電力采集設備多路無線信號合成放大器研究

魏昕喆 王磊 冉冉 張彬 董佳霖

（國網天津市電力公司城東供電分公司，天津 300000）

現有的電力抄表系統數據傳輸使用數傳電臺和移動網絡，很多的終端安裝在地下室，沒有信號覆蓋。對于上述情況將數傳電臺的天線和移動網絡的天線，經過加長的饋線延長至室外后，由于饋線的衰減嚴重，信號太弱，無法滿足無線設備的通信要求，嚴重影響數據的完整性。所以需要設計一種多路無線信號合成放大器，以保證信息的正常傳輸。

1 背景分析

隨著現代通信技術的不斷發展和國網公司建設中國特色國際領先能源互聯網企業戰略目標的提出，電網公司對設備的在線率和遠程采集成功率也有了更高的需求。為使電信息采集系統更好地運行、更高效地利用，為公司降損增效、優質服務響應能力等方面提供更好的數據及技術支撐，需要建立一套堅強、可靠的用戶數據采集系統。

然而在目前的日常工作中，隨著科技的不斷發展，當前智能采集系統的功能變得愈加強大。在這樣的情況下原有的專網通信模塊已然無法滿足人們的實際應用需求，而基于移動公網的通信模塊由于其通信速度更為優異，因此在終端采集設備中的應用范圍變得越來越廣。

2 電力采集設備常見問題和解決方法

1.目前，一些電力計量采集自動化終端安裝在地下室，其通信信號不理想。在通信信號傳輸過程中，必須確保信號能夠連續、穩定地連接到主站。而網絡系統的不穩定很容易導致信號脫線，從而影響整個采集系統。即使對信號系統進行改造，其信號網絡資源仍然有限，負控終端在主動回放過程中不能獲取相關數據，導致負控終端掉線。為了解決這一問題，運營商需要擴大信號覆蓋面積，增加更多的基站，增加信號發射功率[1]。然而，這會增加經營成本，運營商大多不會接受。

2.在電力采集設備運行中，電源是維持整個系統正常運行的保障。電源如果出現故障，自動采集的終端電流被中斷或短路等，會導致通信模塊的數據集成和傳輸過程中所需的電流嚴重不足，直接影響該數據的準確性和傳輸效率，造成終端脫機或重新啟動。而為了更好地控制終端電源，通用計量自動化終端系統將建立一個自檢程序，該自檢程序方便人們及時對設備終端進行維護。

3 設計方案

利用原有230M 信道的饋線系統使GPRS 信道及230M 信道共用230M 通信饋線，實現對230M 及GPRS收發信號的濾波、分析、放大功能，使雙信道信號能夠同時通信，并保證其長距離通信能力及抗衰減能力。

再對各種信號源進行不同測試，如信號衰減度、長距離通信、信號共通及濾波、放大過濾信號設備功耗等各類性能指標，保證各類現場環境的可實施性。其中信號通訊箱的設計主要由雙頻合路模塊、鋰電池、太陽能控制器、風能控制器、電壓轉換模塊、230M 功率放大器以及移動4G 功率放大器組成[2]。由于雙頻合路器的特性會導致信號的衰減，同時較長的饋線也會導致信號的進一步減弱，因此需要功率放大器來實現信號增強。

信號通訊箱內置12V 鋰電池為設備提供電源，外部設置光伏板、風力發電機互補，并為電池充電。功率放大器可以將上下行收到的弱信號放大后輸出，提高信號收發質量。前端的功率放大器可以實現自動信號強度檢測以及快速自動收發控制，確保信號的可靠傳輸。在沒有數據傳輸的情況下，功率放大器進入低功耗模式，只保留前端信號強度檢測部分工作，將整個通信箱的平均功耗降到最低，提高電池在極端情況下的續航能力。

4 具體實施流程

如圖1所示，此信號合成放大器包括第一放大模塊、第二放大模塊和信號合路模塊；第一放大模塊的一端與第一線纜接口相連，另一端與所述信號合路模塊中的第一過濾單元相連；第一放大模塊用于放大公網信號，第一過濾單元用于使公網信號通過；第二放大模塊的一端與第二線纜接口相連，另一端與所述信號合路模塊中的第二過濾單元相連；第二放大模塊用于放大電力專網信號，第二過濾單元用于使電力專網信號通過；第一過濾單元和第二過濾單元均與信號合路模塊中的整合分離電路相連；整合分離電路通過一根共饋線與第三線纜接口相連，整合分離電路對實際多路通訊波形進行整合耦合處理（不具備過濾信號功能）。并通過本實施方式中所述第一放大模塊和第二放大模塊均為雙向放大器，且由5V 電源供電。

