電力用戶集中抄表一般采用微功率短距離無線通信及電力線載波通信方式，但在低壓電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中會產(chǎn)生極大的噪聲干擾、傳輸衰減及阻抗變化等，這些因素會直接影響低壓端電能計(jì)量的準(zhǔn)確性及可靠性，其通信可靠性與用電信息采集系統(tǒng)的完整性息息相關(guān)。

隨著電力系統(tǒng)及電能計(jì)量系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來越多的通信技術(shù)方案被提出并被應(yīng)用，包括路由協(xié)議、中心頻點(diǎn)、載波信號調(diào)制以及信號耦合等。不同技術(shù)具有不同的優(yōu)勢，也存在一定差異和不足。我國不同電能計(jì)量終端通信模塊存在差異，其性能也不同，對測試設(shè)備提出不同要求。此外測試設(shè)備還存在局限性，不能完全實(shí)現(xiàn)對電能計(jì)量終端通信功能的可靠檢驗(yàn)，保證最終生產(chǎn)的產(chǎn)品能滿足計(jì)量通信測試和評估實(shí)際需求。在此背景下，本文研究一種電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備。

1 電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備的設(shè)計(jì)思路

在電力線電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)中需要綜合考慮各個方面的因素，一般必須涵蓋3個要求。一是需要在實(shí)驗(yàn)室中就低壓電網(wǎng)傳輸信道的特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)匹配和模擬，以保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。二是在測試項(xiàng)目的確定和執(zhí)行中需要綜合借鑒并滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，同時測試過程中需要充分借鑒電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。三是交互中心應(yīng)以測試主機(jī)為主，同時必須執(zhí)行傳輸信道參數(shù)的可程控調(diào)節(jié)，經(jīng)過多方面協(xié)調(diào)控制構(gòu)建自動化電能計(jì)量終端通信性能測試裝置。針對此，我國進(jìn)行了大量工作，建立了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)用于電能采集，包括《電能信息采集與管理系統(tǒng) 第2部分：主站技術(shù)規(guī)范》（DL/T 698.0—2010）和《國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)電力用戶用電信息采集系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范條文解釋》（Q/GDW 1374—2013）等。在電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)中，必須充分理解這些標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2 電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備應(yīng)用前景及技術(shù)原理

2.1 應(yīng)用前景

現(xiàn)場監(jiān)測3個運(yùn)營商的信號強(qiáng)度，進(jìn)行對比、擇優(yōu)。檢測現(xiàn)場的信號強(qiáng)度，如果信號強(qiáng)度較弱不滿足工程設(shè)計(jì)要求，則驗(yàn)收不予通過，以減少后期運(yùn)維成本。在電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備運(yùn)維中，如果出現(xiàn)終端不在線情況，需要對SIM卡進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，排查原因，檢測現(xiàn)場安裝天線后的信號強(qiáng)度，確定現(xiàn)場改進(jìn)后的信號強(qiáng)度。此外在對計(jì)量終端通信模塊的監(jiān)測中應(yīng)關(guān)注通信異常問題，發(fā)現(xiàn)問題時需進(jìn)一步排查。

2.2 技術(shù)原理

現(xiàn)場信號弱、設(shè)備通信異常是直接導(dǎo)致計(jì)量終端無法登錄主站的主要原因，影響終端的在線率和采集完整率。現(xiàn)場運(yùn)維時，需快速有效地診斷出故障并進(jìn)行處理，確保設(shè)備運(yùn)行正常。針對此，需要研發(fā)相應(yīng)的測試設(shè)備，并結(jié)合當(dāng)前的智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)引進(jìn)綜合分析工具，應(yīng)用于計(jì)量自動化系統(tǒng)上行鏈路監(jiān)測。本文提出一款便攜、簡單、易用的運(yùn)維設(shè)備設(shè)計(jì)方案[2]。計(jì)量通信綜合分析儀運(yùn)行原理如圖1所示，可同時支持3個不同制式的SIM卡同時自動檢測，識別SIM損壞故障，對SIM卡的信號進(jìn)行自動檢測分析，并可對計(jì)量終端通信模塊故障進(jìn)行檢測，支持主站自動登錄鏈路測試，并自動給出診斷結(jié)果，簡單、易用，便于進(jìn)一步診斷故障，從而提高計(jì)量現(xiàn)場運(yùn)維效率，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

