基于北斗一代的電力數(shù)據(jù)通信終端的硬件設(shè)計

田 暉，何 婧，江小輝

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

配電網(wǎng)的自動化系統(tǒng)是通過計算機硬件、軟件、自動控制和數(shù)據(jù)通信等技術(shù)[1]，實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)的集成，形成完整的管理系統(tǒng)，其總體目標(biāo)為完成配電網(wǎng)自動化地管理[2]。北斗一代為定位系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的，將先地區(qū)，后全球當(dāng)作北斗一代，與北斗二代的設(shè)計思想[3]。

我國的電網(wǎng)公司歷經(jīng)多年的改造，幾乎覆蓋了各級變電站電力通信網(wǎng)[4]。經(jīng)統(tǒng)計，我國的大型變電站和環(huán)網(wǎng)通信的方式，采用的是電力專用的光纖網(wǎng)絡(luò)[5]。但是中小型的變電器和農(nóng)村，低壓配電網(wǎng)的通信問題亟待解決，尤其是南方的大量山區(qū)，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(shè)，產(chǎn)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(shù)據(jù)通信終端，提供一種可靠性良好的通信硬件。

1 電力數(shù)據(jù)通信終端構(gòu)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(wǎng)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(jiān)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(wǎng)數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)控，同樣具有和其他系統(tǒng)實現(xiàn)信息的交互，電力網(wǎng)的調(diào)度以及生產(chǎn)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(gòu)利用北斗一代，對其進行有關(guān)的指揮和監(jiān)控[9]。其不僅具有普通用戶機的全部性能，還具有監(jiān)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(tǒng)組成。其中天線部分中含有北斗收和發(fā)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(tǒng)根據(jù)便攜式的計算機和監(jiān)控軟件組成。

1.3 FTU/DTU

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

文章選擇了DAF—830作為終端DTU，其可實現(xiàn)對線路流量和設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)控，可提高設(shè)備故障信息的發(fā)現(xiàn)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(jù)實用型的智能配電網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸端。該終端安裝在配電子站，配電末端的終端FTU/DTU內(nèi)、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(jù)北斗將采集到的數(shù)據(jù)，發(fā)送至配電子站，或者是配電主站，根據(jù)配電子站或者是配電主站所發(fā)出的指令，能夠經(jīng)過北斗利用通播的方式，一次性地發(fā)送到所有的下屬配電末端的終端FTU/DTU，實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測和遙信功能[13]。

2 電力數(shù)據(jù)通信端硬件構(gòu)造

在規(guī)約轉(zhuǎn)換器硬件的結(jié)構(gòu)中，其主要的組成部分是CPU控制電路、以太網(wǎng)的通信電路，RS485通信電路及電源管理電路[14]。北斗數(shù)據(jù)傳輸用戶機硬件功能為：

1）以太網(wǎng)的通信。其利用網(wǎng)口變壓器，與一個RJ45的插頭構(gòu)成，網(wǎng)口變壓器是個隔離變壓器，其將芯片PHY傳輸?shù)牟罘中盘枺鶕?jù)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(wǎng)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(guī)約轉(zhuǎn)換器和配電末端的FTU/DTU間數(shù)據(jù)通信。

2）CPU的控制。利用CPU芯片本身攜帶的，以太網(wǎng)控制器，完成對配電末端的FTU/DTU傳輸過來的，IEC60870-5-104協(xié)議數(shù)據(jù)的實時接收，并分析出所需的可用數(shù)據(jù)，其次將IEC60870-5-104協(xié)議數(shù)據(jù)變?yōu)楸倍芬淮耐ㄐ艆f(xié)議，每當(dāng)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(shù)據(jù)用戶機所需的遙測遙控信息，經(jīng)分析處理之后，轉(zhuǎn)換為IEC60870-5-104協(xié)議數(shù)據(jù)，并對FTU/DTU工作狀態(tài)進行控制。

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

3 各單元電路的設(shè)計

3.1 規(guī)約轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計—RS485通信電路構(gòu)建

