電力計量自動化現場無線通信檢測裝置設計

張建強 劉江田 閆峰 常剛 牛倩楠

（國網山西省電力公司沁水縣供電公司，山西 晉城 048200）

隨著社會經濟與科技的不斷發展，電力計量中自動化技術的應用范圍也越來越廣，雖然目前我國在電力計量自動化建設方面已經取得了一些成就，但仍然存在不少問題，這就要求相關人員必須進一步明確電力計量自動化設計的目標和要求，在建設方案上予以改進和優化。

一、電力計量自動化的建設目標和思想

（一）建設目標

一是電力計量自動化建設能深化數據應用，推進其實用化進程。具體而言，利用系統的實時通信和信息采集能力為客戶提供用電信息的支持；通過提出公變數據應用計劃，在分析公變采集數據和設備異常狀況的基礎上，進一步提高供電質量，進而為配網的改進建設提供科學的依據；在采集公變臺區關口電量的基礎上，能有效完成對臺變線損的分析和計算，進而為線損分析提供相應的數據，進一步提升線損整體指標的可控性。二是通過電力計量自動化建設，可大大減少供電企業的運行管理成本，彌補人工抄表方式的缺陷，有效減少在人工抄表上的人力資源消耗，同時，還能避免因人工操作失誤而帶來的誤差，促進工作效率和質量的提升。

（二）設計思想

現階段，電力計量自動化系統的建設一般采用的是分層次結構，主要包括4個層次，即智能電度表、計算機、集中器以及管理中心。其中，智能電度表負責采集的模塊大多為機械式電度表中所添加的智能計數模塊，它的主要功能是實現計數的存儲和通訊，能起到節約能耗和成本的作用。電力用戶用電采集系統主要由職能維護管理模塊、支撐保障模塊以及信息采集模塊組成。在實際設計中，要求按照各模塊的特征對班組生產體系進行協調重整，確保所有程序之間的有效銜接、人員的明確分工以及各流程的相互配合，并將重點放在數據應用的共享上。

二、硬件設計

（一）無線射頻接收單元

無線射頻接收單元的核心是射頻收發芯片ADF7020-1，芯片共有11個可編程寄存器，內部集成了功率放大器、低噪聲放大器、壓控振蕩器、小數分頻器、混頻器、中頻放大器、調制解調電路和自動增益控制電路等其它無線通信需要的模塊。根據微功率無線通信性能檢測裝置總體設計要求，通過設計外圍控制電路對芯片進行配置，配置項目包括：接收模式、工作頻段、工作信道、調制解調方式、傳輸速率、接收靈敏度、輸出功率等。其中工作信道的選擇很重要，通信信道定義在471-486 MHz/491-506 MHz頻段，每個頻段有33個信道組，每個信道組有兩個信道。

（二）報文分析單元

微功率無線通信性能檢測裝置主要應用于智能電網集抄系統工作現場的無線通信性能檢測，要求報文分析單元的主控芯片應具有良好的用戶開發環境、較強的處理能力、豐富的片內資源和外設資源、較大的存儲容量和較低的功耗等特點。根據系統設計的需要，主控制板采用了半導體STM32的STM32F103ZET6作為系統的主控芯片。該芯片的工作頻率可以達到72 M，內置512 K閃存和64 K的SRAM具有豐富的端口和片內外設，能夠滿足本設計的低功耗應用要求。為實現數據存儲，參數保存和固件升級等功能，在片上FLASH容量為512 k B的基礎上，本模塊又通過SPI接口擴展了一個16 M字節的存儲芯片M25PE16-VMW6TP。

三、軟件設計

（一）檢測指標

微功率無線通信的優勢在于：網絡狀況穩定、通信可靠性高、速率快且不用布線。然而在實際應用中，微功率無線通信的劣勢在于：在同頻干擾情況下通信效果差、射頻性能指標超限、協議一致性不高等。因此，需要對微功率無線通信設備之間的通信狀況進行檢測，驗證不同微功率無線通信設備之間是否具有良好的互聯互通性，確保微功率無線通信設備之間能組織起更高效、更可靠的網絡。本文所設計的微功率無線通信性能檢測裝置主要應用于協議一致性測試和互聯互通性測試。協議一致性測試用來驗證空中報文的格式和內容與協議標準是否吻合；互聯互通性測試用來驗證在實際環境中，以相同無線通信協議為基礎設計的不同微功率無線通信模塊之間是否能夠正常通信。

（二）檢測方法

在協議一致性的測試過程中，要對空中報文的物理層、MAC層、網絡層以及應用層進行解讀和校驗。其中每一層都有多種類型的報文內容需要解析測試。以“數據轉發”報文為例，在物理層就定義了數據的白化處理。通過白化處理可使數據在無線傳輸過程中，保持0和1的數量大致相等，且隨機分布，使載波頻率更容易被穩定的鎖相，呈現比較好的運行效果。但我們傳送的數據往往不符合這種特征，有時會含有較多的0或者1。因此我們使用偽隨機編碼對原始數據進行白化。數據白化的編碼操作方法是：將待發送的用戶數據與一組偽隨機數按位做“異或”運算。數據白化譯碼的操作方法是：在接收方也使用相同的偽隨機編碼進行相同的“異或”運算，即可還原出原始數據。數據白化編碼不會增加數據量。

總結：本文以微功率無線通信技術在自動化抄表應用過程中的諸多通信問題為基礎，根據微功率無線通信所依照的無線協議，確定了檢測指標和測試方案，設計了基于STM32的計量自動化現場通信性能檢測裝置。本裝置采用模塊化設計，可滿足基于微功率無線通信的用電信息采集系統通信單元的互換互通需求測試。