电力物联网分布式通信设备仿真配置系统设计

庞振江，薛斌斌，高文俊

（北京智芯微电子科技有限公司，北京 102299）

随着现代信息技术的快速发展，新型通信技术已经在智能电网中得到了广泛应用[1]。通信网关的主要功能是用于协议转换，其在发电站、变电站自动化系统中所起到的作用越来越突出[2]。由于各网关通信接口的日益增多，其对通信设备的配置效率也提出了更高的要求。

当前使用的基于系统层次模型的通信设备仿真配置系统主要由装置层、接入层和主站层组成。装置层中配置各种通信设备，接入层负责连接设备终端，主站层作为通信中心。使用该系统虽然能够获取远端数据，但过分依赖计算机控制，导致系统在偏远地区的恶劣环境下难以获取有效的通信信息；基于协议模型的通信设备仿真配置系统主要由下层通信协议和上层应用协议组成，各个层次间协议既能独立工作，又能协调工作。然而，该系统应用的协议是自定义的，在偏远地区的恶劣环境下同样难以获取有效通信信息。针对上述问题，设计了电力物联网分布式通信设备仿真配置系统。

1 系统硬件结构设计

通信设备模拟配置系统是在完成有效通信的基础上，通过调度员发出的各种指令完成信息传递[3-5]。将不同的供电方式和馈线自动化系统匹配，可以提供实时定位检测、隔离和恢复功能[6-8]。在此基础上，对设备运行状态进行实时监测，根据实际情况合理调整负荷和电容的输入[9]，有效地保证了电能质量。该系统的硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

图1 中，系统硬件结构由传感器、开关、继电器、DA 转换器、LCD 液晶显示屏等组成。硬件部分充分利用高级语言，在多任务操作系统上执行通信任务，为通信设备仿真配置提供分布式电源板和通信接口，并通过48 英寸液晶显示屏完成数据的实时显示[10-11]。

1.1 通信接口

高效的通信协议是保证通信可靠性的必要条件。在分布式通信系统中，单片机具有唯一标识码[12]。在开始通信后，单片机通过接听PC 机电话判断其是否拥有识别号。如果有的话，发出呼叫应答信号，否则不予应答。当上位机接收到信号后，再向主机发送通信指令。利用识别号可以判断主机是否发出了指令。上位机将命令码发送到下位机。

为了防止数据传输被干扰，命令发出后将显示停止标志[13-14]。利用单片机对接收到的数据的奇偶性进行检验，然后将数据写入内存中。如果不能确认，则显示发送错误，此时单片机会重发数据。

1.2 ST7538电力载波芯片

电力线载波通信具有方便快捷、解调纠错和维护费用低廉等优点[15]。当前，ST7538 型调节芯片是用24 位可编程寄存器来实现的，其可以增强载频。ST7538 电力载波芯片结构如图2 所示。

图2 ST7538电力载波芯片

ST7538 电力载波芯片具有功能强大、核心发送和接收等功能。利用串行通信可实现ST7538 电力载波芯片与微处理器、单片机、变压器等的连接，从而实现网络传输和信息安全的控制[16]。在发送或接收数据之前，需合理设置ST7538 的控制寄存器参数，以此来满足控制寄存器的配置需求。在配置控制寄存器后，可以通过读取其端口数据来检验其工作状态，从而判断配置是否合理。

1.3 传感器

传感器是以AT82RM7500 单片机为核心的，其结构如图3 所示。图3 中，微处理器通过外围硬件串口和数据库的配置方式来实现对数据的处理和控制，从而快速提升系统性能[17]。微处理器中设有100 M以太网接口，能够满足远程信息传输的需要。网络节点由数据采集、预处理和传输单元组成，处理后的数据通过不同单位之间分工协作的方式，传送给各个汇聚节点。

图3 AT82RM7500微处理器

1.4 继电器

继电器结构如图4 所示。

图4 继电器结构

当继电器工作时，线圈内部和外部均产生电压，由此形成电磁效应。依据电磁效应可实现触点闭合，从而有效控制电路的启动与停止。

1.5 LCD液晶显示屏

LCD 液晶显示屏能利用统一的程序处理外围存储器中的具体数据。LCD 液晶显示屏结构如图5所示。图5 中，通过LCD 模块对接收到的信号模式进行转换，输出LCD 固有模式的信号。LCD 液晶显示屏结构中的芯片能提供二级缓存，并显示主显示器所传输的数据。一级数据则通过内置LCD显示。

