0 引言

電力系統(tǒng)本地通信網(wǎng)絡(luò)目前采用有線和無(wú)線
2種建設(shè)模式,有線主要采用電力線載波通信組網(wǎng)方式,無(wú)線主要采用微功率無(wú)線通信組網(wǎng)方式,這2種通信組網(wǎng)方式具有投資小、架設(shè)簡(jiǎn)單、安全性高等優(yōu)點(diǎn)^[1-3],這2種技術(shù)的通信模塊在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

為使2種通信模塊更加成熟,并逐步走向商業(yè)化,對(duì)其進(jìn)行功能測(cè)試、性能測(cè)試、組網(wǎng)測(cè)試等成為一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。由于2種通信模塊的通信介質(zhì)、協(xié)議指令均不相同,在測(cè)試過(guò)程中需要搭建2套不同的測(cè)試環(huán)境,為后期測(cè)試環(huán)境的搭建帶來(lái)諸多不便,因此開(kāi)發(fā)一種能夠兼容2種本地通信模塊的測(cè)試方法十分必要。

本文介紹了一種兼容電力線載波通信模塊和微功率無(wú)線通信模塊的應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng),此系統(tǒng)不僅能夠檢測(cè)模塊的通信性能,驗(yàn)證模塊的協(xié)議一致性,也能夠模擬真實(shí)用電環(huán)境對(duì)模塊的組網(wǎng)性能與抄表成功率進(jìn)行測(cè)試,并生成相應(yīng)的測(cè)試報(bào)告。此測(cè)試系統(tǒng)具有快速、準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),為本地通信模塊的性能驗(yàn)證和協(xié)議驗(yàn)證提供可靠的平臺(tái)支持,對(duì)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有重要意義。

 1 測(cè)試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,仿真用電信息采集領(lǐng)域使用到的智能電表、集中器、采集器、通信模塊等設(shè)備的工作方式,模擬集抄采集本地通信的信道環(huán)境,為被測(cè)通信模塊開(kāi)展全功能的應(yīng)用級(jí)測(cè)試驗(yàn)證而搭建的模擬測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境。應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Application test system architecture

該系統(tǒng)是一種軟件與硬件結(jié)合的測(cè)試系統(tǒng),軟件主要由PC端控制軟件和嵌入式軟件2個(gè)部分組成。其中PC端軟件通過(guò)以太網(wǎng)與嵌入式軟件相連,嵌入式軟件主要包括模擬電表軟件、模擬集中器軟件和偵聽(tīng)單元軟件,用以完善整個(gè)用電采集系統(tǒng)。PC端軟件主要提供人機(jī)交互、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)控、測(cè)試腳本運(yùn)行處理等功能。人機(jī)交互子系統(tǒng)為用戶操作測(cè)試系統(tǒng)提供可視化平臺(tái),簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)的操作,并控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行;參數(shù)設(shè)置子系統(tǒng)可配置模擬集中器和模擬電表中的地址、電量等參數(shù),且能夠控制信道組件的衰減值從而改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)視測(cè)試過(guò)程中交互的數(shù)據(jù),對(duì)整個(gè)測(cè)試流程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤;數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)將監(jiān)控子系統(tǒng)及模擬集中器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和解析,分析運(yùn)行狀態(tài),輸出測(cè)試結(jié)果。

該系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)理念是利用屏蔽箱為被測(cè)通信模塊提供一個(gè)隔絕外部干擾的純凈測(cè)試環(huán)境,在屏蔽箱內(nèi)將被測(cè)模塊的信號(hào)通過(guò)天線或耦合器耦合至射頻線路中,被測(cè)信號(hào)在屏蔽箱外均通過(guò)射頻線傳輸,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可控衰減、噪聲注入、信道測(cè)試等工作。屏蔽箱上留出交流電接口,可將箱內(nèi)交流電引出箱外,將屏蔽箱外的負(fù)載、阻抗變換設(shè)備與通信用的電力線相接,實(shí)現(xiàn)電力線信道模擬^[4-6]。

 2 硬件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)主要由主控單元、屏蔽單元、信道控制單元、噪聲模擬單元和供電單元組成（見(jiàn)圖2）。

圖2 應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 Application test system hardware architecture

其中主控單元即為計(jì)算機(jī)PC,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制運(yùn)行;屏蔽單元構(gòu)成了應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)的框架,對(duì)被測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)通信信道隔離;信道控制單元主要功能是模擬用電信息采集信道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);噪聲模擬單元主要模擬實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的噪聲干擾并對(duì)其進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè);供電單元負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行供電和內(nèi)外部工頻紋波隔離。

2.2 屏蔽單元

屏蔽性能的主要問(wèn)題為電力線中的2~12 MHz的OFDM調(diào)制信號(hào)和無(wú)線中的470~510 MHz的GFSK調(diào)制信號(hào)的屏蔽。為保證各種測(cè)試條件均是人為可控的,屏蔽單元需要為應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試通信模塊時(shí)提供一個(gè)無(wú)干擾的環(huán)境。屏蔽單元在30 MHz~1 GHz頻段屏蔽能力大于70 dB, 且在交流電接口對(duì)2 MHz以上信號(hào)做隔離處理,隔離度大于75 dB,排除模塊在測(cè)試中出現(xiàn)的各類復(fù)雜干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.3 信道控制單元

信道控制單元主要由衰減器和射頻連接件兩大部分組成,衰減器又分為固定衰減器和程控衰減器2種,屏蔽箱與衰減器之間通過(guò)射頻連接件相連組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在測(cè)試設(shè)備運(yùn)行時(shí),通過(guò)設(shè)置程控衰減器的衰減值改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),組成星形、鏈形和樹形等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?測(cè)試通信模塊在不同組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的組網(wǎng)成功率和數(shù)據(jù)傳輸能力。

