一種多模電力終端設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

吳靖堯 吳玨珺 許崇杰

摘? ?要：基于目前電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息完整性，可靠性有了更高的要求，且目前電力終端的通訊手段的匱乏，采集信息通道單一等問(wèn)題，主要介紹一種多模電力終端的設(shè)計(jì)。終端兼容GPRS/CDMA模塊，230 MHz模塊和以太網(wǎng)模塊多種通訊模塊的方式，根據(jù)比對(duì)各種通訊方式的性能，選擇當(dāng)前情況下最穩(wěn)定，最可靠的通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此來(lái)滿足電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集信息的完整性和可靠性高要求。該方案使終端具備多種通訊手段，在通訊條件較差的環(huán)境下，有一定的實(shí)用價(jià)值以及參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：多模;電力終端;以太網(wǎng)通訊;無(wú)線公網(wǎng)通信;230 MHz通信

中圖分類號(hào)：TP39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study on Application and Design of Multimode for Power Terminal

WU Jing-yao1？覮，WU Jue-jun2，XU Chong-jie2

（1. Jiangmen Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Liability Company，Jiangmen，Guangdong 529000，China;

2. Holley Technology Co.，Ltd，Hangzhou，Zhejiang 310023，China）

Abstract：Based on the current power system on the integrity of data and information，reliability has a higher requirement，and the current lack of power terminal means of communication，the acquisition of information channels are single and other issues. This paper mainly introduces the design of a multimode for power terminal. The terminal is compatible with GPRS/CDMA module，230 MHz module and Ethernet module. According to the performance comparison of various communication modes，the most stable and reliable communication mode is selected to transmit data in order to meet the requirements of high integrity and reliability of data acquisition information in power system. The scheme makes the terminal have a variety of means of communication，and has certain practical value and reference value under the poor communication conditions.

Key words：multimode;power terminal;ethernet communication;wireless communication;230 MHz communication

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)端主站系統(tǒng)低壓遠(yuǎn)程抄表的日益推進(jìn)，2020年將實(shí)現(xiàn)低壓全覆蓋，自動(dòng)抄表電量覆蓋率達(dá)到95%以上的目標(biāo)。從而對(duì)低壓遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù)要求越來(lái)越高。然而，目前低壓運(yùn)維還處于一個(gè)比較低的水平，低壓集中器只能通過(guò)單一的GPRS/CDMA通信方式與遠(yuǎn)端主站通信，數(shù)據(jù)采集完整率無(wú)法得到保證，往往無(wú)法在電量結(jié)算日前完整、準(zhǔn)確的將用戶用電信息自動(dòng)抄回，迫使供電局自動(dòng)化抄表一直處于自動(dòng)化抄表和人工現(xiàn)場(chǎng)抄表的雙軌工作制中，給供電局電量抄核收工作帶來(lái)了極大的不便。

因此為了遠(yuǎn)端主站系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、完整的實(shí)現(xiàn)低壓用戶的自動(dòng)化抄表，急需增加多種通訊方式與遠(yuǎn)端主站通信。隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化程度的提升，光纜通訊，485通訊，230 MHz通訊以及北斗通訊等作為GPRS/CDMA通迅方式的補(bǔ)充手段，已陸續(xù)進(jìn)入研發(fā)試點(diǎn)中。本文主要介紹一種多模上行通信增強(qiáng)型電力終端設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究，該終端同時(shí)支持GPRS/CDMA通通訊（雙卡雙待模式），230 MHz通訊以及以太網(wǎng)通訊，可以自主選擇穩(wěn)定性高的通斷進(jìn)行切換連接，大幅度提升終端在線率、數(shù)據(jù)采集率，提高低壓抄表的自動(dòng)化程度和數(shù)據(jù)的完整率。

1? ?目前常用的通信方式及比較

1.1? ?以太網(wǎng)通信

以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)通信是一種使用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)媒體，采用載波多路訪問(wèn)和沖突檢測(cè)機(jī)制的通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1 Gbit/s，可滿足非持續(xù)性網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。其?yōu)點(diǎn)在于通信網(wǎng)絡(luò)衰減極小，良好的防干擾性能，不會(huì)受到電氣化鐵道，強(qiáng)電以及雷電等的干擾，網(wǎng)絡(luò)帶寬容量較大，網(wǎng)速快于無(wú)線網(wǎng)。缺點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)相對(duì)困難，后期維護(hù)不變。根據(jù)目前電力終端點(diǎn)多，覆蓋面廣且分布分散的特點(diǎn)，并不適用該方式。

