0 引言

    國家電網(wǎng)公司正全面推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)用是其核心任務(wù)，其中，在網(wǎng)絡(luò)層重點(diǎn)推進(jìn)電力無線專網(wǎng)和終端通信建設(shè)，增強(qiáng)帶寬，實(shí)現(xiàn)深度全覆蓋，滿足新興業(yè)務(wù)發(fā)展需求。國家電網(wǎng)公司已獲得工信部無線電管理委員會(huì)223.025～235.000 MHz頻段280個(gè)離散頻點(diǎn)共7 MHz的授權(quán)，在12個(gè)省31個(gè)地市覆蓋1.4萬平方公里范圍內(nèi)接入終端20萬套，接入配電自動(dòng)化“三遙”、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等重要業(yè)務(wù)，有效解決光纖敷設(shè)難度大和成本高區(qū)域的業(yè)務(wù)接入問題，滿足多樣化、泛在化、智能化、規(guī)?；娋W(wǎng)末端設(shè)備的接入需求，全面支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和公司發(fā)展^[1]。

    電力無線專網(wǎng)可采用230 MHz和1 800 MHz兩種技術(shù)體制，工信部無管局授權(quán)國家電網(wǎng)公司使用230 MHz頻段資源后，原則上不再批復(fù)1 800 MHz頻率資源，同時(shí)經(jīng)掛網(wǎng)測(cè)試，230 MHz技術(shù)體制能夠滿足電力控制業(yè)務(wù)需求，建網(wǎng)成本較低。目前，230 MHz技術(shù)體制有“LTE-G 230 MHz”和“IoT-G 230 MHz”兩套電力無線專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，LTE-G 230 MHz系統(tǒng)產(chǎn)品已通過試點(diǎn)驗(yàn)證，IoT-G 230 MHz的基站和核心網(wǎng)產(chǎn)品已完成認(rèn)證與實(shí)際部署，業(yè)界首款I(lǐng)oT-G 230商用終端模組eM600也于2019年3月發(fā)布，230 MHz電力無線專網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)已初步形成，實(shí)現(xiàn)全系列、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備規(guī)模化供貨^[2]。

    電力無線專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端廣泛應(yīng)用在電力輸電、變電、配電、用電等業(yè)務(wù)中，實(shí)現(xiàn)了電力終端設(shè)備的通信接入功能。本文基于嵌入式系統(tǒng)研制了LTE-G 230電力無線專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端，兼容不同業(yè)務(wù)流程和通信接口，通過終端性能測(cè)試和業(yè)務(wù)接入測(cè)試，驗(yàn)證了終端運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性^[3]。

1 LTE-G 230 MHz通信系統(tǒng)概述

    LTE-G 230 MHz電力無線通信系統(tǒng)是利用TD-LTE先進(jìn)無線通信技術(shù)，結(jié)合電力業(yè)務(wù)開發(fā)的專用無線寬帶通信系統(tǒng)，具備電力業(yè)務(wù)所需的廣覆蓋、大容量、高可靠、安全性強(qiáng)、靈活易擴(kuò)展等特性，可廣泛應(yīng)用于用電信息采集、配電自動(dòng)化、輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分布式能源、現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控、電動(dòng)汽車充電站/樁等業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)主要由230遠(yuǎn)程通信終端(230終端)、基站、核心網(wǎng)以及網(wǎng)管構(gòu)成，如圖1所示^[4-6]。

    (1)230終端：230終端上行與基站通信，下行與電力設(shè)備通信，主要接口包括串口、以太網(wǎng)口、IO口等，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集與傳輸，以及控制信息下發(fā)等，分為外置式終端、嵌入式終端和移動(dòng)終端。

    (2)基站：通過空中接口與230終端通信，負(fù)責(zé)資源調(diào)度和接入控制等，可分為宏覆蓋基站、中等覆蓋基站和本地覆蓋基站。

    (3)核心網(wǎng)：介于業(yè)務(wù)平臺(tái)和無線接入網(wǎng)絡(luò)之間，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，接入網(wǎng)絡(luò)控制管理等功能。

    (4)網(wǎng)管：主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)元配置管理和運(yùn)維。

2 遠(yuǎn)程通信終端設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

    遠(yuǎn)程通信終端采用模塊化設(shè)計(jì)思想，按照功能可劃分為ARM主控單元和LTE-G 230通信模組兩部分，兩者通過串口協(xié)議通信，軟硬件都相互獨(dú)立，如圖2所示。ARM主控單元一方面提供對(duì)外接口，包括串口、網(wǎng)口等，與電力設(shè)備通信，可根據(jù)“嵌入式終端”和“外置式終端”的型式不同，改變對(duì)外接口數(shù)量和型式，另一方面通過串口與通信模組進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制交互；通信模組上行通過空口與基站實(shí)現(xiàn)無線通信鏈路的建立與維護(hù)，下行通過串口與ARM主控單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

