吳棟發(fā) 孟 楊 肖艷紅 劉朝英 劉昌宏

1.都勻供電局供電服務中心 貴州 都勻 558000 2.都勻供電局生產技術部 貴州 都勻 558000

1 引言

計量自動化系統(tǒng)是以先進的網(wǎng)絡技術和數(shù)據(jù)庫應用技術為基礎，對電量、遙信、遙測等信息進行自動采集、處理、統(tǒng)計、計算、分析、存儲、報表和信息發(fā)布，形成從地區(qū)局到各分縣局、發(fā)電廠、變電站、大用戶、低壓居民用戶等多層次的電能量應用管理系統(tǒng)。當前計量自動化的遠程通信通道包括有線通道和無線通道。無線通道可以解決不便于架設有線通道區(qū)域的數(shù)據(jù)上傳問題。無線通道常用的GPRS、CDMA、3G、4G等通道，往往集中在城鎮(zhèn)中心及住戶密集地區(qū)。但是對于多山丘陵地區(qū)，常規(guī)無線通訊網(wǎng)絡難以架設、投資巨大。因此，往往存在大面積的手機信號盲區(qū)，或者只有語音正常而數(shù)據(jù)服務不正常的區(qū)域，這就造成無線通訊盲區(qū)，成為遠程無線計量的“黑區(qū)”。

北斗短報文自從2010年開始投入遠程計量以來，部分解決了偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)采集難得問題。但是由于幾年來成本高昂，以及技術效果參差不齊，北斗短報文計量并未得到廣發(fā)推廣應用。本文將重點介紹基于新一代微功耗芯片，綜合運用北斗短報文、定位，授時等功能的一種新型北斗采集技術。

但是，高昂的價格和不穩(wěn)定的集抄成功率，限制了北斗短報文遠集抄的普及應用。而隨著我國芯片行業(yè)的發(fā)展壯大，納米集成的微功耗北斗短報文芯片的出現(xiàn)，使得北斗報文設備的體積得以減小，可靠性提供并價格下降。從試用便捷和可靠性上，兼容了電網(wǎng)公司企業(yè)標準的嵌入式北斗通訊模塊，更加確保了使用安全和快捷，為廣泛使用北斗短報文解決偏遠地區(qū)的遠集抄，奠定了經濟和可靠性基礎。

2 傳統(tǒng)北斗遠集抄通訊終端與微功耗北斗計量終端的比較

北斗微功耗通訊模塊，根據(jù)AT指令集或協(xié)議棧，在電網(wǎng)公司規(guī)約標準插接下，與智能終端通訊。實現(xiàn)集中器、負控終端、配變管理終端，下行數(shù)據(jù)，所有的采集，格式轉換合規(guī)再將數(shù)據(jù)壓縮后上傳。上傳通過外置天線，實現(xiàn)低功耗無源，在一線通基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)上星。

在主站，衛(wèi)星數(shù)據(jù)回到北斗前置通信服務器，在前置通訊服務器的接收部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和轉換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解壓和重組，并對不同應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)轉接，進入到供電局系統(tǒng)的信息安全區(qū)內。這是本質上區(qū)別老式北斗計量的技術，也確保了數(shù)據(jù)采集成功率的大幅提升。

傳統(tǒng)和微功耗北斗遠程計量終端技術比對表

3 微功耗北斗短報文通訊模塊的應用特點

3.1 無縫覆蓋所有地面區(qū)域 針對沒有GPRS信號覆蓋的區(qū)域，由于架設有線線路的巨大投資而不現(xiàn)實。即使架設了無線基站的區(qū)域，由于山區(qū)峰谷交疊使信號覆蓋不均，很多區(qū)域實際上不能進行GPRS數(shù)據(jù)傳輸。而即使能夠傳輸GPRS數(shù)據(jù)的區(qū)域，由于自然環(huán)境的原因，數(shù)據(jù)通道不穩(wěn)定，GPRS信號時有時無。北斗衛(wèi)星信號可以全面無縫覆蓋地表區(qū)域，對開放天空區(qū)域實現(xiàn)無死角覆蓋。

