摘要:IoT-G(InternetofThings-Grid)230MHz是國家電網(wǎng)公司建設電力無線專網(wǎng)制定的體制標準之一。針對配用電業(yè)務終端的接入需求，基于IoT-G230MHz電力無線專網(wǎng)研發(fā)了遠程通信終端，分別開展了軟硬件設計、定時同步算法優(yōu)化，以及性能測試，并選取用電信息采集業(yè)務進行掛網(wǎng)試點驗證，結果表明該遠程通信終端的性能指標滿足測試規(guī)范的要求，能夠承載用電信息采集業(yè)務。

　　關鍵詞:電力無線專網(wǎng);遠程通信終端;用電信息采集;IoT-G

　　引言終端通信接入網(wǎng)是國家電網(wǎng)公司建設堅強智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡層重要組成部分，是電力業(yè)務終端和設備連通電網(wǎng)骨干網(wǎng)和業(yè)務主站的主要橋梁，其中，除了電信運營商公網(wǎng)和電力載波通信之外，電力無線專網(wǎng)是終端通信接入網(wǎng)的重要網(wǎng)絡之一，可打通電網(wǎng)通信“最后一公里”和有效覆蓋偏遠地區(qū)的有效手段[1-3]。目前，電力無線專網(wǎng)可使用230MHz和1800MHz兩種頻段，工業(yè)和信息化部無線電管理局授權國家電網(wǎng)公司使用230MHz頻段資源后，原則上不再批復1800MHz頻率資源。

　　相比1800MHz頻段，230MHz電力無線專網(wǎng)與電力業(yè)務需求緊密結合，為電力系統(tǒng)定制開發(fā)，具備廣覆蓋優(yōu)勢，能夠降低組網(wǎng)運維成本，同時具備寬帶傳輸能力。國家電網(wǎng)公司已經(jīng)制定了“IoT-G(InternetofThings-Grid)230MHz”和“LTE-G(LongTermEvolution-Grid)230MHz”兩套電力無線通信系統(tǒng)企業(yè)標準，并在多個網(wǎng)省公司開展230MHz電力無線專網(wǎng)建設和電力業(yè)務承載測試驗證，結果充分驗證了電力無線專網(wǎng)可作為配電自動化、計量自動化，以及精準負荷控制等業(yè)務的有效通信方式[4-6]。

　　國外電力通信網(wǎng)建設起步較早，澳大利亞采用WiMAX系統(tǒng)建立電力專網(wǎng)承載多種電力業(yè)務;美國采用窄帶集群疊加LTE技術建設電力安全無線專網(wǎng)，在700MHz頻段規(guī)劃建設，并可與相鄰頻段商用網(wǎng)絡漫游，作為電力無線專網(wǎng)的補充;歐洲國家也在開展LTE電力無線專網(wǎng)的頻譜分配、寬帶技術和商業(yè)模式的研究與應用[7-8]。文獻[9-10]開展了1800MHz電力無線專網(wǎng)遠程通信終端研制與測試驗證;文獻[11]設計了LTE-G230MHz無線專網(wǎng)終端芯片，并開展了終端研制應用;文獻[12]提出了一種LTE-G230電力設備透傳接入技術和通信終端研制。230MHz頻段是國家無線電管理委員會規(guī)定作為遙測、遙控和數(shù)據(jù)傳輸使用的頻段，目前主要被能源、軍隊、水利、地礦等行業(yè)使用。

　　該頻段總帶寬為12MHz，劃分為480個頻點，每個頻點帶寬為25kHz，其中有280個離散頻點共7MHz資源授權國家電網(wǎng)公司使用。IoT-G230MHz技術在網(wǎng)絡結構、空口技術等方面基本與NB-IoT(NarrowBandInternetofThings)技術一致，但由于該頻段的管理特殊性，系統(tǒng)可配置帶寬較為特殊，導致物理層幀結構與NB-IoT和LTE技術有較大差異。根據(jù)每個頻點占用25kHz，IoT-G230MHz技術基于離散頻譜設計了特殊的無線幀結構，通過離散頻譜聚合技術實現(xiàn)230MHz電力頻譜全帶寬，任意頻點載波聚合，滿足多樣的電力業(yè)務要求。

　　目前針對IoT-G230MHz電力無線專網(wǎng)的遠程通信終端研發(fā)處于起步階段，本文根據(jù)配用電業(yè)務需求，設計實現(xiàn)了IoT-G230MHz電力無線專網(wǎng)遠程通信終端，可兼容不同電力業(yè)務流程和通信接口;選取電網(wǎng)用電信息采集業(yè)務，完成了業(yè)務設備的通信接入和功能適配;通過性能測試和掛網(wǎng)試點，驗證了該終端運行的可靠性與業(yè)務承載能力。

