基于EPON通信技術(shù)的計量自動化終端的設(shè)計與實現(xiàn)

鄧廣昌　楊悅輝　李慧　張捷　陳愷妍

摘要：針對計量終端存在的數(shù)據(jù)通信實時性和可靠性較差的問題，基于EPON通信技術(shù)提出了一種計量自動化終端的設(shè)計。該計量終端的設(shè)計采用雙光模塊的通訊接口設(shè)計，以支持EPON通信組網(wǎng)形式，并采用單片機和專用計量芯片的硬件設(shè)計，以提高計量終端的使用可靠性和低功耗性能。配合實時操作系統(tǒng)，對計量終端的軟件系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，使其實現(xiàn)了電能自動計量、數(shù)據(jù)上傳、終端狀態(tài)監(jiān)測、人機交互等功能。最后通過性能測試證明，該計量終端具有良好的數(shù)據(jù)通信效率和可靠性，能夠滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵字：EPON;ONU;計量終端;光纖通信;電力通信

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，基于光纖通信的電力三網(wǎng)融合業(yè)務(wù)正在逐步展開。目前多數(shù)IIOKV變電站至小區(qū)配電站的光纜建設(shè)已經(jīng)完成，EPON設(shè)備能夠通過光纜連接電力公司綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互的[1]。因此利用已經(jīng)成熟的光纖通信資源和EPON通信技術(shù)實現(xiàn)用計量自動化終端的高效率接人，提高計量數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性成為必然趨勢。相對于其他通訊技術(shù)手段光纖通信方式具有更快的傳輸速率和更好數(shù)據(jù)的安全性。由于處于電網(wǎng)供配電以及數(shù)據(jù)采集的末端的計量終端數(shù)量巨大且分布面廣，顯然難以采用點對點方式進行組網(wǎng)?；谕ㄐ判阅芘c成本核算的平衡考慮，采用EPON通信技術(shù)對計量自動化終端進行組網(wǎng)逐漸成為被廣泛接收的最優(yōu)選擇[2-3]。文獻(xiàn)[4]面向電網(wǎng)終端計量，基于雙向計量與設(shè)備監(jiān)控的實際需求，提出了一種包括光纖通信接口在內(nèi)的多接口的具備智能電表和智能終端的多用途終端設(shè)計。文獻(xiàn)[5]采用配用點專用ONU芯片，結(jié)合計量自動化通信技術(shù)，提出一種嵌入式配電光通信終端的設(shè)計方案，并在設(shè)計充分考慮了配電信息安全問題。

通過對上述研究成果的總結(jié)，基于光纖通信原理、現(xiàn)有設(shè)備和計量自動化業(yè)務(wù)功能原理，采用E-PON通信技術(shù)，結(jié)合計量自動化系統(tǒng)的通信需求，進行計量自動化終端的優(yōu)化設(shè)計，在實現(xiàn)電能自動計量、數(shù)據(jù)上傳、終端狀態(tài)監(jiān)測以及人機交互等功能的基礎(chǔ)，提升數(shù)據(jù)通信的速度和可靠性，實現(xiàn)終端電力數(shù)據(jù)智能采集和高效上傳的目的。

1 計量終端的設(shè)計需求

目前計量自動化系統(tǒng)由主站、通信網(wǎng)、計量終端以及電表組成[6]。計量終端實現(xiàn)對多個電表電量信息的集中采集，然后通過電力通信網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳到主站系統(tǒng)，為電力電能決策部門提供準(zhǔn)確實時的原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電力計量的自動化過程[7]。

為支撐計量自動化系統(tǒng)諸多功能的實現(xiàn)，計量自動化終端應(yīng)當(dāng)具備計量功能、監(jiān)測與通信功能、人機交互管理等功能，還應(yīng)具備設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的功能[8]。針對計量自動化終端的設(shè)計，本文著重研究和實現(xiàn)以下問題：

（1）采用EPON（Etherent Passive Optical Net-work）通信技術(shù)，保證數(shù)據(jù)能夠高效、準(zhǔn)確傳輸。

（2）有效實現(xiàn)對終端用戶的電能自動計量、用電監(jiān)測以及計量終端的狀態(tài)檢測。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件架構(gòu)

