用電信息采集本地通信模塊的組網(wǎng)測試系統(tǒng)設(shè)計

張喆 劉偉 王賢輝 肖德勇 李錚

（北京智芯微電子科技有限公司 北京市 100192）

電力系統(tǒng)是國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是人民生活的基本需求。以前供電局收取電費，要靠人力去各戶查抄每個電表，不僅是浪費人力、打擾居民生活，而且效率不高。隨著科技發(fā)展，供電設(shè)備改進，現(xiàn)在供電局可以在控制中心，通過用電信息采集系統(tǒng)遠程抄錄用戶的用電信息和收取電費，而其中的通信技術(shù)顯得尤為重要。

目前，電力系統(tǒng)的通信技術(shù)，普遍采用的是電力線載波和微功率無線兩種通信方式。而電力線載波通信技術(shù)在抵御臺風、洪澇等自然災(zāi)害方面,電力線特有的機械特性以及不易受外力破壞的特點,是其他通信媒介無法比擬的，所以其作為電力部門特有的通信資源，在實際使用中應(yīng)用的更為廣泛，占比達到90%。

電力線載波通信模塊負責智能電表的本地載波通信。其實際工作環(huán)境比較復(fù)雜，而一般測試系統(tǒng)提供的測試環(huán)境相對簡單，有時出廠檢測通過的通信模塊，在實際使用時會發(fā)生無法通信情況，影響電力信息的數(shù)據(jù)采集。那么如何讓測試環(huán)境貼近實際使用環(huán)境的，從而有效的測試通信模塊顯得尤為重要。

本文詳細介紹了一種貼近實際使用環(huán)境的測試系統(tǒng)屏蔽箱連接方案，此系統(tǒng)不僅能夠大規(guī)模的測試通信模塊，還能夠盡量貼近真實的用電環(huán)境，為載波通信模塊的實際環(huán)境中的工作狀態(tài)提供驗證途徑，對建設(shè)穩(wěn)定的智能電網(wǎng)具有重要意義。

1 本地通信模塊組網(wǎng)測試系統(tǒng)架構(gòu)

本地通信模塊測試系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1： 本地通信模塊測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，被測對象為集中器的本地通信模塊（CCO）和電表的本地通信模塊（STA）。測試軟件運行在測試系統(tǒng)的工控機中，主要功能是控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)備對被各測通信模塊進行應(yīng)用測試，比如組網(wǎng)、抄表、校時等測試項目。而測試系統(tǒng)的各個硬件設(shè)備搭建起來的平臺，用來模擬實際使用環(huán)境。主要硬件包括：測試系統(tǒng)工控機、交換機、主節(jié)點屏蔽箱、子節(jié)點屏蔽箱、程控衰減器（見圖2 中詳細說明）、噪聲信號源、頻譜分析儀等。

圖2： 程控衰減器連接示意圖

（1）測試系統(tǒng)工控機：運行測試軟件，測試軟件主要通過工控機的網(wǎng)口接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，控制各儀器設(shè)備來完成各項測試。

（2）交換機：測試系統(tǒng)工控機與各個硬件、儀器設(shè)備通信的中轉(zhuǎn)站。

（3）主節(jié)點屏蔽箱：存放被測CCO 模塊的屏蔽箱，與各子屏蔽箱直接靠射頻線通信。屏蔽箱主要作用為在測試時為被測模塊提供一個無干擾的環(huán)境，提高測試準確率，其內(nèi)部引入220V 強電，將射頻線上的信號耦合到強電上，再接到被測通信模塊上，使其能盡量按實際使用情況工作。

（4）子節(jié)點屏蔽箱：存放被測STA 模塊的屏蔽箱，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似主節(jié)點屏蔽箱。每個子屏蔽箱可以放入若干STA，同時進行測試。本測試系統(tǒng)擬定模擬一個臺區(qū)400 個電表的使用場景，那么測試系統(tǒng)子節(jié)點屏蔽箱有20 個，每個屏蔽箱可放20 個被測STA。

（5）程控衰減器：用來模擬實際環(huán)境中在線路傳輸上的信號衰減情況，其位置是在每個屏蔽箱之間的射頻線上，如圖2 所示。簡單來講，通信信號從一個屏蔽箱傳出，都要經(jīng)過程控衰減器再進入下一個屏蔽箱。這樣可以通過設(shè)置程控衰減器的衰減值來改變網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，組成鏈型、星型、樹形等結(jié)構(gòu)，這樣才能模擬實際中的通信網(wǎng)絡(luò)的各種情況。

（6）噪聲信號源：用來生成實際應(yīng)用場景中影響通信信號的干擾噪聲。測試軟件通過網(wǎng)口控制噪聲信號源，在測試時生成需要的噪聲，通過射頻線注入到測試系統(tǒng)中。測試時通過改變信號源的干擾噪聲大小，來驗證不同信噪比下通信模塊的最遠通訊距離、接收可靠性，接收解調(diào)性能等性能參數(shù)。

