張海龍，劉 宣，李 然，張雙沫

(中國電力科學研究院有限公司，北京100192)

多表合一信息采集系統(tǒng)是以“助力智慧城市建設”為出發(fā)點，基于用電信息采集構建的城市智能計量系統(tǒng)，為電、水、氣、熱行業(yè)實現(xiàn)能源計量數(shù)據(jù)遠程采集、實時監(jiān)測、綜合應用等提供智能化手段，大幅提升計量自動化水平，降低能源管理工作成本，符合居民高品質生活訴求，順應我國全面建設小康社會的奮斗目標.通信技術是多表合一信息采集系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要基礎.由于通信技術類型多樣，理論基礎差異較大，不易通過理論分析進行評價，需要通過一定規(guī)模的模擬環(huán)境檢驗其實際應用效果.

隨著多表合一采集系統(tǒng)建設的深入，多種信息通信技術不斷延伸發(fā)展，多表合一采集系統(tǒng)遠程信道采用GPRS/CDMA無線公網(wǎng)[1]，230 MHz無線專網(wǎng)[2]等技術，本地信道采用電力線窄帶載波[3]、電力線寬帶載波、微功率無線[4]、載波/無線雙模[5]、M-BUS,RS-485等技術.

由于各種通信技術網(wǎng)絡路由方案的設計思路和算法互不相同，需要在相同的通信環(huán)境中評價其工作效率和適應能力.此外，多表合一信息采集技術標準通信性能指標的確定，也需要通過模擬環(huán)境的測試數(shù)據(jù)進行分析驗證.在電信骨干網(wǎng)領域，工信部投資建設了電信參考試驗網(wǎng)[6](RTNet)，可以進行不同電信網(wǎng)絡設備的測試和試驗.在移動通信網(wǎng)領域，MTNet[7]由現(xiàn)國家發(fā)改委和工信部出資建設，可以模擬現(xiàn)有移動通信商用網(wǎng)絡的實際能力和環(huán)境.但在能源計量通信網(wǎng)領域，還未見大規(guī)模模擬試驗網(wǎng)的相關研究.本文設計了一套支持能源計量一體化的通信模擬測試系統(tǒng)，介紹了測試系統(tǒng)的主要架構設計，硬件設計和軟件設計，可在實驗室中模擬各種噪聲、衰減及拓撲環(huán)境，模擬各種用能用戶負載條件，針對不同通信技術進行方案應用效果評價.

1 系統(tǒng)架構

本測試系統(tǒng)旨在實驗室內，模擬現(xiàn)場的臺區(qū)串擾、噪聲干擾、信道衰減、負載變化特性，及現(xiàn)場的多表合一信息采集業(yè)務特點，評估驗證待測本地通信設備在特定仿真環(huán)境中的通信功能及性能指標.系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)構成，如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)架構

硬件平臺由多個屏蔽電表箱、屏蔽通信轉換器、信道控制器、屏蔽集中器箱構成，仿真現(xiàn)場通信環(huán)境的多臺區(qū)采集通信場景.屏蔽電表箱仿真一個實體表箱；信道控制器仿真表箱間的通信信道；屏蔽集中器箱仿真臺變側的集中器計量箱；屏蔽通信轉換器仿真水氣熱表通信轉換設備.

軟件平臺由虛擬主站、虛擬集中器、虛擬電表、虛擬水氣熱表、信道控制及測量模塊、通信偵聽模塊、業(yè)務支持性評價模塊構成.

2 硬件平臺

2.1 硬件平臺架構

硬件平臺由屏蔽表箱、屏蔽通信轉換器、屏蔽集中器、信道控制器構成.其中，屏蔽表箱由多個通信從模塊和通信偵聽設備構成，模擬現(xiàn)場表箱；屏蔽通信轉換器由水氣熱表的本地通信轉換設備和偵聽設備構成，模擬水氣熱表的通信硬件；屏蔽集中器由通信主模塊和偵聽設備構成，模擬臺變側計量箱；信道控制器由衰減器、噪聲注入、信號測量設備構成，仿真表箱間的實際通信信道.

圖2 硬件平臺示意圖

2.2 硬件平臺設計

2.2.1 屏蔽表箱

屏蔽表箱由通信從模塊和通信偵聽單元構成，通信從模塊是電表上的通信單元，可以是載波模塊、也可以是無線模塊[8]，一個表箱內一般放置多個通信模塊.通信偵聽單元用于偵聽本表箱的通信報文.

