0 引言

電力系統(tǒng)本地通信網(wǎng)絡(luò)目前采用有線和無線
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,無線主要采用微功率無線通信組網(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)行功能測試、性能測試、組網(wǎng)測試等成為一個(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,在測試過程中需要搭建2套不同的測試環(huán)境,為后期測試環(huán)境的搭建帶來諸多不便,因此開發(fā)一種能夠兼容2種本地通信模塊的測試方法十分必要。

本文介紹了一種兼容電力線載波通信模塊和微功率無線通信模塊的應(yīng)用測試系統(tǒng),此系統(tǒng)不僅能夠檢測模塊的通信性能,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)行測試,并生成相應(yīng)的測試報(bào)告。此測試系統(tǒng)具有快速、準(zhǔn)確、操作簡單等優(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 測試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

應(yīng)用測試系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用場景,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,為被測通信模塊開展全功能的應(yīng)用級(jí)測試驗(yàn)證而搭建的模擬測試驗(yàn)證環(huán)境。應(yīng)用測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 應(yīng)用測試系統(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)為用戶操作測試系統(tǒng)提供可視化平臺(tái),簡化測試系統(tǒng)的操作,并控制整個(gè)測試系統(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)視測試過程中交互的數(shù)據(jù),對(duì)整個(gè)測試流程進(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通信模塊提供一個(gè)隔絕外部干擾的純凈測試環(huán)境,在屏蔽箱內(nèi)將被測模塊的信號(hào)通過天線或耦合器耦合至射頻線路中,被測信號(hào)在屏蔽箱外均通過射頻線傳輸,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可控衰減、噪聲注入、信道測試等工作。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（見圖2）。

圖2 應(yīng)用測試系統(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)用測試系統(tǒng)的框架,對(duì)被測模塊實(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)用場景中的噪聲干擾并對(duì)其進(jìn)行頻譜監(jiān)測;供電單元負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)用測試系統(tǒng)進(jìn)行供電和內(nèi)外部工頻紋波隔離。

2.2 屏蔽單元

屏蔽性能的主要問題為電力線中的2~12 MHz的OFDM調(diào)制信號(hào)和無線中的470~510 MHz的GFSK調(diào)制信號(hào)的屏蔽。為保證各種測試條件均是人為可控的,屏蔽單元需要為應(yīng)用測試系統(tǒng)在測試通信模塊時(shí)提供一個(gè)無干擾的環(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,排除模塊在測試中出現(xiàn)的各類復(fù)雜干擾對(duì)測試結(jié)果的影響,保證測試結(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射頻連接件相連組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在測試設(shè)備運(yùn)行時(shí),通過設(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)源用來生成實(shí)際應(yīng)用場景中影響載波信號(hào)及無線信號(hào)信道的干擾噪聲,頻譜儀檢測通信線上的信噪比。測試時(shí)通過改變信號(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 兼容問題解決方法

電力線載波通信模塊和微功率無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,以往的測試方法是搭建2套不同的測試系統(tǒng)分別測試2種通信模塊^[7-10]。2套測試系統(tǒng)采用各自獨(dú)立的硬件連接結(jié)構(gòu),造成設(shè)備和場地重復(fù)浪費(fèi),為解決此問題設(shè)計(jì)一種兼容測試設(shè)備就勢在必行。

解決兼容問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線通信的2套上位機(jī)控制軟件集合起來,形成一套包含2種工作模式的軟件,通過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)測試?yán)墓ぷ鳌?/span>

硬件上的兼容問題主要在噪聲和信號(hào)傳輸?shù)确矫妗Ｔ谠肼暦矫娴膯栴}主要是2種通信模塊的通信頻率的差別,為了能夠測試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)膯栴}是由通信介質(zhì)的不同造成,電力線載波通過低壓電力線傳輸信號(hào),微功率無線為470 M無線射頻信號(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)通過載波耦合器耦合至射頻線,微功率無線信號(hào)通過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線模塊的測試方法的研究,此測試系統(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)用測試系統(tǒng)檢測一組微功率無線通信模塊的測試報(bào)告。測試項(xiàng)共分為5大項(xiàng),分別為從節(jié)點(diǎn)射頻性能測試、主節(jié)點(diǎn)射頻性能測試、從節(jié)點(diǎn)協(xié)議測試、主節(jié)點(diǎn)協(xié)議測試和混合組網(wǎng)測試。報(bào)告的內(nèi)容包含測試項(xiàng)與技術(shù)要求,通過對(duì)比測試結(jié)果和技術(shù)要求可以快速定位問題,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)際測量結(jié)果為1.547 1 mW,符合規(guī)定要求。

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

 5 結(jié)語

本文提出一種兼容電力線載波模塊和微功率無線模塊的測試方法與實(shí)現(xiàn)方案,首先介紹測試系統(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線的兼容性問題。作為一種電力采集通信單元的測試平臺(tái),解決了傳統(tǒng)測試設(shè)備操作復(fù)雜、設(shè)備重復(fù)浪費(fèi)、空間占用率高等問題,對(duì)國家電網(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)

參考文獻(xiàn)

[1] 劉振亞. 智能電網(wǎng)技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010: 1-4.

