支持能源计量一体化的通信模拟测试系统设计

张海龙，刘 宣，李 然，张双沫

(中国电力科学研究院有限公司，北京100192)

多表合一信息采集系统是以“助力智慧城市建设”为出发点，基于用电信息采集构建的城市智能计量系统，为电、水、气、热行业实现能源计量数据远程采集、实时监测、综合应用等提供智能化手段，大幅提升计量自动化水平，降低能源管理工作成本，符合居民高品质生活诉求，顺应我国全面建设小康社会的奋斗目标.通信技术是多表合一信息采集系统功能实现的重要基础.由于通信技术类型多样，理论基础差异较大，不易通过理论分析进行评价，需要通过一定规模的模拟环境检验其实际应用效果.

随着多表合一采集系统建设的深入，多种信息通信技术不断延伸发展，多表合一采集系统远程信道采用GPRS/CDMA无线公网[1]，230 MHz无线专网[2]等技术，本地信道采用电力线窄带载波[3]、电力线宽带载波、微功率无线[4]、载波/无线双模[5]、M-BUS,RS-485等技术.

由于各种通信技术网络路由方案的设计思路和算法互不相同，需要在相同的通信环境中评价其工作效率和适应能力.此外，多表合一信息采集技术标准通信性能指标的确定，也需要通过模拟环境的测试数据进行分析验证.在电信骨干网领域，工信部投资建设了电信参考试验网[6](RTNet)，可以进行不同电信网络设备的测试和试验.在移动通信网领域，MTNet[7]由现国家发改委和工信部出资建设，可以模拟现有移动通信商用网络的实际能力和环境.但在能源计量通信网领域，还未见大规模模拟试验网的相关研究.本文设计了一套支持能源计量一体化的通信模拟测试系统，介绍了测试系统的主要架构设计，硬件设计和软件设计，可在实验室中模拟各种噪声、衰减及拓扑环境，模拟各种用能用户负载条件，针对不同通信技术进行方案应用效果评价.

1 系统架构

本测试系统旨在实验室内，模拟现场的台区串扰、噪声干扰、信道衰减、负载变化特性，及现场的多表合一信息采集业务特点，评估验证待测本地通信设备在特定仿真环境中的通信功能及性能指标.系统主要由硬件系统及软件系统构成，如图1所示.

图1 系统架构

硬件平台由多个屏蔽电表箱、屏蔽通信转换器、信道控制器、屏蔽集中器箱构成，仿真现场通信环境的多台区采集通信场景.屏蔽电表箱仿真一个实体表箱；信道控制器仿真表箱间的通信信道；屏蔽集中器箱仿真台变侧的集中器计量箱；屏蔽通信转换器仿真水气热表通信转换设备.

软件平台由虚拟主站、虚拟集中器、虚拟电表、虚拟水气热表、信道控制及测量模块、通信侦听模块、业务支持性评价模块构成.

2 硬件平台

2.1 硬件平台架构

硬件平台由屏蔽表箱、屏蔽通信转换器、屏蔽集中器、信道控制器构成.其中，屏蔽表箱由多个通信从模块和通信侦听设备构成，模拟现场表箱；屏蔽通信转换器由水气热表的本地通信转换设备和侦听设备构成，模拟水气热表的通信硬件；屏蔽集中器由通信主模块和侦听设备构成，模拟台变侧计量箱；信道控制器由衰减器、噪声注入、信号测量设备构成，仿真表箱间的实际通信信道.

图2 硬件平台示意图

2.2 硬件平台设计

2.2.1 屏蔽表箱

屏蔽表箱由通信从模块和通信侦听单元构成，通信从模块是电表上的通信单元，可以是载波模块、也可以是无线模块[8]，一个表箱内一般放置多个通信模块.通信侦听单元用于侦听本表箱的通信报文.

2.2.2 屏蔽通信转换器

屏蔽通信转换器由通信转换器、通信侦听单元构成.通信转换器仿真本地水气热表转换器，通过上位机仿真水气热表采集业务.通信侦听单元用于侦听本表箱的通信报文.屏蔽表箱结构和屏蔽通信转换器如图3所示.

图3 屏蔽表箱&屏蔽通信转换器

2.2.3 屏蔽集中器箱

屏蔽集中器箱由主通信模块和通信侦听单元构成.主通信模块是集中器端的本地通信模块，可以是载波模块也可以是无线模块.通信侦听单元用于侦听本表箱的通信报文.

2.2.4 信道控制器

信道控制器由衰减器、噪声注入设备、信号测量设备、控制器构成.衰减器仿真信道的衰减性能，仿真多级通信环境；噪声注入设备注入各类噪声，仿真现场通信噪声；信号测量设备测量信号的频谱数据.控制器通过网络接口控制以上3类设备.屏蔽集中器和信道控制器如图4所示.

