周友富+陳謙+張玉鴻

摘 要：針對“智能電網(wǎng)”建設(shè)中一線設(shè)備及后期維護過程中與操作平臺間信息的無縫鏈接和實時傳輸要求，本項目研究了一種基于230 M載頻的新型遠程低功耗通信平臺，平臺滿足設(shè)備信息入網(wǎng)的需求。通過樣機測試，發(fā)現(xiàn)使用超低頻載波頻率具有繞射性能好，通信距離遠的特點，又因為使用擴頻技術(shù)以及時分復(fù)用技術(shù)，可使平臺呈現(xiàn)出低功耗特性。

關(guān)鍵詞：230 M載波；遠程傳輸；智能電網(wǎng)；低功耗

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）10-00-04

0 引 言

電力通信網(wǎng)同電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)被人們合稱為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的三大支柱。它們是電網(wǎng)調(diào)度自動化、網(wǎng)絡(luò)運營市場化和管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要手段，同時也是電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。電力通信網(wǎng)與電網(wǎng)之間的關(guān)系密不可分。隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展和市場化運作的要求，考慮到社會發(fā)展和通信技術(shù)發(fā)展對電力通信網(wǎng)的推動作用，針對現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)在體系完備、功能擴充方面的研究工作已逐漸開展，以期進一步齊全電力通信網(wǎng)的規(guī)劃，形成規(guī)模效益[2]，更好地服務(wù)于電網(wǎng)和社會。隨著“能源互聯(lián)網(wǎng)”和“堅強智能電網(wǎng)”建設(shè)的提出與深入開展，電力通信網(wǎng)所承擔(dān)的任務(wù)開始從人與人之間信息交流的“互聯(lián)模式”發(fā)展到人與人、電力一線設(shè)備與設(shè)備以及人與設(shè)備間信息交流的“綜合智能模式”。新時期下如何滿足“人機智能交互時代”中電力系統(tǒng)運行所需的海量信息傳輸，實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的“人+設(shè)備”的無縫聯(lián)通，成為了現(xiàn)有電力通信網(wǎng)面對的主要問題和下一階段技術(shù)升級的主要方向。

本通信平臺的信道為230 MHz專用頻段[3]，可分為15個全雙工通信頻點。負荷管理信道實時任務(wù)比較少，且同頻干擾小，可與原系統(tǒng)共用頻點，分享部分通信設(shè)備，節(jié)約資金，同時增加采集準確性。

1 總體方案設(shè)計

1.1 組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

針對電力系統(tǒng)中終端節(jié)點位置分散覆蓋范圍廣，終端發(fā)射業(yè)務(wù)量少的特點，在網(wǎng)絡(luò)接入層采用星形拓撲[4]結(jié)構(gòu)。組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在星形網(wǎng)中，可以在不影響系統(tǒng)其他設(shè)備工作的情況下，非常方便地加入和剔除設(shè)備。星型拓撲具有如下優(yōu)點：

（1）利用中央結(jié)點可方便地提供服務(wù)和重新配置網(wǎng)絡(luò)；

（2）單個連接點的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)，容易檢測和隔離故障，便于維護；

（3）任何一個連接只涉及中央結(jié)點和一個站點，因此控制介質(zhì)訪問的方法非常簡單，因而訪問協(xié)議也十分簡單[5]。

相比于其他網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)層級少，網(wǎng)絡(luò)扁平，路由更為直接，網(wǎng)絡(luò)更易于部署。但要達到廣覆蓋的設(shè)計目標，對物理層設(shè)計則有更高的要求，簡單的講，需要兩點之間更遠的無線傳輸距離，同時還要保持終端側(cè)的極低功耗水平。

1.2 通信平臺方案設(shè)計

本項目的新型遠程低功耗無線通信平臺主要由兩部分組成，遠程通信終端為可與主干網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)連接的無線電臺基站。為了保證分布于各應(yīng)用領(lǐng)域的通信模塊所監(jiān)測的業(yè)務(wù)信息能夠穩(wěn)定、可靠、及時的傳輸至相應(yīng)的電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)主站，必須保證接入終端的安全可靠性；接入終端在應(yīng)用于具體的業(yè)務(wù)領(lǐng)域時，應(yīng)具備根據(jù)領(lǐng)域不同進行功能定制的能力，但無論應(yīng)用于哪一領(lǐng)域，考慮到現(xiàn)場施工人員水平不一，為了保證施工的高效與便捷，必須具備操作簡單、安裝便利的特點。因此，對無線通信平臺硬件進行設(shè)計時，應(yīng)充分考慮終端的功能定制與擴展以對各業(yè)務(wù)領(lǐng)域更好的支持與支撐，同時便于安裝與后期維護。

遠程通信平臺的終端主要由主控制器模塊、射頻調(diào)制解調(diào)模塊、功率放大模塊、電源模塊和通信接口組成。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

遠程通信平臺的無線通信基站電臺主要由控制器模塊、射頻調(diào)制解調(diào)模塊、功率模塊、電源模塊和主干網(wǎng)絡(luò)接口模塊組成。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

