支持能源計量一體化的通信模擬測試系統(tǒng)設(shè)計

張海龍，劉 宣，李 然，張雙沫

(中國電力科學研究院有限公司，北京100192)

多表合一信息采集系統(tǒng)是以“助力智慧城市建設(shè)”為出發(fā)點，基于用電信息采集構(gòu)建的城市智能計量系統(tǒng)，為電、水、氣、熱行業(yè)實現(xiàn)能源計量數(shù)據(jù)遠程采集、實時監(jiān)測、綜合應(yīng)用等提供智能化手段，大幅提升計量自動化水平，降低能源管理工作成本，符合居民高品質(zhì)生活訴求，順應(yīng)我國全面建設(shè)小康社會的奮斗目標.通信技術(shù)是多表合一信息采集系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要基礎(chǔ).由于通信技術(shù)類型多樣，理論基礎(chǔ)差異較大，不易通過理論分析進行評價，需要通過一定規(guī)模的模擬環(huán)境檢驗其實際應(yīng)用效果.

隨著多表合一采集系統(tǒng)建設(shè)的深入，多種信息通信技術(shù)不斷延伸發(fā)展，多表合一采集系統(tǒng)遠程信道采用GPRS/CDMA無線公網(wǎng)[1]，230 MHz無線專網(wǎng)[2]等技術(shù)，本地信道采用電力線窄帶載波[3]、電力線寬帶載波、微功率無線[4]、載波/無線雙模[5]、M-BUS,RS-485等技術(shù).

由于各種通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)路由方案的設(shè)計思路和算法互不相同，需要在相同的通信環(huán)境中評價其工作效率和適應(yīng)能力.此外，多表合一信息采集技術(shù)標準通信性能指標的確定，也需要通過模擬環(huán)境的測試數(shù)據(jù)進行分析驗證.在電信骨干網(wǎng)領(lǐng)域，工信部投資建設(shè)了電信參考試驗網(wǎng)[6](RTNet)，可以進行不同電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的測試和試驗.在移動通信網(wǎng)領(lǐng)域，MTNet[7]由現(xiàn)國家發(fā)改委和工信部出資建設(shè)，可以模擬現(xiàn)有移動通信商用網(wǎng)絡(luò)的實際能力和環(huán)境.但在能源計量通信網(wǎng)領(lǐng)域，還未見大規(guī)模模擬試驗網(wǎng)的相關(guān)研究.本文設(shè)計了一套支持能源計量一體化的通信模擬測試系統(tǒng)，介紹了測試系統(tǒng)的主要架構(gòu)設(shè)計，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，可在實驗室中模擬各種噪聲、衰減及拓撲環(huán)境，模擬各種用能用戶負載條件，針對不同通信技術(shù)進行方案應(yīng)用效果評價.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本測試系統(tǒng)旨在實驗室內(nèi)，模擬現(xiàn)場的臺區(qū)串擾、噪聲干擾、信道衰減、負載變化特性，及現(xiàn)場的多表合一信息采集業(yè)務(wù)特點，評估驗證待測本地通信設(shè)備在特定仿真環(huán)境中的通信功能及性能指標.系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

硬件平臺由多個屏蔽電表箱、屏蔽通信轉(zhuǎn)換器、信道控制器、屏蔽集中器箱構(gòu)成，仿真現(xiàn)場通信環(huán)境的多臺區(qū)采集通信場景.屏蔽電表箱仿真一個實體表箱；信道控制器仿真表箱間的通信信道；屏蔽集中器箱仿真臺變側(cè)的集中器計量箱；屏蔽通信轉(zhuǎn)換器仿真水氣熱表通信轉(zhuǎn)換設(shè)備.

軟件平臺由虛擬主站、虛擬集中器、虛擬電表、虛擬水氣熱表、信道控制及測量模塊、通信偵聽模塊、業(yè)務(wù)支持性評價模塊構(gòu)成.