2.2.2 屏蔽通信轉換器

屏蔽通信轉換器由通信轉換器、通信偵聽單元構成.通信轉換器仿真本地水氣熱表轉換器，通過上位機仿真水氣熱表采集業(yè)務.通信偵聽單元用于偵聽本表箱的通信報文.屏蔽表箱結構和屏蔽通信轉換器如圖3所示.

圖3 屏蔽表箱&屏蔽通信轉換器

2.2.3 屏蔽集中器箱

屏蔽集中器箱由主通信模塊和通信偵聽單元構成.主通信模塊是集中器端的本地通信模塊，可以是載波模塊也可以是無線模塊.通信偵聽單元用于偵聽本表箱的通信報文.

2.2.4 信道控制器

信道控制器由衰減器、噪聲注入設備、信號測量設備、控制器構成.衰減器仿真信道的衰減性能，仿真多級通信環(huán)境；噪聲注入設備注入各類噪聲，仿真現(xiàn)場通信噪聲；信號測量設備測量信號的頻譜數(shù)據(jù).控制器通過網(wǎng)絡接口控制以上3類設備.屏蔽集中器和信道控制器如圖4所示.

圖4 屏蔽集中器箱&信道控制器

2.2.5 通信網(wǎng)絡開關矩陣

通信網(wǎng)絡開關矩陣通過網(wǎng)絡控制表箱接入不同的信道控制器，從而實現(xiàn)不同的屏蔽箱體的連接，提供網(wǎng)絡拓撲的控制切換，通過上位機控制，可以實現(xiàn)通信拓撲網(wǎng)絡的自動變化，該設備如圖5所示.

圖5 開關矩陣

硬件平臺采用機柜和機箱式結構，抽屜式開合方式，機柜由主機柜和多個從機柜構成，主機柜放置主要的測量設備、運行主機、信號發(fā)生器等，從機柜主要放置各種屏蔽表箱、屏蔽集中器箱、屏蔽通信轉換器等，每個屏蔽箱配備信道控制器，屏蔽箱間由開關矩陣連接.

根據(jù)硬件平臺框架設計，硬件設備包括：屏蔽箱、信號發(fā)生器、頻譜儀、示波器、開關矩陣、衰減器等.

2.2.6 通信偵聽設備

通信偵聽設備包括寬帶載波偵聽設備和無線偵聽設備，偵聽通信信道上的所有物理層報文，包括確認報文、信標幀、管理報文、應用報文等，監(jiān)聽結果通過串口轉網(wǎng)口或直接網(wǎng)口傳輸?shù)杰浖脚_，傳輸格式同通信標準中的PPDU格式，形成測試過程中各個局部通信沖突域中的通信報文日志，為通信功能及通信性能的評價提供依據(jù).

2.2.7 衰減器

射頻衰減器用于微功率信道的傳輸特性模擬，設定衰減量來仿真?zhèn)鬏斅窂降拈L短.衰減器設置的接口類型有射頻接口、電源和衰減程控接口，分別實現(xiàn)寬帶信號接入、供電和衰減量控制功能.輸入與輸出均采用SMA連接器.

2.2.8 串口網(wǎng)口轉換設備

串口網(wǎng)口轉換器在本系統(tǒng)中多處部署，各類模塊的接口都是串口形式，軟件平臺的硬件接口是以太網(wǎng)，需要實現(xiàn)通信接口的轉換.具體設備參數(shù)如表1所示.

表1 串口網(wǎng)口轉換設備參數(shù)

2.2.9 任意信號發(fā)生器

任意波函數(shù)信號源有兩個用途：① 在測試頻率偏移指標測試中生成物理層透明設備的可變時鐘信號；② 用于噪聲信號發(fā)生.技術指標要求如表2所示.

表2 信號發(fā)生器參數(shù)

2.2.10 信號測量設備

信號測量設備主要包括頻譜分析儀、高精度示波器.頻譜分析儀用于模塊發(fā)射功率譜密度、發(fā)射頻帶、帶外雜散等指標測試.頻譜分析儀技術指標要求如表3所示.

表3 頻譜分析儀參數(shù)

示波器用于模塊發(fā)射寬帶信號的時域波形測試.發(fā)生信號平均電平檢測及配合進行模塊故障調試.示波器要求雙通道，帶寬100 MHz，采樣率2 GS/s，時基范圍5 ns～50 s.