3.2 基于GIS的資產定位功能 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的三大功能是定位、授時和短報文傳輸。應用北斗衛(wèi)星通道進行遠程計量采集，就可以實現(xiàn)設備定位功能，對電力資產管理和客戶管理具有重要意義。北斗定位安全方便，可為計量工作對象的各類終端、臺區(qū)等提供精確北斗定位，為供電所及鄉(xiāng)村計量供電服務人員提供基于手機APP的北斗計量資產定位應用，對營銷服務的快速抵達具有路徑指導作用。

圖3 北斗定位偏遠負控/專變終端

3.3 本地授時功能 計量系統(tǒng)對凍結電表時間非常關注，但是以往的授時需要主站的時鐘通過網(wǎng)絡授時。使用了嵌入式北斗通訊模塊后，可以實現(xiàn)任何一種終端的本地授時，從而以終端為本地時間源，向下行所有電表授時，提供精準的凍結時間，確保計費扣費準確。

3.4 其他信息化應用的抓手 才用了北斗時空量概念的微功耗北斗通訊模塊后，由于在主站側的服務器革新為一體化的北斗前置多功能服務器，可以為多種業(yè)務系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，成為大數(shù)據(jù)源頭。

4 微功耗嵌入式北斗計量通訊模塊的硬件創(chuàng)新

4.1 微功耗嵌入式北斗通訊模塊

圖4 嵌入式微功耗北斗通訊模塊外觀

如圖，方寸之間的南網(wǎng)標準上行通訊模塊，經采用微功耗北斗核心芯片，實現(xiàn)了復雜電路的北斗電子器件微型化，微功耗化，進而可以放進標準形態(tài)上行通訊模塊中。

硬件采用供貨商自主技術知識產權的微功耗北斗核心芯片，以及低功耗外圍電路及多重任務處理機制芯片組。該核心芯片采用了40納米低功耗技術，將所有北斗數(shù)傳、定位，授時技術集中在標準形態(tài)南網(wǎng)規(guī)約的通訊模塊中。工作電壓3.3V-5V，低電壓低功耗有效確保產品壽命。

外接天線便于針對不同安裝位置的調整和外接，可通過30米延長線確保地下室和信號死角使用北斗模塊。

圖5 嵌入式通訊模塊功能模塊及嵌入式通訊原理圖

現(xiàn)場采集設備采用嵌入式設計的標準形態(tài)通訊模塊，其嵌入式軟件處理來自于集中器串口的，基于《中國南方電網(wǎng)有限責任公司計量自動化終端上行通信規(guī)約》的數(shù)據(jù)，在協(xié)議控制層和數(shù)據(jù)鏈路層中對這些數(shù)據(jù)進行拆包、打包、壓縮、分組等算法處理，使之滿足北斗RDSS傳輸協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式。經過在我局的測試、開發(fā)，目前該形態(tài)嵌入式模塊已經能夠兼容所有主流品牌的集中器、負控，及配變管理終端，形成了扎實的設備適配基礎。

4.2 微功耗高功效一線通北斗報文天線 由于采用了嵌入式微功耗設計，北斗短報文收發(fā)天線也可以相應做到微功耗和小型化。小型化的設計，就更加便捷安裝和維護。低電壓的工作電路，更延長了設備壽命，降低了故障率，提升了可靠性。

圖6 低功耗高功效一線通北斗短報文天線

該天線采用與嵌入式模塊相同的核心芯片，確保了信號兼容性，運算放大同步性以及空天波束捕捉最優(yōu)化。

4.3 微功耗核心芯片的工作特性 微功耗核心芯片包括用于北斗導航、定位、授時的RNSS核心處理芯片以及用于北斗數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞DSS核心處理芯片組。

