周立志，占玉兵，夏峰，岳鵬

(國電南瑞科技股份有限公司，南京市，210061)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)在全國的深入推廣，電力管理對數(shù)據(jù)的采集和傳輸手段要求越來越高。由于電力行業(yè)終端用戶數(shù)量龐大，并且現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，所以傳統(tǒng)的抄表模式已經(jīng)不能滿足需求。

無線自組網(wǎng)技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本、高可靠性的高速雙向無線通信技術(shù)，是移動Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的特殊形態(tài)，其早期研究源于移動Ad-Hoe網(wǎng)絡(luò)的研究與開發(fā)［1］，也可以視為一種WLAN和Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的融合，兼顧了兩者的優(yōu)勢，具有獨特的優(yōu)點。

微功率無線數(shù)據(jù)傳輸能夠以較快的速度將管理命令送達(dá)用電信息采集終端，并將相應(yīng)的信息返回管理中心，能夠克服電網(wǎng)中的雜波干擾，既不受電網(wǎng)阻抗劇烈變化的影響，也不受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的影響，是實現(xiàn)“堅強智能電網(wǎng)”的有力工具，也是實現(xiàn)“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費”建設(shè)目標(biāo)的重要手段［2］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

微功率無線集中抄表系統(tǒng)由主站、集抄終端、電能表3部分組成。

主站由工作站和軟件構(gòu)成，用來接收和存儲電力用戶的用電數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計分析、匯總計費和報表打印等工作，擔(dān)當(dāng)著整個系統(tǒng)的總控制及管理工作。

集抄終端包括集中器和采集器。集中器用于收集采集器或電能表的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理儲存，同時能和主站或手持設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采集器用于采集多個或單個電能表的電能信息，并可與集中器交換數(shù)據(jù)。集中器是整個無線抄表的核心單元，在整個系統(tǒng)中扮演著承上啟下的角色，決定著整個系統(tǒng)的性能［3-4］，集中器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集中器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of concentrator hardware system

電能表是用于測量功率的儀表，是集中抄表系統(tǒng)最末端的設(shè)備，電子式電能表通過標(biāo)準(zhǔn)RS 485串口通信協(xié)議直接與采集器或集中器連接，將數(shù)據(jù)傳給采集器或集中器。

系統(tǒng)硬件采用 ARM9嵌入式平臺，該平臺以ATMEL AT91SAM9260為核心，板載32MB SDRAM、64MB NANDFLASH、2個RS 485接口(采集與級聯(lián))、調(diào)制型紅外接口、調(diào)試用USB接口、1個遠(yuǎn)程信道用以太網(wǎng)、1個遠(yuǎn)程通信模塊接口(用于安裝GPRS/CDMA、光纖專網(wǎng)、PSTN等遠(yuǎn)程信道)、1個本地通信模塊接口(用于安裝微功率無線、寬帶載波、窄帶載波等本地信道)。

平臺提供了多種系統(tǒng)接口和資源，同時與其他采集芯片通信從而實現(xiàn)計量、交流采樣和諧波采集功能。集中器由GPRS/CDMA通信模塊、ARM芯片處理單元、接口電路和電源模塊組成。接口電路主要完成對下掛的其他終端數(shù)據(jù)的采集;RS 485抄表接口負(fù)責(zé)讀取電能表和級聯(lián)終端的數(shù)據(jù);GPRS/CMDA模塊負(fù)責(zé)和無線網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)收發(fā)。終端的接收和發(fā)送命令通過移動GPRS/CMDA通信網(wǎng)絡(luò)來傳輸，命令接收經(jīng)過校驗后進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程讀表、數(shù)據(jù)采集和異常信息主動上報等功能。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

終端軟件以嵌入式Linux為核心，應(yīng)用功能的程序采用模塊化設(shè)計，方便功能的加載和裁減，可以滿足不同的客戶需求和功能定制，終端軟件系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of software system

整個軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)層、業(yè)務(wù)支撐層、應(yīng)用功能層3個部分。操作系統(tǒng)層主要用于實現(xiàn)應(yīng)用軟件的多任務(wù)多進(jìn)程調(diào)度以及系統(tǒng)硬件資源的管理。業(yè)務(wù)支撐層用于提供應(yīng)用軟件的實時數(shù)據(jù)以及進(jìn)行通信管理、任務(wù)調(diào)度、存儲管理、數(shù)據(jù)庫操作管理等工作。應(yīng)用功能層用于實現(xiàn)應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)分析、通信規(guī)約解析、事件處理、負(fù)控算法、人機接口等功能。

2 微功率無線通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能自組網(wǎng)技術(shù)

微功率無線組網(wǎng)的設(shè)計和應(yīng)用涉及到多項關(guān)鍵技術(shù)的研究，包括新型軟硬件體系結(jié)構(gòu)、低耗節(jié)能及實時并發(fā)的模型、安全機制的設(shè)計理論與方法、傳輸通信協(xié)議棧和路由算法，以及在大范圍分布、多采集點的情況下高可靠、實時性的通信技術(shù)等［5-11］。微功率無線組網(wǎng)技術(shù)融合了先進(jìn)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不需要中央控制設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點既是路由器又是主機，作為對等實體連接在一起。非相鄰的兩節(jié)點間的通信必須通過網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)，從而組成一個多跳無線網(wǎng)絡(luò)，最大自組織網(wǎng)絡(luò)具有如下5個特點。

