230MHz电力无线专网通信终端设计与应用

　　摘要:IoT-G(InternetofThings-Grid)230MHz是国家电网公司建设电力无线专网制定的体制标准之一。针对配用电业务终端的接入需求，基于IoT-G230MHz电力无线专网研发了远程通信终端，分别开展了软硬件设计、定时同步算法优化，以及性能测试，并选取用电信息采集业务进行挂网试点验证，结果表明该远程通信终端的性能指标满足测试规范的要求，能够承载用电信息采集业务。

　　关键词:电力无线专网;远程通信终端;用电信息采集;IoT-G

　　引言终端通信接入网是国家电网公司建设坚强智能电网的网络层重要组成部分，是电力业务终端和设备连通电网骨干网和业务主站的主要桥梁，其中，除了电信运营商公网和电力载波通信之外，电力无线专网是终端通信接入网的重要网络之一，可打通电网通信“最后一公里”和有效覆盖偏远地区的有效手段[1-3]。目前，电力无线专网可使用230MHz和1800MHz两种频段，工业和信息化部无线电管理局授权国家电网公司使用230MHz频段资源后，原则上不再批复1800MHz频率资源。

　　相比1800MHz频段，230MHz电力无线专网与电力业务需求紧密结合，为电力系统定制开发，具备广覆盖优势，能够降低组网运维成本，同时具备宽带传输能力。国家电网公司已经制定了“IoT-G(InternetofThings-Grid)230MHz”和“LTE-G(LongTermEvolution-Grid)230MHz”两套电力无线通信系统企业标准，并在多个网省公司开展230MHz电力无线专网建设和电力业务承载测试验证，结果充分验证了电力无线专网可作为配电自动化、计量自动化，以及精准负荷控制等业务的有效通信方式[4-6]。

　　国外电力通信网建设起步较早，澳大利亚采用WiMAX系统建立电力专网承载多种电力业务;美国采用窄带集群叠加LTE技术建设电力安全无线专网，在700MHz频段规划建设，并可与相邻频段商用网络漫游，作为电力无线专网的补充;欧洲国家也在开展LTE电力无线专网的频谱分配、宽带技术和商业模式的研究与应用[7-8]。文献[9-10]开展了1800MHz电力无线专网远程通信终端研制与测试验证;文献[11]设计了LTE-G230MHz无线专网终端芯片，并开展了终端研制应用;文献[12]提出了一种LTE-G230电力设备透传接入技术和通信终端研制。230MHz频段是国家无线电管理委员会规定作为遥测、遥控和数据传输使用的频段，目前主要被能源、军队、水利、地矿等行业使用。

　　该频段总带宽为12MHz，划分为480个频点，每个频点带宽为25kHz，其中有280个离散频点共7MHz资源授权国家电网公司使用。IoT-G230MHz技术在网络结构、空口技术等方面基本与NB-IoT(NarrowBandInternetofThings)技术一致，但由于该频段的管理特殊性，系统可配置带宽较为特殊，导致物理层帧结构与NB-IoT和LTE技术有较大差异。根据每个频点占用25kHz，IoT-G230MHz技术基于离散频谱设计了特殊的无线帧结构，通过离散频谱聚合技术实现230MHz电力频谱全带宽，任意频点载波聚合，满足多样的电力业务要求。

　　目前针对IoT-G230MHz电力无线专网的远程通信终端研发处于起步阶段，本文根据配用电业务需求，设计实现了IoT-G230MHz电力无线专网远程通信终端，可兼容不同电力业务流程和通信接口;选取电网用电信息采集业务，完成了业务设备的通信接入和功能适配;通过性能测试和挂网试点，验证了该终端运行的可靠性与业务承载能力。

　　1远程通信终端设计

　　1.1硬件设计

　　根据功能划分，远程通信终端由数据处理单元、通信模组和电源模块三部分组成，数据处理单元与通信模组之间通过TTL串口交互，电源模块经过电平转换后给各部分供电。

　　(1)数据处理单元与电力业务设备和通信模组连接通信，提供RS232业务串口、RS485业务串口、业务网口，以及RS232调试串口等对外接口。业务串口和调试串口共用一个9针接口，使用同一个9针接口的不同引脚对外通信，以便于现场安装与运维。根据标准规范中“嵌入式终端”和“外置式终端”的型式和需求不同，调整对外接口的类型与数量。内部使用ARM处理器、嵌入式实时多任务μC/OSIII操作系统，以及LWIP协议栈，实现多任务处理机制，兼容多种电力业务设备的不同工作模式。