2 硬件平臺

2.1 硬件平臺架構(gòu)

硬件平臺由屏蔽表箱、屏蔽通信轉(zhuǎn)換器、屏蔽集中器、信道控制器構(gòu)成.其中，屏蔽表箱由多個通信從模塊和通信偵聽設(shè)備構(gòu)成，模擬現(xiàn)場表箱；屏蔽通信轉(zhuǎn)換器由水氣熱表的本地通信轉(zhuǎn)換設(shè)備和偵聽設(shè)備構(gòu)成，模擬水氣熱表的通信硬件；屏蔽集中器由通信主模塊和偵聽設(shè)備構(gòu)成，模擬臺變側(cè)計量箱；信道控制器由衰減器、噪聲注入、信號測量設(shè)備構(gòu)成，仿真表箱間的實際通信信道.

圖2 硬件平臺示意圖

2.2 硬件平臺設(shè)計

2.2.1 屏蔽表箱

屏蔽表箱由通信從模塊和通信偵聽單元構(gòu)成，通信從模塊是電表上的通信單元，可以是載波模塊、也可以是無線模塊[8]，一個表箱內(nèi)一般放置多個通信模塊.通信偵聽單元用于偵聽本表箱的通信報文.

2.2.2 屏蔽通信轉(zhuǎn)換器

屏蔽通信轉(zhuǎn)換器由通信轉(zhuǎn)換器、通信偵聽單元構(gòu)成.通信轉(zhuǎn)換器仿真本地水氣熱表轉(zhuǎn)換器，通過上位機仿真水氣熱表采集業(yè)務(wù).通信偵聽單元用于偵聽本表箱的通信報文.屏蔽表箱結(jié)構(gòu)和屏蔽通信轉(zhuǎn)換器如圖3所示.

圖3 屏蔽表箱&屏蔽通信轉(zhuǎn)換器

2.2.3 屏蔽集中器箱

屏蔽集中器箱由主通信模塊和通信偵聽單元構(gòu)成.主通信模塊是集中器端的本地通信模塊，可以是載波模塊也可以是無線模塊.通信偵聽單元用于偵聽本表箱的通信報文.

2.2.4 信道控制器

信道控制器由衰減器、噪聲注入設(shè)備、信號測量設(shè)備、控制器構(gòu)成.衰減器仿真信道的衰減性能，仿真多級通信環(huán)境；噪聲注入設(shè)備注入各類噪聲，仿真現(xiàn)場通信噪聲；信號測量設(shè)備測量信號的頻譜數(shù)據(jù).控制器通過網(wǎng)絡(luò)接口控制以上3類設(shè)備.屏蔽集中器和信道控制器如圖4所示.

圖4 屏蔽集中器箱&信道控制器

2.2.5 通信網(wǎng)絡(luò)開關(guān)矩陣

通信網(wǎng)絡(luò)開關(guān)矩陣通過網(wǎng)絡(luò)控制表箱接入不同的信道控制器，從而實現(xiàn)不同的屏蔽箱體的連接，提供網(wǎng)絡(luò)拓撲的控制切換，通過上位機控制，可以實現(xiàn)通信拓撲網(wǎng)絡(luò)的自動變化，該設(shè)備如圖5所示.

圖5 開關(guān)矩陣

硬件平臺采用機柜和機箱式結(jié)構(gòu)，抽屜式開合方式，機柜由主機柜和多個從機柜構(gòu)成，主機柜放置主要的測量設(shè)備、運行主機、信號發(fā)生器等，從機柜主要放置各種屏蔽表箱、屏蔽集中器箱、屏蔽通信轉(zhuǎn)換器等，每個屏蔽箱配備信道控制器，屏蔽箱間由開關(guān)矩陣連接.

根據(jù)硬件平臺框架設(shè)計，硬件設(shè)備包括：屏蔽箱、信號發(fā)生器、頻譜儀、示波器、開關(guān)矩陣、衰減器等.

