便攜式低壓集抄運維管理裝置研究

李少娟 唐楚凡 盧奕霖 唐偉博

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

1 項目內(nèi)容及目標(biāo)

1.1 項目內(nèi)容

目前，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局著力實現(xiàn)低壓集抄系統(tǒng)自主運維，提升基層單位網(wǎng)格經(jīng)理的現(xiàn)場運維能力，提升公司低壓集抄系統(tǒng)的運行指標(biāo)，但是受限于缺乏專用的測試和調(diào)試工具，無法有效地定位故障點和確定故障類型，造成基層單位網(wǎng)格經(jīng)理運維效率低下、低壓集抄系統(tǒng)運行指標(biāo)不穩(wěn)定等問題[2]。

為了進一步降低低壓集抄系統(tǒng)運維的工作難度，提升基層單位網(wǎng)格經(jīng)理的運維效率，穩(wěn)定低壓集抄系統(tǒng)的運行指標(biāo)。該項目進行了便攜式低壓集抄運維管理裝置研究，實現(xiàn)低壓集抄系統(tǒng)故障的快速準(zhǔn)確定位，提高壓集抄系統(tǒng)現(xiàn)場運維工作效率，降低成本。

1.2 國內(nèi)外研究水平的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

我國自20 世紀(jì)80 年代開始著手電力行業(yè)的遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集研究和應(yīng)用，2013 年左右擴展到低壓集抄相關(guān)業(yè)務(wù)。隨著通信技術(shù)的成熟，低壓集抄業(yè)務(wù)的范圍越來越廣，由于低壓集抄業(yè)務(wù)的系統(tǒng)性運行維護，因此整個系統(tǒng)涉及到的通信方式多樣，導(dǎo)致系統(tǒng)運維更多依賴于設(shè)備廠商的技術(shù)人員，運維設(shè)備受制于設(shè)備廠家的笨重設(shè)備，不便于作為現(xiàn)場調(diào)試的工具使用[3]。供電公司的基層人員無法掌握低壓集抄系統(tǒng)運維的核心運維技能，也無法快速提升運維技術(shù)能力。隨著廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司低壓集抄全覆蓋以及低壓集抄自主運維要求文件的下達(dá)，針對低壓集抄系統(tǒng)的運行維護，也由過去依賴低壓集抄設(shè)備廠家的支撐，向供電公司自主、高效地運維轉(zhuǎn)變。對于便攜式低壓集抄運維管理裝置的需求也更加迫切[1]。

1.3 項目應(yīng)用前景

該項目開展了便攜式低壓集抄運維管理裝置的研究。該研究應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、多種通信方式集成、信息系統(tǒng)集成等手段快速測試低壓集抄系統(tǒng)運維過程中涉及的各類常見故障問題，包括電表紅外通信測試、電能表485 通信測試、電能表載波通信測試、I 型集中器和II 型集中器終端參數(shù)設(shè)置以及現(xiàn)場4G 通信信號強度測試等，幫助基層低壓集抄運維人員快速、有效定位故障點，確定問題類型。來進一步降低低壓集抄運維的工作難度，提升基層單位網(wǎng)格經(jīng)理的運維效率，提升和穩(wěn)定低壓集抄系統(tǒng)的運行指標(biāo)。

2 項目原理

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置由CPU 模塊、電源模塊、紅外通信模塊、485 通信模塊、232 通信模塊、電力線載波通信模塊、4G 通信模塊等功能模塊組成?；谪S富的通信模塊集成，便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置能夠通過現(xiàn)場計量自動化設(shè)備（電能表、采集終端）的各類通信信道進行通信，完成各類通信信道的功能測試及參數(shù)讀取、查詢、設(shè)置、重置等操作，同時保存通信測試過程中的通信交互報文，基于通信交互報文的解析和分析，來定位問題，為現(xiàn)場運維人員提供更多的故障分析依據(jù)，提高現(xiàn)場運維人員定位問題、分析問題、解決問題的能力。基于TCOS 操作系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)議解析任務(wù)，便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置可通過電力線載波通信模塊實時監(jiān)控和解析低壓電力線報文，同時對低壓臺區(qū)結(jié)構(gòu)進行簡單的解析。通過4G 通信模塊與操作系統(tǒng)內(nèi)置的協(xié)議棧，便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置可在現(xiàn)場實時檢測當(dāng)?shù)匾苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并模擬低壓集抄終端的上線流程，分析低壓集抄終端的上線故障。整個便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置由主控CPU 總體控制成為一個有機整體。便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置的原理示意圖如圖1 所示。