　　(2)通信模组采用成熟的IoT-G230MHz商用模组，具备离散窄带聚合的无线数据通信功能。通信模组通过TTL串口与数据处理单元进行交互，提供TTL调试串口、身份识别卡(SubscriberIdentificationModule，SIM)卡座，以及230MHz无线专网天线等对外接口。(3)电源模块采用直流12V输入供电，设计正负极防接反功能，内置电磁兼容(ElectromagneticCompatibility，EMC)防护模块，实现EMC4级防护，直流12V经电源转换模块可转换为直流5V等其他所需电压。

　　1.2定时同步算法优化

　　电力无线专网通用主同步序列产生方法中，需要用到序列的频域特性，由于子带资源的限制，每个子带仅包含11个子载波，需要对Zadoff-Chu(ZC)序列在频域中进行分段，并针对各分段分别做傅里叶变换得到时域数据。该方法计算复杂，造成ZC序列特性变差。本文采用将ZC序列直接映射为主同步信号的时域信号，使用接收到的时域数据与本地序列做互相关。同时，已有电力无线专网定时同步算法采用相关值方法，本地保存的主同步信号与接收信号进行互相关运算取最大值，根据相关值的最大值得到定时同步的位置，对于小区边缘的终端，如果附近有较大干扰，该方法会存在误检的情况。

　　本文采用求相关值序列的方法，结合峰均比的计算，滤掉干扰信号，最终确定定时同步的位置，通过计算峰均比，避免了由于干扰过大导致误同步，提高定时同步的可靠性，具体流程如下:Step1以128kHz采样率接收数据，为了克服噪声影响，可将多个无线帧数据进行合并，将多个无线帧相关值的绝对值进行求和取平均，这样可以获得更好的检测性能，这里建议为4个无线帧。

　　Step2在时域中对数据进行自动增益控制(AutoGainControl，AGC)操作，首先将需要计算长度的数据的实部和虚部绝对值求和，其次将求和结果进行移位操作，使移位后的结果在合理范围内，移位的位数作为AGC的移位因子，最后根据AGC移位因子统一对需要进行AGC处理的数据进行移位操作，实现时域数据的AGC。Step3对AGC操作后的数据与3个主同步码(PrimarySynchronizationCode，PSC)进行互相关计算，可根据ZC序列的对称特性简化计算量。Step4将4个无线帧中各点对应的相关值的绝对值逐帧对应相加，最后得到每个预存PSC码对应的相关值序列。

　　Step5对相关值序列进行分段，并搜索每个分段中相关值的最大值，记录该最大值的位置索引。Step6以每个分段相关值的最大值为中心，以分段长度取AGC操作后的数据，计算每个分段数据的峰均比，并搜索分段峰均比的最大值，该峰均比值最大值所在分段对应的相关值最大值的位置索引即为同步位置，对应的扇区ID即为小区扇区ID。

　　1.3应用软件设计

　　终端数据处理单元运行μC/OSIII实时多任务操作系统，应用软件可以根据不同电力业务需求，采用多任务模块化设计，快速开发软件功能[13]。针对用电信息采集业务，集中器连接远程通信终端，通过基站及核心网。

　　“主控任务”与集中器交互，识别工作模式，并管理其他任务;“工作模式任务”判别集中器的工作模式，包括“国网模式”和“点对点协议(PointtoPointProtocol，PPP)模式”，国网模式根据Q/GDW 1376.3-2013标准规范可分为透明模式和非透明模式，与通信模组之间建立Socket链接。PPP模式则建立以太网上的点对点协议(Point-to-PointProtocolOverEthernet，PPPoE)服务器，与通信模组之间建立PPP拨号链接，执行数据透传模式，终端移植LWIP协议栈，提供Socket和PPP功能;“升级任务”与通信模组交互，通过空口实现终端固件远程升级;“输入/输出任务”可控制模组启动与重启，以及终端状态指示灯开闭等操作，同时模组可直接控制状态指示灯;“看门狗任务”实时监控各个任务的运行状态，任何一个任务出现异常，则重启终端并上报错误日志到主站。