2.2.6 通信偵聽設(shè)備

通信偵聽設(shè)備包括寬帶載波偵聽設(shè)備和無線偵聽設(shè)備，偵聽通信信道上的所有物理層報文，包括確認報文、信標幀、管理報文、應(yīng)用報文等，監(jiān)聽結(jié)果通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口或直接網(wǎng)口傳輸?shù)杰浖脚_，傳輸格式同通信標準中的PPDU格式，形成測試過程中各個局部通信沖突域中的通信報文日志，為通信功能及通信性能的評價提供依據(jù).

2.2.7 衰減器

射頻衰減器用于微功率信道的傳輸特性模擬，設(shè)定衰減量來仿真?zhèn)鬏斅窂降拈L短.衰減器設(shè)置的接口類型有射頻接口、電源和衰減程控接口，分別實現(xiàn)寬帶信號接入、供電和衰減量控制功能.輸入與輸出均采用SMA連接器.

2.2.8 串口網(wǎng)口轉(zhuǎn)換設(shè)備

串口網(wǎng)口轉(zhuǎn)換器在本系統(tǒng)中多處部署，各類模塊的接口都是串口形式，軟件平臺的硬件接口是以太網(wǎng)，需要實現(xiàn)通信接口的轉(zhuǎn)換.具體設(shè)備參數(shù)如表1所示.

表1 串口網(wǎng)口轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)

2.2.9 任意信號發(fā)生器

任意波函數(shù)信號源有兩個用途：① 在測試頻率偏移指標測試中生成物理層透明設(shè)備的可變時鐘信號；② 用于噪聲信號發(fā)生.技術(shù)指標要求如表2所示.

表2 信號發(fā)生器參數(shù)

2.2.10 信號測量設(shè)備

信號測量設(shè)備主要包括頻譜分析儀、高精度示波器.頻譜分析儀用于模塊發(fā)射功率譜密度、發(fā)射頻帶、帶外雜散等指標測試.頻譜分析儀技術(shù)指標要求如表3所示.

表3 頻譜分析儀參數(shù)

示波器用于模塊發(fā)射寬帶信號的時域波形測試.發(fā)生信號平均電平檢測及配合進行模塊故障調(diào)試.示波器要求雙通道，帶寬100 MHz，采樣率2 GS/s，時基范圍5 ns～50 s.

2.2.11 以太網(wǎng)交換機

以太網(wǎng)交換機是連接硬件平臺和軟件平臺的接口[9]，通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口，所有的通信及控制命令都通過以太網(wǎng)接入測試平臺，每個屏蔽箱體就有一個網(wǎng)絡(luò)接口，是測試系統(tǒng)的交換樞紐.

2.2.12 待測通信模塊

測試系統(tǒng)中待測的通信模塊包括：通信從模塊(安裝在表端的通信模塊)、通信主模塊(安裝在集中器端的通信模塊)、水氣熱表通信轉(zhuǎn)換器(安裝在電表和水氣熱表間的轉(zhuǎn)換通信設(shè)備)，該測試系統(tǒng)旨在評估這些通信設(shè)備之間的通信功能及通信性能.

3 軟件平臺

3.1 軟件平臺架構(gòu)

軟件平臺的架構(gòu)如圖6所示.

軟件平臺運行流程為：

測試的主控模塊選擇測試用例，啟動執(zhí)行.

首先向信道控制模塊發(fā)送相應(yīng)指令，配置測試用例中要求的網(wǎng)絡(luò)拓撲、衰減及噪聲要求.信道測量模塊用于驗證網(wǎng)絡(luò)拓撲、衰減、噪聲的配置情況，向信道監(jiān)聽模塊發(fā)送啟動監(jiān)聽命令，向日志記錄模塊發(fā)送日志復位啟動記錄命令.

測試過程為向虛擬主站發(fā)送相應(yīng)的測試命令，虛擬主站向虛擬集中器發(fā)送響應(yīng)Q/GDW 1376.1[10]命令，虛擬集中器向待測主節(jié)點發(fā)送Q/GDW 1376.2[11]命令，待測主節(jié)點在該仿真網(wǎng)絡(luò)中和各個待測從節(jié)點進行通信，信道偵聽模塊記錄各個屏蔽箱的通信報文，并發(fā)送給日志記錄模塊，待測從節(jié)點將收到的采集命令發(fā)送給虛擬電表，虛擬電表將執(zhí)行合理的數(shù)據(jù)響應(yīng)，并將行為發(fā)送給日志記錄模塊.