圖1 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置原理示意圖

3 技術(shù)路線

3.1 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置系統(tǒng)設(shè)計

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置系統(tǒng)設(shè)計圖如圖2所示：1）I2C 。I2C 總線是由Philips 公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。2）SPI。SPI 是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是一種高速的、全雙工、同步的通信總線。3）UART。 通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，它將要傳輸?shù)馁Y料在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換。4）MIPI。 MIPI（移動行業(yè)處理器接口）是Mobile Industry Processor Interface的縮寫。MIPI（移動行業(yè)處理器接口）是MIPI 聯(lián)盟發(fā)起的為移動應(yīng)用處理器制定的開放標(biāo)準(zhǔn)。5）LoRa。LoRa 是semtech 公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)。LoRa 模塊是滿足該無線標(biāo)準(zhǔn)的通信模塊。6）ESAM。ESAM 模塊是實現(xiàn)安全存儲，數(shù)據(jù)加、解密，雙向身份認(rèn)證，存取權(quán)限控制，線路加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ艿哪K，它的加密算法符合國家密碼管理的有關(guān)政策。7）GPS。是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的縮寫，是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)。8）USB。是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通信。是應(yīng)用在PC 領(lǐng)域的接口技術(shù)。9）232 。此處指RS-232 標(biāo)準(zhǔn)接口，RS-232 標(biāo)準(zhǔn)接口（又稱EIA RS-232）是常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)之一，它是由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)公司、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家于1970 年共同制定，其全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。10）485。此處指RS-485 總線標(biāo)準(zhǔn)，RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線接口的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)即對于2 個邏輯狀態(tài)的定義：正電平在+2V～+6V，表示一個邏輯狀態(tài)；負(fù)電平在-2V～-6V，則表示另一個邏輯狀態(tài)；數(shù)字信號采用差分傳輸方式，能夠有效減少噪聲信號的干擾。11）SIM 卡。SSIM( Subscriber Identity Module) 卡是GSM系統(tǒng)的移動用戶所持有的IC 卡，稱為用戶識別卡。12）SD 卡。SD 存儲卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，由于它體積小、數(shù)據(jù)傳輸速度快、可熱插拔等優(yōu)良的特性，被廣泛地應(yīng)用于便攜式裝置，例如數(shù)碼相機、平板電腦和多媒體播放器等。

圖2 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置系統(tǒng)設(shè)計圖

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置基于高通驍龍625 系列的SDM450 的CPU 和Android 操作平臺，通過配置全網(wǎng)通數(shù)據(jù)通信方案，將計算機技術(shù)、多種無線通信技術(shù)、條碼掃描、RFID、GPS 定位、紅外通信模塊、485 通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、安全單元等功能集成一身。具有功能強大、接口齊全、多種協(xié)議兼容的優(yōu)點[5]，能夠全面滿足電力行業(yè)高強度高頻次等復(fù)雜使用環(huán)境的特殊要求[4]。

3.2 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置功能設(shè)計

3.2.1 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置紅外通信功能方案

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置紅外通信功能，以圖3 的設(shè)計方案，基于鼎信TCC081F+片與SDM450 通過串口通信，通過UART 模塊合成了 38kHz 載波和串行數(shù)據(jù)的調(diào)制功能，UART 模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)位 0 電平時，可產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制后的 38kHz 波形驅(qū)動片外紅外發(fā)色管，實現(xiàn)紅外通信功能。