2.2.11 以太網(wǎng)交換機

以太網(wǎng)交換機是連接硬件平臺和軟件平臺的接口[9]，通過串口轉網(wǎng)口，所有的通信及控制命令都通過以太網(wǎng)接入測試平臺，每個屏蔽箱體就有一個網(wǎng)絡接口，是測試系統(tǒng)的交換樞紐.

2.2.12 待測通信模塊

測試系統(tǒng)中待測的通信模塊包括：通信從模塊(安裝在表端的通信模塊)、通信主模塊(安裝在集中器端的通信模塊)、水氣熱表通信轉換器(安裝在電表和水氣熱表間的轉換通信設備)，該測試系統(tǒng)旨在評估這些通信設備之間的通信功能及通信性能.

3 軟件平臺

3.1 軟件平臺架構

軟件平臺的架構如圖6所示.

軟件平臺運行流程為：

測試的主控模塊選擇測試用例，啟動執(zhí)行.

首先向信道控制模塊發(fā)送相應指令，配置測試用例中要求的網(wǎng)絡拓撲、衰減及噪聲要求.信道測量模塊用于驗證網(wǎng)絡拓撲、衰減、噪聲的配置情況，向信道監(jiān)聽模塊發(fā)送啟動監(jiān)聽命令，向日志記錄模塊發(fā)送日志復位啟動記錄命令.

測試過程為向虛擬主站發(fā)送相應的測試命令，虛擬主站向虛擬集中器發(fā)送響應Q/GDW 1376.1[10]命令，虛擬集中器向待測主節(jié)點發(fā)送Q/GDW 1376.2[11]命令，待測主節(jié)點在該仿真網(wǎng)絡中和各個待測從節(jié)點進行通信，信道偵聽模塊記錄各個屏蔽箱的通信報文，并發(fā)送給日志記錄模塊，待測從節(jié)點將收到的采集命令發(fā)送給虛擬電表，虛擬電表將執(zhí)行合理的數(shù)據(jù)響應，并將行為發(fā)送給日志記錄模塊.

測試用例執(zhí)行完畢后啟動通信評價環(huán)節(jié)，分析通信偵聽日志，評價通信功能及性能，分析應用層監(jiān)聽日志，評價業(yè)務支持能力.

圖6 軟件架構示意圖

3.2 軟件平臺設計

3.2.1 驅動接口軟件

軟件平臺對所有硬件的操作都采用驅動屏蔽的方式，簡化調用接口，接口行為封裝為DLL動態(tài)庫形式，相關的接口包括開關控制、衰減控制、噪聲注入、頻譜測量.

開關控制的輸入包括開關編號和開關動作.衰減控制的輸入?yún)?shù)有線路編號、衰減程度.噪聲注入的輸入?yún)?shù)有線路編號、噪聲類型、頻點、噪聲幅度.頻譜測量輸入?yún)?shù)有線路編號和數(shù)據(jù)指針.

3.2.2 主控軟件

主控軟件由腳本管理執(zhí)行和虛擬主站構成，其功能主要有網(wǎng)絡拓撲場景的管理、控制、測量以及測試用例的管理、結果分析、結果評判.

網(wǎng)絡拓撲場景管理定義所有的箱體編號、開關編號、線路編號、各種網(wǎng)絡的拓撲編號.其將每個拓撲的所有開關、線路上的聯(lián)通位置、噪聲情況進行配置，一種拓撲編號代表一種網(wǎng)絡環(huán)境結構.管理活動包括拓撲定義的添加、刪除、修改.

網(wǎng)絡拓撲場景控制輸入網(wǎng)絡拓撲編號，調用硬件接口驅動中的“開關控制” “衰減控制” “噪聲控制”，實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的配置.

網(wǎng)絡拓撲場景測量輸入網(wǎng)絡拓撲編號，調用硬件接口驅動中的“頻譜測量”命令，實現(xiàn)拓撲網(wǎng)絡的驗證.

測試用例管理配置各個用例執(zhí)行的腳本集合，實現(xiàn)各個用例的添加、刪除、修改.

根據(jù)用例編號，對定義好的測試用例進行執(zhí)行和停止.同時可以對執(zhí)行完成的測試用例進行分析評價，形成評價報告.也可以對分析評價完畢的測試用例進行合格性評判.

3.2.3 虛擬集中器軟件

虛擬集中器設計功能有多集中器部署、上行通信、下行通信、檔案管理、輪抄任務、點抄任務、校時命令、事件上報.具體功能為：

多集中器部署：每個主節(jié)點連接一個虛擬集中器實體，管理該主節(jié)點的通信及業(yè)務活動.

