電力采集設(shè)備多路無(wú)線信號(hào)合成放大器研究

魏昕喆 王磊 冉冉 張彬 董佳霖

（國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津 300000）

現(xiàn)有的電力抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸使用數(shù)傳電臺(tái)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，很多的終端安裝在地下室，沒(méi)有信號(hào)覆蓋。對(duì)于上述情況將數(shù)傳電臺(tái)的天線和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的天線，經(jīng)過(guò)加長(zhǎng)的饋線延長(zhǎng)至室外后，由于饋線的衰減嚴(yán)重，信號(hào)太弱，無(wú)法滿足無(wú)線設(shè)備的通信要求，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的完整性。所以需要設(shè)計(jì)一種多路無(wú)線信號(hào)合成放大器，以保證信息的正常傳輸。

1 背景分析

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)網(wǎng)公司建設(shè)中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，電網(wǎng)公司對(duì)設(shè)備的在線率和遠(yuǎn)程采集成功率也有了更高的需求。為使電信息采集系統(tǒng)更好地運(yùn)行、更高效地利用，為公司降損增效、優(yōu)質(zhì)服務(wù)響應(yīng)能力等方面提供更好的數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐，需要建立一套堅(jiān)強(qiáng)、可靠的用戶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

然而在目前的日常工作中，隨著科技的不斷發(fā)展，當(dāng)前智能采集系統(tǒng)的功能變得愈加強(qiáng)大。在這樣的情況下原有的專網(wǎng)通信模塊已然無(wú)法滿足人們的實(shí)際應(yīng)用需求，而基于移動(dòng)公網(wǎng)的通信模塊由于其通信速度更為優(yōu)異，因此在終端采集設(shè)備中的應(yīng)用范圍變得越來(lái)越廣。

2 電力采集設(shè)備常見(jiàn)問(wèn)題和解決方法

1.目前，一些電力計(jì)量采集自動(dòng)化終端安裝在地下室，其通信信號(hào)不理想。在通信信號(hào)傳輸過(guò)程中，必須確保信號(hào)能夠連續(xù)、穩(wěn)定地連接到主站。而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不穩(wěn)定很容易導(dǎo)致信號(hào)脫線，從而影響整個(gè)采集系統(tǒng)。即使對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，其信號(hào)網(wǎng)絡(luò)資源仍然有限，負(fù)控終端在主動(dòng)回放過(guò)程中不能獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致負(fù)控終端掉線。為了解決這一問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)商需要擴(kuò)大信號(hào)覆蓋面積，增加更多的基站，增加信號(hào)發(fā)射功率[1]。然而，這會(huì)增加經(jīng)營(yíng)成本，運(yùn)營(yíng)商大多不會(huì)接受。

2.在電力采集設(shè)備運(yùn)行中，電源是維持整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。電源如果出現(xiàn)故障，自動(dòng)采集的終端電流被中斷或短路等，會(huì)導(dǎo)致通信模塊的數(shù)據(jù)集成和傳輸過(guò)程中所需的電流嚴(yán)重不足，直接影響該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和傳輸效率，造成終端脫機(jī)或重新啟動(dòng)。而為了更好地控制終端電源，通用計(jì)量自動(dòng)化終端系統(tǒng)將建立一個(gè)自檢程序，該自檢程序方便人們及時(shí)對(duì)設(shè)備終端進(jìn)行維護(hù)。

3 設(shè)計(jì)方案

利用原有230M 信道的饋線系統(tǒng)使GPRS 信道及230M 信道共用230M 通信饋線，實(shí)現(xiàn)對(duì)230M 及GPRS收發(fā)信號(hào)的濾波、分析、放大功能，使雙信道信號(hào)能夠同時(shí)通信，并保證其長(zhǎng)距離通信能力及抗衰減能力。

再對(duì)各種信號(hào)源進(jìn)行不同測(cè)試，如信號(hào)衰減度、長(zhǎng)距離通信、信號(hào)共通及濾波、放大過(guò)濾信號(hào)設(shè)備功耗等各類性能指標(biāo)，保證各類現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的可實(shí)施性。其中信號(hào)通訊箱的設(shè)計(jì)主要由雙頻合路模塊、鋰電池、太陽(yáng)能控制器、風(fēng)能控制器、電壓轉(zhuǎn)換模塊、230M 功率放大器以及移動(dòng)4G 功率放大器組成[2]。由于雙頻合路器的特性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰減，同時(shí)較長(zhǎng)的饋線也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的進(jìn)一步減弱，因此需要功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)。

信號(hào)通訊箱內(nèi)置12V 鋰電池為設(shè)備提供電源，外部設(shè)置光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)互補(bǔ)，并為電池充電。功率放大器可以將上下行收到的弱信號(hào)放大后輸出，提高信號(hào)收發(fā)質(zhì)量。前端的功率放大器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)以及快速自動(dòng)收發(fā)控制，確保信號(hào)的可靠傳輸。在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，功率放大器進(jìn)入低功耗模式，只保留前端信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)部分工作，將整個(gè)通信箱的平均功耗降到最低，提高電池在極端情況下的續(xù)航能力。

