基于北斗一代的电力数据通信终端的硬件设计

田 晖，何 婧，江小辉

（1.国网江西省电力公司江西南昌330077；2.国网江西鹰潭供电公司江西鹰潭335001）

配电网的自动化系统是通过计算机硬件、软件、自动控制和数据通信等技术[1]，实现配电网络实时数据和离线数据的集成，形成完整的管理系统，其总体目标为完成配电网自动化地管理[2]。北斗一代为定位系统，北斗卫星是我国自主研发的，将先地区，后全球当作北斗一代，与北斗二代的设计思想[3]。

我国的电网公司历经多年的改造，几乎覆盖了各级变电站电力通信网[4]。经统计，我国的大型变电站和环网通信的方式，采用的是电力专用的光纤网络[5]。但是中小型的变电器和农村，低压配电网的通信问题亟待解决，尤其是南方的大量山区，配电子站比较分散，所处的地理位置比较偏，电缆和光纤等线路的建设，产生的成本比较高，且施工的难度比较大，尤其是后期的维护很不方便[6]。

综合上述问题，文中提出采用北斗一代的定位和短报文通信性能，为电力数据通信终端，提供一种可靠性良好的通信硬件。

1 电力数据通信终端构建和工作原理

1.1 指挥中心

电力自动化主站体系为配电网自动化的核心，该核心将变电、配电再到用电的过程，进行了监视和管理，均包含于其中的自动化体系[7]。其主要是完成配电网数据的收集和监控，同样具有和其他系统实现信息的交互，电力网的调度以及生产管理功能[8]。

1.2 用户指挥中心

北斗一代用户的指挥中心主要的作用是，便于指挥机构利用北斗一代，对其进行有关的指挥和监控[9]。其不仅具有普通用户机的全部性能，还具有监收其他下属用户机定位和通信的功能。其主要用在固定的指挥部。

北斗一代用户指挥中心主要是由天线，主机和显示控制系统组成。其中天线部分中含有北斗收和发双频天线、前端多工器等模块。文章采用的天线的外形尺寸为220 mm*150 mm。主机部分是由信息处理、及电源单元组成[10]。信息处理模块通过信号处理单元，信息处理单元组建而成；电源模块为整机供给电流，其中包含+5 V的DC/DC单元，+28 V的DC/DC单元。显示系统根据便携式的计算机和监控软件组成。

1.3 FTU/DTU

FTU/DTU就是馈线终端设备，安装于柱上的开关附近，本身具备遥控和遥信功能。在配电末端的设备DTU，其主要为安装于常规的箱式变电站和小型变电站等位置[11]，分析计算开关位置的电流、电压以及信号等数据，同时对开关设备实施分合闸的操作，实现故障的隔离和非故障区间恢复供电等一系列作用。

文章选择了DAF—830作为终端DTU，其可实现对线路流量和设备状态进行实时监控，可提高设备故障信息的发现效率；其保护功能可对故障就地检查，并进行切除。

1.4 工作原理

依据实用型的智能配电网体系的需求，将通信终端划分为：配电主站的指挥机、北斗一代电力数据传输端。该终端安装在配电子站，配电末端的终端FTU/DTU内、配电子站的指挥机。

定位原理：配电末端的终端FTU/DTU中北斗通信单元[12]，在每次上电的时候，就主动向子站和主站将位置信息进行报告；子站和主站同样能够命令配电末端的终端FTU/DTU对位置进行上报。

短报文的通信：在配电末端的终端FTU/DTU，根据北斗将采集到的数据，发送至配电子站，或者是配电主站，根据配电子站或者是配电主站所发出的指令，能够经过北斗利用通播的方式，一次性地发送到所有的下属配电末端的终端FTU/DTU，实现远程遥测和遥信功能[13]。

2 电力数据通信端硬件构造

在规约转换器硬件的结构中，其主要的组成部分是CPU控制电路、以太网的通信电路，RS485通信电路及电源管理电路[14]。北斗数据传输用户机硬件功能为：

1）以太网的通信。其利用网口变压器，与一个RJ45的插头构成，网口变压器是个隔离变压器，其将芯片PHY传输的差分信号，根据差模耦合线圈耦合的滤波，使信号得到增强之后，利用电磁场的变换耦合至连接网线的，另一端的RJ45插头之上。其中，RJ45插头是个连接器，通过该连接器完成规约转换器和配电末端的FTU/DTU间数据通信。

2）CPU的控制。利用CPU芯片本身携带的，以太网控制器，完成对配电末端的FTU/DTU传输过来的，IEC60870-5-104协议数据的实时接收，并分析出所需的可用数据，其次将IEC60870-5-104协议数据变为北斗一代的通信协议，每当接收到用户机传送过来的遥测和遥信时，利用RS485串通信接口[15]，将北斗数据用户机所需的遥测遥控信息，经分析处理之后，转换为IEC60870-5-104协议数据，并对FTU/DTU工作状态进行控制。

