基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的配電自動(dòng)化通信終端設(shè)計(jì)

摘"要：為了提高配電自動(dòng)化通信終端的通信可靠性和抗干擾性，設(shè)計(jì)了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的配電自動(dòng)化通信終端。具體設(shè)計(jì)配電自動(dòng)化通信終端總體架構(gòu)、通信終端載體和通信終端運(yùn)行主程序，在北斗控制單元中編寫信息傳入速率控制程序，調(diào)控終端功率大小，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳入速率控制，采用射頻信號(hào)處理程序?qū)ι漕l信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。測(cè)試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的配電自動(dòng)化通信終端通信收發(fā)損失程度均在5以下，信噪比均大于10，說(shuō)明該終端的通信可靠性較高、通信抗干擾性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)；通信載體；通信程序；配電自動(dòng)化通信終端；性能驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TP222.87"""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design"of"Distribution"Automation"Communication"Terminal"

Based"on"Beidou"Satellite"Navigation"Technology

XIANG"Jun1，ZHU"Jiao1，WU"Chunji2，F(xiàn)ANG"Xueqin3，XING"Yizheng2

（1.Hainan"Power"Grid"Co.，Ltd.，"Haikou，Hainan"570000"，"China;

2.Information"and"Communication"Branch"of"Hainan"Power"Grid，"Haikou，Hainan"570000"，"China;

3.Hainan"Digital"Grid"Research"Institute，China"Southern"Power"Grid，"Haikou，Hainan"570000"，"China）

Abstract：In"order"to"improve"the"communication"reliability"and"antiinterference"of"distribution"automation"communication"terminal，"a"distribution"automation"communication"terminal"based"on"Beidou"satellite"navigation"technology"is"designed."The"overall"architecture，communication"terminal"carrier"and"the"main"program"of"the"communication"terminal"of"distribution"automation"communication"terminal""is"designed，"and"the"information"transmission"rate"control"program"is"written"innbsp;the"Beidou"control"unit"to"regulate"the"terminal"power"and"realize"the"signal"transmission"rate"control;"The"RF"signal"processing"program"is"used"to"filter"and"amplify"the"RF"signal."The"test"results"show"that"the"communication"loss"of"the"designed"distribution"automation"communication"terminal"is"less"than"5，"and"the"signaltonoise"ratio"is"greater"than"10，"indicating"that"the"terminal"has"high"communication"reliability"and"strong"communication"anti-interference.

Key"words：Beidou"satellite"navigation"technology;"communication"carrier;"communication"procedures;"distribution"automation"communication"terminal;"performance"verification

通信終端是配電實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)和核心。借助通信終端能夠?qū)?shí)時(shí)采集到的配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇傉?，給調(diào)度人員提供判斷依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)配電通信的有效性、可靠性，通信終端具有更高的設(shè)計(jì)要求，即提高通信的可靠性、抗干擾性等性能[1-2]。

目前，關(guān)于通信終端的設(shè)計(jì)有很多。王興濤、趙訓(xùn)威、付海旋等人圍繞嵌入式"ARM"芯片"GD32F450構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)主控單元、通信模組、電源單元以及外圍接口單元組建通信終端硬件，并設(shè)計(jì)三層終端軟件以及軟件功能程序[3]。王云棣、王興濤、吳慶等人在其研究中以ARM9Linux嵌入式系統(tǒng)作為電力無(wú)線專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端的主控平臺(tái)；通過(guò)模組連通1.8"GHz專網(wǎng)基站及核心網(wǎng)，設(shè)計(jì)通信端總體結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)了該終端的硬件部分，包括AFIM核心控制器電路、電源模塊、通信模組電路、USIM卡模塊電路等；設(shè)計(jì)終端的軟件部分，即ARM9Linux嵌入式系統(tǒng)與各個(gè)部分的通信程序[4]。

雖然上述前人的研究都取得了一定的成功，但是其中的終端通信模塊受到通信載體的限制，通信可靠性以及抗干擾性都沒(méi)有完全達(dá)到通信設(shè)計(jì)要求。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的配電自動(dòng)化通信終端。以期通過(guò)該研究提高配電通信性能，促進(jìn)配電自動(dòng)化建設(shè)步伐。