　　1遠程通信終端設計

　　1.1硬件設計

　　根據(jù)功能劃分，遠程通信終端由數(shù)據(jù)處理單元、通信模組和電源模塊三部分組成，數(shù)據(jù)處理單元與通信模組之間通過TTL串口交互，電源模塊經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后給各部分供電。

　　(1)數(shù)據(jù)處理單元與電力業(yè)務設備和通信模組連接通信，提供RS232業(yè)務串口、RS485業(yè)務串口、業(yè)務網(wǎng)口，以及RS232調(diào)試串口等對外接口。業(yè)務串口和調(diào)試串口共用一個9針接口，使用同一個9針接口的不同引腳對外通信，以便于現(xiàn)場安裝與運維。根據(jù)標準規(guī)范中“嵌入式終端”和“外置式終端”的型式和需求不同，調(diào)整對外接口的類型與數(shù)量。內(nèi)部使用ARM處理器、嵌入式實時多任務μC/OSIII操作系統(tǒng)，以及LWIP協(xié)議棧，實現(xiàn)多任務處理機制，兼容多種電力業(yè)務設備的不同工作模式。

　　(2)通信模組采用成熟的IoT-G230MHz商用模組，具備離散窄帶聚合的無線數(shù)據(jù)通信功能。通信模組通過TTL串口與數(shù)據(jù)處理單元進行交互，提供TTL調(diào)試串口、身份識別卡(SubscriberIdentificationModule，SIM)卡座，以及230MHz無線專網(wǎng)天線等對外接口。(3)電源模塊采用直流12V輸入供電，設計正負極防接反功能，內(nèi)置電磁兼容(ElectromagneticCompatibility，EMC)防護模塊，實現(xiàn)EMC4級防護，直流12V經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊可轉(zhuǎn)換為直流5V等其他所需電壓。

　　1.2定時同步算法優(yōu)化

　　電力無線專網(wǎng)通用主同步序列產(chǎn)生方法中，需要用到序列的頻域特性，由于子帶資源的限制，每個子帶僅包含11個子載波，需要對Zadoff-Chu(ZC)序列在頻域中進行分段，并針對各分段分別做傅里葉變換得到時域數(shù)據(jù)。該方法計算復雜，造成ZC序列特性變差。本文采用將ZC序列直接映射為主同步信號的時域信號，使用接收到的時域數(shù)據(jù)與本地序列做互相關。同時，已有電力無線專網(wǎng)定時同步算法采用相關值方法，本地保存的主同步信號與接收信號進行互相關運算取最大值，根據(jù)相關值的最大值得到定時同步的位置，對于小區(qū)邊緣的終端，如果附近有較大干擾，該方法會存在誤檢的情況。

　　本文采用求相關值序列的方法，結合峰均比的計算，濾掉干擾信號，最終確定定時同步的位置，通過計算峰均比，避免了由于干擾過大導致誤同步，提高定時同步的可靠性，具體流程如下:Step1以128kHz采樣率接收數(shù)據(jù)，為了克服噪聲影響，可將多個無線幀數(shù)據(jù)進行合并，將多個無線幀相關值的絕對值進行求和取平均，這樣可以獲得更好的檢測性能，這里建議為4個無線幀。

　　Step2在時域中對數(shù)據(jù)進行自動增益控制(AutoGainControl，AGC)操作，首先將需要計算長度的數(shù)據(jù)的實部和虛部絕對值求和，其次將求和結果進行移位操作，使移位后的結果在合理范圍內(nèi)，移位的位數(shù)作為AGC的移位因子，最后根據(jù)AGC移位因子統(tǒng)一對需要進行AGC處理的數(shù)據(jù)進行移位操作，實現(xiàn)時域數(shù)據(jù)的AGC。Step3對AGC操作后的數(shù)據(jù)與3個主同步碼(PrimarySynchronizationCode，PSC)進行互相關計算，可根據(jù)ZC序列的對稱特性簡化計算量。Step4將4個無線幀中各點對應的相關值的絕對值逐幀對應相加，最后得到每個預存PSC碼對應的相關值序列。

　　Step5對相關值序列進行分段，并搜索每個分段中相關值的最大值，記錄該最大值的位置索引。Step6以每個分段相關值的最大值為中心，以分段長度取AGC操作后的數(shù)據(jù)，計算每個分段數(shù)據(jù)的峰均比，并搜索分段峰均比的最大值，該峰均比值最大值所在分段對應的相關值最大值的位置索引即為同步位置，對應的扇區(qū)ID即為小區(qū)扇區(qū)ID。

　　1.3應用軟件設計

　　終端數(shù)據(jù)處理單元運行μC/OSIII實時多任務操作系統(tǒng)，應用軟件可以根據(jù)不同電力業(yè)務需求，采用多任務模塊化設計，快速開發(fā)軟件功能[13]。針對用電信息采集業(yè)務，集中器連接遠程通信終端，通過基站及核心網(wǎng)。