    ARM主控單元采用國產(chǎn)嵌入式ARM芯片GD32F450，該芯片是基于ARM Cortex-M4處理器的32位通用微控制器，運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)μC/OS III操作系統(tǒng)，使得程序設(shè)計(jì)可以分為不同實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)通信終端的多任務(wù)處理機(jī)制，并支持LWIP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議解析。LTE-G 230通信模組采用自研“國網(wǎng)芯”SGC3103，該芯片是國內(nèi)首款針對(duì)230 MHz頻段研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片，主要由DSP、內(nèi)部eDRAM、Cache、外設(shè)、中頻處理單元組成，實(shí)現(xiàn)物理層、業(yè)務(wù)面、控制面軟件；射頻部分主要完成上行方向基帶信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波、上變頻、功率放大等功能，下行方向空口射頻信號(hào)的低噪聲放大、下變頻、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等^[7-8]。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

    LTE-G 230遠(yuǎn)程通信終端硬件主要包括主控單元、通信模組、電源單元以及外圍接口單元，如圖3所示。

    (1)主控單元：采用ARM芯片GD32F450，內(nèi)置1 MB容量Flash、256 KB容量SRAM、4個(gè)TTL電平串口、1個(gè)RMII網(wǎng)口。其中串口1與通信模組調(diào)試串口通信、串口8與通信模組業(yè)務(wù)串口通信、串口4為遠(yuǎn)程通信終端調(diào)試口、串口7與電力設(shè)備通信，為了方便運(yùn)維和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，串口4和串口7連接同一個(gè)串口DB9接口的不同引腳，共用一個(gè)DB9。

    (2)通信模組：采用自主研發(fā)的“國網(wǎng)芯”SGC3103，國網(wǎng)芯集成了DSP處理器、基帶處理單元、中頻處理單元，通信模組內(nèi)置Flash、射頻處理單元、2個(gè)TTL電平串口。其中串口1與主控單元的調(diào)試串口1通信、串口2與主控單元的業(yè)務(wù)串口8通信。

    (3)電源單元：電源輸入采用DC 12 V供電，具有正負(fù)極防接反功能；內(nèi)置EMC防護(hù)模塊，防護(hù)等級(jí)EMC4級(jí)；電源轉(zhuǎn)換模塊將DC 12 V按需轉(zhuǎn)換為DC 5 V和DC 3.3 V。

    (4)外圍接口單元：外圍接口包括①電力業(yè)務(wù)串口RS232，對(duì)于外置式終端，通過芯片MAX3232與主控單元串口7連接，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，對(duì)于嵌入式終端，直接與主控單元串口7連接，如圖3中虛線所示；②調(diào)試串口RS232，通過芯片MAX3232與主控單元串口4連接，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換；③電力業(yè)務(wù)網(wǎng)口，通過PHY芯片LAN8720Ai與主控單元RMII網(wǎng)口連接；④JTAG調(diào)試口，與主控單元連接，實(shí)現(xiàn)ARM在線程序調(diào)試與燒寫功能；⑤LED指示，提供終端狀態(tài)指示燈功能，便于觀察串口和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，以及通信模組網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)等；⑥LTE天線，采用50 Ω微同軸射頻連接器，使用頻率范圍覆蓋DC~2 GHz。

    硬件電路采用4層PCB板，對(duì)同一模塊或芯片的多條數(shù)據(jù)信號(hào)線采取群組走線的策略，優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量，外置式和嵌入式終端硬件電路如圖4和圖5所示，根據(jù)終端使用環(huán)境要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行終端外殼工業(yè)化防護(hù)設(shè)計(jì)，外置式終端和嵌入式終端的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

    在軟件設(shè)計(jì)方面，通信終端可分為ARM主控單元和通信模組兩部分，各包括驅(qū)動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、操作系統(tǒng)層以及應(yīng)用軟件層，如圖7所示。

    驅(qū)動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層提供串口、網(wǎng)口、GPIO等硬件相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序；操作系統(tǒng)層主要完成多任務(wù)調(diào)度管理、中斷管理以及內(nèi)存管理等功能，ARM主控單元采用μC/OS III操作系統(tǒng)，通信模組采用Nucleus操作系統(tǒng)；應(yīng)用軟件層采用多任務(wù)模塊化設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)識(shí)別與控制、AT指令解析、數(shù)據(jù)處理以及I/O口管理等功能，同時(shí)具備遠(yuǎn)程升級(jí)和看門狗等運(yùn)維功能。