1"配電自動(dòng)化通信終端總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到電力通信當(dāng)中，能夠避免通信組網(wǎng)時(shí)布線難度過(guò)大的問(wèn)題，降低通信布網(wǎng)成本[5]。基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的配電自動(dòng)化通信終端總體架構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，配電自動(dòng)化通信終端總體架構(gòu)主要由通信模組（發(fā)送單元、接收單元組成）上下行連接而成，上行通過(guò)指揮中心相連，下行與配電末端設(shè)備相連，通過(guò)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)信息通信、數(shù)據(jù)交互[6]。

2"配電自動(dòng)化通信終端載體設(shè)計(jì)

配電自動(dòng)化通信終端的作用是進(jìn)行信息傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)，配電自動(dòng)化通信終端載體的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示[7]。

（1）"北斗衛(wèi)星通信模組單元。收、發(fā)天線用于接收、發(fā)送射頻信號(hào)；射頻模塊集成了北斗射頻通道、濾波器、功率放大器，用于完成對(duì)北斗信號(hào)的上、下變頻功能；基帶芯片用于進(jìn)行北斗信號(hào)的解調(diào)[8]。

（2）"北斗控制單元。北斗控制單元通過(guò)串口與基帶芯片相連，是整個(gè)終端的“大腦”，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析與轉(zhuǎn)換處理，以及承載各種通信控制程序[9]。

（3）"電源單元。電源單元負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)電源電壓的轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)上面的排針接口給配電自動(dòng)化通信終端輸送運(yùn)行能源[10]。

3"配電自動(dòng)化通信終端運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

3.1"基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的通信終端運(yùn)行主程序

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)設(shè)計(jì)的通信終端，其通信流程如圖3所示，通信終端運(yùn)行的具體過(guò)程如下。

（1）"配電自動(dòng)化通信終端初始化；

（2）"判斷是否存在通信申請(qǐng)；

（3）"當(dāng)存在申請(qǐng)時(shí)，進(jìn)行入網(wǎng)驗(yàn)證，判斷申請(qǐng)人身份是否合理；若合理，同意入網(wǎng)，否則不同意入網(wǎng)；

（4）"申請(qǐng)人通過(guò)向衛(wèi)星發(fā)出信息發(fā)送請(qǐng)求；

（5）"北斗衛(wèi)星對(duì)發(fā)送請(qǐng)求進(jìn)行解析；

（6）"北斗衛(wèi)星確定通信終端位置，并獲取當(dāng)前位置信息；

（7）"發(fā)送端通過(guò)發(fā)射天線向北斗衛(wèi)星發(fā)送包含發(fā)送信息的射頻信號(hào)；

（8）"北斗衛(wèi)星接收射頻信號(hào)；

（9）"北斗衛(wèi)星將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給通信終端；

（10）"通信終端通過(guò)接收天線接收射頻信號(hào)；

（11）"射頻模塊對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。

（12）"基帶芯片對(duì)北斗信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并傳入北斗控制單元；

（13）"北斗控制單元對(duì)北斗信號(hào)進(jìn)行處理，得出信號(hào)中包含的信息；

（14）"將信息通過(guò)接口發(fā)送給接收端，完成整個(gè)通信過(guò)程[11]。

3.2"信號(hào)接收控制程序

通信終端接入北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)后，北斗衛(wèi)星會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)大量的信息給通信終端?，F(xiàn)實(shí)情況中，大量信號(hào)同時(shí)發(fā)送給通信終端時(shí)，信號(hào)會(huì)同時(shí)涌入一個(gè)通信鏈路，造成信道擁擠，數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題[12]。為了解決這一問(wèn)題，在配電自動(dòng)化通信終端北斗控制單元中編寫信息傳入速率控制程序。控制程序的核心算法如下：

R=fk1e+k2e+k3eE（1）

式中，R代表輸出的控制量；e代表誤差；E代表實(shí)際值；k1、k2、k3分別代表比例、積分以及微分系數(shù)；Ti代表積分時(shí)間常數(shù)；f代表控制函數(shù)。

該程序以事先設(shè)置的信號(hào)接收速率為參考，通過(guò)計(jì)算與實(shí)際之間的誤差得出控制量，來(lái)不斷調(diào)控終端功率大小，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳入速率控制。

3.3"射頻信號(hào)處理程序

射頻信號(hào)到達(dá)通信終端后，需要被濾波和放大。

（1）"射頻信號(hào)濾波。

射頻信號(hào)濾波的作用是消除射頻信號(hào)中的干擾信號(hào)。首先導(dǎo)入射頻信號(hào)到濾波器當(dāng)中，然后進(jìn)行射頻信號(hào)分解，最后重構(gòu)。具體過(guò)程如下：選出射頻信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)的兩個(gè)峰值，并進(jìn)行擬合，然后計(jì)算二者之間的平均值，計(jì)算公式如下：