圖1 信號合成放大器結構

對于信號合成放大器而言，為了保證其功能能夠滿足人們的實際使用需求，設計人員為其布置了幾個信號放大模塊。其中當信號進入信號合成放大器之后，首先普通4G 信號將會流入第一信號放大模塊。該模塊就其性質而言，屬于4G 信號功率的放大模塊。通過該模塊作用的正常發揮可以使4G 信號實現雙向信號功率放大。該模塊在使用中可以對大量信息進行實時處理，并且可以對移動、電信、聯通三大主流4G 通信運運營商的信號進行同時兼容。在實際應用中消耗的能量相對較少，可以采用低電壓直流電對其進行供電操作；而來自系統的230M 信號將流入到第2 信號放大模塊當中。為了有效保障信號放大質量，防止信號在放大后一些信息受到損失，設計人員將第2 信號放大模塊設置為230M 專用的信號功率放大模塊，該模塊在應用中由于其內部構造的特點可以實現雙向信號功率放大。在實際應用中，可以在短時間內對大量數據信息進行放大處理，并且消耗的電能非常低。因此同樣可以使用低電壓直流對其進行供電[3]。

信號放大器中的信號合成模塊中包含有信號過濾單元，通過這些過濾單元可以剔除一些無用的信息。第一過濾單元為帶通過濾器。該過濾器可以對4G 公網信號進行篩選，選擇一些具有價值的數據信息使其通過；第二過濾單元同樣是帶寬帶通濾波器。為了防止功能上的重復，設計人員為該濾波器的參數進行了調節。該濾波器可以對230M 的專網信號進行篩選，篩選一些有價值的信號使其通過。

此外，該放大器當中含信號合路模塊。該模塊中的整合分離電路選取威爾金森功率對電路進行分配，通過該模塊可以使信號進行雙向傳輸。通過以上分析不難發現，本方案中的信號合路模塊在實際應用中主要是通過一定的方式將4G 網絡信號與230M 的電力專網信號輸入到相應的模塊之后，對信息進行過濾整合。然后使用一條共同的線路對信號進行輸出，該模塊在實際使用中可以有效隔離其他無關信號且使用中對能量的消耗基本為0。

在具體工作的過程當中，首先信號經由第一放大模塊對4G 信號當中一些有用的信息進行放大。然后來自系統當中的230M 信號將通過第二放大模塊，將接收到的230M 電力信號進行有效放大。將放大后的兩路信號分別送入到第一過濾單元與第二過濾單元當中對放大后信號中存在的噪聲進行有效過濾。最終經過信號整合單元將不同信號進行有效整合，并且通過一條供饋線路對信號進行有效輸出。

圖2 為多模信號合路放大通信箱的示意圖。通過該圖不難發現，第一線纜接口為4G 天線端口；第二線纜接口為230M 天線接口。整個多模信號放大器通過5V 的直流電源進行供電操作。在實際應用中消耗的電能非常低且有很高的集成度，可以全面滿足蓄電池的持續使用。

圖2 多模信號合路放大通訊箱

在該通訊箱實際工作的過程當中，來自系統的4G信號將分別進入第一接口與第二接口進行采集。當采集工作完畢之后，將通過集成線路對接收到的兩段信號進行放大處理。數據信息放大完畢之后將分別送入到相應的過濾單元當中對信號當中存在的噪聲進行有效過濾。當噪聲過濾完畢之后，剩余的有價值信息將會通過整合模塊對信息以一定的方式方法進行整合，整合完畢之后將變為混頻信號，從一條供饋線輸出[4]。設備接收到信號指令后，發出相應230M、4G 信號，由一根饋線從共饋信號接口輸入，經第一、第二過濾單元進行過濾4G、230M，最終通過第一放大單元、第二放大單元輸出4G、230M 信號。同時，光伏25W 單晶硅太陽能板 (風力發電機)通過太陽能控制器（RS0102太陽能充電管理芯片）對電池系統進行充電工作，并控制充電電池組件為多模信號合路放大器提供5V 直流電，保證設備正常運行。

同時，通過太陽能光伏板（風力發電機），對蓄電池設備進行電源供給，保證多模信號放大器正常工作，通過4G、230M 天線接收采集系統通訊信號并由多模信號放大器進行信號過濾及放大功能后經整合電路后通過通訊共饋線接口接入采集通訊終端。也可將通訊終端不同信號進行過濾放大，保證設備通訊成功率及通訊質量。

5 效果分析

綜上多模信號放大合路器，采用模塊小型化設計，該設備使用在采集設備前端，將空中的無線信號放大后傳送至終端，滿足終端正常運行時對于信號強度的要求。同時終端上報數據的時候信號也會通過該設備放大，滿足正常的數據通訊，確保實現雙向數據可靠的收發。

此種結構簡單，便于安裝、拆卸，牢固可靠，可廣泛推廣，經濟性高，最主要的是可以在信號覆蓋不全的地區滿足設備正常使用。具有以下的優點和積極效果：將4G 網絡的公網信號和230M 電力專網信號經濾波過濾整合后，實現共用同一根共饋線輸出，將現有的機械腔體結構改變為數字電路結構，另外，放大模塊采用5V 直流供電的放大器實現，相比于現有220V 的放大模塊功耗更低。

6 結語

采用信號放大器技術可以解決終端通信系統中的信號失效問題，降低運行成本，促進企業發展。同時，便于管理人員實時控制信號，為企業提供準確的信息，保證電力系統的穩定運行。