上行通信：和虛擬主站進行通信，通信協(xié)議為Q/GDW 1376.1或DL/T 698.45[12].

下行通信：和待測主節(jié)點進行通信，通信協(xié)議采用Q/GDW 1376.2，報文承載在以太網(wǎng)TCP/IP報文內.

檔案管理：對集中器中的節(jié)點檔案進行維護，包括添加、刪除、修改.

輪抄任務：各種周期的輪抄業(yè)務，如每天日凍結采集，每小時的小時凍結采集，每15 min的負荷曲線采集等.

點抄任務：對各類實時業(yè)務的執(zhí)行，如負荷開關的遠程命令.

校時命令：對臺區(qū)內電表進行廣播校時和單播校時的命令處理過程.

事件上報：對虛擬電能表上報的事件進行處理，及時上報到主站.

3.2.4 虛擬電能表軟件

虛擬電能表設計功能包括電表檔案管理、采集任務管理、費控命令處理、校時命令處理、事件上報機制.具體功能如下：

電表檔案管理：記錄電表的地址、信息、以及和從節(jié)點的通信綁定管理.

采集任務管理：對從節(jié)點發(fā)來的各類抄表命令進行響應.

費控命令處理：對從節(jié)點發(fā)來的各類費控命令進行虛擬執(zhí)行.

校時命令處理：對從節(jié)點發(fā)來的各類校時命令進行響應.

事件上報機制：模擬電表自身的各類事件上報.

應用層日志記錄：對以上各種應用層的業(yè)務活動進行日志記錄.

3.2.5 虛擬水氣熱表軟件

虛擬水氣熱表和虛擬電能表有很多相似性，具有以下功能：

水氣熱表檔案管理：記錄水氣熱表的地址、信息、以及和從節(jié)點的通信綁定管理.

采集任務管理：對從節(jié)點發(fā)來的各類抄表命令進行響應.

費控命令處理：對從節(jié)點發(fā)來的各類費控命令進行虛擬執(zhí)行.

校時命令處理：對從節(jié)點發(fā)來的各類校時命令進行響應.

事件上報機制：模擬水氣熱表自身的各類事件上報.

應用層日志記錄：對以上各種應用層的業(yè)務活動進行日志記錄.

3.2.6 通信偵聽軟件

通信偵聽模塊負責每個局部環(huán)境通信報文的偵聽記錄，軟件功能包括偵聽點管理、報文接收、報文處理、報文存儲、日志管理.具體功能設計為：

通信偵聽點管理：記錄各個報文偵聽點的位置、報文格式、日志存儲空間設置等操作.

通信報文接收：根據(jù)偵聽設備PPDU的報文格式，進行接收報文的解析.

通信報文處理：根據(jù)偵聽設備過濾器的設計，對不感興趣的報文進行過濾.

通信報文存儲：根據(jù)日志存儲空間的設置，將需要記錄的報文存儲到響應的存儲空間.

通信日志管理：對已經(jīng)存儲的通信日志進行管理，包括刪除、添加、分析等.

3.2.7 通信評價軟件

對當前網(wǎng)絡拓撲環(huán)境、當前測試用例、通信活動進行評價，評價功能包括通信功能評價、通信性能評價、業(yè)務支撐能力評價.具體功能為：

通信功能評價：評估待測設備在網(wǎng)絡組織、維護、路由變更等方面功能實現(xiàn)的正確性和有效性.

通信性能評價：評估待測設備在設定的衰減、噪聲條件下的通信效果.

業(yè)務支撐能力評價：評價待測設備對當前測試用例的業(yè)務執(zhí)行能力.

4 結 論

提升多表合一采集系統(tǒng)檢測能力，有利于為多表合一采集技術標準指標限值提供數(shù)據(jù)參考以及復現(xiàn)現(xiàn)場故障環(huán)境及故障分析研判.本文詳細描述了仿真測試平臺的系統(tǒng)架構、硬件平臺設計與軟件平臺設計.仿真測試系統(tǒng)能夠實現(xiàn)在實驗室中模擬各種噪聲、衰減及拓撲環(huán)境，模擬各種用能用戶負載條件，針對不同通信技術進行方案應用效果評價.對于更加全面落實面向多表合一采集的實驗室能力建設，進一步提升多表合一采集的智能終端功能檢測能力及通信技術模擬測試能力具有重要意義.