蔡勇超，余 勇，呂華良，曹小冬

（廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局,廣東 佛山528000）

電力通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，貫穿電力系統(tǒng)發(fā)輸變配用各環(huán)節(jié)，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提[1-2]。作為電力通信網(wǎng)中的重要基礎設備，通信電源和通信光纜為通信設備提供動力和通道，是整個通信系統(tǒng)的“心臟”和“血管”[3-4]。根據(jù)《南方電網(wǎng)通信電源現(xiàn)場檢測作業(yè)指導書》和《南方電網(wǎng)電力光纜檢測作業(yè)指導書》要求，通信班組檢修人員每年在通信設備年度定檢時，需要保存蓄電池的放電曲線和通信光纜的OTDR測試曲線，以此作為判斷蓄電池和通信光纜質量優(yōu)劣的依據(jù)[5-6]，因此及時將測試數(shù)據(jù)從測試儀器導出并存儲至關重要。目前班組的做法是某個變電站定檢完成后當天用U盤將曲線手動從測試儀器中拷貝到電腦保存，導致數(shù)據(jù)更新不及時或有時忘記拷貝數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)丟失，同時增加不同計算機之間感染木馬病毒的風險[7]，而且頻繁的插拔U盤，降低U盤的使用壽命。為提高測試數(shù)據(jù)的更新及時率和減輕班組每次定檢完都要拷貝數(shù)據(jù)的工作量，設計了一種便攜式的USB數(shù)據(jù)遠程存儲和共享裝置，插入測試儀器的USB接口，利用無線通信技術，將測試儀表的測量數(shù)據(jù)文件直接發(fā)送到數(shù)據(jù)中心保存，提高數(shù)據(jù)管理的效率和質量。

1 系統(tǒng)總體設計

目前在用的蓄電池放電儀和OTDR大部分不支持網(wǎng)絡功能，若對其內部改造增加通信模塊技術難度較大，經濟性不高，因此只能從存儲介質入手，采用帶無線傳輸功能的U盤替代傳統(tǒng)U盤。如圖1所示，將網(wǎng)絡U盤插入蓄電池放電儀和OTDR的USB接口取代傳統(tǒng)的U盤，測試數(shù)據(jù)保存在網(wǎng)絡U盤后，通過Wi-Fi或4G無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，用戶通過有線或無線網(wǎng)絡即可實時訪問所需數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)設計的核心在網(wǎng)絡U盤，其具有普通U盤的數(shù)據(jù)存儲功能，又能將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至數(shù)據(jù)中心?？紤]到變電站復雜的現(xiàn)場環(huán)境，通常的低功耗無線通信技術，如藍牙、LoRa、Zigbee等在通信速率、傳輸距離、網(wǎng)絡穩(wěn)定等方面都存在不足[8]，而Wi-Fi技術成熟可靠、運用廣泛、覆蓋面廣，在有Wi-Fi無線網(wǎng)絡覆蓋的變電站是最佳選擇。對于沒有Wi-Fi網(wǎng)絡覆蓋的區(qū)域，可選擇目前應用成熟、信號穩(wěn)定的4G無線公網(wǎng)通信，可滿足絕大部分場景下的應用要求。

Wi-Fi傳輸采用IEEE 802.11b協(xié)議標準，其優(yōu)點是傳輸速率高，傳輸距離遠[9]，同時與采用IEEE 802.11協(xié)議的設備高度兼容，滿足測試數(shù)據(jù)的傳輸要求。4G傳輸采用TD-LTE技術協(xié)議，能夠靈活調整上下行通信時隙，滿足系統(tǒng)以發(fā)送數(shù)據(jù)為主的非對稱業(yè)務需求，提高通信效率[10]。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件設計主要以網(wǎng)絡U盤設計為主，在普通U盤的基礎上增加Wi-Fi和4G通信模塊，總體設計如圖2所示。MCU是系統(tǒng)的核心模塊，負責數(shù)據(jù)的存儲管理和外部通信，采用STM32H743為主CPU，最高運行主頻可達480 MHz，集成2M Flash和1M SRAM，并支持多種外擴功能，滿足測試數(shù)據(jù)高速存儲和及時轉發(fā)的要求[11]。Wi-Fi通信模塊采用聯(lián)發(fā)科MT7681芯片，具有體積小、功耗低、啟動速度快等優(yōu)點，并支持IEE 802.11b/g/n協(xié)議[12]。4G通信模塊采用芯訊通的SIM 7600CE芯片，支持多種頻段和網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，定位精度在2.5 m內，上行最大傳輸速率達50 Mbit/s[13]。數(shù)據(jù)接口電路通過USB接口連接到測試儀表設備，將測試數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲模塊，電源管理模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源供應，滿足各芯片電壓等級需求及功耗管理。

圖2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 Wi-Fi通信模塊電路設計

Wi-Fi芯片采用聯(lián)發(fā)科推出的MT7681，完美支持IEE 802.11協(xié)議，具有高度集成、超低功耗、封裝體積小等優(yōu)點，可輕松為嵌入式設備提供網(wǎng)絡服務功能，能夠滿足無線網(wǎng)絡U盤要求。同時，MT7681提供GPIO和PWM智能控制，以及UART、SPI和I2C等通信擴展接口，便于系統(tǒng)二次開發(fā)。

Wi-Fi通信模塊電路如圖3所示，MT7681發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TX和MCU接受數(shù)據(jù)引腳RX相連，MCU發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TX直接至多路復用器74LVC3157，對數(shù)據(jù)進行隔離和選擇后連接到Wi-Fi芯片的RX腳，提高通信的抗干擾能力。MCU和MT7681的復位腳通過開關K2控制，實現(xiàn)同步復位；當有數(shù)據(jù)通信時，IO4驅動發(fā)光二極管閃爍，指示通信鏈路正常。