4 具體實(shí)施流程

如圖1所示，此信號(hào)合成放大器包括第一放大模塊、第二放大模塊和信號(hào)合路模塊；第一放大模塊的一端與第一線纜接口相連，另一端與所述信號(hào)合路模塊中的第一過(guò)濾單元相連；第一放大模塊用于放大公網(wǎng)信號(hào)，第一過(guò)濾單元用于使公網(wǎng)信號(hào)通過(guò)；第二放大模塊的一端與第二線纜接口相連，另一端與所述信號(hào)合路模塊中的第二過(guò)濾單元相連；第二放大模塊用于放大電力專網(wǎng)信號(hào)，第二過(guò)濾單元用于使電力專網(wǎng)信號(hào)通過(guò)；第一過(guò)濾單元和第二過(guò)濾單元均與信號(hào)合路模塊中的整合分離電路相連；整合分離電路通過(guò)一根共饋線與第三線纜接口相連，整合分離電路對(duì)實(shí)際多路通訊波形進(jìn)行整合耦合處理（不具備過(guò)濾信號(hào)功能）。并通過(guò)本實(shí)施方式中所述第一放大模塊和第二放大模塊均為雙向放大器，且由5V 電源供電。

圖1 信號(hào)合成放大器結(jié)構(gòu)

對(duì)于信號(hào)合成放大器而言，為了保證其功能能夠滿足人們的實(shí)際使用需求，設(shè)計(jì)人員為其布置了幾個(gè)信號(hào)放大模塊。其中當(dāng)信號(hào)進(jìn)入信號(hào)合成放大器之后，首先普通4G 信號(hào)將會(huì)流入第一信號(hào)放大模塊。該模塊就其性質(zhì)而言，屬于4G 信號(hào)功率的放大模塊。通過(guò)該模塊作用的正常發(fā)揮可以使4G 信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)功率放大。該模塊在使用中可以對(duì)大量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并且可以對(duì)移動(dòng)、電信、聯(lián)通三大主流4G 通信運(yùn)運(yùn)營(yíng)商的信號(hào)進(jìn)行同時(shí)兼容。在實(shí)際應(yīng)用中消耗的能量相對(duì)較少，可以采用低電壓直流電對(duì)其進(jìn)行供電操作；而來(lái)自系統(tǒng)的230M 信號(hào)將流入到第2 信號(hào)放大模塊當(dāng)中。為了有效保障信號(hào)放大質(zhì)量，防止信號(hào)在放大后一些信息受到損失，設(shè)計(jì)人員將第2 信號(hào)放大模塊設(shè)置為230M 專用的信號(hào)功率放大模塊，該模塊在應(yīng)用中由于其內(nèi)部構(gòu)造的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)功率放大。在實(shí)際應(yīng)用中，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行放大處理，并且消耗的電能非常低。因此同樣可以使用低電壓直流對(duì)其進(jìn)行供電[3]。

信號(hào)放大器中的信號(hào)合成模塊中包含有信號(hào)過(guò)濾單元，通過(guò)這些過(guò)濾單元可以剔除一些無(wú)用的信息。第一過(guò)濾單元為帶通過(guò)濾器。該過(guò)濾器可以對(duì)4G 公網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行篩選，選擇一些具有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息使其通過(guò)；第二過(guò)濾單元同樣是帶寬帶通濾波器。為了防止功能上的重復(fù)，設(shè)計(jì)人員為該濾波器的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)節(jié)。該濾波器可以對(duì)230M 的專網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行篩選，篩選一些有價(jià)值的信號(hào)使其通過(guò)。

此外，該放大器當(dāng)中含信號(hào)合路模塊。該模塊中的整合分離電路選取威爾金森功率對(duì)電路進(jìn)行分配，通過(guò)該模塊可以使信號(hào)進(jìn)行雙向傳輸。通過(guò)以上分析不難發(fā)現(xiàn)，本方案中的信號(hào)合路模塊在實(shí)際應(yīng)用中主要是通過(guò)一定的方式將4G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)與230M 的電力專網(wǎng)信號(hào)輸入到相應(yīng)的模塊之后，對(duì)信息進(jìn)行過(guò)濾整合。然后使用一條共同的線路對(duì)信號(hào)進(jìn)行輸出，該模塊在實(shí)際使用中可以有效隔離其他無(wú)關(guān)信號(hào)且使用中對(duì)能量的消耗基本為0。