測試用例執(zhí)行完畢后啟動通信評價環(huán)節(jié)，分析通信偵聽日志，評價通信功能及性能，分析應(yīng)用層監(jiān)聽日志，評價業(yè)務(wù)支持能力.

圖6 軟件架構(gòu)示意圖

3.2 軟件平臺設(shè)計

3.2.1 驅(qū)動接口軟件

軟件平臺對所有硬件的操作都采用驅(qū)動屏蔽的方式，簡化調(diào)用接口，接口行為封裝為DLL動態(tài)庫形式，相關(guān)的接口包括開關(guān)控制、衰減控制、噪聲注入、頻譜測量.

開關(guān)控制的輸入包括開關(guān)編號和開關(guān)動作.衰減控制的輸入?yún)?shù)有線路編號、衰減程度.噪聲注入的輸入?yún)?shù)有線路編號、噪聲類型、頻點、噪聲幅度.頻譜測量輸入?yún)?shù)有線路編號和數(shù)據(jù)指針.

3.2.2 主控軟件

主控軟件由腳本管理執(zhí)行和虛擬主站構(gòu)成，其功能主要有網(wǎng)絡(luò)拓撲場景的管理、控制、測量以及測試用例的管理、結(jié)果分析、結(jié)果評判.

網(wǎng)絡(luò)拓撲場景管理定義所有的箱體編號、開關(guān)編號、線路編號、各種網(wǎng)絡(luò)的拓撲編號.其將每個拓撲的所有開關(guān)、線路上的聯(lián)通位置、噪聲情況進行配置，一種拓撲編號代表一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境結(jié)構(gòu).管理活動包括拓撲定義的添加、刪除、修改.

網(wǎng)絡(luò)拓撲場景控制輸入網(wǎng)絡(luò)拓撲編號，調(diào)用硬件接口驅(qū)動中的“開關(guān)控制” “衰減控制” “噪聲控制”，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲的配置.

網(wǎng)絡(luò)拓撲場景測量輸入網(wǎng)絡(luò)拓撲編號，調(diào)用硬件接口驅(qū)動中的“頻譜測量”命令，實現(xiàn)拓撲網(wǎng)絡(luò)的驗證.

測試用例管理配置各個用例執(zhí)行的腳本集合，實現(xiàn)各個用例的添加、刪除、修改.

根據(jù)用例編號，對定義好的測試用例進行執(zhí)行和停止.同時可以對執(zhí)行完成的測試用例進行分析評價，形成評價報告.也可以對分析評價完畢的測試用例進行合格性評判.

3.2.3 虛擬集中器軟件

虛擬集中器設(shè)計功能有多集中器部署、上行通信、下行通信、檔案管理、輪抄任務(wù)、點抄任務(wù)、校時命令、事件上報.具體功能為：

多集中器部署：每個主節(jié)點連接一個虛擬集中器實體，管理該主節(jié)點的通信及業(yè)務(wù)活動.

上行通信：和虛擬主站進行通信，通信協(xié)議為Q/GDW 1376.1或DL/T 698.45[12].

下行通信：和待測主節(jié)點進行通信，通信協(xié)議采用Q/GDW 1376.2，報文承載在以太網(wǎng)TCP/IP報文內(nèi).

檔案管理：對集中器中的節(jié)點檔案進行維護，包括添加、刪除、修改.

輪抄任務(wù)：各種周期的輪抄業(yè)務(wù)，如每天日凍結(jié)采集，每小時的小時凍結(jié)采集，每15 min的負荷曲線采集等.

點抄任務(wù)：對各類實時業(yè)務(wù)的執(zhí)行，如負荷開關(guān)的遠程命令.