主控制器主要負責(zé)對通信平臺的控制管理，數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲，數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換。主控制器必須支持多進程操作系統(tǒng)以滿足通信平臺同時處理多個任務(wù)的需要。數(shù)據(jù)處理主要是指由通信平臺終端所采集的數(shù)據(jù)以及由相應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)主站向通信平臺所發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理維護數(shù)據(jù)、監(jiān)測控制數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)的處理過程伴隨著大量數(shù)據(jù)的解析、存儲、幀格式轉(zhuǎn)換等操作。以上功能的正常運行對整個業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)起著關(guān)鍵支撐作用，主控制器需要具備較高的性能以保障這些功能正常運行。

平臺設(shè)計網(wǎng)關(guān)具有以下功能：

（1）當(dāng)通信終端與基站建立連接后，系統(tǒng)將所收到的數(shù)據(jù)封裝成TCP報文發(fā)送到遠端；

（2）當(dāng)無可用連接且收到數(shù)據(jù)時，可向默認的IP地址和端口發(fā)起主動TCP連接；

（3）用戶可以利用Web瀏覽器訪問存儲在嵌入式Web網(wǎng)關(guān)上的網(wǎng)頁，以控制掛在系統(tǒng)上的設(shè)備。

2 通信平臺硬件設(shè)計

230 MHz無線頻段作為電力系統(tǒng)專用的無線頻率資源，屬于超短波無線通信。通信平臺由接收機與發(fā)射機組成。接收機RF部分的任務(wù)是從天線所接收到的眾多電磁波中檢出有用信號，然后下變頻到所需的IF信號，并利用放大器放大到解調(diào)器所需的功率電平值。發(fā)射機把調(diào)制器調(diào)制后的IF信號上變頻到RF信號，再通過一系列處理，使其能達到一定的功率并用天線發(fā)射出去。本文研究的關(guān)于射頻收發(fā)模塊的設(shè)計，主要針對230 MHz頻段開發(fā)適用的射頻接收機。其硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.1 平臺電源設(shè)計

通信平臺節(jié)點的電源是電路的重要組成部分，本平臺電源設(shè)計包括兩路，一路為3.3 V，供給微處理器，一路5 V電源供給外圍。出于電源轉(zhuǎn)換效率因素的考慮，我們選擇開關(guān)電源。3.3 V電源電路設(shè)計如圖5所示。

開關(guān)電源芯片選擇RT8009，芯片的開關(guān)頻率最高可以達到1.25 MHz。在本文平臺中消耗的電流較小，最大電流約為幾十毫安，紋波在數(shù)毫伏之內(nèi)，滿足平臺的工作要求。

通信平臺的外圍電路需要5 V電源供電，我們選用的開關(guān)電源芯片為LM2731，芯片的開關(guān)頻率高達1.6 MHz，電路原理圖如圖6所示。

LM2731芯片具有工作使能功能，引腳SHDN為高電平時，芯片正常工作，為低電平時不工作。本文電路直接將引腳接到電源輸入，以保證芯片一直工作。

MOS管IRF6401為外圍電路供電開關(guān)，當(dāng)設(shè)備處于睡眠狀態(tài)時，可以關(guān)閉部分外圍電路，以實現(xiàn)節(jié)約環(huán)保的目的，同時也可以延長單次充電電池的工作時間。

2.2 巴倫電路設(shè)計

通信平臺射頻調(diào)制解調(diào)模塊多為射頻差分輸出，常用的天線大多為單端50 Ω輸入，因此有必要在調(diào)制解調(diào)模塊和天線中間加上匹配電路——巴倫電路[6]，原理圖如圖7所示。

除了三個隔直電容外，本文的巴倫電路還包括兩個電感和兩個電容。平衡端輸入信號后，分別經(jīng)過低通濾波器和高通濾波器，使得信號分別產(chǎn)生正負90度的相移。因而信號從輸入端原本180度的相位差，經(jīng)巴倫電路在信號輸出端變?yōu)橄嗤辔坏男盘?。使電路從不平衡轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶狻?/p>

本文中的巴倫電路不僅具有相位移動的能力，還能夠匹配阻抗，根據(jù)工作頻率，巴倫電路的參數(shù)可以由式（1）計算得到。

式中，RI，RL分別平衡輸入端和不平衡輸出端的阻抗，=2為中心頻率對應(yīng)的角頻率。

2.3 平臺射頻電路設(shè)計

本文通信平臺以SX1276作為主射頻芯片實現(xiàn)遠程調(diào)制解調(diào)器的功能。SX1276使用了LoRa技術(shù)，其超長距離擴頻通信技術(shù)具有抗干擾能力強，低功耗的優(yōu)良特性。

本文通信平臺采用擴頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)方案，使傳輸距離遠遠超出基于FSK或者OOK調(diào)制方式系統(tǒng)的傳輸距離。在最大數(shù)據(jù)速率條件下，其靈敏度要比FSK高出8 dB；若采用20 ppm晶體的LoRa，收發(fā)器靈敏度可比FSK高出20 dB。除此之外，在阻塞性能方面也有顯著優(yōu)勢，可以進一步提高通信的可靠性。