圖3 紅外功能設(shè)計方案

調(diào)制紅外通信接口滿足如下要求：1）紅外發(fā)射管載波中心頻率為（38±1）kHz；2）發(fā)射管紅外波長為940nm；3）紅外發(fā)射管有效角度為-30°～30°；4）紅外接收管的載波解調(diào)中心頻率為（38±1）kHz；5）接收管有效響應(yīng)的紅外波長為900nm～1000nm；6）紅外接收管的接收角度為-45°～45°；7）戶外與計量箱電能表紅外通信有效距離不低于3m。

3.2.2 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置激光條碼掃描功能方案

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置激光條碼掃描功能的設(shè)計方案如圖4 所示，掃描頭發(fā)出SCAN 命令通過移動產(chǎn)業(yè)處理器接口（MIPI）與SDM450 通信，I2C 可以獲取掃描頭的地址，來實現(xiàn)激光條碼掃描功能。

圖4 激光掃描功能方案

激光條碼掃描接口滿足如下要求：1）支持一維、二維專業(yè)條碼掃描；2）碼制應(yīng)符合Q/GDW 1205—2013 標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.3 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置485通信功能方案

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置的485 通信功能，其設(shè)計方案如圖5 所示?；赥CC081F+與SDM450 通過串口通信，通過TC485H 轉(zhuǎn)換與485 接口電能表連接，在電能表標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通信速率范圍正常通信，實現(xiàn)485 通信功能。1）RS-485 的數(shù)據(jù)傳送速率支持600bps，1200bps，2400bps，4800bps；2）抗噪聲性能好，接口具有防強電保護功能。插座可重復(fù)插拔次數(shù)不小于5000 次；3）可以在有128 節(jié)點的RS485 總線網(wǎng)絡(luò)中通信（收發(fā)器485 口均帶有上下拉電阻），構(gòu)成半雙工通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2.4 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置232通信功能方案

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置的232 通信功能，設(shè)計方案如圖6 所示，該方案基于SDM450 通過TPT3232E 轉(zhuǎn)換與232 接口的設(shè)備通信，實現(xiàn)232 通信功能。1）RS-232的數(shù)據(jù)傳送速率支持600bps，1200bps，2400bps，4800bps；2）RS-232 采用串行傳送方式，將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，其傳送距離可達(dá)30 m。

圖6 232 通信功能方案

3.2.5 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置LoRa 通信功能方案

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置的LoRa 通信功能，設(shè)計方案如圖7 所示，該方案基于Lora 通訊，通過SX1278I與電表等帶Lora 通信的設(shè)備進行通信，實現(xiàn)LORA 通信功能。1）工作頻點492.5MHz（可根據(jù)需求定制頻點）；2）符合IEEE 802.15.4g 的要求；3）通信距離：大于200m。

圖7 LoRa 功能方案

3.2.6 便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝 USB 擴展功能方案

便攜式低壓集抄現(xiàn)場運維管理裝置的USB 擴展功能，設(shè)計方案如圖8 所示，該方案基于SDM450 通過AD698APZ轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)USB 功能拓展：1）外部擴展接口形式為USB Type-C；2）具有防靜電電路及外部攻擊保護電路；3）符合USB2.0 傳輸標(biāo)準(zhǔn)；4）具備通信和充電功能；5）符合OTG功能； 6）能通過USB 接口轉(zhuǎn)為RS485、RS232、M-BUS等接口。

圖8 USB 擴展功能方案

4 結(jié)論

高通驍龍625 系列的SDM450 的CPU 和 Android 操作平臺，通過集成和配置全網(wǎng)通數(shù)據(jù)通信方案，將計算機技術(shù)、多種無線通信技術(shù)、條碼掃描、RFID、GPS 定位、紅外通信模塊、485 通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、安全單元等功能集成一身，并配置豐富的接口，匹配多種協(xié)議兼容，能夠針對低壓集抄系統(tǒng)運維過程中的多種通信情況進行測試和故障定位，幫助基層低壓集抄運維人員快速、有效定位故障點和問題。降低運維的工作難度，提升運維效率，提升和穩(wěn)定低壓集抄系統(tǒng)的運行指標(biāo)。能夠滿足供電公司低壓集抄系統(tǒng)自主運維的迫切需求，能夠全面滿足電力行業(yè)高強度、高頻次等復(fù)雜使用環(huán)境的特殊要求。