RNSS核心處理芯片采用40nmCMOS工藝技術，SOC設計理念，使得芯片的待機功耗可以做到15uA以下，工作功耗80mW以下；RDSS核心處理芯片組采用110nmCMOS工藝技術，使得芯片的待機功耗可以做到20uA以下，工作功耗300mW以下。產品的低功耗設計策略可以根據(jù)電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務需求，使核心處理芯片在空閑業(yè)務時處于待機狀態(tài)，從而實現(xiàn)產品的微功耗功能。

RNSS核心處理芯片能夠同時處理兩個導航衛(wèi)星體系的衛(wèi)星下行信號，可以同時處理多路衛(wèi)星導航信號的解調、解碼，這樣可以使嵌入式模塊的定位精度、授時精度更高。在芯片工作過程中，可適時調整參與導航信號解調的物理相關器數(shù)量及通道，這樣在保證定位及授時精度的同時，節(jié)約處理器資源，從而達到降低功耗的目的。

RDSS核心處理芯片組包括射頻芯片及基帶芯片，模塊工作的主要功能點在于此。射頻芯片和基帶采用同源時鐘設計，這樣可保證整個芯片組工作的同步性及一致性。射頻芯片的關鍵技術參數(shù)的設置由基帶芯片完成，關鍵參數(shù)包括收發(fā)通路鎖相環(huán)的頻率設置、高低本振特性選擇、數(shù)字基帶帶寬的設置、射頻芯片工作模式的控制等。由于北斗RDSS衛(wèi)星軌道位于地球同步衛(wèi)星軌道(36000公里以上)，傳輸距離較遠，使得信號的衰減非常大；這樣對信號的發(fā)射功率、頻率、芯片組的接收靈敏度都有著較高的要求。

RDSS芯片組的接收靈敏度直接決定了模塊對于電力數(shù)據(jù)的采集成功率。北斗RDSS擴頻技術不僅具有數(shù)據(jù)加密的基本功能，而且能夠大大的提升信號的抗干擾能力以及芯片組的接收靈敏度。RDSS收發(fā)信號的鏈路預算仍采用弗林斯傳輸公式進行預算，如下公式計算過程所示：

其中Pr表示接收功率，Pt表示發(fā)射功率，Gt表示發(fā)射天線增益，Gr表示接收天線增益，C表示電磁波空間傳播速率，R表示收發(fā)天線之間的距離，f表示信號頻率。

轉換為分貝形式，如下：

Pr|dB＝Pt|dB+Gt|dB+Gr|dB+IL|dB

其中，

IL|dB＝20logC-20log(4πRf)

表示空間損耗，對于RDSS下行鏈路信號來講，空間損耗約-190dB。假設衛(wèi)星的發(fā)射功率為100瓦，衛(wèi)星發(fā)射天線增益為17dB，天線接收增益為3dB，則到達地面的衛(wèi)星信號Pr功率約為-120dBm。在實際天空下，考慮天氣、大氣水分等對電磁波的影響，實際達到地面的微信信號會更弱一些。這樣，RDSS芯片組的接收靈敏度要求≤-120dBm；實際系統(tǒng)要求靈敏度達到-127.6dBm，以滿足系統(tǒng)能在高緯度地區(qū)也能正常使用。同理，對于RDSS上行鏈路信號來講，空間損耗約-187dB。假設地面終端設備的發(fā)射功率為5W，其他條件同上，則衛(wèi)星接收到的信號約-130dBm，考慮到北斗的擴頻通信機制，衛(wèi)星可準確接收地面終端發(fā)出的信號。

4.4 北斗多功能前置服務器 在主站端，主站北斗多功能前置服務器通過北斗多功能前置服務器接收集中器、負控終端，以及配變管理終端上傳的數(shù)據(jù)。運行在多功能前置服務器上的主站PC軟件對來自于現(xiàn)場終端的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行解析，使之還原《中國南方電網(wǎng)有限責任公司計量自動化終端上行通信規(guī)約》的數(shù)據(jù)格式后，根據(jù)計量系統(tǒng)要求，進入計量主站。同時，多功能前置服務器可以為其他需要現(xiàn)場數(shù)據(jù)的系統(tǒng)提供相應數(shù)據(jù)，成為應用數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)庫。

