唐 強(qiáng)

（福建省新大陸通信科技股份有限公司，福建 福州 350015 ）

0 引 言

自動(dòng)抄表系統(tǒng)（Automatic Meter Reading，AMP）是抄表技術(shù)上的偉大革命。我國(guó)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，電能計(jì)量自動(dòng)抄表技術(shù)起步較晚，相關(guān)技術(shù)和電力系統(tǒng)的設(shè)備明顯落后。目前，低壓電力載波通信方式的應(yīng)用在我國(guó)已經(jīng)逐步推廣。使用通信通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，要先決定數(shù)據(jù)通信的方式，對(duì)環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行了解，結(jié)合當(dāng)?shù)氐碾娔苡?jì)量自動(dòng)抄表的技術(shù)水平和電力企業(yè)的規(guī)模綜合考慮[1]。現(xiàn)有電能計(jì)量自動(dòng)抄表技術(shù)多采用GPRS/3G/4G 方式遠(yuǎn)程抄表，存在數(shù)據(jù)中繼環(huán)節(jié)多、鏈路復(fù)雜、集中器/計(jì)量終端成本高、GPRS/3G/4G 技術(shù)投入大、結(jié)點(diǎn)通信費(fèi)用支出高及維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。

基于這些問(wèn)題，本文在遠(yuǎn)程抄表設(shè)計(jì)上引入NBIoT（Narrow Band Internet of Things）+433M 無(wú)線雙模方案，以移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)NB-IoT 傳輸為主、433M 無(wú)線+有線傳輸為輔的方式將采集到的電表數(shù)據(jù)上傳至虛擬臺(tái)區(qū)服務(wù)器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、解密、分區(qū)等處理后，上傳至電力計(jì)量主站系統(tǒng)，滿足了低功耗、強(qiáng)連接、定時(shí)上報(bào)、錯(cuò)開峰時(shí)、節(jié)點(diǎn)少、維護(hù)方便及拓展性強(qiáng)等市場(chǎng)需求。

1 雙模遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 系統(tǒng)整體構(gòu)架及功能介紹

雙模遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要是由用戶終端智能電表系統(tǒng)、電力采集虛擬臺(tái)區(qū)服務(wù)器及電力計(jì)量主站系統(tǒng)組成的，其整體架構(gòu)如圖1 所示。

在電力傳統(tǒng)系統(tǒng)架框中，以終端電表—采集器—集中器（臺(tái)區(qū)）——多級(jí)采集方式進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，電表和集中器之間采用PLC、RS485 等有線方式進(jìn)行連接，通過(guò)GPRS/3G/4G 方式將數(shù)據(jù)上傳。此架框不足之處有數(shù)據(jù)中繼環(huán)節(jié)多、線路復(fù)雜、集中器/計(jì)量終端成本高及GPRS/3G/4G 技術(shù)更新投入大。

基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT 電力遠(yuǎn)程抄表的智能電表采用新制NB-IoT 的模塊將采集到的電表數(shù)據(jù)通過(guò)中國(guó)移動(dòng)5G 通信基站直接上傳至電力計(jì)量主站系統(tǒng)。通過(guò)軟件在電網(wǎng)主站系統(tǒng)上搭建虛擬集中器（臺(tái)區(qū)）服務(wù)器，采用軟件設(shè)置出虛擬集中器（臺(tái)區(qū)），并可將電表下掛虛擬臺(tái)區(qū)，保持系統(tǒng)新架框及管理模式與傳統(tǒng)模式相同，便于電網(wǎng)現(xiàn)有模式管理及電網(wǎng)維護(hù)。

1.2 用戶終端智能電表系統(tǒng)

用戶終端智能電表系統(tǒng)是電網(wǎng)的智能終端，由電表和通信模塊組成，除了具備傳統(tǒng)電能表用電量的計(jì)量統(tǒng)計(jì)功能以外，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新電網(wǎng)平臺(tái)的使用，還具有用電信息存儲(chǔ)、雙向費(fèi)率計(jì)量、用戶端控制及多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信等功能[2］。

本文的智能電表主要由電表、雙模通信模塊（NBIoT 模塊+433M 模塊）組成，如圖2 所示。在電表設(shè)備出現(xiàn)故障無(wú)法上傳數(shù)據(jù)時(shí)，維護(hù)人員可使用手持PDA 工具掃描模塊二維碼或條形碼，軟件會(huì)自動(dòng)生成故障代碼，通過(guò)PDA 將故障代碼上傳至服務(wù)器，方便快捷判斷設(shè)備故障原因，如欠費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)中斷等異常。同時(shí)，采用智能降功耗技術(shù)，功耗超低，提升了智能電表的帶載能力。NB-IoT 技術(shù)已較成熟，成本較低。NB-IoT 終端模塊基帶比較簡(jiǎn)單，通常采用180 kHz 窄帶系統(tǒng)進(jìn)行傳輸[3]。