在具體工作的過(guò)程當(dāng)中，首先信號(hào)經(jīng)由第一放大模塊對(duì)4G 信號(hào)當(dāng)中一些有用的信息進(jìn)行放大。然后來(lái)自系統(tǒng)當(dāng)中的230M 信號(hào)將通過(guò)第二放大模塊，將接收到的230M 電力信號(hào)進(jìn)行有效放大。將放大后的兩路信號(hào)分別送入到第一過(guò)濾單元與第二過(guò)濾單元當(dāng)中對(duì)放大后信號(hào)中存在的噪聲進(jìn)行有效過(guò)濾。最終經(jīng)過(guò)信號(hào)整合單元將不同信號(hào)進(jìn)行有效整合，并且通過(guò)一條供饋線路對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效輸出。

圖2 為多模信號(hào)合路放大通信箱的示意圖。通過(guò)該圖不難發(fā)現(xiàn)，第一線纜接口為4G 天線端口；第二線纜接口為230M 天線接口。整個(gè)多模信號(hào)放大器通過(guò)5V 的直流電源進(jìn)行供電操作。在實(shí)際應(yīng)用中消耗的電能非常低且有很高的集成度，可以全面滿足蓄電池的持續(xù)使用。

圖2 多模信號(hào)合路放大通訊箱

在該通訊箱實(shí)際工作的過(guò)程當(dāng)中，來(lái)自系統(tǒng)的4G信號(hào)將分別進(jìn)入第一接口與第二接口進(jìn)行采集。當(dāng)采集工作完畢之后，將通過(guò)集成線路對(duì)接收到的兩段信號(hào)進(jìn)行放大處理。數(shù)據(jù)信息放大完畢之后將分別送入到相應(yīng)的過(guò)濾單元當(dāng)中對(duì)信號(hào)當(dāng)中存在的噪聲進(jìn)行有效過(guò)濾。當(dāng)噪聲過(guò)濾完畢之后，剩余的有價(jià)值信息將會(huì)通過(guò)整合模塊對(duì)信息以一定的方式方法進(jìn)行整合，整合完畢之后將變?yōu)榛祛l信號(hào)，從一條供饋線輸出[4]。設(shè)備接收到信號(hào)指令后，發(fā)出相應(yīng)230M、4G 信號(hào)，由一根饋線從共饋信號(hào)接口輸入，經(jīng)第一、第二過(guò)濾單元進(jìn)行過(guò)濾4G、230M，最終通過(guò)第一放大單元、第二放大單元輸出4G、230M 信號(hào)。同時(shí)，光伏25W 單晶硅太陽(yáng)能板 (風(fēng)力發(fā)電機(jī))通過(guò)太陽(yáng)能控制器（RS0102太陽(yáng)能充電管理芯片）對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行充電工作，并控制充電電池組件為多模信號(hào)合路放大器提供5V 直流電，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

同時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)能光伏板（風(fēng)力發(fā)電機(jī)），對(duì)蓄電池設(shè)備進(jìn)行電源供給，保證多模信號(hào)放大器正常工作，通過(guò)4G、230M 天線接收采集系統(tǒng)通訊信號(hào)并由多模信號(hào)放大器進(jìn)行信號(hào)過(guò)濾及放大功能后經(jīng)整合電路后通過(guò)通訊共饋線接口接入采集通訊終端。也可將通訊終端不同信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾放大，保證設(shè)備通訊成功率及通訊質(zhì)量。

5 效果分析

綜上多模信號(hào)放大合路器，采用模塊小型化設(shè)計(jì)，該設(shè)備使用在采集設(shè)備前端，將空中的無(wú)線信號(hào)放大后傳送至終端，滿足終端正常運(yùn)行時(shí)對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度的要求。同時(shí)終端上報(bào)數(shù)據(jù)的時(shí)候信號(hào)也會(huì)通過(guò)該設(shè)備放大，滿足正常的數(shù)據(jù)通訊，確保實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)可靠的收發(fā)。

此種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝、拆卸，牢固可靠，可廣泛推廣，經(jīng)濟(jì)性高，最主要的是可以在信號(hào)覆蓋不全的地區(qū)滿足設(shè)備正常使用。具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：將4G 網(wǎng)絡(luò)的公網(wǎng)信號(hào)和230M 電力專網(wǎng)信號(hào)經(jīng)濾波過(guò)濾整合后，實(shí)現(xiàn)共用同一根共饋線輸出，將現(xiàn)有的機(jī)械腔體結(jié)構(gòu)改變?yōu)閿?shù)字電路結(jié)構(gòu)，另外，放大模塊采用5V 直流供電的放大器實(shí)現(xiàn)，相比于現(xiàn)有220V 的放大模塊功耗更低。

6 結(jié)語(yǔ)

采用信號(hào)放大器技術(shù)可以解決終端通信系統(tǒng)中的信號(hào)失效問(wèn)題，降低運(yùn)行成本，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展。同時(shí)，便于管理人員實(shí)時(shí)控制信號(hào)，為企業(yè)提供準(zhǔn)確的信息，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。