電力計(jì)量自動(dòng)化現(xiàn)場無線通信檢測裝置設(shè)計(jì)

張建強(qiáng) 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(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的不斷發(fā)展，電力計(jì)量中自動(dòng)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(jì)量自動(dòng)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(jìn)一步明確電力計(jì)量自動(dòng)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)和要求，在建設(shè)方案上予以改進(jìn)和優(yōu)化。

一、電力計(jì)量自動(dòng)化的建設(shè)目標(biāo)和思想

（一）建設(shè)目標(biāo)

一是電力計(jì)量自動(dòng)化建設(shè)能深化數(shù)據(jù)應(yīng)用，推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。具體而言，利用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jì)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(jìn)一步提高供電質(zhì)量，進(jìn)而為配網(wǎng)的改進(jìn)建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)；在采集公變臺(tái)區(qū)關(guān)口電量的基礎(chǔ)上，能有效完成對(duì)臺(tái)變線損的分析和計(jì)算，進(jìn)而為線損分析提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升線損整體指標(biāo)的可控性。二是通過電力計(jì)量自動(dòng)化建設(shè)，可大大減少供電企業(yè)的運(yùn)行管理成本，彌補(bǔ)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(shí)，還能避免因人工操作失誤而帶來的誤差，促進(jìn)工作效率和質(zhì)量的提升。

（二）設(shè)計(jì)思想

現(xiàn)階段，電力計(jì)量自動(dòng)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(gè)層次，即智能電度表、計(jì)算機(jī)、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(jī)械式電度表中所添加的智能計(jì)數(shù)模塊，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的存儲(chǔ)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(hù)管理模塊、支撐保障模塊以及信息采集模塊組成。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要求按照各模塊的特征對(duì)班組生產(chǎn)體系進(jìn)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(diǎn)放在數(shù)據(jù)應(yīng)用的共享上。

二、硬件設(shè)計(jì)

（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(gè)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(dòng)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(jì)要求，通過設(shè)計(jì)外圍控制電路對(duì)芯片進(jìn)行配置，配置項(xiàng)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(gè)頻段有33個(gè)信道組，每個(gè)信道組有兩個(gè)信道。

（二）報(bào)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(bào)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(qiáng)的處理能力、豐富的片內(nèi)資源和外設(shè)資源、較大的存儲(chǔ)容量和較低的功耗等特點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dá)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(jì)的低功耗應(yīng)用要求。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，參數(shù)保存和固件升級(jí)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(kuò)展了一個(gè)16 M字節(jié)的存儲(chǔ)芯片M25PE16-VMW6TP。

三、軟件設(shè)計(jì)

（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(shí)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(duì)微功率無線通信設(shè)備之間的通信狀況進(jìn)行檢測，驗(yàn)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(jì)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(yàn)證空中報(bào)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(yàn)證在實(shí)際環(huán)境中，以相同無線通信協(xié)議為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)空中報(bào)文的物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層進(jìn)行解讀和校驗(yàn)。其中每一層都有多種類型的報(bào)文內(nèi)容需要解析測試。以“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)”報(bào)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(jī)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(yùn)行效果。但我們傳送的數(shù)據(jù)往往不符合這種特征，有時(shí)會(huì)含有較多的0或者1。因此我們使用偽隨機(jī)編碼對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)數(shù)按位做“異或”運(yùn)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(jī)編碼進(jìn)行相同的“異或”運(yùn)算，即可還原出原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)白化編碼不會(huì)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(dòng)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(jì)了基于STM32的計(jì)量自動(dòng)化現(xiàn)場通信性能檢測裝置。本裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，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。