校時命令：對臺區(qū)內(nèi)電表進行廣播校時和單播校時的命令處理過程.

事件上報：對虛擬電能表上報的事件進行處理，及時上報到主站.

3.2.4 虛擬電能表軟件

虛擬電能表設(shè)計功能包括電表檔案管理、采集任務(wù)管理、費控命令處理、校時命令處理、事件上報機制.具體功能如下：

電表檔案管理：記錄電表的地址、信息、以及和從節(jié)點的通信綁定管理.

采集任務(wù)管理：對從節(jié)點發(fā)來的各類抄表命令進行響應(yīng).

費控命令處理：對從節(jié)點發(fā)來的各類費控命令進行虛擬執(zhí)行.

校時命令處理：對從節(jié)點發(fā)來的各類校時命令進行響應(yīng).

事件上報機制：模擬電表自身的各類事件上報.

應(yīng)用層日志記錄：對以上各種應(yīng)用層的業(yè)務(wù)活動進行日志記錄.

3.2.5 虛擬水氣熱表軟件

虛擬水氣熱表和虛擬電能表有很多相似性，具有以下功能：

水氣熱表檔案管理：記錄水氣熱表的地址、信息、以及和從節(jié)點的通信綁定管理.

采集任務(wù)管理：對從節(jié)點發(fā)來的各類抄表命令進行響應(yīng).

費控命令處理：對從節(jié)點發(fā)來的各類費控命令進行虛擬執(zhí)行.

校時命令處理：對從節(jié)點發(fā)來的各類校時命令進行響應(yīng).

事件上報機制：模擬水氣熱表自身的各類事件上報.

應(yīng)用層日志記錄：對以上各種應(yīng)用層的業(yè)務(wù)活動進行日志記錄.

3.2.6 通信偵聽軟件

通信偵聽模塊負責每個局部環(huán)境通信報文的偵聽記錄，軟件功能包括偵聽點管理、報文接收、報文處理、報文存儲、日志管理.具體功能設(shè)計為：

通信偵聽點管理：記錄各個報文偵聽點的位置、報文格式、日志存儲空間設(shè)置等操作.

通信報文接收：根據(jù)偵聽設(shè)備PPDU的報文格式，進行接收報文的解析.

通信報文處理：根據(jù)偵聽設(shè)備過濾器的設(shè)計，對不感興趣的報文進行過濾.

通信報文存儲：根據(jù)日志存儲空間的設(shè)置，將需要記錄的報文存儲到響應(yīng)的存儲空間.

通信日志管理：對已經(jīng)存儲的通信日志進行管理，包括刪除、添加、分析等.

3.2.7 通信評價軟件

對當前網(wǎng)絡(luò)拓撲環(huán)境、當前測試用例、通信活動進行評價，評價功能包括通信功能評價、通信性能評價、業(yè)務(wù)支撐能力評價.具體功能為：

通信功能評價：評估待測設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)組織、維護、路由變更等方面功能實現(xiàn)的正確性和有效性.

通信性能評價：評估待測設(shè)備在設(shè)定的衰減、噪聲條件下的通信效果.

業(yè)務(wù)支撐能力評價：評價待測設(shè)備對當前測試用例的業(yè)務(wù)執(zhí)行能力.

4 結(jié) 論

提升多表合一采集系統(tǒng)檢測能力，有利于為多表合一采集技術(shù)標準指標限值提供數(shù)據(jù)參考以及復現(xiàn)現(xiàn)場故障環(huán)境及故障分析研判.本文詳細描述了仿真測試平臺的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件平臺設(shè)計與軟件平臺設(shè)計.仿真測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在實驗室中模擬各種噪聲、衰減及拓撲環(huán)境，模擬各種用能用戶負載條件，針對不同通信技術(shù)進行方案應(yīng)用效果評價.對于更加全面落實面向多表合一采集的實驗室能力建設(shè)，進一步提升多表合一采集的智能終端功能檢測能力及通信技術(shù)模擬測試能力具有重要意義.