    模塊化設(shè)計(jì)可以針對(duì)數(shù)據(jù)采集類、遠(yuǎn)端控制類、移動(dòng)接入類、視頻類等電力業(yè)務(wù)差異化需求，靈活重定義應(yīng)用層功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信終端的“容器化”和快速開發(fā)，以用電信息采集業(yè)務(wù)為例，其軟件功能設(shè)計(jì)如圖8所示。業(yè)務(wù)控制任務(wù)與集中器通信，并管理其他任務(wù)，包括AT指令解析任務(wù)、I/O管理任務(wù)、遠(yuǎn)程升級(jí)任務(wù)等；AT指令解析任務(wù)判別集中器的工作模式，PPP模式執(zhí)行PPP協(xié)議與通信模組交互，國網(wǎng)模式經(jīng)TCP/IP協(xié)議后，通過虛擬網(wǎng)卡與通信模組交互；I/O管理任務(wù)與通信模組直接交互數(shù)據(jù)，經(jīng)業(yè)務(wù)控制任務(wù)后與集中器交互數(shù)據(jù)，并控制指示燈；遠(yuǎn)程升級(jí)任務(wù)經(jīng)通信模組空口接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后升級(jí)ARM主控單元固件，而通信模組的升級(jí)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過TCP/IP協(xié)議棧解析后返回給通信模組，實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)；看門狗實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)子任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，任何一個(gè)任務(wù)出現(xiàn)錯(cuò)誤都會(huì)重啟終端并上報(bào)錯(cuò)誤信息。

3 終端電氣性能測(cè)試

    根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)230 MHz電力無線通信系統(tǒng)測(cè)試規(guī)范的要求和方法，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信終端的電氣性能測(cè)試，主要測(cè)試內(nèi)容和結(jié)果如表1所示，該終端的電氣性能可滿足規(guī)范要求。

4 終端業(yè)務(wù)接入測(cè)試

    以用電信息采集業(yè)務(wù)為例，對(duì)本文設(shè)計(jì)的嵌入式遠(yuǎn)程通信終端進(jìn)行用采業(yè)務(wù)的規(guī)約功能和適配性測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖9所示。

    測(cè)試一次抄收和遙控正確率，步驟如下：

    (1)將嵌入式終端安裝在集中器內(nèi)，二者通過TTL串口通信，電腦端運(yùn)行用電信息采模擬主站，與核心網(wǎng)連通；

    (2)集中器開機(jī)，啟動(dòng)遠(yuǎn)程通信終端，正確配置通信終端和系統(tǒng)側(cè)的相關(guān)參數(shù)，完成無線通信連接建立過程；

    (3)模擬主站發(fā)出數(shù)據(jù)召測(cè)命令，記錄數(shù)據(jù)采集命令下發(fā)是否正常，數(shù)據(jù)上報(bào)是否正常，如圖10所示；

    (4)主站發(fā)出控制命令，記錄控制命令下發(fā)是否正常，控制操作是否生效；

    (5)分別重復(fù)步驟(3)和步驟(4)50次，統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果。

    測(cè)試過程中無掉線中斷現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果為一次抄收成功率100%，遙控正確率100%。

5 結(jié)論

    本文針對(duì)230 MHz電力無線專網(wǎng)，基于嵌入式系統(tǒng)研發(fā)了電力無線專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端。首先，概述了230 MHz電力無線專網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)電力業(yè)務(wù)需求，介紹了LTE-G 230 MHz通信系統(tǒng)的構(gòu)成和通信終端在系統(tǒng)中的作用；然后，在總體架構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，分別從硬件和軟件介紹了遠(yuǎn)程通信終端的設(shè)計(jì)與功能開發(fā)；最后，開展了終端電氣性能測(cè)試和用采業(yè)務(wù)功能測(cè)試。經(jīng)測(cè)試表明，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程通信終端可滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的性能指標(biāo)要求，滿足電力無線專網(wǎng)的通信需求，通過了用采業(yè)務(wù)功能性測(cè)試。后續(xù)工作將繼續(xù)開展其他性能指標(biāo)的測(cè)試，以及配電業(yè)務(wù)的規(guī)約和適配性功能測(cè)試，驗(yàn)證遠(yuǎn)程通信終端在各類電力業(yè)務(wù)的承載能力。

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作者信息:

王興濤，趙訓(xùn)威，付海旋，李金安，丁高泉，吳  慶，李溫靜

(國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京102211)