0 引言

    國家電網公司正全面推進“三型兩網”建設，泛在電力物聯網的建設應用是其核心任務，其中，在網絡層重點推進電力無線專網和終端通信建設，增強帶寬，實現深度全覆蓋，滿足新興業務發展需求。國家電網公司已獲得工信部無線電管理委員會223.025～235.000 MHz頻段280個離散頻點共7 MHz的授權，在12個省31個地市覆蓋1.4萬平方公里范圍內接入終端20萬套，接入配電自動化“三遙”、精準負荷控制等重要業務，有效解決光纖敷設難度大和成本高區域的業務接入問題，滿足多樣化、泛在化、智能化、規模化電網末端設備的接入需求，全面支撐泛在電力物聯網建設和公司發展^[1]。

    電力無線專網可采用230 MHz和1 800 MHz兩種技術體制，工信部無管局授權國家電網公司使用230 MHz頻段資源后，原則上不再批復1 800 MHz頻率資源，同時經掛網測試，230 MHz技術體制能夠滿足電力控制業務需求，建網成本較低。目前，230 MHz技術體制有“LTE-G 230 MHz”和“IoT-G 230 MHz”兩套電力無線專網標準規范，LTE-G 230 MHz系統產品已通過試點驗證，IoT-G 230 MHz的基站和核心網產品已完成認證與實際部署，業界首款IoT-G 230商用終端模組eM600也于2019年3月發布，230 MHz電力無線專網產業生態已初步形成，實現全系列、標準化設備規模化供貨^[2]。

    電力無線專網遠程通信終端廣泛應用在電力輸電、變電、配電、用電等業務中，實現了電力終端設備的通信接入功能。本文基于嵌入式系統研制了LTE-G 230電力無線專網遠程通信終端，兼容不同業務流程和通信接口，通過終端性能測試和業務接入測試，驗證了終端運行穩定性和可靠性^[3]。

1 LTE-G 230 MHz通信系統概述

    LTE-G 230 MHz電力無線通信系統是利用TD-LTE先進無線通信技術，結合電力業務開發的專用無線寬帶通信系統，具備電力業務所需的廣覆蓋、大容量、高可靠、安全性強、靈活易擴展等特性，可廣泛應用于用電信息采集、配電自動化、輸變電狀態監測、分布式能源、現場視頻監控、電動汽車充電站/樁等業務。該系統主要由230遠程通信終端(230終端)、基站、核心網以及網管構成，如圖1所示^[4-6]。

    (1)230終端：230終端上行與基站通信，下行與電力設備通信，主要接口包括串口、以太網口、IO口等，實現業務數據采集與傳輸，以及控制信息下發等，分為外置式終端、嵌入式終端和移動終端。

    (2)基站：通過空中接口與230終端通信，負責資源調度和接入控制等，可分為宏覆蓋基站、中等覆蓋基站和本地覆蓋基站。

    (3)核心網：介于業務平臺和無線接入網絡之間，實現業務數據傳輸，接入網絡控制管理等功能。

    (4)網管：主要實現網絡狀態監控、網元配置管理和運維。

2 遠程通信終端設計

2.1 總體架構設計

    遠程通信終端采用模塊化設計思想，按照功能可劃分為ARM主控單元和LTE-G 230通信模組兩部分，兩者通過串口協議通信，軟硬件都相互獨立，如圖2所示。ARM主控單元一方面提供對外接口，包括串口、網口等，與電力設備通信，可根據“嵌入式終端”和“外置式終端”的型式不同，改變對外接口數量和型式，另一方面通過串口與通信模組進行數據與控制交互；通信模組上行通過空口與基站實現無線通信鏈路的建立與維護，下行通過串口與ARM主控單元實現數據交互。

    ARM主控單元采用國產嵌入式ARM芯片GD32F450，該芯片是基于ARM Cortex-M4處理器的32位通用微控制器，運行嵌入式實時多任務μC/OS III操作系統，使得程序設計可以分為不同實時任務，實現通信終端的多任務處理機制，并支持LWIP協議棧，實現TCP/IP協議解析。LTE-G 230通信模組采用自研“國網芯”SGC3103，該芯片是國內首款針對230 MHz頻段研發的具有自主知識產權的芯片，主要由DSP、內部eDRAM、Cache、外設、中頻處理單元組成，實現物理層、業務面、控制面軟件；射頻部分主要完成上行方向基帶信號的數模轉換、濾波、上變頻、功率放大等功能，下行方向空口射頻信號的低噪聲放大、下變頻、濾波、模數轉換等^[7-8]。

2.2 硬件設計

    LTE-G 230遠程通信終端硬件主要包括主控單元、通信模組、電源單元以及外圍接口單元，如圖3所示。

    (1)主控單元：采用ARM芯片GD32F450，內置1 MB容量Flash、256 KB容量SRAM、4個TTL電平串口、1個RMII網口。其中串口1與通信模組調試串口通信、串口8與通信模組業務串口通信、串口4為遠程通信終端調試口、串口7與電力設備通信，為了方便運維和現場調試，串口4和串口7連接同一個串口DB9接口的不同引腳，共用一個DB9。