圖1 雙模遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)整體構(gòu)架示意圖

圖2 雙模智能電表工作環(huán)境原理圖

1.3 電力采集虛擬臺(tái)區(qū)服務(wù)器

如圖3 所示，虛擬臺(tái)區(qū)服務(wù)器接收到智能電表系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)解密、分區(qū)后，上傳至電力計(jì)量主站系統(tǒng)，保持電力計(jì)量主站系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)不變。

圖3 電力采集虛擬臺(tái)區(qū)服務(wù)器

1.4 電力計(jì)量主站系統(tǒng)

電力計(jì)量主站系統(tǒng)是電力公司前端的服務(wù)器終端，是對(duì)各臺(tái)區(qū)用戶的用電情況進(jìn)行匯總、收集、分析、處理以及實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)平臺(tái)。

2 通信模塊硬件關(guān)鍵模塊原理設(shè)計(jì)

2.1 NB-IoT 模塊選型

基于通信模塊產(chǎn)品的綜合性能、功耗及體積等因素考慮，選擇移遠(yuǎn)BC28 NB-IoT 模組。它采用華為海思芯片平臺(tái)，支持中國(guó)移動(dòng)多頻段，尺寸小巧，功耗表現(xiàn)優(yōu)異，能滿足智能終端電表通信模塊的要求。

（1）電源設(shè)計(jì)。電源方面采用低靜態(tài)電流的LDO 作為供電電源，其電源輸入電壓范圍應(yīng)為3.1 ～4.2 V。 模塊在數(shù)據(jù)傳輸工作中，必須確保電源電壓跌落不低于模塊最低工作電壓3.1 V。為了確保更好的電源供電性能，在模塊VBAT 輸入端，采用并聯(lián)分級(jí)電容濾波。同時(shí)，在靠近VBAT 輸入端增加一個(gè)TVS 管，以提高模塊的浪涌電壓承受能力，使用WS4.5DPV，原則上，VBAT 走線越長(zhǎng)，線寬越寬。VBAT 輸入端電路如圖4 所示。

（2）看門狗定時(shí)器。采用MAXM 公司的MAX705芯片，監(jiān)測(cè)電源電壓和微處理器的工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能豐富，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度[4]。

（3）串口電路。模塊設(shè)有兩個(gè)串口，即主串口和調(diào)試串口。

主串口可用于AT 命令傳送和數(shù)據(jù)傳輸，支持的波特率為4 800、9 600（默認(rèn)）、57 600、115 200、 230 400 b/s 及460 800 b/s；還可用于固件升級(jí)，支持的波特率為115 200 b/s 和921 600 b/s。主串口在Active、Idle 及PSM 模式下均可工作。

調(diào)試串口通過(guò)UE Monitor 日志查看工具，可用于查看日志信息以進(jìn)行軟件調(diào)試，其波特率為921 600 b/s。

圖4 雙模通信模塊電源電路設(shè)計(jì)

2.2 433M 無(wú)線模塊選型

433M 模塊選用芯科科技的Si4438 芯片，Si4438具有寬電壓、低功耗、無(wú)線覆蓋頻段廣等特點(diǎn)，特別適用于電表模塊，各引腳定義及硬件設(shè)計(jì)原理見圖5。

3 采集上傳模塊軟件關(guān)鍵設(shè)計(jì)

（1）定時(shí)上報(bào)、峰值錯(cuò)開。電力終端用戶量非常龐大，同時(shí)上傳數(shù)據(jù)，對(duì)服務(wù)器配置要求非常高。此軟件巧妙地采用隨機(jī)軟件算法控制，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)隨機(jī)性采集上傳，（此時(shí)間可通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置），直至全部采集完成，錯(cuò)開同時(shí)上傳數(shù)據(jù)的峰值，降低了傳輸鏈路與服務(wù)器的峰值壓力。

圖5 433M 無(wú)線模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

（2）雙向通信?；贜B-IoT 傳輸模式，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，通信模塊還可以接收前端計(jì)量系統(tǒng)平臺(tái)的指令，實(shí)現(xiàn)智能電表雙向通信與遠(yuǎn)程控制。

（3）報(bào)文加密功能。系統(tǒng)將DL645 報(bào)文進(jìn)行加密傳輸，保證了信息安全性。

4 結(jié) 論

基于NB-IoT 技術(shù)的電力數(shù)據(jù)采集技術(shù)將會(huì)是未來(lái)5G 技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的主要技術(shù)方向，NB-IoT 技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及5G 結(jié)點(diǎn)總流量可限定、智能終端維護(hù)及流量支出費(fèi)用可控的技術(shù)特色，將極大地促進(jìn)此技術(shù)未來(lái)的大規(guī)模商用，其方案特性也完全符合中國(guó)未來(lái)發(fā)展“創(chuàng)造性、科學(xué)性、前瞻性”的要求[5]。