圖1 計(jì)量通信綜合分析儀原理圖

2.3 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

支持移動/聯(lián)通/電信三大運(yùn)營商的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)制式，可同時測試3張SIM卡網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，不限運(yùn)營商，不限網(wǎng)絡(luò)制式，方便高效，可同時測試2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度，此外支持TCP/IP協(xié)議ping主站，檢測SIM卡上行網(wǎng)絡(luò)是否連通，顯示SIM卡本機(jī)號碼，方便現(xiàn)場維護(hù)辨認(rèn)而且支持終端通信模塊的監(jiān)測。

3 電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)施步驟及流程

信號綜合分析儀可依次切換SIM卡網(wǎng)絡(luò)制式，采集SIM卡網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度。分析比較SIM卡的信號強(qiáng)度，通過分析比較得出信號最優(yōu)的SIM卡，預(yù)想實(shí)現(xiàn)步驟如下。首先識別SIM卡是否插入，其次切換網(wǎng)絡(luò)，等待網(wǎng)絡(luò)切換完成，再次采集當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)制式的信號強(qiáng)度，最后對采集到的網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度進(jìn)行排序。實(shí)施步驟及流程如圖2所示。

圖2 實(shí)施步驟及流程

3.2 具體設(shè)計(jì)思路

3.2.1 SIM卡檢測

制定相應(yīng)的命令來查詢SIM卡信息和附近基站信息，對當(dāng)前位置進(jìn)行定位，測試主站通信是否存在故障。SIM卡檢測思路如圖3所示。

圖3 SIM卡檢測思路

3.2.2 通信模塊檢測

通過外設(shè)設(shè)備接口接入終端通信模塊，監(jiān)測模塊是否存在故障，進(jìn)一步排查設(shè)備異常。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)架

基于低壓電力線傳輸環(huán)境的測試設(shè)備構(gòu)建架構(gòu)如圖4所示，其主要包括程控相位選擇模塊、測試主機(jī)系統(tǒng)、三相凈化穩(wěn)壓電源、程控衰減網(wǎng)絡(luò)、程控負(fù)載選擇網(wǎng)絡(luò)、信號測量部分以及噪聲發(fā)生器等。其中，程控衰減網(wǎng)絡(luò)、程控阻抗模擬器及程控噪聲源共同構(gòu)成信道模擬裝置，主要應(yīng)用于載波信號傳輸環(huán)境的模擬。數(shù)字示波器和頻譜分析儀共同構(gòu)成信號測量模塊，結(jié)合人工電源網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行載波電平測試阻抗的環(huán)境參考，最終保證測試和分析結(jié)果滿足規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

圖4 信號分析儀系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備發(fā)展展望

為實(shí)現(xiàn)市電網(wǎng)絡(luò)和整體測試環(huán)境的有效隔離，一般采用人工電源網(wǎng)絡(luò)、三相交流凈化穩(wěn)壓電源以及高性能隔離器。載波系統(tǒng)主站的功能主要依靠測試主機(jī)實(shí)現(xiàn)，測試主機(jī)一般依靠總線連接配測設(shè)備太網(wǎng)/USB/串口（RS232或RS485）和各種載波通信模塊的被測設(shè)備進(jìn)行連接，以此能有效控制測試環(huán)境，同時能有效保障數(shù)據(jù)互通。需要預(yù)先設(shè)計(jì)與確定測試流程，在通信信道中必須加入相應(yīng)的可控噪聲因素，以保證接入阻抗和信道衰減的改變[4]。基于國家電網(wǎng)公司的通信協(xié)議，在測試主機(jī)控制配合下經(jīng)由模擬線纜（可變衰減器），實(shí)現(xiàn)與被測設(shè)備之間的載波通信。控制、抄表等命令經(jīng)由被測設(shè)備進(jìn)行接收，并得到相應(yīng)的電能值、回傳狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)，建立完善的基于低壓載波通信體制的傳輸通道。對不同條件下載波電能表及采集終端的通信效果進(jìn)行測試和評估，得到相關(guān)模塊的信息數(shù)據(jù)、指標(biāo)及參數(shù)，進(jìn)行深入分析，最終確定、評估并診斷載波模塊的通信質(zhì)量和性能[5]。結(jié)合相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)測試評價，最終保證所設(shè)計(jì)的設(shè)備能良好應(yīng)用于大部分系統(tǒng)。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了電能計(jì)量終端通信測試設(shè)備，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)其具有良好應(yīng)用效果，能有效滿足GPRS公網(wǎng)終端的通信監(jiān)測要求，效果極佳。該設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用滿足國家相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求，在未來發(fā)展中應(yīng)進(jìn)一步完善，可引入智能化技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步提升設(shè)備發(fā)展水平。