1.2? ?無(wú)線公網(wǎng)通信

無(wú)線公網(wǎng)是指中國(guó)電信，中國(guó)聯(lián)通，中國(guó)移動(dòng)三大運(yùn)營(yíng)商建有的，面向公眾開放的通信系統(tǒng)和設(shè)備。無(wú)線公網(wǎng)通信是指使用三大運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。其優(yōu)點(diǎn)實(shí)時(shí)在線，無(wú)需布線，實(shí)施及維護(hù)方便。其缺點(diǎn)在于傳輸距離受三大運(yùn)營(yíng)商基站分布影響，對(duì)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或者山區(qū)基站信號(hào)分布不到就無(wú)法通信?？煽啃暂^低，受影響天氣影響較大。

1.3? ?230 MHz無(wú)線通信

230 MHz頻段無(wú)線通信是工作在230 MHz頻段的無(wú)線寬帶通信方式。其優(yōu)點(diǎn)在于具有頻譜使用率低，干擾源少，傳播算好小，，覆蓋距離遠(yuǎn)，天氣對(duì)信號(hào)傳播性影響小的特點(diǎn)，由于基站是自己建設(shè)，所以可針對(duì)終端位置，自己定義設(shè)置。后期維護(hù)成本上低于其他系統(tǒng)。其缺點(diǎn)在于前期建網(wǎng)投入大，大面積建設(shè)比較困難。

2? ?多模終端的設(shè)計(jì)

2.1? ?多模終端的預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能

一種多模上行通信增強(qiáng)型智能集中器技術(shù)研究和試點(diǎn)應(yīng)用將完成低壓集抄集中器多模通信，采集完整率100%等工作;通過(guò)電力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員實(shí)際的應(yīng)用后，進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證和豐富提升，取得技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行推廣。

2.2? ?硬件設(shè)計(jì)

2.2.1? ?電力終端基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

硬件采用ATMEL公司的AT91SAM9G25? ARM9芯片作為主控芯片。配置包括內(nèi)存：KMT47H32M16HR-25E、 NandFlash： MT29F1G08 ABAEWP、時(shí)鐘：RX8025T、Fram：FM25CL64、計(jì)量芯片：ADE7878ACPZ、160x160液晶顯示等主要器件。原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)平臺(tái)采用Linux2.6.39。

使用Linux完全開發(fā)源代碼的系統(tǒng)平臺(tái)，開發(fā)系統(tǒng)中用到的底層驅(qū)動(dòng)程序，包括交流采樣、SPI、IIC總線及器件的驅(qū)動(dòng)、串口通訊驅(qū)動(dòng)、GPRS/CDMA等多種模塊驅(qū)動(dòng)程序。

電力終端通過(guò)一路485和230 MHz模塊建立連接，交互AT報(bào)文，通過(guò)串口通訊和無(wú)線公網(wǎng)模塊建立連接，交互AT報(bào)文。原理框圖如圖2所示。

2.3? ?軟件設(shè)計(jì)

2.3.1? ?無(wú)線公網(wǎng)模塊撥號(hào)流程軟件設(shè)計(jì)

電力終端采用外部協(xié)議棧撥號(hào)上線。當(dāng)電力終端上電后通過(guò)AT指令A(yù)T+CPIN判斷卡槽內(nèi)是否插入SIM卡，然后執(zhí)行CMUX建立虛擬通道，通過(guò)AT命令A(yù)T$MYSYSINFO，確認(rèn)SIM卡制式后，設(shè)選擇對(duì)應(yīng)制式的通信參數(shù)進(jìn)行撥號(hào)，如果終端內(nèi)部沒(méi)有配置對(duì)應(yīng)制式的通信參數(shù)則終止撥號(hào)，斷電關(guān)閉模塊。在撥號(hào)過(guò)程中，如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)模塊無(wú)響應(yīng)或則模塊回復(fù)ERR，則撤銷本次撥號(hào)命令，重新開始撥號(hào)。當(dāng)撥號(hào)次數(shù)大于限定次數(shù)，則復(fù)位無(wú)線公網(wǎng)模塊。此時(shí)如果模塊內(nèi)插有兩張SIM卡，下發(fā)AT命令A(yù)T$MYSIMAPP，切換到另一張卡模式。進(jìn)入新卡的撥號(hào)流程。如只有一張卡則重復(fù)以上撥號(hào)流程。當(dāng)數(shù)次撥號(hào)失敗后，終端對(duì)改模塊進(jìn)行斷電關(guān)閉處理。避免對(duì)無(wú)效的模塊或者無(wú)效的SIM卡連續(xù)撥號(hào)，空耗終端的內(nèi)部資源消耗。等待一定的時(shí)間后，再去嘗試撥號(hào)流程。外部協(xié)議棧撥號(hào)如圖3所示。