在RS485串行通信中，其為完成中長距離的，智能設(shè)備間實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換的關(guān)鍵部分[10]。其作為一種節(jié)點比較多，通訊接口的組網(wǎng)也相對容易，由此被廣泛地應(yīng)用在安防和交通等設(shè)備中。文章中，規(guī)約轉(zhuǎn)換器和用戶機間存在若干米的線纜。其要保障該端距離數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，文中選擇了RS485通信方式。

文中的北斗一代電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)安裝在戶外，環(huán)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(xiàn)信號的隔離。要完成RS485電路的隔離，需要根據(jù)隔離型RS485收發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)模和模數(shù)電路與收發(fā)器電路的構(gòu)建

在電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)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(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)信息在控制信號作用之下，將會直接進入D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)D/A的轉(zhuǎn)換，并以此來增加電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)頻帶的利用率。

利用PL3150收發(fā)器實現(xiàn)和耦合電路的連接，于收發(fā)電路內(nèi)，融入外接程序的存儲器，存儲數(shù)據(jù)構(gòu)成收發(fā)器模塊，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，進而提升數(shù)據(jù)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(guān)系的轉(zhuǎn)換。文章中，利用MAX232實現(xiàn)TTL-EIA雙向電平的轉(zhuǎn)換，在電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中選取UART1，根據(jù)中斷的形式實現(xiàn)和PC機的通信，該電路用在配置FTU/DUT構(gòu)建的網(wǎng)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(shè)計

在北斗一代數(shù)據(jù)傳輸用戶機中，根據(jù)RS485的接口，和規(guī)約轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在電力數(shù)據(jù)通信的終端中選取了UARTO，通過中斷形式實現(xiàn)和北斗一代用戶機的通信，接口電路使用的和規(guī)約轉(zhuǎn)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(nèi)部集成了10W輸出功率功放單元、LNA、射頻收發(fā)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(dāng)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(fā)芯片，其中，射頻的收發(fā)芯片完成下變頻性能，把射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，當(dāng)作基帶芯片的中頻輸入；但當(dāng)基帶芯片產(chǎn)生發(fā)射基帶信號，并輸入至射頻的收發(fā)芯片中時，于射頻的收發(fā)芯片中，實現(xiàn)上變頻性能，通過功放放大器的放大之后，利用天線完成發(fā)射。

4 實驗結(jié)果與分析

為驗證文中提到的基于北斗一代的電力數(shù)據(jù)通信硬件設(shè)計方法有效性，要通過相關(guān)的實驗對其進行驗證。實驗平臺為PSCAD/EMTDC，利用手持?jǐn)?shù)據(jù)采集器分別將當(dāng)前方法下的電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和本文方法下的電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行采集，將其作為文章的實驗數(shù)據(jù)來源。實驗分別在以下幾個方面進行：

1）電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

2）電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)頻帶的利用率。

在對電力數(shù)據(jù)傳輸速度方面進行驗證，需要將數(shù)據(jù)劃分為10組，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法電力數(shù)據(jù)傳輸速度

分析上述實驗結(jié)果可知，文中方法分別在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群皖l帶利用率方面，均優(yōu)于當(dāng)前方法。在本文方法中選擇了DAF—830作為終端DTU，可提高設(shè)備故障信息的發(fā)現(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)的低噪通信，提高了通信的穩(wěn)定性；在文章的數(shù)模和模數(shù)電路中，輸入數(shù)據(jù)信息在控制信號作用之下，將會直接繼續(xù)進入D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)D/A的轉(zhuǎn)換，并以此來增加電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)頻帶的利用率；在收發(fā)器電路中融入外接程序的存儲器存儲數(shù)據(jù)構(gòu)成收發(fā)器模塊，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，進而提升數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)計方法故障發(fā)現(xiàn)效率

5 結(jié)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(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的硬件構(gòu)建方法。并依據(jù)北斗一代的天線對其安裝的環(huán)境要求比較特殊，將基于北斗一代的電力數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)硬件劃分為，規(guī)約轉(zhuǎn)換器及用戶機兩個部分，并分別進行了設(shè)計。

對于下一步的工作，應(yīng)盡量爭取頻度比較快的北斗卡，進而進一步提高電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?/p>