图4 屏蔽集中器箱&信道控制器

2.2.5 通信网络开关矩阵

通信网络开关矩阵通过网络控制表箱接入不同的信道控制器，从而实现不同的屏蔽箱体的连接，提供网络拓扑的控制切换，通过上位机控制，可以实现通信拓扑网络的自动变化，该设备如图5所示.

图5 开关矩阵

硬件平台采用机柜和机箱式结构，抽屉式开合方式，机柜由主机柜和多个从机柜构成，主机柜放置主要的测量设备、运行主机、信号发生器等，从机柜主要放置各种屏蔽表箱、屏蔽集中器箱、屏蔽通信转换器等，每个屏蔽箱配备信道控制器，屏蔽箱间由开关矩阵连接.

根据硬件平台框架设计，硬件设备包括：屏蔽箱、信号发生器、频谱仪、示波器、开关矩阵、衰减器等.

2.2.6 通信侦听设备

通信侦听设备包括宽带载波侦听设备和无线侦听设备，侦听通信信道上的所有物理层报文，包括确认报文、信标帧、管理报文、应用报文等，监听结果通过串口转网口或直接网口传输到软件平台，传输格式同通信标准中的PPDU格式，形成测试过程中各个局部通信冲突域中的通信报文日志，为通信功能及通信性能的评价提供依据.

2.2.7 衰减器

射频衰减器用于微功率信道的传输特性模拟，设定衰减量来仿真传输路径的长短.衰减器设置的接口类型有射频接口、电源和衰减程控接口，分别实现宽带信号接入、供电和衰减量控制功能.输入与输出均采用SMA连接器.

2.2.8 串口网口转换设备

串口网口转换器在本系统中多处部署，各类模块的接口都是串口形式，软件平台的硬件接口是以太网，需要实现通信接口的转换.具体设备参数如表1所示.

表1 串口网口转换设备参数

2.2.9 任意信号发生器

任意波函数信号源有两个用途：① 在测试频率偏移指标测试中生成物理层透明设备的可变时钟信号；② 用于噪声信号发生.技术指标要求如表2所示.

表2 信号发生器参数

2.2.10 信号测量设备

信号测量设备主要包括频谱分析仪、高精度示波器.频谱分析仪用于模块发射功率谱密度、发射频带、带外杂散等指标测试.频谱分析仪技术指标要求如表3所示.

表3 频谱分析仪参数

示波器用于模块发射宽带信号的时域波形测试.发生信号平均电平检测及配合进行模块故障调试.示波器要求双通道，带宽100 MHz，采样率2 GS/s，时基范围5 ns～50 s.

2.2.11 以太网交换机

以太网交换机是连接硬件平台和软件平台的接口[9]，通过串口转网口，所有的通信及控制命令都通过以太网接入测试平台，每个屏蔽箱体就有一个网络接口，是测试系统的交换枢纽.

2.2.12 待测通信模块

测试系统中待测的通信模块包括：通信从模块(安装在表端的通信模块)、通信主模块(安装在集中器端的通信模块)、水气热表通信转换器(安装在电表和水气热表间的转换通信设备)，该测试系统旨在评估这些通信设备之间的通信功能及通信性能.

3 软件平台

3.1 软件平台架构

软件平台的架构如图6所示.

软件平台运行流程为：

测试的主控模块选择测试用例，启动执行.

首先向信道控制模块发送相应指令，配置测试用例中要求的网络拓扑、衰减及噪声要求.信道测量模块用于验证网络拓扑、衰减、噪声的配置情况，向信道监听模块发送启动监听命令，向日志记录模块发送日志复位启动记录命令.

测试过程为向虚拟主站发送相应的测试命令，虚拟主站向虚拟集中器发送响应Q/GDW 1376.1[10]命令，虚拟集中器向待测主节点发送Q/GDW 1376.2[11]命令，待测主节点在该仿真网络中和各个待测从节点进行通信，信道侦听模块记录各个屏蔽箱的通信报文，并发送给日志记录模块，待测从节点将收到的采集命令发送给虚拟电表，虚拟电表将执行合理的数据响应，并将行为发送给日志记录模块.

测试用例执行完毕后启动通信评价环节，分析通信侦听日志，评价通信功能及性能，分析应用层监听日志，评价业务支持能力.

图6 软件架构示意图

3.2 软件平台设计

3.2.1 驱动接口软件

软件平台对所有硬件的操作都采用驱动屏蔽的方式，简化调用接口，接口行为封装为DLL动态库形式，相关的接口包括开关控制、衰减控制、噪声注入、频谱测量.

开关控制的输入包括开关编号和开关动作.衰减控制的输入参数有线路编号、衰减程度.噪声注入的输入参数有线路编号、噪声类型、频点、噪声幅度.频谱测量输入参数有线路编号和数据指针.

3.2.2 主控软件

主控软件由脚本管理执行和虚拟主站构成，其功能主要有网络拓扑场景的管理、控制、测量以及测试用例的管理、结果分析、结果评判.