3）RS485通信。该电路中包括电平的转换芯片，与隔离芯片。电平转换芯片是TTL，和RS485电平的转换芯片，其将CPU串行通信口中，TTL/CMOS电平信号，转换为RS-485电平信号[16]。

3 各单元电路的设计

3.1 规约转换器电路设计—RS485通信电路构建

在RS485串行通信中，其为完成中长距离的，智能设备间实现数据信息交换的关键部分[10]。其作为一种节点比较多，通讯接口的组网也相对容易，由此被广泛地应用在安防和交通等设备中。文章中，规约转换器和用户机间存在若干米的线缆。其要保障该端距离数据的传输质量，文中选择了RS485通信方式。

文中的北斗一代电力数据通信系统安装在户外，环境相对恶劣，存在各种干扰，由此必须对雷击和其他的干扰因素进行考虑，实现信号的隔离。要完成RS485电路的隔离，需要根据隔离型RS485收发器，同类型的DC-DC电源芯片和ISO15芯片组建，文章选取了AUDM5000芯片，完成电压的隔离和保护。

ISO15芯片的数据传输速率能够达到1 Mbps，温度的范围在-10℃-+85℃。其中主要介绍ISO15芯片的逻辑图，如图1所示。

图1 ISO15芯片的逻辑图

3.2 数模和模数电路与收发器电路的构建

在电力数据通信系统中，可能会存在某一路模拟量输出，或者多路模拟量无需同时输出状况，数模转换芯片和北斗一代的连接途径是单缓冲，这时把二级寄存器的控制信号进行融合，其中，输入数据信息在控制信号作用之下，将会直接进入D/A转换器实现D/A的转换，并以此来增加电力数据通信系统频带的利用率。

利用PL3150收发器实现和耦合电路的连接，于收发电路内，融入外接程序的存储器，存储数据构成收发器模块，完成数据的发送和接收，进而提升数据的传输速度。

3.3 RS232配置电路

为了可以与PC中RS-232C接口进行连接，需要在RS-232C，和TTL电路间完成电平与逻辑关系的转换。文章中，利用MAX232实现TTL-EIA双向电平的转换，在电力数据通信系统中选取UART1，根据中断的形式实现和PC机的通信，该电路用在配置FTU/DUT构建的网口号和北斗SIM卡号。配置电路如图2所示。

图2 RS232配置电路原理图

3.4 用户机电路设计

在北斗一代数据传输用户机中，根据RS485的接口，和规约转换器完成数据的转换。在电力数据通信的终端中选取了UARTO，通过中断形式实现和北斗一代用户机的通信，接口电路使用的和规约转换器一样。

北斗一代10W通信电路，是由用户机和配电主机的指挥中心信息交换的桥梁，文章选择的是GYM2003B单元，该单元的内部集成了10W输出功率功放单元、LNA、射频收发单元和短报文的通信以及定位单元。

北斗一代10W通信单元工作的原理：当天线收到信号后，将信号通过低噪放芯片进行放大之后，然后放至射频的收发芯片，其中，射频的收发芯片完成下变频性能，把射频信号转换为中频信号，当作基带芯片的中频输入；但当基带芯片产生发射基带信号，并输入至射频的收发芯片中时，于射频的收发芯片中，实现上变频性能，通过功放放大器的放大之后，利用天线完成发射。

4 实验结果与分析

为验证文中提到的基于北斗一代的电力数据通信硬件设计方法有效性，要通过相关的实验对其进行验证。实验平台为PSCAD/EMTDC，利用手持数据采集器分别将当前方法下的电力数据通信系统和本文方法下的电力数据通信系统中的数据进行采集，将其作为文章的实验数据来源。实验分别在以下几个方面进行：

1）电力数据传输的速度。

2）电力数据通信系统频带的利用率。

在对电力数据传输速度方面进行验证，需要将数据划分为10组，实验结果如表1所示。

表1 不同方法电力数据传输速度

分析上述实验结果可知，文中方法分别在数据传输的速度和频带利用率方面，均优于当前方法。在本文方法中选择了DAF—830作为终端DTU，可提高设备故障信息的发现效率，其保护功能可对故障就地检查并进行切除；在北斗一代10W通信电路中，利用CPU串行接口和北斗一代10W通信单元实现数据的低噪通信，提高了通信的稳定性；在文章的数模和模数电路中，输入数据信息在控制信号作用之下，将会直接继续进入D/A转换器实现D/A的转换，并以此来增加电力数据通信系统频带的利用率；在收发器电路中融入外接程序的存储器存储数据构成收发器模块，完成数据的发送和接收，进而提升数据的传输速度。综上，证明了所提方法具有整体可靠性。

图3 不同方法频带利用率

表2 不同电力通信系统设计方法故障发现效率

5 结束语

文中利用北斗一代的通信性能，阐述了基于北斗一代的电力数据通信系统的硬件构建方法。并依据北斗一代的天线对其安装的环境要求比较特殊，将基于北斗一代的电力数据通信系统硬件划分为，规约转换器及用户机两个部分，并分别进行了设计。

对于下一步的工作，应尽量争取频度比较快的北斗卡，进而进一步提高电力数据传输的效果。