2.3.2? ?230 MHz模塊通信開發(fā)設(shè)計(jì)

230無(wú)線系統(tǒng)采用扁平化的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，組網(wǎng)靈活。無(wú)需SIM卡，無(wú)需撥號(hào)。

本次電力終端為了增加模塊的兼容性，保持模塊撥號(hào)流程的一致性。采用和無(wú)線公網(wǎng)模塊一致的外部協(xié)議撥號(hào)流程，通過(guò)AT命令對(duì)230MHz模塊進(jìn)行控制撥號(hào)連接。

230 MHz模塊需要按《中國(guó)南方電網(wǎng)公司遠(yuǎn)程模塊接口協(xié)議》設(shè)計(jì)，符合電力終端和模之間的接口，功能要求，以及AT指令集。當(dāng)230 MHz模塊無(wú)法連接到230無(wú)線系統(tǒng)時(shí)，模塊在流程中任意步驟應(yīng)答回復(fù)錯(cuò)誤，電力終端隨即開始重新?lián)芴?hào)。當(dāng)撥號(hào)次數(shù)大于限定值，則斷電關(guān)閉模塊。外部協(xié)議棧撥號(hào)如圖3所示。

2.3.3? ?無(wú)線公網(wǎng)通信與230 MHz通信切換軟件設(shè)計(jì)

電力終端啟動(dòng)后，通過(guò)串口探測(cè)，判斷是否接入230模塊以及無(wú)線公網(wǎng)模塊。然后分別對(duì)230模塊以及無(wú)線公網(wǎng)模塊下發(fā)AT命令進(jìn)行撥號(hào)連接。如果只有一種模塊撥號(hào)成功的情況，則使用該模塊作為通信主通道和遠(yuǎn)端主站進(jìn)行通信。如果兩種模塊同時(shí)連接成功的情況，則進(jìn)入信號(hào)判斷比對(duì)流程。終端會(huì)比較兩個(gè)模塊的信號(hào)強(qiáng)度，選擇其中信號(hào)較強(qiáng)的通道，作為通信的主通道。同時(shí)關(guān)閉信號(hào)較差的通道。

電力終端每經(jīng)過(guò)T個(gè)時(shí)間通訊后，進(jìn)入周期性信號(hào)判斷流程，判斷當(dāng)前主通道信號(hào)強(qiáng)度是否高于X閾值。如果信號(hào)高于X值，電力終端繼續(xù)以該通道作為主通道進(jìn)行通訊。如果信號(hào)低于X值，則重新打開備用通道模塊，進(jìn)行撥號(hào)連接。如果備用通道模塊撥號(hào)成功，電力終端重新進(jìn)入信號(hào)判斷比對(duì)流程，再次選擇信號(hào)較強(qiáng)的通道作為主通道。如果撥號(hào)失敗，則繼續(xù)以原主通道作為主通道進(jìn)行通訊。通信切換流程如圖4所示。

2.3.4? ?以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

通過(guò)硬件引腳檢測(cè)電力終端是否插入以太網(wǎng)線。判斷以太網(wǎng)物理連接正常后，判斷終端是否配置有以太網(wǎng)通訊參數(shù)。根據(jù)以太網(wǎng)的參數(shù)信息去連接主站。當(dāng)終端同時(shí)配置無(wú)線通信參數(shù)和以太網(wǎng)通信參數(shù)時(shí)，以太網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間可采用雙通道同時(shí)在線方式。

電力終端可以同時(shí)登陸兩個(gè)主站。當(dāng)終端主動(dòng)傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道一起上傳，兩個(gè)主站都能收到相同的數(shù)據(jù)。如其中一個(gè)遠(yuǎn)端主站通過(guò)其中一個(gè)通道控制終端或者抄讀終端內(nèi)數(shù)據(jù)時(shí)，電力終端只使用單通道向?qū)?yīng)的遠(yuǎn)端主站發(fā)送數(shù)據(jù)。

4? ?結(jié)? ?論

介紹了設(shè)計(jì)電力終端上行雙模/多模通信模式，通信模式支持4G、230 MHz、LAN、光纖中的兩種或多種通信方式;通信模塊符合南網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境選擇最適的通訊方式，電力終端一旦檢測(cè)到當(dāng)前采用的通信方式不穩(wěn)定時(shí)，則自動(dòng)切換至其它通信方式。因此，能夠保證電力終端100%在線，電力終端和遠(yuǎn)端主站的采集完整率100%，大幅降低低壓集抄現(xiàn)場(chǎng)工作量，提高低壓集抄工作效率，保證低壓集抄工作準(zhǔn)確性。

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