[2] 丁慧霞, 陳希, 張庚. 電力通信標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J]. 電力信息與通信技術(shù), 2016, 14(5): 1-7. 
DING Hui-xia, CHEN Xi, ZHANG Geng.Research on enterprise standard system of electric power communication technology[J]. Electric Power Information and Communication Technology, 2016, 14(5): 1-7.

[3] 劉柱, 歐清海. 面向智能配電網(wǎng)的電力線與無線融合通信研究[J]. 電力信息與通信技術(shù), 2016, 14(2):1-6. 
LIU Zhu, OU Qing-hai.Research on power line carrier and wireless integrated communication for smart distribution network[J]. Electric Power Information and Communication Technology, 2016, 14(2): 1-6.

[4] 陳宜文, 許斌, 郝建華, 等. 基于OFDM技術(shù)的電力線通信系統(tǒng)建模與仿真[J]. 國外電子測量技術(shù),2015, 34(2): 21-26. 
CHEN Yi-wen, XU Bin, HAO Jian-hua, et al.Modeling and simulation of power line communication system based on OFDM technology[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2015, 34(2): 21-26.

[5] 鄒航, 何威, 陳瑜, 等. 寬帶電力線載波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信性能測試平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 電測與儀表, 2016, 53(21):100-105. 
ZOU Hang, HE Wei, CHEN Yu, et al.Design of point to point communication performance testing platform for broadband power line carrier[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 53(21): 100-105.

[6] 步冬靜, 李頻. 基于OFDM調(diào)制的載波和無線雙模通信系統(tǒng)[J]. 電力信息與通信技術(shù), 2015, 13(5): 63-66. 
BU Dong-jing, LI Pin.Carrier and wireless dual-mode communication system based on OFDM modulation[J].Electric Power Information and Communication Technology, 2015, 13(5): 63-66.

[7] 胡致遠(yuǎn), 宋洋洋, 袁研根, 等. 微功率無線通信技術(shù)在電力線路中的適應(yīng)性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014, 38(8): 113-118. 
HU Zhi-yuan, SONG Yang-yang, YUAN Yan-gen, et al.Adaptability analysis of micro-power wireless communication technology in power lines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(8): 113-118.

[8] 妙紅英, 高寅, 王松, 等. 寬帶電力線載波通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 華北電力技術(shù),2015(4): 16-19. 
MIAO Hong-ying, GAO Yin, WANG Song, et al.Broadband power line carrier communication technology and its applications in electric energy data acquisition system[J]. North China Electric Power, 2015(4): 16-19.

[9] 賴業(yè)寧, 王春新, 仝維, 等. 電力無線通信專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及主要問題研究[J]. 電力信息與通信技術(shù),2014, 12(12): 10-14. LAI Ye-ning, WANG Chun-xin, TONG Wei, et al.Research on the key technology and main issues of power wireless communication network[J]. Electric Power Information and Communication Technology,2014, 12(12): 10-14.

[10] 張海龍, 唐悅, 竇健, 等. 微功率無線通信測試技術(shù)研究[J]. 電測與儀表, 2016, 53(14): 96-100, 117.ZHANG Hai-long, TANG Yue, DOU Jian, et al.Research on the micro-power wireless communication testing technique[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 53(14): 96-100, 117.

[11] 曹敏, 李波, 畢志周, 等. 低壓電力線載波通信性能測試方法研究[J]. 電測與儀表, 2012, 49(10): 46-51. CAO Min, LI Bo, BI Zhi-zhou, et al.Research on the performance test methods of low voltage power line carrier communication[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2012, 49(10): 46-51

[12] 劉亞春, 田海亭, 孔英會(huì), 等. 用電信息采集系統(tǒng)微功率無線信道仿真研究[J]. 電力信息與通信技術(shù),2013, 11(9): 26-30. LIU Ya-chun, TIAN Hai-ting, KONG Ying-hui, et al.Research on the micro-power wireless channel simulation system for electricity information acquisition system[J]. Electric Power Information and Communication Technology, 2013, 11(9): 26-30.

[13] 郭昊坤, 吳軍基, 衡思坤, 等. 低壓電力線通信信道噪聲建模及仿真[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012,40(13): 61-66. GUO Hao-kun, WU Jun-ji, HENG Si-kun, et al.Modeling and simulation of the noise in low voltage power line communication channel[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(13): 61-66.

[14] 肖勇, 房瑩, 張捷, 等. 低壓電力線載波通信信道特性研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(20): 20-25. XIAO Yong, FANG Ying, ZHANG Jie, et al.Research on characteristics of low voltage power line communication channel[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(20): 20-25.

[15] 孫秀娟, 羅運(yùn)虎, 劉志海, 等. 低壓電力線載波通信的信道特性分析與抗干擾措施[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2007, 27(2): 43-46. SUN Xiu-juan, LUO Yun-hu, LIU Zhi-hai, et al.Channel characteristics analysis and anti-jamming measures of low-voltage power line carrier communication[J]. Electric Power Automation Equipment,2007, 27(2): 43-46.