兼容电力线载波与微功率无线的测试方法与实现
est Method and Implementation of Compatible Powerline Carrier Module and Micro Power Wireless Module
1.国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室（北京智芯微电子科技有限公司）,北京 100192
2.北京智芯微电子科技有限公司,北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心,北京 100192
摘要
电力线载波与微功率无线是电力采集系统本地通信模块应用最广泛的2种通信技术,性能测试、协议测试及组网抄表测试是本地通信模块在测试验证阶段最重要的测试环节。2种不同通信技术的通信模块,在后期测试验证时需要搭建2种不同的测试环境,为后期的测试带来不便。文章详细论述了一种兼容2种通信技术的应用测试方法,着重介绍了各个组成单元的功能。该测试方法不但可以减少测试人员的时间投入,而且有助于改善本地通信模块的稳定性,对建设坚强智能电网具有重要意义。
关键词 : 智能电网; 微功率无线; 电力线载波; 测试;
DOI：10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2018.03.011
ABSTRACT
Powerline carrier and micro power wireless are the two most widely used communication technologies in the local communication module of power acquisition system, Performance testing, protocol testing and network meter reading test are the most important test links of the local communication module in the test and verification phase. For the communication module of two different communication technologies, different test environments need to be built, which will bring inconvenience to later test. In this paper, an application test method compatible with two communication technologies is discussed in detail, and the functions of each component unit are emphasized. The test method can not only reduce the time use of testers, but also help to improve the stability of local communication module, which is of great significance to the construction of strong smart grid.
KEY WORDS : smart grid; powerline carrier; micro power wireless; test;
著录格式：杨鹏飞, 张哲, 王凯成, 等.兼容电力线载波与微功率无线的测试方法与实现[J]. 电力信息与通信技术, 2018, 16(3): 69-73.
0 引言
电力系统本地通信网络目前采用有线和无线
2种建设模式,有线主要采用电力线载波通信组网方式,无线主要采用微功率无线通信组网方式,这2种通信组网方式具有投资小、架设简单、安全性高等优点[1-3],这2种技术的通信模块在电力行业得到广泛应用。
为使2种通信模块更加成熟,并逐步走向商业化,对其进行功能测试、性能测试、组网测试等成为一个必不可少的环节。由于2种通信模块的通信介质、协议指令均不相同,在测试过程中需要搭建2套不同的测试环境,为后期测试环境的搭建带来诸多不便,因此开发一种能够兼容2种本地通信模块的测试方法十分必要。
本文介绍了一种兼容电力线载波通信模块和微功率无线通信模块的应用测试系统,此系统不仅能够检测模块的通信性能,验证模块的协议一致性,也能够模拟真实用电环境对模块的组网性能与抄表成功率进行测试,并生成相应的测试报告。此测试系统具有快速、准确、操作简单等优点,为本地通信模块的性能验证和协议验证提供可靠的平台支持,对建设坚强智能电网具有重要意义。
1 测试系统功能结构
应用测试系统是根据现场实际应用场景,仿真用电信息采集领域使用到的智能电表、集中器、采集器、通信模块等设备的工作方式,模拟集抄采集本地通信的信道环境,为被测通信模块开展全功能的应用级测试验证而搭建的模拟测试验证环境。应用测试系统结构如
图1 应用测试系统结构Fig.1 Application test system architecture