=Pmax"+Pmin"2（2）

式中，代表射頻信號(hào)中兩個(gè)峰值的平均值；Pmax、Pmin代表射頻信號(hào)的極大峰值和極小峰值。

利用未處理的射頻信號(hào)減去，得出ΔP。之后判斷ΔP是否滿足分解條件。若不滿足，重復(fù)上述步驟；若滿足，則得出一個(gè)去掉高頻噪聲的剩余分量。

Q1=P－ΔP（3）

式中，Q1代表第1個(gè)消除高頻的剩余分量；P代表原始射頻信號(hào)。

重復(fù)上述過(guò)程，得到n個(gè)高頻剩余分量，記為

Q1=P－ΔPQ2=Q1－ΔPQ3=Q2－ΔP…Qn=Qn－1－ΔP（4）

最后進(jìn)行射頻信號(hào)重構(gòu)，即可得到一個(gè)消除高頻部分的射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)濾波凈化。

（2）射頻信號(hào)放大。

射頻信號(hào)放大的作用是提高通信質(zhì)量，改善通信效果。射頻信號(hào)放大主要通過(guò)一個(gè)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其描述如下：

Y=－RI·fy"（5）

式中，Y代表放大后的射頻信號(hào)；y代表原始射頻信號(hào)；R代表電阻；I代表電流；f（y）代表信號(hào)放大函數(shù)，公式如下：

fy=1，W≤T0，Wgt;T"（6）

式中，W代表射頻信號(hào)強(qiáng)度；T代表設(shè)定的閾值。

4"性能的驗(yàn)證測(cè)試

4.1"通信終端布設(shè)

在1000"km×1000"km的范圍內(nèi)布設(shè)10個(gè)配電自動(dòng)化通信終端，以此為媒介，進(jìn)行外圍設(shè)備與配電總站之間的信息傳輸。配電自動(dòng)化通信終端布設(shè)方案如圖4所示。

4.2"設(shè)置配電自動(dòng)化通信終端通信參數(shù)

在表1的參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行外圍設(shè)備與配電總站之間的通信。

4.3"射頻信號(hào)處理

基于3.3的研究，射頻信號(hào)濾波和放大處理結(jié)果如圖5所示。

4.4"測(cè)試指標(biāo)

將通信收發(fā)損失以及信噪比作為終端性能測(cè)試的兩個(gè)指標(biāo)。通信收發(fā)損失是指經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)終端進(jìn)行收發(fā)后數(shù)據(jù)的損失程度，用于衡量通信終端的通信可靠性，計(jì)算公式如下：

φ=∑ni=1Vi1－Vi2Vi1n"（7）

式中，φ代表通信收發(fā)損失程度，要求小于或等于5；Vi1代表通信前數(shù)據(jù)量；Vi2代表通信后數(shù)據(jù)量；n代表通信次數(shù)。

4.5"結(jié)果與分析

4.5.1"通信收發(fā)損失測(cè)試結(jié)果

在所設(shè)計(jì)通信終端應(yīng)用下，產(chǎn)生的通信收發(fā)損失如圖6所示。從圖6可以看出，所設(shè)計(jì)終端應(yīng)用下所產(chǎn)生的通信收發(fā)損失程度均在5以下，說(shuō)明該終端的通信可靠性較高。

4.5.2"信噪比測(cè)試結(jié)果

在所設(shè)計(jì)通信終端應(yīng)用下，產(chǎn)生的信噪比如表2所示。從表2可以看出，所設(shè)計(jì)終端應(yīng)用下，信噪比均大于10，說(shuō)明該終端的通信抗干擾性較強(qiáng)。

5"結(jié)"論

為實(shí)現(xiàn)配電工作的自動(dòng)化，其通信建設(shè)和完善至關(guān)重要，為此設(shè)計(jì)了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的配電自動(dòng)化通信終端。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)計(jì)通信終端的收發(fā)機(jī)制。終端性能驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的通信終端通信收發(fā)損失程度以及信噪比均滿足要求，證明了配電自動(dòng)化通信終端的性能可以用于實(shí)際。但受到各方面的限制，研究仍存在少許不足之處，所設(shè)計(jì)的終端在環(huán)境溫度、防水等級(jí)等方面還有待進(jìn)一步完善。

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