　　“主控任務”與集中器交互，識別工作模式，并管理其他任務;“工作模式任務”判別集中器的工作模式，包括“國網(wǎng)模式”和“點對點協(xié)議(PointtoPointProtocol，PPP)模式”，國網(wǎng)模式根據(jù)Q/GDW 1376.3-2013標準規(guī)范可分為透明模式和非透明模式，與通信模組之間建立Socket鏈接。PPP模式則建立以太網(wǎng)上的點對點協(xié)議(Point-to-PointProtocolOverEthernet，PPPoE)服務器，與通信模組之間建立PPP撥號鏈接，執(zhí)行數(shù)據(jù)透傳模式，終端移植LWIP協(xié)議棧，提供Socket和PPP功能;“升級任務”與通信模組交互，通過空口實現(xiàn)終端固件遠程升級;“輸入/輸出任務”可控制模組啟動與重啟，以及終端狀態(tài)指示燈開閉等操作，同時模組可直接控制狀態(tài)指示燈;“看門狗任務”實時監(jiān)控各個任務的運行狀態(tài)，任何一個任務出現(xiàn)異常，則重啟終端并上報錯誤日志到主站。

　　2通信性能測試

　　通信性能測試和試點驗證地點選取國網(wǎng)湖南省電力有限公司(國網(wǎng)湖南電力)計量中心，位于湖南長沙仙姑嶺區(qū)域，該區(qū)域共有3座IoT-G230MHz基站，測試點由二號小區(qū)覆蓋，用電信息采集終端客戶直接指定計量中心實驗室。根據(jù)現(xiàn)場無線專網(wǎng)實際建設情況。

　　根據(jù)業(yè)務隔離要求，小區(qū)帶寬配置為5MHz，配電、精控，以及用采三種業(yè)務按照1∶1∶8的比例分配資源(精控業(yè)務資源池共配置頻點20×25kHz，配電業(yè)務資源池配置頻點20×25kHz，用采業(yè)務配置頻點160×25kHz)。國網(wǎng)湖南電力計量中心測試點位的參考信號接收功率(ReferenceSignalReceivingPower，RSRP)為-75～-60dBm，信干噪比(Signal-toInterferenceplusNoiseRatio，SINR)為12～25dB，測試區(qū)域無線環(huán)境良好，8載波終端在此環(huán)境下的上行理論峰值速率可達229kb/s，下行理論峰值速率可達139kb/s。通信性能測試結果，滿足《230MHz離散多載波電力無線通信系統(tǒng)第4部分:IoT-G230MHz技術規(guī)范》的要求[14-15]。

　　3終端試點驗證

　　基于通信性能測試的網(wǎng)絡環(huán)境，開展終端對用電信息采集業(yè)務的規(guī)約功能和適配性測試，主要包括基本功能、一次抄收成功率、遙控正確率和數(shù)據(jù)召測響應時間測試。試點使用國網(wǎng)湖南電力計量中心的WT-F100用電信息采集系統(tǒng)，搭建二跳采集系統(tǒng)，集中器下掛6塊單向費控智能電表、2塊三相四線費控智能電表。

　　電力業(yè)務設備和遠程通信終端均位于計量中心實驗室，兩者通過以太網(wǎng)口連接。遠程通信終端插入SIM卡，上電開機進入空閑狀態(tài)，正確配置通信終端和230MHz無線專網(wǎng)系統(tǒng)側的相關參數(shù)，完成網(wǎng)絡承載激活過程，并成功接入 用電信息采集業(yè)務主站。試點過程中遠程通信終端通信穩(wěn)定可靠，無掉線中斷現(xiàn)象;業(yè)務主站數(shù)據(jù)抄收與遙控均無異常，上線運行效果良好;遠程通信終端能夠有效適應現(xiàn)場環(huán)境，滿足《230MHz離散多載波電力無線通信系統(tǒng)第4部分:IoT-G230MHz技術規(guī)范》的要求。

　　電力論文范例： 電力企業(yè)現(xiàn)場管理及實踐研究

　　4結束語

　　本文基于230MHz電力無線專網(wǎng)，開展了IoT-G230MHz電力無線專網(wǎng)遠程通信終端的設計與實現(xiàn)，在軟硬件設計與算法優(yōu)化的基礎上研制了嵌入式和外置式遠程通信終端，針對用電信息采集業(yè)務測試了終端通信性能，并完成了電力業(yè)務掛網(wǎng)試點驗證。測試和試點結果表明，本文設計的遠程通信終端滿足230MHz電力無線專網(wǎng)的通信需求，能夠承載用電信息采集業(yè)務。后續(xù)將繼續(xù)開展其他性能指標的測試，以及配電自動化的業(yè)務規(guī)約和功能適配性測試，驗證遠程通信終端在各類電力業(yè)務的承載能力。

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　　作者：王興濤，趙訓威，孫孝波，付海旋，李金安