基于电能计量终端通信测试设备的设计及应用

谢晓华，郑勇伟，陈 芳

（广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524000）

0 引 言

用电信息采集系统在电力系统中扮演着重要角色。电力计量自动化终端是用电信息采集系统中的关键组成部分，一般由配变监测计量终端、自动化负荷管理终端、相关信息采集终端以及集中抄表装置等构成。另外，一般为其配备科学的通信网络，如常用的无线公网、无线专网及光纤网。为实现网络通信，还设置科学的通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）公网终端。相关网络系统及GPRS公网终端构建的主要目的是解决电力系统中设备通信异常和现场信号弱等问题，基于此对低压用户采集终端进行研究，希望解决传统应用中存在的难题，为用户侧提供高质量通信服务。目前，低压电力用户集中抄表一般采用微功率短距离无线通信及电力线载波通信方式，但在低压电力网络运行中会产生极大的噪声干扰、传输衰减及阻抗变化等，这些因素会直接影响低压端电能计量的准确性及可靠性，其通信可靠性与用电信息采集系统的完整性息息相关。

随着电力系统及电能计量系统的不断发展，越来越多的通信技术方案被提出并被应用，包括路由协议、中心频点、载波信号调制以及信号耦合等。不同技术具有不同的优势，也存在一定差异和不足。我国不同电能计量终端通信模块存在差异，其性能也不同，对测试设备提出不同要求。此外测试设备还存在局限性，不能完全实现对电能计量终端通信功能的可靠检验，保证最终生产的产品能满足计量通信测试和评估实际需求。在此背景下，本文研究一种电能计量终端通信测试设备。

1 电能计量终端通信测试设备的设计思路

在电力线电能计量终端通信测试设备的研究和设计中需要综合考虑各个方面的因素，一般必须涵盖3个要求。一是需要在实验室中就低压电网传输信道的特点进行科学匹配和模拟，以保证最终结果的准确性。二是在测试项目的确定和执行中需要综合借鉴并满足国家标准，同时测试过程中需要充分借鉴电力行业相关标准。三是交互中心应以测试主机为主，同时必须执行传输信道参数的可程控调节，经过多方面协调控制构建自动化电能计量终端通信性能测试装置。针对此，我国进行了大量工作，建立了相应标准用于电能采集，包括《电能信息采集与管理系统 第2部分：主站技术规范》（DL/T 698.0—2010）和《国网新标准电力用户用电信息采集系统系列标准技术规范条文解释》（Q/GDW 1374—2013）等。在电能计量终端通信测试设备的设计和研发中，必须充分理解这些标准[1]。

2 电能计量终端通信测试设备应用前景及技术原理

2.1 应用前景

现场监测3个运营商的信号强度，进行对比、择优。检测现场的信号强度，如果信号强度较弱不满足工程设计要求，则验收不予通过，以减少后期运维成本。在电能计量终端通信测试设备运维中，如果出现终端不在线情况，需要对SIM卡进行现场监测，排查原因，检测现场安装天线后的信号强度，确定现场改进后的信号强度。此外在对计量终端通信模块的监测中应关注通信异常问题，发现问题时需进一步排查。

2.2 技术原理

现场信号弱、设备通信异常是直接导致计量终端无法登录主站的主要原因，影响终端的在线率和采集完整率。现场运维时，需快速有效地诊断出故障并进行处理，确保设备运行正常。针对此，需要研发相应的测试设备，并结合当前的智能技术和计算机技术引进综合分析工具，应用于计量自动化系统上行链路监测。本文提出一款便携、简单、易用的运维设备设计方案[2]。计量通信综合分析仪运行原理如图1所示，可同时支持3个不同制式的SIM卡同时自动检测，识别SIM损坏故障，对SIM卡的信号进行自动检测分析，并可对计量终端通信模块故障进行检测，支持主站自动登录链路测试，并自动给出诊断结果，简单、易用，便于进一步诊断故障，从而提高计量现场运维效率，确保设备正常运行。

图1 计量通信综合分析仪原理图

2.3 技术关键点

支持移动/联通/电信三大运营商的2G/3G/4G网络制式，可同时测试3张SIM卡网络状态，不限运营商，不限网络制式，方便高效，可同时测试2G、3G、4G网络信号强度，此外支持TCP/IP协议ping主站，检测SIM卡上行网络是否连通，显示SIM卡本机号码，方便现场维护辨认而且支持终端通信模块的监测。

3 电能计量终端通信测试设备的设计

3.1 设计实施步骤及流程

信号综合分析仪可依次切换SIM卡网络制式，采集SIM卡网络信号强度。分析比较SIM卡的信号强度，通过分析比较得出信号最优的SIM卡，预想实现步骤如下。首先识别SIM卡是否插入，其次切换网络，等待网络切换完成，再次采集当前网络制式的信号强度，最后对采集到的网络信号强度进行排序。实施步骤及流程如图2所示。

图2 实施步骤及流程

3.2 具体设计思路

3.2.1 SIM卡检测

制定相应的命令来查询SIM卡信息和附近基站信息，对当前位置进行定位，测试主站通信是否存在故障。SIM卡检测思路如图3所示。

图3 SIM卡检测思路

3.2.2 通信模块检测

通过外设设备接口接入终端通信模块，监测模块是否存在故障，进一步排查设备异常。

3.3 系统构架

基于低压电力线传输环境的测试设备构建架构如图4所示，其主要包括程控相位选择模块、测试主机系统、三相净化稳压电源、程控衰减网络、程控负载选择网络、信号测量部分以及噪声发生器等。其中，程控衰减网络、程控阻抗模拟器及程控噪声源共同构成信道模拟装置，主要应用于载波信号传输环境的模拟。数字示波器和频谱分析仪共同构成信号测量模块，结合人工电源网络执行载波电平测试阻抗的环境参考，最终保证测试和分析结果满足规范及标准要求[3]。

图4 信号分析仪系统架构图

4 电能计量终端通信测试设备发展展望

为实现市电网络和整体测试环境的有效隔离，一般采用人工电源网络、三相交流净化稳压电源以及高性能隔离器。载波系统主站的功能主要依靠测试主机实现，测试主机一般依靠总线连接配测设备太网/USB/串口（RS232或RS485）和各种载波通信模块的被测设备进行连接，以此能有效控制测试环境，同时能有效保障数据互通。需要预先设计与确定测试流程，在通信信道中必须加入相应的可控噪声因素，以保证接入阻抗和信道衰减的改变[4]。基于国家电网公司的通信协议，在测试主机控制配合下经由模拟线缆（可变衰减器），实现与被测设备之间的载波通信。控制、抄表等命令经由被测设备进行接收，并得到相应的电能值、回传状态等相关数据，建立完善的基于低压载波通信体制的传输通道。对不同条件下载波电能表及采集终端的通信效果进行测试和评估，得到相关模块的信息数据、指标及参数，进行深入分析，最终确定、评估并诊断载波模块的通信质量和性能[5]。结合相应规范和标准进行科学测试评价，最终保证所设计的设备能良好应用于大部分系统。

5 结 论

本文设计了电能计量终端通信测试设备，经过实际应用发现其具有良好应用效果，能有效满足GPRS公网终端的通信监测要求，效果极佳。该设备的设计和应用满足国家相关规范及标准的要求，在未来发展中应进一步完善，可引入智能化技术和自适应技术等先进技术进一步提升设备发展水平。