周友富+陳謙+張玉鴻

摘 要：針對(duì)“智能電網(wǎng)”建設(shè)中一線設(shè)備及后期維護(hù)過(guò)程中與操作平臺(tái)間信息的無(wú)縫鏈接和實(shí)時(shí)傳輸要求，本項(xiàng)目研究了一種基于230 M載頻的新型遠(yuǎn)程低功耗通信平臺(tái)，平臺(tái)滿足設(shè)備信息入網(wǎng)的需求。通過(guò)樣機(jī)測(cè)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(yuǎn)的特點(diǎn)，又因?yàn)槭褂脭U(kuò)頻技術(shù)以及時(shí)分復(fù)用技術(shù)，可使平臺(tái)呈現(xiàn)出低功耗特性。

關(guān)鍵詞：230 M載波；遠(yuǎn)程傳輸；智能電網(wǎng)；低功耗

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)化系統(tǒng)被人們合稱為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的三大支柱。它們是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)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(jì)運(yùn)行的重要手段，同時(shí)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(chǎng)化運(yùn)作的要求，考慮到社會(huì)發(fā)展和通信技術(shù)發(fā)展對(duì)電力通信網(wǎng)的推動(dòng)作用，針對(duì)現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)在體系完備、功能擴(kuò)充方面的研究工作已逐漸開(kāi)展，以期進(jìn)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(huì)。隨著“能源互聯(lián)網(wǎng)”和“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”建設(shè)的提出與深入開(kāi)展，電力通信網(wǎng)所承擔(dān)的任務(wù)開(kāi)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(shí)期下如何滿足“人機(jī)智能交互時(shí)代”中電力系統(tǒng)運(yùn)行所需的海量信息傳輸，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)的“人+設(shè)備”的無(wú)縫聯(lián)通，成為了現(xiàn)有電力通信網(wǎng)面對(duì)的主要問(wèn)題和下一階段技術(shù)升級(jí)的主要方向。

本通信平臺(tái)的信道為230 MHz專用頻段[3]，可分為15個(gè)全雙工通信頻點(diǎn)。負(fù)荷管理信道實(shí)時(shí)任務(wù)比較少，且同頻干擾小，可與原系統(tǒng)共用頻點(diǎn)，分享部分通信設(shè)備，節(jié)約資金，同時(shí)增加采集準(zhǔn)確性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對(duì)電力系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)位置分散覆蓋范圍廣，終端發(fā)射業(yè)務(wù)量少的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)接入層采用星形拓?fù)鋄4]結(jié)構(gòu)。組網(wǎng)拓?fù)浣Y(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?fù)渚哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：

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

（2）單個(gè)連接點(diǎn)的故障只影響一個(gè)設(shè)備，不會(huì)影響全網(wǎng)，容易檢測(cè)和隔離故障，便于維護(hù)；

（3）任何一個(gè)連接只涉及中央結(jié)點(diǎn)和一個(gè)站點(diǎn)，因此控制介質(zhì)訪問(wèn)的方法非常簡(jiǎn)單，因而訪問(wèn)協(xié)議也十分簡(jiǎn)單[5]。

相比于其他網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)層級(jí)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(dá)到廣覆蓋的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)物理層設(shè)計(jì)則有更高的要求，簡(jiǎn)單的講，需要兩點(diǎn)之間更遠(yuǎn)的無(wú)線傳輸距離，同時(shí)還要保持終端側(cè)的極低功耗水平。

1.2 通信平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的新型遠(yuǎn)程低功耗無(wú)線通信平臺(tái)主要由兩部分組成，遠(yuǎn)程通信終端為可與主干網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的無(wú)線電臺(tái)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(cè)的業(yè)務(wù)信息能夠穩(wěn)定、可靠、及時(shí)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(shí)，應(yīng)具備根據(jù)領(lǐng)域不同進(jìn)行功能定制的能力，但無(wú)論應(yīng)用于哪一領(lǐng)域，考慮到現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單、安裝便利的特點(diǎn)。因此，對(duì)無(wú)線通信平臺(tái)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮終端的功能定制與擴(kuò)展以對(duì)各業(yè)務(wù)領(lǐng)域更好的支持與支撐，同時(shí)便于安裝與后期維護(hù)。

遠(yuǎn)程通信平臺(tái)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(yuǎn)程通信平臺(tái)的無(wú)線通信基站電臺(tái)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(fù)責(zé)對(duì)通信平臺(tái)的控制管理，數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換。主控制器必須支持多進(jìn)程操作系統(tǒng)以滿足通信平臺(tái)同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)的需要。數(shù)據(jù)處理主要是指由通信平臺(tái)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(tái)所發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)控制數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)的處理過(guò)程伴隨著大量數(shù)據(jù)的解析、存儲(chǔ)、幀格式轉(zhuǎn)換等操作。以上功能的正常運(yùn)行對(duì)整個(gè)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(yùn)行。

平臺(tái)設(shè)計(jì)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(bào)文發(fā)送到遠(yuǎn)端；