图5 LCD液晶显示屏结构

2 系统软件部分设计

2.1 通信周期确定

如果在一个通信周期内至少存在一条通信信息，并且在长时间传输周期内没有成功传输通信信号，那么则认为该通信系统是非活动性系统，此时通信空闲周期T应大于信号传输最长周期。

计算最短传输周期，其公式为：

式中，表示通信节点周期；Tr表示空闲状态下的理想通信周期；g表示通信信息的数量。

2.2 物联网分布式通信数据防篡改设计

当通信用户首次访问系统时，在登录页面输入用户名和密码，按照如下公式进行加密处理：

式中，pubs 表示通信服务器认证的公共密钥；rpubs{}表示通信设备防篡改信息的加密处理内容；ID表示通信地址；ts表示时间戳；wj表示登录密码。

物联网分布式通信数据防篡改流程如图6 所示。为了避免数据库中出现异常数据影响通信效果，需对传输数据进行加密处理。如果密钥正确，表示数据未被篡改；如果密钥错误，则表示数据已被篡改。

图6 通信数据防篡改流程

2.3 通信流程设计

在设计通信流程时，应考虑高效率运行的问题。在强实时状态下，使控制对象的动作状态和响应处于优先关闭状态，从而使得通信设备及其他辅助操作所需的CPU 时间最少。按照单片机通信处理的要求，可分为三个阶段：

阶段1：接收中断处理程序。接收中断处理程序主要用于PC 机发送或接收缓冲区的数据，为减少中断占用的时间，该程序不会对数据进行实时处理，而是在收到指定字符数或者某个时间段内没有后续数据时，接收缓冲区处理数据通信的信号，并请求处理器进行处理。

阶段2：发送中断处理程序。发送中断处理程序负责将数据发送给PC 机。在执行通信任务时，发送中断处理程序仅将数据发送给单片机缓冲区，并按允许的方式发送中断，在发送中断后开始工作，然后从缓冲区逐个发送数据到PC 机。在完成对指定数据的发送之后，发送中断处理程序将关闭发送中断处理程序。如果发送缓冲区为空，则其将被通信处理程序重新打开。

阶段3：通信处理程序。为了避免通信过程中出现的CPU 过分占用内存的问题，需在处理过程中根据主机接收到的数据串，将其标记为“打开”状态，否则为“闭合”状态。这种方式能够有效避免占用大量等待时间，从而降低CPU 的占用率。

3 仿真实验

为了验证所设计的电力物联网分布式通信设备仿真配置系统的合理性，设计如下仿真实验。

利用虚拟化服务模式搭建X86 平台实验装置，分析基于系统层次模型通信设备仿真配置系统（传统系统1）、基于协议模型的通信设备仿真配置系统（传统系统2）和该文设计的电力物联网分布式通信设备仿真配置系统（该文系统）的通信信息和通信周期。

针对通信信息正确性这一指标，分别使用三种系统对1 h 内的外界攻击方式下的信息篡改情况进行对比分析，结果如表1 所示。

表1 不同系统下的信息篡改结果分析

由表1 可知，使用该文系统能够有效防止信息被篡改，而应用两种传统系统难以保障通信链路安全，导致信息易被篡改。

在此基础上，分别使用三种系统对通信周期设定情况进行对比分析，结果如图7 所示。

图7 三种系统通信周期对比分析

由图7 可知，使用传统系统1 后，在接收中断时，通信周期与理想情况下相差25 ms；使用传统系统2后，在接收中断时，通信周期与理想情况下相差最大，为37 ms；而使用该文系统与理想周期较为接近，充分证明了该文系统的有效性。

4 结束语

该文系统在硬件结构中采用了ST7538 芯片，其是一种性能良好的窄带电力线调制解调器芯片，具有载波监听功能，可以实现多频选择性通信，防止攻击和非法入侵，保证电力物联网分布式通信的高效率和安全稳定。

尽管该文系统功能齐全、性能优良，但在软硬件设计方面还存在一定的不足，需要不断改进和完善。从协议的角度来看，在今后的研究中，可以使用分簇算法来减少路由开销，在节省经济成本的同时进一步提高网络性能。