依據(jù)設(shè)計需求，結(jié)合相關(guān)設(shè)計案列，計量自動化終端采用MCU作為系統(tǒng)控制核心，輔以專用計量芯片的硬件架構(gòu)[9]。該架構(gòu)主要由計量模塊，CAN總線、存儲模塊、人機交互模塊等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1中，安全模塊包括保證實現(xiàn)安全認(rèn)證的ESAM電路以及保證終端可靠工作的掉電保護電路;為了保證計量終端的適用性，計量模塊包含三相計量電路和單相計量電路。人機交互模塊中設(shè)計了用于顯示基本信息的觸摸屏模塊，此外還提供基本的顯示功能、喚醒、切換等操作。存儲模塊提供用于配置信息、事件記錄、數(shù)據(jù)存儲、歷史記錄的存儲空間。通訊模塊主要由EPON通信單元組成。

2.2 計量模塊

為保證計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，計量模塊采用功能成熟的專用電能計量芯片。本設(shè)計使用四片CS5460實現(xiàn)四路電量信號的分時采集。CS5460的運用可在實現(xiàn)對模擬信號的高精度采集和轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上使得電路變得更加精簡，以有效減少系統(tǒng)功耗[1O-11]。

CS5460是一種專用電能計量芯片，由一個可編程增益放大器、兩個16位分辨率2kHz信號帶寬并同時取樣的ADC組成。該芯片有高通濾波、數(shù)字濾波、系統(tǒng)校準(zhǔn)以及相位補償?shù)裙δ埽哂型瓿赊D(zhuǎn)換精度高、測量能量強、線路簡單等優(yōu)點，能夠充分滿足本設(shè)計的需求[12-13]。

2.3 通訊模塊

將目前市場已有的通用ONU、OLT產(chǎn)品集成到計量自動化終端的通訊模塊中，會存在抗干擾能力差、功耗高、性價比低、數(shù)據(jù)安全難以保證等問題[14-15]。為此，本方案設(shè)計了嵌入式ONU電路方案，原理如圖2所示。

為支持EPON的環(huán)形、鏈形及分支等組網(wǎng)形式，計量終端ONU電路采用2片ONU芯片、2個光電轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計。此外ONU電路還包含加密電路、控制電路、交換電路及與接口電路等部分。

在在計量終端的ONU電路中終下行和上行數(shù)據(jù)都由交換電路調(diào)度，并通過控制模塊設(shè)置兩個光口的主從關(guān)系。通訊模塊的數(shù)據(jù)處理過程可描述如下：

1）主站與計量終端的通信數(shù)據(jù)經(jīng)由控制電路進行判斷是否為需加、解密操作;

2）具體加、解密操作的算法和密鑰交互由MCU負(fù)責(zé)與主站進行協(xié)調(diào);

3）MCU與ONU電路只進行應(yīng)用層數(shù)據(jù)報文通信。

2.4 存儲和人機交互模塊

外設(shè)存儲器包括一片2M x16 -bit的NorFLASH和一片IMx16-bit的PSRAM。復(fù)用MCU的外設(shè)存儲器總線，工作頻率為125Mhz。MCU的FLASH模塊和PSRAM模塊公用外部數(shù)據(jù)總線和地址總線，因此，在PCB中存在大量的分支走線。為防止信號在傳輸過程中出現(xiàn)分支反射，存儲模塊采用菊花鏈布線方式。通過這種方式的布線能夠有效可知分支長度，使得信號的上升邊不至于被掩蓋，提高設(shè)備的工作可靠性。

計量自動化終端采用DGUS觸摸屏作為人機交互的載體。DGUS觸摸屏內(nèi)部有自己的處理器、寄存器、存儲區(qū)等，顯示的內(nèi)容與操作模式都是基于預(yù)先配置好的變量文件，配置文件通過DGUS組態(tài)軟件生成，用SD卡下載到DGUS屏中。當(dāng)DGUS屏接收到單片機發(fā)送過來的命令時，就根據(jù)命令和預(yù)先配置的模式對相關(guān)變量進行顯示。DGUS觸摸屏的使用使得人機交互設(shè)計與數(shù)據(jù)計量、數(shù)據(jù)存儲以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能分離開來，減少MCU的代碼量，降低了人機交互界面設(shè)計的難度，為開發(fā)帶來了便利。

3 軟件設(shè)計

計量自動化終端對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的實時性要求較高，選用μLC/OS II作為操作系統(tǒng)，將計量操作、通訊操作以及存儲操作獨立成線程，依據(jù)其優(yōu)先級由系統(tǒng)調(diào)用。