圖3 Wi-Fi電路原理圖

2.2 4G模塊天線設計

4G通信芯片采用芯訊通公司的SIM7600CE，支持LTE-TDD/LTE-FDD等全網(wǎng)通4G網(wǎng)絡，性能穩(wěn)定、外觀小巧，可以在低功耗模式下實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，滿足系統(tǒng)對功耗管理的需求。

變電站內環(huán)境較復雜，信號衰減較大，因此系統(tǒng)的天線設計尤為關鍵。SIM7600CE共有3個天線集單元，分別是主集（MAIN_ANT）、分集（AUX_ANT）和GPS天線（GNSS_ANT）。GNSS天線可采用有源天線和無源天線，本系統(tǒng)采用有源天線設計，天線匹配電路如圖4所示。天線由主板供電，R1為限流電阻，阻值為10Ω，C1、C2、C3和L1的值根據(jù)天線進行匹配，天線調諧后通常由天線供應商提供，根據(jù)現(xiàn)場測試情況，L1為47 nH，C1、C4為33 pF，C2和C3預留給調優(yōu)，R2為0Ω，天線信號最優(yōu)。主集和分集天線采用相同的設計，R3和R4阻值推薦為0Ω，C5、C6、C7、C8預留給調優(yōu)。

圖4 4G天線設計圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 總體設計

采用Keil公司的嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境MDK5，具有界面美觀，易用性好等優(yōu)點，源文件編輯器采用UItraEdit，使用J-Link仿真器，下載和跟蹤調試都簡潔方便。軟件分為應用軟件和驅動軟件，利用ST官方提供的固件庫，減少底層驅動的開發(fā)難度，主要包括Wi-Fi和4G芯片的驅動程序。系統(tǒng)整體軟件流程如圖5所示，裝置開機后對系統(tǒng)初始化設置，完成后進入待機模式，此時系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)，當檢測到有測試數(shù)據(jù)輸入后，將數(shù)據(jù)保存在本地，若要發(fā)送數(shù)據(jù)，則通信程序被激活，根據(jù)現(xiàn)場的網(wǎng)絡環(huán)境，采用Wi-Fi或4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心保存。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 傳輸協(xié)議設計

測試設備和無線接入點采用IEE 802.11協(xié)議，無線接入點和交換機之間采用IEE 802.3協(xié)議，它們都是IEEE 802協(xié)議集。802.11定義了2種類型的設備，一種是無線站，即文章設計的無線網(wǎng)絡U盤，另一個稱為無線接入點，它的作用是提供無線和有線網(wǎng)絡之間的橋接。傳輸鏈路如圖6所示，IEE 802.11的數(shù)據(jù)鏈路層由邏輯鏈路層（logic link control，LLC）和媒體控制層（media access control，MAC）組成[14]，802.11的MAC層和802.3的MAC層非常相似，都是在一個共享媒體之上支持多個用戶共享資源，這使得無線和有線的橋接非常方便，實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的遠程無線發(fā)送和存儲。

為了傳輸數(shù)據(jù)的安全性，無線網(wǎng)絡U盤和無線接入點要經過掃描、認證、關聯(lián)3個階段才能完成通信鏈路建立。無線客戶端可通過主動掃描和被動掃描2種方式與無線接入點建立連接[15]，被動掃描是指無線客戶端通過監(jiān)聽周圍無線接入點發(fā)送的信標幀獲取無線網(wǎng)絡信息，而主動掃描則是無線客戶端在掃描網(wǎng)絡時主動發(fā)送一個探測請求幀獲取網(wǎng)絡信號，由于裝置需要隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，因此選擇主動掃描方式。為了保證無線鏈路的安全，無線接入點需要完成對無線終端的認證，認證方式有開放系統(tǒng)認證和共享密鑰認證[16]，本系統(tǒng)采用共享密鑰認證，加密方法為有線等效保密（WEP），防止非法用戶竊聽或侵入無線網(wǎng)絡。最后無線客戶端通過指定的SSID選擇變電站內的無線網(wǎng)絡，并通過無線接入點的鏈路認證后，就會立即向無線接入點發(fā)送關聯(lián)請求，關聯(lián)成功后即可開啟數(shù)據(jù)傳輸通道。

4 應用測試

將裝置和OTDR的USB存儲接口連接，選擇保存路徑為USB存儲器，此時OTDR的測試文件數(shù)據(jù)將保存在裝置中，現(xiàn)場應用測試如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡U盤應用測試圖

此時的測試文件數(shù)據(jù)保存在本地裝置上，若要發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心，則可以和現(xiàn)場移動終端建立連接，然后在終端上選擇需要發(fā)送的文件，則數(shù)據(jù)將會通過移動網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。移動終端可以對測試數(shù)據(jù)文件選擇復制、分享、發(fā)送等操作，提升數(shù)據(jù)管理的靈活性。

5 結束語

在電力物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時代，各種測試設備和應用終端都將互聯(lián)互通，針對傳統(tǒng)通信測試儀表無法連接互聯(lián)網(wǎng)，測試數(shù)據(jù)更新不及時、人工拷貝易丟失等問題，研制了一款USB網(wǎng)絡存儲裝置，可直接將測試數(shù)據(jù)發(fā)送和分享到其他用戶，應用結果表明該裝置攜帶方便，即插即用，減輕作業(yè)人員拷貝數(shù)據(jù)的負擔，提升運維作業(yè)智能化水平。

接下來將繼續(xù)擴展該裝置的應用范圍，融合各專業(yè)檢修數(shù)據(jù)，建立電力設備檢修大數(shù)據(jù)云平臺。