（7）頻譜分析儀：檢測通信射頻線上的信號強度。

綜上所述，在有各種噪聲注入的情況下，通過設(shè)計測試系統(tǒng)中各屏蔽箱之間的連接關(guān)系，在各連接通路上加入衰減，形成各種拓撲結(jié)構(gòu)，可以盡量模擬通信模塊在實際工作時的環(huán)境，使測試結(jié)果更加可靠更有實際意義。所以，如何設(shè)計屏蔽箱之間的連接方案以實現(xiàn)各種模擬真實現(xiàn)場環(huán)境的拓撲結(jié)構(gòu)是測試系統(tǒng)非常重要的一個環(huán)節(jié)。下面將詳細介紹一種屏蔽箱連接和組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2 屏蔽箱連接和組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計方案

根據(jù)上述測試的規(guī)模，測試系統(tǒng)包含了1 個主節(jié)點屏蔽箱和20 個子節(jié)點屏蔽箱。一種此測試系統(tǒng)屏蔽箱的連接方案，如圖3 所示。

圖3： 屏蔽箱連接圖

圖3 中，中間的紅色方框為主節(jié)點屏蔽箱，圓圈為子節(jié)點屏蔽箱，長方塊代表程控衰減器，屏蔽箱與程控衰減器間用射頻線連接。這種屏蔽箱的連接方式有別于其他測試系統(tǒng)的鏈式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，屬于多分支的網(wǎng)狀連接方式。在不需要信號傳輸?shù)穆窂缴蠈⒊炭厮p器值設(shè)為最大，在需要信號傳輸?shù)穆窂缴蠈⑺p器設(shè)置為合理值，這樣通過改變各個程控衰減器的值，就可以組成需要的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。下面詳述這種屏蔽箱連接方式的幾個優(yōu)點。

2.2 線性組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

國網(wǎng)標準寬帶載波通信互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范中對載波STA模塊規(guī)定最大可以支持15 層級組網(wǎng)，所以載波模塊的測試系統(tǒng)都需要可以組成15 層網(wǎng)絡(luò)的測試環(huán)境。一般測試系統(tǒng)都會有至少15 個子節(jié)點屏蔽箱組成串行結(jié)構(gòu)，來達到15 層級的組網(wǎng)環(huán)境。而本屏蔽箱連接方案可以更為靈活多變的達到15 層級組網(wǎng)環(huán)境。

如圖4 所示，紅色線是衰減值為合理范圍，信號可以通過的路徑，而黑色線是衰減器設(shè)置為最大值，信號不能通過的路徑（為顯示的更加清晰，原連接圖中的程控衰減器已省略）。從主節(jié)點屏蔽箱開始，信號按順序經(jīng)過7、4、2、1、3、6、9、11、12、15、18、20、19、17 號子節(jié)點屏蔽箱，到達14號子屏蔽箱，通過設(shè)置線路上的衰減值，讓每個子節(jié)點屏蔽箱的被測載波模塊都處在上一個屏蔽箱內(nèi)模塊的下一層級，而14 號子節(jié)點屏蔽箱正好處在第15 層。這樣能很輕松的組成一個15 級層級的組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。當然，也可以隨意改變拓撲結(jié)構(gòu)，測試其它子屏蔽箱的載波通信模塊在15 層級是否可以正常通信，如圖5 所示，組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)是讓3 號子屏蔽箱處在第15 層級。

圖4： 15 層組網(wǎng)屏蔽箱連接圖一

圖5： 15 層組網(wǎng)屏蔽箱連接圖二

由此看出，這種子屏蔽箱的連接方式可以靈活多變的組成各種15 層級的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。此連接方式還可以減少拆裝測試模塊的工作量，大規(guī)模的載波通信模塊測試，一般都是上百個模塊一起進行組網(wǎng)抄表測試，一般串行結(jié)構(gòu)的屏蔽箱連接方式，如果想更換第15 層級的被測模塊，需要人工將屏蔽箱內(nèi)的模塊都卸下，再裝入其他被測模塊。而這種多分支的網(wǎng)狀連接方式，可以裝入所有測試模塊，通過更改程控衰減器的值來控制信號通過的路徑，將被測的通信模塊所在的子屏蔽箱置于想要的層級上，這樣省去了頻繁更換被測模塊的人力和時間成本，提高工作效率。

2.3 模擬現(xiàn)場組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

在實際電力系統(tǒng)中，集中器的CCO 通信模塊是工作在380V 強電下，并且同時接入A、B、C 三相強電，而單相電表上的STA 通信模塊是工作在220V 強電下，接入三相電中任意一相強電。正常來說，一個集中器下管理著若干個用戶電表，從集中器出來的三相電，每相電下都掛有若干電表在工作。而現(xiàn)在大多數(shù)的載波通信模塊測試系統(tǒng)，屏蔽箱內(nèi)都是射頻線連接被測STA，在弱電環(huán)境下測試?；蛘?，有的測試系統(tǒng)在屏蔽箱內(nèi)只接入某一相強電，所有子節(jié)點屏蔽箱內(nèi)的單相被測載波模塊STA 全部在同一相強電下工作，可見這樣的測試系統(tǒng)環(huán)境并沒有貼近實際中的工作環(huán)境。