3.1 總體流程

計量自動化終端的主要任務(wù)為電能計量、數(shù)據(jù)存儲、人機交互以及和主站的通信[16]。因此將上述幾個功能分割成獨立線程，在實時操作系統(tǒng)的主流程中由不同優(yōu)先級的中斷分別調(diào)用。為了保證實時性要求不同的線程都能得到及時處理，需要對不同的線程設(shè)置不同的優(yōu)先級[17]。

看門狗等保證系統(tǒng)安全運行的線程獲得最高的優(yōu)先級。數(shù)據(jù)存儲線程需要處理掉電數(shù)據(jù)應(yīng)急保存等實時要求高的操作，因此設(shè)定為僅次于看門狗的優(yōu)先級。通信線程需要處理主站發(fā)送操作命令，而為人機交互的流暢性，因此這兩個線程的優(yōu)先級被設(shè)定高于計量線程。優(yōu)先級的具體設(shè)置如圖3所示。

在完成優(yōu)先級設(shè)定的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的各個參數(shù)進行初始化，并在系統(tǒng)空閑線程中依據(jù)優(yōu)先級響應(yīng)各個線程中斷請求。軟件總體流程如圖4所示。

3.2 計量線程

計量線程的主要工作是在完成對計量芯片的初始化的基礎(chǔ)上，周期讀取計量芯片集成的寄存器數(shù)據(jù)，并向主線程發(fā)送中斷請求。在計量中斷處理線程中，對計量中斷存儲單元中的電能數(shù)據(jù)進行及時更新，為主線程提供實時的計量數(shù)據(jù)。

計量線程的較表操作是在計量終端的操作指令下對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行自動計算，并將較正后參數(shù)存儲在計量終端的外存儲器中以備下次較表使用。計量流程如圖5所示。

3.3 通信線程

計量終端的ONU模塊上電后需要與主站建立連接，才能夠完成數(shù)據(jù)通信。主站運行的計量自動化軟件于服務(wù)監(jiān)聽模式，計量終端的ONU模塊采用TCP協(xié)議主動發(fā)起socket連接，完成連接后依據(jù)376.1通訊協(xié)議進行握手操作，完成握手操作后主站與計量終端的通訊鏈路正式建立。流程如圖6所示。

由中斷線程觸發(fā)的光口通信線程接收、提取主站發(fā)送的376.1數(shù)據(jù)幀，并通過對數(shù)據(jù)幀中的操作命令的識別，分別完成在線抄表、數(shù)據(jù)上傳、參數(shù)配置等操作，并把操作完成的數(shù)據(jù)打包成376.1數(shù)據(jù)幀通過socket鏈路回傳給主站。具體通信流程如圖7所示。

3.4 數(shù)據(jù)存儲線程

數(shù)據(jù)存儲線程圖如圖8所示。該線程主要實現(xiàn)對計量終端的基本參數(shù)、電能信息和用戶用電信息等數(shù)據(jù)的讀寫操作，同時在掉電和上電時進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)恢復(fù)操作。同時該線程還對計量終端的當(dāng)前運行狀態(tài)進行實時記錄。

4 性能測試

4.1 通信性能測試

完成計量自動化終端的設(shè)計與實現(xiàn)后，選取具有代表性的以太網(wǎng)性能測試對設(shè)計方案的通訊性能進行分析。測試配置如圖9所示。

將計量自動化終端的數(shù)據(jù)端口與流量發(fā)射器連接，進行300s吞吐量測試和背靠背測試。測試結(jié)果如表1所示。

由測試結(jié)果可以看出，計量終端數(shù)通信正常，吞吐量最大能夠達(dá)到30Mbyte/s。吞吐量隨著數(shù)據(jù)幀的變大而逐漸變小，最小值為16 Mbyte/s。顯然這樣的吞吐量能夠充分滿足設(shè)計要求。

通信時延測試時間為10分鐘，測試結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，計量終端隨著幀的變大，響應(yīng)時延有所增加，但是即使在惡劣的通信負(fù)擔(dān)的情形下，時延仍能夠控制在50 μs以內(nèi)，足以滿足數(shù)據(jù)采集的實時性要求。在測試計量終端通信功能正常，沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，有著較好的通信可靠性。