圖7 多功能北斗前置通訊服務器

多功能北斗前置服務器，是根據(jù)計算中心機房空間狹小，新增服務器空間不足，而集成到1U的空間內的高度集成服務器。采用標準1U設計，完美結合北斗解析和數(shù)據(jù)服務于一體，徹底顛覆了傳統(tǒng)北斗數(shù)據(jù)處理和應用服務處理的分隔，并在防火墻外完成數(shù)據(jù)格式處理，便于計量系統(tǒng)和其他系統(tǒng)抽取和應用。

5 通訊組網(wǎng)方式

針對電網(wǎng)內現(xiàn)有的電能量采集點數(shù)據(jù)傳輸需求，我們要求北斗短報文下星回到計量主站所在機房后，通過北斗多功能前置服務器，經防火墻后再進入計量主站。如圖8所示，即我部門機房采集服務器經過防火墻設備與北斗前置服務器連接。前置服務器只接與北斗衛(wèi)星通信，北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)下發(fā)到現(xiàn)場的終端上的北斗微功耗通訊模塊。模塊與集中器、負控終端、配變管理終端通過UDP或AT指令集通訊，將計量數(shù)據(jù)采集上星，或將星傳數(shù)據(jù)下載給終端。

圖8 北斗短報文系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)拓撲圖

6 現(xiàn)場實施

現(xiàn)場安裝相對傳統(tǒng)北斗設備，在實現(xiàn)兼容南網(wǎng)標準終端后，變得十分輕松。直接熱拔插北斗微功耗通訊模塊，再連線固定天線即可。安裝圖片如下：

圖3 微功耗北斗短報文模塊現(xiàn)場安裝圖

7 實際項目實施效果

到2018年5月，都勻供電局局與廣州國飛科技有限公司合作，聯(lián)合設計出兼容負控、配變管理終端，以及目前幾處計量集中器的新型微功耗通訊終端改造結束后，其在線率及采集成功率均達到97～99%，運行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸正確、完整、安全，滿足都勻供電局對負控、配變及低壓集抄的運行要求，也便于今后擴展高級應用及功能。

表1 都勻網(wǎng)區(qū)內通過北斗短報文傳輸?shù)牟杉K端改造前后對比

8 結論

通過實際應用可見，在適宜地區(qū)采用北斗短報文方式采集終端信息，將顯著降低運維成本，有力提高系統(tǒng)在線率及采集完整率。采用微功耗北斗標準通訊模塊，建設成本較低，施工效率高，只需將采集終端直接熱插入終端即可，無需考慮無線公網(wǎng)覆蓋信號強度問題，便于消除信息黑區(qū)。同時，北斗時空量的綜合應用，為計量設備在廣泛山區(qū)定位和本地授時，提供了可靠的、免維護的，免費的通道和可靠設備。微功耗即可降低損耗，又可確保硬件長期穩(wěn)定工作。因此，基于北斗短報文的計量自動化系統(tǒng)建設，是以往計量自動化系統(tǒng)建設的有益補充通過對基于微功耗北斗短報文的計量自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式的探索應用，實際通過試運行發(fā)現(xiàn)是北斗用于遠程計量的迭代創(chuàng)新應用。上行通道采用微功耗嵌入式通信模塊北斗短報文傳輸，建設成本較原有老式北斗技術低很多，建成后運維維護成本低，運行穩(wěn)定可靠，實時召測響應迅速，現(xiàn)場及主站施工便捷，對于進一步提高負控、配變及低壓集抄和資產管理在計量自動化系統(tǒng)的應用有巨大的促進作用。