(1)自適應(yīng):參照北美標(biāo)準(zhǔn)FCC15.247，保證能在現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境無互擾、長期可靠地運行。

(2)自組織:網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點之間發(fā)送信標(biāo)，知曉相互的狀態(tài)信息和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，任何2個節(jié)點中可能存在多條冗余通信路徑。

(3)自路由:網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過分布式的計算，實時地選擇最優(yōu)的路由路徑，該路徑具有最佳的數(shù)據(jù)可靠性和最小的功率消耗，且全智能自動路由、中繼，中繼級數(shù)可達(dá)20級，無需額外增加任何中繼，單網(wǎng)最大支持1 024節(jié)點。

(4)自恢復(fù):網(wǎng)絡(luò)因為自身故障或外部障礙發(fā)生裂解后，能夠自動恢復(fù)組網(wǎng)。因此可以采用超穩(wěn)定的mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形，節(jié)點擁有多至20個鄰居數(shù)，能夠瞬間自我路由修復(fù)。

(5)自愈合:現(xiàn)實情況下的應(yīng)用會不斷遇到新的障礙，如腳手架、新設(shè)備或流動性車輛等，網(wǎng)絡(luò)可以圍繞這些設(shè)備重新組織。所有這一切均是自動發(fā)生的，用戶不必進(jìn)行任何干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)會選擇當(dāng)前最優(yōu)路由路徑。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點之間采用全雙工通信方式，支持上行和下行同時通信。

2.2 多信道隨機跳頻通信技術(shù)

多信道隨機跳頻通信技術(shù)的應(yīng)用，使得網(wǎng)絡(luò)平均隨機使用分配的跳頻信道，如圖3所示，能在以下現(xiàn)實環(huán)境中極大提高數(shù)據(jù)采集成功率和現(xiàn)場長期抗干擾表現(xiàn):

(1)無線集抄系統(tǒng)周邊有其他類型的無線系統(tǒng)產(chǎn)生的帶外干擾，如無線集群通信塔等。

(2)無線集抄系統(tǒng)附近有其他廠商生產(chǎn)且工作于同一頻帶的無線系統(tǒng)。

(3)相同廠商相鄰子網(wǎng)的無線集抄系統(tǒng)同時進(jìn)行，即使采用多頻點錯開復(fù)用配置，仍有互擾的現(xiàn)場環(huán)境。

圖3 多信道隨機動態(tài)跳頻Fig.3 Schematic diagram of multi-channel random dynamic FM

2.3 智能跳頻同步鎖定技術(shù)

跳頻同步是跳頻自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。該項技術(shù)是通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的時鐘使其一致來實現(xiàn)全網(wǎng)同步。微功率無線網(wǎng)絡(luò)無需人工設(shè)置信道群組，信道群組間可以智能復(fù)用，即使是多個信道群組之間也能自動完成智能復(fù)用工作。

3 無線集抄系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 本地組網(wǎng)方案

為實現(xiàn)用電信息的及時、完整、準(zhǔn)確采集，滿足用電管理部門對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和增值服務(wù)的要求，結(jié)合無線通信技術(shù)的自身特點，微功率無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的本地網(wǎng)絡(luò)可以通過以下3種組網(wǎng)方案，適應(yīng)工程現(xiàn)場的復(fù)雜性和多變性要求。

(1)方案Ⅰ:無線集中器+無線電能表(無線通信模塊+單相/三相多功能電能表)，如圖4所示。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案ⅠFig.4 Scheme I of micro-power wireless network construction

(2)方案Ⅱ:無線集中器+無線采集器+RS 485單相/三相多功能電能表，如圖5所示。

圖5 無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案ⅡFig.5 Scheme II of micro-power wireless network construction

(3)方案Ⅲ:無線集中器+無線采集器+RS 485單相/三相多功能電能表+無線電能表(無線通信模塊+單相/三相多功能電能表)。此方案為上述方案Ⅰ、Ⅱ的混合模式。

3.2 集抄終端的現(xiàn)場安裝

微功率無線集抄系統(tǒng)中集中器應(yīng)安裝在現(xiàn)場電能表組群的相對中心位置，無線采集器或無線電能表遍布四周，以此達(dá)到最佳的組網(wǎng)和抄表效果。

1臺集中器管轄電能表的數(shù)量以200～500塊為最佳，無線集中器的安裝位置和電能表的組織相對靈活，必要時可以跨臺區(qū)抄表，也可以在1個較大的臺區(qū)下安裝多個集中器。

4 結(jié)語

目前，本文研究的微功率無線自組網(wǎng)集抄系統(tǒng)已經(jīng)在北京、江蘇、廣東、廣西、湖北、山東、新疆等多個省市得到了推廣和應(yīng)用，電力用戶達(dá)到40萬戶。

從實際的應(yīng)用情況看，微功率無線通信技術(shù)有著諸多技術(shù)優(yōu)點，如組網(wǎng)快、無需人工干預(yù)、網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定、安全可靠、維護(hù)費用少、可跨臺區(qū)通信等，但同樣存在著同頻干擾、缺乏行業(yè)規(guī)范等不足，相信隨著技術(shù)和規(guī)范的進(jìn)一步發(fā)展和完善，微功率無線通信技術(shù)必將在低壓集抄領(lǐng)域中得到更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

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