5.2 計量精度測試

首先對計量芯片CS5460內(nèi)部各個寄存器進行校準(zhǔn)，然后將較玩后計算出的電壓電流有效值偏移量、電壓電流增益、有功增益、相位偏移、無功增益等參數(shù)寫入MCU。完成校正操作后，利用計量裝置的脈沖輸出對計量精度進行測試。測試條件為：外加電源的電壓，功率因數(shù)依次為0.5L、0.8C、1.OL，輸出電流依次為O.11n、0.41n、0.71n、1.OIn。測試結(jié)果如表1所示。

由表3所示數(shù)據(jù)可知，本文所設(shè)計的計量自動化終端的計量精度能夠符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

以計量自動化終端的需求為基礎(chǔ)，基于EPON通心技術(shù)，采用MCU核心，設(shè)計了支持光口通訊、具備自動電能計量和數(shù)據(jù)上傳功能的計量終端的設(shè)計。在計量終端的軟件設(shè)計中，采用μcios II嵌入式實時操作系統(tǒng)，通過對計量線程、通訊線程、數(shù)據(jù)存儲線程的獨立設(shè)計，使得計量終端的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通訊功能的實時性能更加凸顯。通過性能測試表明，該計量終端的設(shè)計具有優(yōu)異的通訊性能，能夠滿足設(shè)計需求。從軟件和硬件設(shè)計上實現(xiàn)了計量自動化終端基于EPON的通信，但是沒有對針對電力計量系統(tǒng)通信特點進行通訊協(xié)議的優(yōu)化，下一步將在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上繼續(xù)對通訊協(xié)議進行解析和優(yōu)化，以期實現(xiàn)更高效的計量自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

參考文獻(xiàn)

[1]汪波濤，齊生鵬，高冰，基于光通信芯片的配電光通信解決方案[J].智能電網(wǎng)，2017，5（07）：689-692.

[2]佘鳳，基于EPON技術(shù)的配網(wǎng)光通信網(wǎng)絡(luò)[J].激光雜志，2017，38（05）：137-139.

[3]屠思遠(yuǎn)，吳濱，虞致國，等，基于EPON系統(tǒng)的電力ONU模塊設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（ 05）：134-136+144.

[4]邢曉溪，吳雁南.基于EPON技術(shù)的電力通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2017，（03）：110-112+116.

[5]朱志成，趙海濤，李洋，基于OPNET的電力通信EPON仿真建模研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2016，26（ 12）：164-168.

[6]易欣，基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2016，（09）：195-198.

[7]李莉，鄒英杰，吳潤澤，等，面向配用電業(yè)務(wù)的EPON保護組網(wǎng)有效性評價[J].智能電網(wǎng)，2016，4（08）：785-790.

[8]劉磊，肖監(jiān)，李鵬程.基于ARM+Linux的光網(wǎng)絡(luò)高速抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表，2016，53（S1）：232-234.

[9]宗俊麗，李芹.EPON系統(tǒng)“手拉手”保護實現(xiàn)機制分析及應(yīng)用[J]電力信息與通信技術(shù)，2015，13（11）：66-71.

[10]唐海國，冷華，朱吉然，等，智能配電網(wǎng)EPON通信技術(shù)的應(yīng)用分析[J].供用電，2015，32（ 09）：74-78+68.

[11]劉麗榕，王玉東，辛培哲.EPON及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在配電通信網(wǎng)中的應(yīng)用探討[J].電力信息與通信技術(shù)，2015，13（04）：44-48.

[12] FEIX， ZONGZX，XIAOBH.The applicationof intelligence dis-tribution network communication basedon EPON[J].AdvancedMaterials Research， 2014， 3530（ 1044）：.

[13]李建岐，趙濤，配電通信接入網(wǎng)三層光網(wǎng)絡(luò)典型模式分析[J].供用電，2014，（11）：33-35.

[14]殷志鋒，周雅，張元敏，基于EPON的電力自動化信息傳送平臺[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（02）：111-115.

[15]屈蓓蓓，王棟，禹寧.山西電力EPON集中接入網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)計[J]電力信息與通信技術(shù)，2014，12（01）：96-99.

[16]許文強，韓盼盼，王紅蕾.EPON技術(shù)在智能化供電小區(qū)用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表，2013，（05）：138-139+142.

[17]劉旭生，鄢安娜，張富春，等.面向智能電網(wǎng)的EPON解決方案[J].電子設(shè)計工程，2013，21（04）：128-130.