（2）當(dāng)無(wú)可用連接且收到數(shù)據(jù)時(shí)，可向默認(rèn)的IP地址和端口發(fā)起主動(dòng)TCP連接；

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

2 通信平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

230 MHz無(wú)線頻段作為電力系統(tǒng)專用的無(wú)線頻率資源，屬于超短波無(wú)線通信。通信平臺(tái)由接收機(jī)與發(fā)射機(jī)組成。接收機(jī)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(hào)，然后下變頻到所需的IF信號(hào)，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(jī)把調(diào)制器調(diào)制后的IF信號(hào)上變頻到RF信號(hào)，再通過(guò)一系列處理，使其能達(dá)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(jì)，主要針對(duì)230 MHz頻段開(kāi)發(fā)適用的射頻接收機(jī)。其硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.1 平臺(tái)電源設(shè)計(jì)

通信平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的電源是電路的重要組成部分，本平臺(tái)電源設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電源。3.3 V電源電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

開(kāi)關(guān)電源芯片選擇RT8009，芯片的開(kāi)關(guān)頻率最高可以達(dá)到1.25 MHz。在本文平臺(tái)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(tái)的工作要求。

通信平臺(tái)的外圍電路需要5 V電源供電，我們選用的開(kāi)關(guān)電源芯片為L(zhǎng)M2731，芯片的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)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(shí)，芯片正常工作，為低電平時(shí)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(kāi)關(guān)，當(dāng)設(shè)備處于睡眠狀態(tài)時(shí)，可以關(guān)閉部分外圍電路，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約環(huán)保的目的，同時(shí)也可以延長(zhǎng)單次充電電池的工作時(shí)間。

2.2 巴倫電路設(shè)計(jì)

通信平臺(tái)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(gè)隔直電容外，本文的巴倫電路還包括兩個(gè)電感和兩個(gè)電容。平衡端輸入信號(hào)后，分別經(jīng)過(guò)低通濾波器和高通濾波器，使得信號(hào)分別產(chǎn)生正負(fù)90度的相移。因而信號(hào)從輸入端原本180度的相位差，經(jīng)巴倫電路在信號(hào)輸出端變?yōu)橄嗤辔坏男盘?hào)。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(dòng)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(jì)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(duì)應(yīng)的角頻率。

2.3 平臺(tái)射頻電路設(shè)計(jì)

本文通信平臺(tái)以SX1276作為主射頻芯片實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器的功能。SX1276使用了LoRa技術(shù)，其超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)，低功耗的優(yōu)良特性。

本文通信平臺(tái)采用擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)方案，使傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shì)，可以進(jìn)一步提高通信的可靠性。

3 MAC（媒體介入控制）層設(shè)計(jì)

本文通信MAC層的設(shè)計(jì)主要參考了EEE802.15.4[7]標(biāo)準(zhǔn)中的信標(biāo)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(diǎn)的管理和關(guān)聯(lián)、通信網(wǎng)絡(luò)中信道的掃描及節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)請(qǐng)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(jì)基于狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，MAC層管理的狀態(tài)機(jī)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(jī)共包括空狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)請(qǐng)求狀態(tài)、數(shù)據(jù)請(qǐng)求狀態(tài)及信道掃描狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)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(tái)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

本通信平臺(tái)應(yīng)用在電力網(wǎng)絡(luò)通信中時(shí)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(jì)的通信網(wǎng)關(guān)包括系統(tǒng)管理模塊、節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊間的工作，節(jié)點(diǎn)管理模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控局域網(wǎng)中各控制節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，通信網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要實(shí)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)中不存在不安全的失效節(jié)點(diǎn)，才能保證整個(gè)系統(tǒng)安全高效地運(yùn)行。三個(gè)模塊間的協(xié)同工作原理如圖10所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于230 M載頻的無(wú)線通信平臺(tái)研究。研究針對(duì)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)和通信協(xié)議設(shè)計(jì)兩個(gè)方面提出了解決方案，最終取得的成果體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）提出遠(yuǎn)距離低功耗通信平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)方案。綜合考慮本通信平臺(tái)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(tái)的天線，設(shè)計(jì)了巴倫電路和通信平臺(tái)的電源電路。從原理上論述了射頻收發(fā)機(jī)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(jì)。在設(shè)計(jì)本通信平臺(tái)協(xié)議棧時(shí)充分分析協(xié)議棧設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，從協(xié)議棧分層的角度，對(duì)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行研究，完成協(xié)議棧的總體設(shè)計(jì)，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(jì)。完成了網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，使得通信平臺(tái)可以自由在局域網(wǎng)和電力通信網(wǎng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？朔瞬煌W(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)膯?wèn)題。

本次研究工作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于230 MHz載波頻段的新型遠(yuǎn)程低功耗長(zhǎng)續(xù)航通信平臺(tái)的終端機(jī)以及基站的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)物如圖11所示。

本文是以窄帶低功耗高覆蓋無(wú)線通信網(wǎng)為技術(shù)核心，電力監(jiān)測(cè)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(wú)線通信網(wǎng)具有無(wú)線遠(yuǎn)距離、魯棒易部署、超低功耗等技術(shù)特征，可作為整個(gè)電力通信網(wǎng)一個(gè)特有的子網(wǎng)與其他通信網(wǎng)絡(luò)互為補(bǔ)充，共同構(gòu)建各種場(chǎng)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(shí)現(xiàn)方法，也可作為對(duì)現(xiàn)有電力通信主干網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋到的地區(qū)的一種通信能力補(bǔ)充，其還可在面對(duì)突發(fā)性通信中斷（如地震等災(zāi)害發(fā)生）時(shí)作為局部區(qū)域快速恢復(fù)通信能力的臨時(shí)手段，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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