2.4 噪聲模擬單元

噪聲模擬單元包含信號(hào)源和頻譜儀2部分,信號(hào)源用來(lái)生成實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中影響載波信號(hào)及無(wú)線信號(hào)信道的干擾噪聲,頻譜儀檢測(cè)通信線上的信噪比。測(cè)試時(shí)通過(guò)改變信號(hào)源的干擾噪聲大小,驗(yàn)證不同信噪比下通信模塊的最遠(yuǎn)通信距離、接收可靠性、接收解調(diào)性能等性能參數(shù)。

2.5 供電單元

供電單元為應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)提供凈化電源,以減少市電中存在高次諧波等噪聲的干擾,供電單元的技術(shù)指標(biāo)如下。

輸出電壓：三相輸出,相電壓220 V±1%,線電壓380 V±1%;

輸出頻率：50 Hz±2 Hz;

輸出功率：三相輸出時(shí),功率≥15 kVA;單相輸出時(shí),功率≥5 kVA;

源效應(yīng)：≤±1%;

負(fù)載效應(yīng)：≤±1%;

波形失真(THD)：<2%。

 3 兼容問(wèn)題解決方法

電力線載波通信模塊和微功率無(wú)線通信模塊采用不同的通信方式,在通信介質(zhì)、調(diào)制方式、通信協(xié)議等多方面存在很大區(qū)別,以往的測(cè)試方法是搭建2套不同的測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)試2種通信模塊^[7-10]。2套測(cè)試系統(tǒng)采用各自獨(dú)立的硬件連接結(jié)構(gòu),造成設(shè)備和場(chǎng)地重復(fù)浪費(fèi),為解決此問(wèn)題設(shè)計(jì)一種兼容測(cè)試設(shè)備就勢(shì)在必行。

解決兼容問(wèn)題也分軟件和硬件兩大部分,軟件上要將電力線載波通信和微功率無(wú)線通信的2套上位機(jī)控制軟件集合起來(lái),形成一套包含2種工作模式的軟件,通過(guò)切換工作模式分別對(duì)2種通信模塊完成配置、控制以及下發(fā)測(cè)試?yán)墓ぷ鳌?/span>

硬件上的兼容問(wèn)題主要在噪聲和信號(hào)傳輸?shù)确矫妗Ｔ谠肼暦矫娴膯?wèn)題主要是2種通信模塊的通信頻率的差別,為了能夠測(cè)試2種模塊的抗干擾能力,需要噪聲的生成和監(jiān)控同時(shí)覆蓋2個(gè)頻段,噪聲的生成與監(jiān)控由信號(hào)源和頻譜儀完成,因此信號(hào)源選擇輸出頻率范圍為9 kHz~3 GHz的矢量信號(hào)源,頻譜儀同樣選擇測(cè)量范圍為9 kHz~3 GHz的頻譜儀,且上述2種儀器均具備遠(yuǎn)程控制功能,可通過(guò)PC端軟件對(duì)噪聲生成與監(jiān)控進(jìn)行控制。信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題是由通信介質(zhì)的不同造成,電力線載波通過(guò)低壓電力線傳輸信號(hào),微功率無(wú)線為470 M無(wú)線射頻信號(hào)。信號(hào)傳輸兼容性的解決方案為不同屏蔽箱間的信號(hào)傳輸通道均使用射頻線纜,主節(jié)點(diǎn)模塊的電力線載波信號(hào)通過(guò)載波耦合器耦合至射頻線,微功率無(wú)線信號(hào)通過(guò)射頻耦合天線耦合至射頻線,信號(hào)傳輸?shù)搅硪黄帘蜗浜笤亳詈系綇墓?jié)點(diǎn)模塊^[11-15]。信道傳輸連接示意如圖3所示。

圖3 信道傳輸連接示意Fig.3 Schematic diagram of channel transmission connection

 4 應(yīng)用與結(jié)果驗(yàn)證

依據(jù)對(duì)兼容電力線載波模塊和微功率無(wú)線模塊的測(cè)試方法的研究,此測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到電力通信模塊的驗(yàn)證工作中。圖4為應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)一組微功率無(wú)線通信模塊的測(cè)試報(bào)告。測(cè)試項(xiàng)共分為5大項(xiàng),分別為從節(jié)點(diǎn)射頻性能測(cè)試、主節(jié)點(diǎn)射頻性能測(cè)試、從節(jié)點(diǎn)協(xié)議測(cè)試、主節(jié)點(diǎn)協(xié)議測(cè)試和混合組網(wǎng)測(cè)試。報(bào)告的內(nèi)容包含測(cè)試項(xiàng)與技術(shù)要求,通過(guò)對(duì)比測(cè)試結(jié)果和技術(shù)要求可以快速定位問(wèn)題,如技術(shù)要求在470~510 MHz輸出載波功率需要小等于50 mW,實(shí)際測(cè)量結(jié)果為1.547 1 mW,符合規(guī)定要求。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告Fig.4 System test report

 5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種兼容電力線載波模塊和微功率無(wú)線模塊的測(cè)試方法與實(shí)現(xiàn)方案,首先介紹測(cè)試系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu),然后提出軟件與硬件的設(shè)計(jì)理念,詳細(xì)的介紹了硬件部分的組成結(jié)構(gòu)與功能作用,解決了電力線載波與微功率無(wú)線的兼容性問(wèn)題。作為一種電力采集通信單元的測(cè)試平臺(tái),解決了傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備操作復(fù)雜、設(shè)備重復(fù)浪費(fèi)、空間占用率高等問(wèn)題,對(duì)國(guó)家電網(wǎng)公司全面建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有十分重要的意義。

(編輯:張京娜)

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