    (2)通信模組：采用自主研發的“國網芯”SGC3103，國網芯集成了DSP處理器、基帶處理單元、中頻處理單元，通信模組內置Flash、射頻處理單元、2個TTL電平串口。其中串口1與主控單元的調試串口1通信、串口2與主控單元的業務串口8通信。

    (3)電源單元：電源輸入采用DC 12 V供電，具有正負極防接反功能；內置EMC防護模塊，防護等級EMC4級；電源轉換模塊將DC 12 V按需轉換為DC 5 V和DC 3.3 V。

    (4)外圍接口單元：外圍接口包括①電力業務串口RS232，對于外置式終端，通過芯片MAX3232與主控單元串口7連接，實現電平轉換，對于嵌入式終端，直接與主控單元串口7連接，如圖3中虛線所示；②調試串口RS232，通過芯片MAX3232與主控單元串口4連接，實現電平轉換；③電力業務網口，通過PHY芯片LAN8720Ai與主控單元RMII網口連接；④JTAG調試口，與主控單元連接，實現ARM在線程序調試與燒寫功能；⑤LED指示，提供終端狀態指示燈功能，便于觀察串口和以太網的數據傳輸狀態，以及通信模組網絡連接狀態等；⑥LTE天線，采用50 Ω微同軸射頻連接器，使用頻率范圍覆蓋DC~2 GHz。

    硬件電路采用4層PCB板，對同一模塊或芯片的多條數據信號線采取群組走線的策略，優化信號質量，外置式和嵌入式終端硬件電路如圖4和圖5所示，根據終端使用環境要求和標準規范，進行終端外殼工業化防護設計，外置式終端和嵌入式終端的整體結構如圖6所示。

2.3 軟件設計

    在軟件設計方面，通信終端可分為ARM主控單元和通信模組兩部分，各包括驅動與網絡協議層、操作系統層以及應用軟件層，如圖7所示。

    驅動與網絡協議層提供串口、網口、GPIO等硬件相關驅動程序；操作系統層主要完成多任務調度管理、中斷管理以及內存管理等功能，ARM主控單元采用μC/OS III操作系統，通信模組采用Nucleus操作系統；應用軟件層采用多任務模塊化設計，主要實現電力業務識別與控制、AT指令解析、數據處理以及I/O口管理等功能，同時具備遠程升級和看門狗等運維功能。

    模塊化設計可以針對數據采集類、遠端控制類、移動接入類、視頻類等電力業務差異化需求，靈活重定義應用層功能，實現遠程通信終端的“容器化”和快速開發，以用電信息采集業務為例，其軟件功能設計如圖8所示。業務控制任務與集中器通信，并管理其他任務，包括AT指令解析任務、I/O管理任務、遠程升級任務等；AT指令解析任務判別集中器的工作模式，PPP模式執行PPP協議與通信模組交互，國網模式經TCP/IP協議后，通過虛擬網卡與通信模組交互；I/O管理任務與通信模組直接交互數據，經業務控制任務后與集中器交互數據，并控制指示燈；遠程升級任務經通信模組空口接收數據，數據處理后升級ARM主控單元固件，而通信模組的升級數據需要經過TCP/IP協議棧解析后返回給通信模組，實現固件升級；看門狗實時監控各個子任務的運行狀態，任何一個任務出現錯誤都會重啟終端并上報錯誤信息。

3 終端電氣性能測試

    根據國家電網公司企業標準230 MHz電力無線通信系統測試規范的要求和方法，進行遠程通信終端的電氣性能測試，主要測試內容和結果如表1所示，該終端的電氣性能可滿足規范要求。

4 終端業務接入測試

    以用電信息采集業務為例，對本文設計的嵌入式遠程通信終端進行用采業務的規約功能和適配性測試，測試環境如圖9所示。

    測試一次抄收和遙控正確率，步驟如下：

    (1)將嵌入式終端安裝在集中器內，二者通過TTL串口通信，電腦端運行用電信息采模擬主站，與核心網連通；

    (2)集中器開機，啟動遠程通信終端，正確配置通信終端和系統側的相關參數，完成無線通信連接建立過程；

    (3)模擬主站發出數據召測命令，記錄數據采集命令下發是否正常，數據上報是否正常，如圖10所示；

    (4)主站發出控制命令，記錄控制命令下發是否正常，控制操作是否生效；

    (5)分別重復步驟(3)和步驟(4)50次，統計測試結果。

    測試過程中無掉線中斷現象，測試結果為一次抄收成功率100%，遙控正確率100%。

5 結論

    本文針對230 MHz電力無線專網，基于嵌入式系統研發了電力無線專網遠程通信終端。首先，概述了230 MHz電力無線專網應用現狀，針對電力業務需求，介紹了LTE-G 230 MHz通信系統的構成和通信終端在系統中的作用；然后，在總體架構設計基礎上，分別從硬件和軟件介紹了遠程通信終端的設計與功能開發；最后，開展了終端電氣性能測試和用采業務功能測試。經測試表明，本文設計的遠程通信終端可滿足標準規范的性能指標要求，滿足電力無線專網的通信需求，通過了用采業務功能性測試。后續工作將繼續開展其他性能指標的測試，以及配電業務的規約和適配性功能測試，驗證遠程通信終端在各類電力業務的承載能力。

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作者信息:

王興濤，趙訓威，付海旋，李金安，丁高泉，吳  慶，李溫靜

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