而本測試系統(tǒng)設(shè)計將三相強電同時接入子節(jié)點屏蔽箱內(nèi)，并將進入屏蔽箱的射頻信號耦合在強電上，測試時根據(jù)需要將屏蔽箱內(nèi)的被測STA 掛在某相強電下進行測試。這樣可以使系統(tǒng)的整個測試環(huán)境更加貼近實際。有三相電參與的測試系統(tǒng)環(huán)境示意圖，如圖6 所示。

圖6： 三相電測試環(huán)境示意圖

從圖6 可以看到，通入A 相電的子節(jié)點屏蔽箱為8、6、9、11、12、10 共6 個屏蔽箱，通入B 相電的子節(jié)點屏蔽箱為13、15、18、20、19、16 共6 個屏蔽箱，通入A 相電的子節(jié)點屏蔽箱為7、4、2、1、3、5 共6 個屏蔽箱。這樣三相強電下每路強電都有被測模塊STA 在工作，可以同時測試主屏蔽箱內(nèi)的被測CCO 在三相電每相上的通信能力，也可測試在三路通信都同時存在的情況下，CCO 的工作穩(wěn)定性。這樣設(shè)計的測試系統(tǒng)更為貼近集中器和電表實際工作環(huán)境。

2.4 組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的可擴展性設(shè)計

目前來說，電力標準要求載波通信模塊最高可以在15層級的組網(wǎng)環(huán)境下通信，那么未來電力技術(shù)進步，可能會要求通信模塊可以在更高層級狀態(tài)下通信。那么本屏蔽箱連接設(shè)計方案，可以搭建最高19 層級的組網(wǎng)環(huán)境，為可能需要更高層級組網(wǎng)環(huán)境的測試提供了擴展性。

如前所述，電力系統(tǒng)存在兩種通信方式，電力線載波和微功率無線通信方式載波和無線，雖然微功率無線通信目前使用較少，但是有著逐漸增多趨勢。對于微功率無線模塊，國網(wǎng)標準對其要求是最大可以實現(xiàn)7 級組網(wǎng)。如果利用本測試系統(tǒng)，增加屏蔽箱內(nèi)無線信號的線路，將測試系統(tǒng)改為既可測試載波STA 模塊又可測試無線STA 模塊，利用此屏蔽箱的接線方案，可以組成任意路徑的7 級無線STA 組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。同時還可以測試載波STA，為以后雙模模塊的測試提供了可擴展性。

在現(xiàn)實的生活中，大多數(shù)住宅用戶都使用單相電表進行計費，而小區(qū)內(nèi)的電梯或商鋪等用電需求較大的地方，都使用三相電表進行計費。一般來說生活小區(qū)的一個用電臺區(qū)內(nèi)，除了大量單相電表以外還會有少量的三相電表。為了貼近這種臺區(qū)實際情況，測試系統(tǒng)內(nèi)還應(yīng)有安裝三相載波通信被測模塊的位置，進行單相STA 和三相STA 一起工作的綜合測試。一般鏈式串聯(lián)屏蔽箱的測試系統(tǒng)，只能將安裝三相STA的屏蔽箱放在拓撲的第一層級或最后一層級，組網(wǎng)不靈活。而本設(shè)計方案中的子屏蔽箱已經(jīng)接入了真實的三相電，只需將需要安裝三相STA 的子節(jié)點屏蔽箱內(nèi)的測試工裝，更換為三相通信模塊的工裝，三相STA 模塊就可以正常工作，并且可以改變網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，將被測三相STA 子節(jié)點屏蔽箱置于任何想要的層級上，不需要額外為了三相STA 再多設(shè)計一個通三相強電屏蔽箱，而改變整個屏蔽箱的連接方案。

3 結(jié)束語

本文提出了一種用電信息采集本地通信模塊的組網(wǎng)測試系統(tǒng)設(shè)計方法，首先簡單介紹了電力系統(tǒng)里的用電采集的通信方式，然后介紹通信模塊測試系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，最后提出一種更貼近實際的測試系統(tǒng)屏蔽箱連接方案和組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法，詳細介紹了該方案的優(yōu)點，這種連接方案改變了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)單一化的情況。讓測試系統(tǒng)更加貼近電力系統(tǒng)的實際工作環(huán)境，減少了大規(guī)模通信模塊測試時間和人力操作的難度，提高通信模塊測試的有效性和可靠性，對建設(shè)智能電網(wǎng)具有重要意義。