3 MAC（媒體介入控制）層設(shè)計

本文通信MAC層的設(shè)計主要參考了EEE802.15.4[7]標準中的信標非使能網(wǎng)絡(luò)，主要包括系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)服務(wù)兩大類功能。

（1）系統(tǒng)管理以節(jié)點的管理和關(guān)聯(lián)、通信網(wǎng)絡(luò)中信道的掃描及節(jié)點間的數(shù)據(jù)請求為主。

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)以數(shù)據(jù)幀的收發(fā)、直接間接傳輸?shù)葹橹鳌?/p>

MAC層的系統(tǒng)管理設(shè)計基于狀態(tài)機實現(xiàn)，MAC層管理的狀態(tài)機由協(xié)議中的狀態(tài)表示。根據(jù)系統(tǒng)管理的功能，狀態(tài)機共包括空狀態(tài)、節(jié)點關(guān)聯(lián)請求狀態(tài)、數(shù)據(jù)請求狀態(tài)及信道掃描狀態(tài)。狀態(tài)機的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)關(guān)系如圖8所示。

MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)根據(jù)功能要求主要分為數(shù)據(jù)幀的接收和數(shù)據(jù)幀的發(fā)送兩部分。MAC層的幀接收和發(fā)送路徑如圖9所示。

4 通信平臺網(wǎng)關(guān)設(shè)計

本通信平臺應(yīng)用在電力網(wǎng)絡(luò)通信中時需要連接各種電力設(shè)備，因此必須使數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)[8，9]能夠適應(yīng)不同種類的電力設(shè)備的服務(wù)和接口。

本文設(shè)計的通信網(wǎng)關(guān)包括系統(tǒng)管理模塊、節(jié)點管理模塊、通信網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包捕獲與轉(zhuǎn)發(fā)模塊。網(wǎng)關(guān)中系統(tǒng)管理模塊主要負責(zé)協(xié)調(diào)各模塊間的工作，節(jié)點管理模塊主要負責(zé)實時監(jiān)控局域網(wǎng)中各控制節(jié)點的狀態(tài)，通信網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要實現(xiàn)通信網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)的通信。數(shù)據(jù)包捕獲與轉(zhuǎn)發(fā)是整個通信網(wǎng)關(guān)的核心，是保證該網(wǎng)關(guān)正常通信的關(guān)鍵之處。節(jié)點管理是通信協(xié)議的基礎(chǔ)，只有有效地管理網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點，使網(wǎng)絡(luò)中不存在不安全的失效節(jié)點，才能保證整個系統(tǒng)安全高效地運行。三個模塊間的協(xié)同工作原理如圖10所示。

5 結(jié) 語

本文提出了基于230 M載頻的無線通信平臺研究。研究針對平臺的硬件設(shè)計和通信協(xié)議設(shè)計兩個方面提出了解決方案，最終取得的成果體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）提出遠距離低功耗通信平臺硬件設(shè)計方案。綜合考慮本通信平臺的應(yīng)用環(huán)境以及230 MHz的專用網(wǎng)絡(luò)，給出了終端以及基站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。并且選出適合本通信平臺的天線，設(shè)計了巴倫電路和通信平臺的電源電路。從原理上論述了射頻收發(fā)機的射頻參數(shù)以及方案的可行性。

（2）通信協(xié)議MAC層設(shè)計。在設(shè)計本通信平臺協(xié)議棧時充分分析協(xié)議棧設(shè)計中的難點，從協(xié)議棧分層的角度，對協(xié)議棧的實現(xiàn)機制進行研究，完成協(xié)議棧的總體設(shè)計，使MAC層在數(shù)據(jù)服務(wù)上支持直接傳輸與間接傳輸。

（3）通信協(xié)議網(wǎng)關(guān)的設(shè)計。完成了網(wǎng)關(guān)設(shè)計，使得通信平臺可以自由在局域網(wǎng)和電力通信網(wǎng)之間進行數(shù)據(jù)傳輸。克服了不同網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)膯栴}。

本次研究工作設(shè)計并實現(xiàn)了基于230 MHz載波頻段的新型遠程低功耗長續(xù)航通信平臺的終端機以及基站的實驗樣機。實物如圖11所示。

本文是以窄帶低功耗高覆蓋無線通信網(wǎng)為技術(shù)核心，電力監(jiān)測監(jiān)控為應(yīng)用背景的電力設(shè)備通信網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。窄帶低功耗高覆蓋無線通信網(wǎng)具有無線遠距離、魯棒易部署、超低功耗等技術(shù)特征，可作為整個電力通信網(wǎng)一個特有的子網(wǎng)與其他通信網(wǎng)絡(luò)互為補充，共同構(gòu)建各種場景下全覆蓋的電力通信系統(tǒng)，支撐智能電網(wǎng)建設(shè)。

本文研究的成果既可作為一種設(shè)備終端接入現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)方法，也可作為對現(xiàn)有電力通信主干網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋到的地區(qū)的一種通信能力補充，其還可在面對突發(fā)性通信中斷（如地震等災(zāi)害發(fā)生）時作為局部區(qū)域快速恢復(fù)通信能力的臨時手段，具有較大的經(jīng)濟效益。

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