　　2通信性能测试

　　通信性能测试和试点验证地点选取国网湖南省电力有限公司(国网湖南电力)计量中心，位于湖南长沙仙姑岭区域，该区域共有3座IoT-G230MHz基站，测试点由二号小区覆盖，用电信息采集终端客户直接指定计量中心实验室。根据现场无线专网实际建设情况。

　　根据业务隔离要求，小区带宽配置为5MHz，配电、精控，以及用采三种业务按照1∶1∶8的比例分配资源(精控业务资源池共配置频点20×25kHz，配电业务资源池配置频点20×25kHz，用采业务配置频点160×25kHz)。国网湖南电力计量中心测试点位的参考信号接收功率(ReferenceSignalReceivingPower，RSRP)为-75～-60dBm，信干噪比(Signal-toInterferenceplusNoiseRatio，SINR)为12～25dB，测试区域无线环境良好，8载波终端在此环境下的上行理论峰值速率可达229kb/s，下行理论峰值速率可达139kb/s。通信性能测试结果，满足《230MHz离散多载波电力无线通信系统第4部分:IoT-G230MHz技术规范》的要求[14-15]。

　　3终端试点验证

　　基于通信性能测试的网络环境，开展终端对用电信息采集业务的规约功能和适配性测试，主要包括基本功能、一次抄收成功率、遥控正确率和数据召测响应时间测试。试点使用国网湖南电力计量中心的WT-F100用电信息采集系统，搭建二跳采集系统，集中器下挂6块单向费控智能电表、2块三相四线费控智能电表。

　　电力业务设备和远程通信终端均位于计量中心实验室，两者通过以太网口连接。远程通信终端插入SIM卡，上电开机进入空闲状态，正确配置通信终端和230MHz无线专网系统侧的相关参数，完成网络承载激活过程，并成功接入 用电信息采集业务主站。试点过程中远程通信终端通信稳定可靠，无掉线中断现象;业务主站数据抄收与遥控均无异常，上线运行效果良好;远程通信终端能够有效适应现场环境，满足《230MHz离散多载波电力无线通信系统第4部分:IoT-G230MHz技术规范》的要求。

　　电力论文范例： 电力企业现场管理及实践研究

　　4结束语

　　本文基于230MHz电力无线专网，开展了IoT-G230MHz电力无线专网远程通信终端的设计与实现，在软硬件设计与算法优化的基础上研制了嵌入式和外置式远程通信终端，针对用电信息采集业务测试了终端通信性能，并完成了电力业务挂网试点验证。测试和试点结果表明，本文设计的远程通信终端满足230MHz电力无线专网的通信需求，能够承载用电信息采集业务。后续将继续开展其他性能指标的测试，以及配电自动化的业务规约和功能适配性测试，验证远程通信终端在各类电力业务的承载能力。

　　参考文献:

　　[1]张亚健，杨挺，孟广雨.泛在电力物联网在智能配电系统应用综述及展望[J].电力建设，2019，40(6):1-12.

　　[2]赵宏昊，毕庆刚，卢斌，等.电力无线专网在智能电网中的创新应用[J].电力信息与通信技术，2019，17(1):110-115.

　　[3]黄明山，吴兰，刘楠嶓，等.分段重复编码与数字滤波在G3标准PLC通信中的应用[J].电讯技术，2019，59(1):82-87.

　　[4]曹津平，刘建明.一种应用于电力无线专网的两级双门限本地频谱感知技术研究[J].中国电机工程学报，2015，35(10):2471-2479.

　　[5]刘锐，于佳，赵高峰，等.低自干扰的电力无线专网高可靠性规划方法[J].电力系统自动化，2018，42(17):162-167.

　　作者：王兴涛，赵训威，孙孝波，付海旋，李金安