网络拓扑场景管理定义所有的箱体编号、开关编号、线路编号、各种网络的拓扑编号.其将每个拓扑的所有开关、线路上的联通位置、噪声情况进行配置，一种拓扑编号代表一种网络环境结构.管理活动包括拓扑定义的添加、删除、修改.

网络拓扑场景控制输入网络拓扑编号，调用硬件接口驱动中的“开关控制” “衰减控制” “噪声控制”，实现网络拓扑的配置.

网络拓扑场景测量输入网络拓扑编号，调用硬件接口驱动中的“频谱测量”命令，实现拓扑网络的验证.

测试用例管理配置各个用例执行的脚本集合，实现各个用例的添加、删除、修改.

根据用例编号，对定义好的测试用例进行执行和停止.同时可以对执行完成的测试用例进行分析评价，形成评价报告.也可以对分析评价完毕的测试用例进行合格性评判.

3.2.3 虚拟集中器软件

虚拟集中器设计功能有多集中器部署、上行通信、下行通信、档案管理、轮抄任务、点抄任务、校时命令、事件上报.具体功能为：

多集中器部署：每个主节点连接一个虚拟集中器实体，管理该主节点的通信及业务活动.

上行通信：和虚拟主站进行通信，通信协议为Q/GDW 1376.1或DL/T 698.45[12].

下行通信：和待测主节点进行通信，通信协议采用Q/GDW 1376.2，报文承载在以太网TCP/IP报文内.

档案管理：对集中器中的节点档案进行维护，包括添加、删除、修改.

轮抄任务：各种周期的轮抄业务，如每天日冻结采集，每小时的小时冻结采集，每15 min的负荷曲线采集等.

点抄任务：对各类实时业务的执行，如负荷开关的远程命令.

校时命令：对台区内电表进行广播校时和单播校时的命令处理过程.

事件上报：对虚拟电能表上报的事件进行处理，及时上报到主站.

3.2.4 虚拟电能表软件

虚拟电能表设计功能包括电表档案管理、采集任务管理、费控命令处理、校时命令处理、事件上报机制.具体功能如下：

电表档案管理：记录电表的地址、信息、以及和从节点的通信绑定管理.

采集任务管理：对从节点发来的各类抄表命令进行响应.

费控命令处理：对从节点发来的各类费控命令进行虚拟执行.

校时命令处理：对从节点发来的各类校时命令进行响应.

事件上报机制：模拟电表自身的各类事件上报.

应用层日志记录：对以上各种应用层的业务活动进行日志记录.

3.2.5 虚拟水气热表软件

虚拟水气热表和虚拟电能表有很多相似性，具有以下功能：

水气热表档案管理：记录水气热表的地址、信息、以及和从节点的通信绑定管理.

采集任务管理：对从节点发来的各类抄表命令进行响应.

费控命令处理：对从节点发来的各类费控命令进行虚拟执行.

校时命令处理：对从节点发来的各类校时命令进行响应.

事件上报机制：模拟水气热表自身的各类事件上报.

应用层日志记录：对以上各种应用层的业务活动进行日志记录.

3.2.6 通信侦听软件

通信侦听模块负责每个局部环境通信报文的侦听记录，软件功能包括侦听点管理、报文接收、报文处理、报文存储、日志管理.具体功能设计为：

通信侦听点管理：记录各个报文侦听点的位置、报文格式、日志存储空间设置等操作.

通信报文接收：根据侦听设备PPDU的报文格式，进行接收报文的解析.

通信报文处理：根据侦听设备过滤器的设计，对不感兴趣的报文进行过滤.

通信报文存储：根据日志存储空间的设置，将需要记录的报文存储到响应的存储空间.

通信日志管理：对已经存储的通信日志进行管理，包括删除、添加、分析等.

3.2.7 通信评价软件

对当前网络拓扑环境、当前测试用例、通信活动进行评价，评价功能包括通信功能评价、通信性能评价、业务支撑能力评价.具体功能为：

通信功能评价：评估待测设备在网络组织、维护、路由变更等方面功能实现的正确性和有效性.

通信性能评价：评估待测设备在设定的衰减、噪声条件下的通信效果.

业务支撑能力评价：评价待测设备对当前测试用例的业务执行能力.

4 结 论

提升多表合一采集系统检测能力，有利于为多表合一采集技术标准指标限值提供数据参考以及复现现场故障环境及故障分析研判.本文详细描述了仿真测试平台的系统架构、硬件平台设计与软件平台设计.仿真测试系统能够实现在实验室中模拟各种噪声、衰减及拓扑环境，模拟各种用能用户负载条件，针对不同通信技术进行方案应用效果评价.对于更加全面落实面向多表合一采集的实验室能力建设，进一步提升多表合一采集的智能终端功能检测能力及通信技术模拟测试能力具有重要意义.