该系统是一种软件与硬件结合的测试系统,软件主要由PC端控制软件和嵌入式软件2个部分组成。其中PC端软件通过以太网与嵌入式软件相连,嵌入式软件主要包括模拟电表软件、模拟集中器软件和侦听单元软件,用以完善整个用电采集系统。PC端软件主要提供人机交互、参数设置、数据监控、测试脚本运行处理等功能。人机交互子系统为用户操作测试系统提供可视化平台,简化测试系统的操作,并控制整个测试系统的运行;参数设置子系统可配置模拟集中器和模拟电表中的地址、电量等参数,且能够控制信道组件的衰减值从而改变网络结构;数据监控子系统监视测试过程中交互的数据,对整个测试流程进行实时跟踪;数据处理子系统将监控子系统及模拟集中器上传的数据进行协议转换和解析,分析运行状态,输出测试结果。
该系统硬件部分设计理念是利用屏蔽箱为被测通信模块提供一个隔绝外部干扰的纯净测试环境,在屏蔽箱内将被测模块的信号通过天线或耦合器耦合至射频线路中,被测信号在屏蔽箱外均通过射频线传输,实现信号的可控衰减、噪声注入、信道测试等工作。屏蔽箱上留出交流电接口,可将箱内交流电引出箱外,将屏蔽箱外的负载、阻抗变换设备与通信用的电力线相接,实现电力线信道模拟[4-6]。
2 硬件部分设计与实现
2.1 总体结构设计
应用测试系统的硬件架构主要由主控单元、屏蔽单元、信道控制单元、噪声模拟单元和供电单元组成（见
图2 应用测试系统硬件架构Fig.2 Application test system hardware architecture
其中主控单元即为计算机PC,负责整个系统的控制运行;屏蔽单元构成了应用测试系统的框架,对被测模块实现通信信道隔离;信道控制单元主要功能是模拟用电信息采集信道的拓扑结构;噪声模拟单元主要模拟实际应用场景中的噪声干扰并对其进行频谱监测;供电单元负责对应用测试系统进行供电和内外部工频纹波隔离。
2.2 屏蔽单元
屏蔽性能的主要问题为电力线中的2~12 MHz的OFDM调制信号和无线中的470~510 MHz的GFSK调制信号的屏蔽。为保证各种测试条件均是人为可控的,屏蔽单元需要为应用测试系统在测试通信模块时提供一个无干扰的环境。屏蔽单元在30 MHz~1 GHz频段屏蔽能力大于70 dB, 且在交流电接口对2 MHz以上信号做隔离处理,隔离度大于75 dB,排除模块在测试中出现的各类复杂干扰对测试结果的影响,保证测试结果准确可靠。
2.3 信道控制单元
信道控制单元主要由衰减器和射频连接件两大部分组成,衰减器又分为固定衰减器和程控衰减器2种,屏蔽箱与衰减器之间通过射频连接件相连组成一个网络。在测试设备运行时,通过设置程控衰减器的衰减值改变网络拓扑结构,组成星形、链形和树形等网络拓扑,测试通信模块在不同组网拓扑结构下的组网成功率和数据传输能力。
2.4 噪声模拟单元
噪声模拟单元包含信号源和频谱仪2部分,信号源用来生成实际应用场景中影响载波信号及无线信号信道的干扰噪声,频谱仪检测通信线上的信噪比。测试时通过改变信号源的干扰噪声大小,验证不同信噪比下通信模块的最远通信距离、接收可靠性、接收解调性能等性能参数。
2.5 供电单元
供电单元为应用测试系统提供净化电源,以减少市电中存在高次谐波等噪声的干扰,供电单元的技术指标如下。
输出电压：三相输出,相电压220 V±1%,线电压380 V±1%;
输出频率：50 Hz±2 Hz;
输出功率：三相输出时,功率≥15 kVA;单相输出时,功率≥5 kVA;
源效应：≤±1%;
负载效应：≤±1%;
波形失真(THD)：<2%。
3 兼容问题解决方法
电力线载波通信模块和微功率无线通信模块采用不同的通信方式,在通信介质、调制方式、通信协议等多方面存在很大区别,以往的测试方法是搭建2套不同的测试系统分别测试2种通信模块[7-10]。2套测试系统采用各自独立的硬件连接结构,造成设备和场地重复浪费,为解决此问题设计一种兼容测试设备就势在必行。
解决兼容问题也分软件和硬件两大部分,软件上要将电力线载波通信和微功率无线通信的2套上位机控制软件集合起来,形成一套包含2种工作模式的软件,通过切换工作模式分别对2种通信模块完成配置、控制以及下发测试例的工作。
硬件上的兼容问题主要在噪声和信号传输等方面。在噪声方面的问题主要是2种通信模块的通信频率的差别,为了能够测试2种模块的抗干扰能力,需要噪声的生成和监控同时覆盖2个频段,噪声的生成与监控由信号源和频谱仪完成,因此信号源选择输出频率范围为9 kHz~3 GHz的矢量信号源,频谱仪同样选择测量范围为9 kHz~3 GHz的频谱仪,且上述2种仪器均具备远程控制功能,可通过PC端软件对噪声生成与监控进行控制。信号传输的问题是由通信介质的不同造成,电力线载波通过低压电力线传输信号,微功率无线为470 M无线射频信号。信号传输兼容性的解决方案为不同屏蔽箱间的信号传输通道均使用射频线缆,主节点模块的电力线载波信号通过载波耦合器耦合至射频线,微功率无线信号通过射频耦合天线耦合至射频线,信号传输到另一屏蔽箱后再耦合到从节点模块[11-15]。信道传输连接示意如
图3 信道传输连接示意Fig.3 Schematic diagram of channel transmission connection
4 应用与结果验证
依据对兼容电力线载波模块和微功率无线模块的测试方法的研究,此测试系统已经应用到电力通信模块的验证工作中。
图4 系统测试报告Fig.4 System test report
5 结语
本文提出一种兼容电力线载波模块和微功率无线模块的测试方法与实现方案,首先介绍测试系统的功能结构,然后提出软件与硬件的设计理念,详细的介绍了硬件部分的组成结构与功能作用,解决了电力线载波与微功率无线的兼容性问题。作为一种电力采集通信单元的测试平台,解决了传统测试设备操作复杂、设备重复浪费、空间占用率高等问题,对国家电网公司全面建设坚强智能电网具有十分重要的意义。
(编辑:张京娜)
参考文献
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