用电信息采集本地通信模块的组网测试系统设计

张喆 刘伟 王贤辉 肖德勇 李铮

（北京智芯微电子科技有限公司 北京市 100192）

电力系统是国家关键基础设施，是人民生活的基本需求。以前供电局收取电费，要靠人力去各户查抄每个电表，不仅是浪费人力、打扰居民生活，而且效率不高。随着科技发展，供电设备改进，现在供电局可以在控制中心，通过用电信息采集系统远程抄录用户的用电信息和收取电费，而其中的通信技术显得尤为重要。

目前，电力系统的通信技术，普遍采用的是电力线载波和微功率无线两种通信方式。而电力线载波通信技术在抵御台风、洪涝等自然灾害方面,电力线特有的机械特性以及不易受外力破坏的特点,是其他通信媒介无法比拟的，所以其作为电力部门特有的通信资源，在实际使用中应用的更为广泛，占比达到90%。

电力线载波通信模块负责智能电表的本地载波通信。其实际工作环境比较复杂，而一般测试系统提供的测试环境相对简单，有时出厂检测通过的通信模块，在实际使用时会发生无法通信情况，影响电力信息的数据采集。那么如何让测试环境贴近实际使用环境的，从而有效的测试通信模块显得尤为重要。

本文详细介绍了一种贴近实际使用环境的测试系统屏蔽箱连接方案，此系统不仅能够大规模的测试通信模块，还能够尽量贴近真实的用电环境，为载波通信模块的实际环境中的工作状态提供验证途径，对建设稳定的智能电网具有重要意义。

1 本地通信模块组网测试系统架构

本地通信模块测试系统其结构图如图1 所示。

图1： 本地通信模块测试系统结构

其中，被测对象为集中器的本地通信模块（CCO）和电表的本地通信模块（STA）。测试软件运行在测试系统的工控机中，主要功能是控制系统中的硬件设备对被各测通信模块进行应用测试，比如组网、抄表、校时等测试项目。而测试系统的各个硬件设备搭建起来的平台，用来模拟实际使用环境。主要硬件包括：测试系统工控机、交换机、主节点屏蔽箱、子节点屏蔽箱、程控衰减器（见图2 中详细说明）、噪声信号源、频谱分析仪等。

图2： 程控衰减器连接示意图

（1）测试系统工控机：运行测试软件，测试软件主要通过工控机的网口接收、发送数据，控制各仪器设备来完成各项测试。

（2）交换机：测试系统工控机与各个硬件、仪器设备通信的中转站。

（3）主节点屏蔽箱：存放被测CCO 模块的屏蔽箱，与各子屏蔽箱直接靠射频线通信。屏蔽箱主要作用为在测试时为被测模块提供一个无干扰的环境，提高测试准确率，其内部引入220V 强电，将射频线上的信号耦合到强电上，再接到被测通信模块上，使其能尽量按实际使用情况工作。

（4）子节点屏蔽箱：存放被测STA 模块的屏蔽箱，其内部结构类似主节点屏蔽箱。每个子屏蔽箱可以放入若干STA，同时进行测试。本测试系统拟定模拟一个台区400 个电表的使用场景，那么测试系统子节点屏蔽箱有20 个，每个屏蔽箱可放20 个被测STA。

（5）程控衰减器：用来模拟实际环境中在线路传输上的信号衰减情况，其位置是在每个屏蔽箱之间的射频线上，如图2 所示。简单来讲，通信信号从一个屏蔽箱传出，都要经过程控衰减器再进入下一个屏蔽箱。这样可以通过设置程控衰减器的衰减值来改变网络拓扑结构，组成链型、星型、树形等结构，这样才能模拟实际中的通信网络的各种情况。

（6）噪声信号源：用来生成实际应用场景中影响通信信号的干扰噪声。测试软件通过网口控制噪声信号源，在测试时生成需要的噪声，通过射频线注入到测试系统中。测试时通过改变信号源的干扰噪声大小，来验证不同信噪比下通信模块的最远通讯距离、接收可靠性，接收解调性能等性能参数。

（7）频谱分析仪：检测通信射频线上的信号强度。

综上所述，在有各种噪声注入的情况下，通过设计测试系统中各屏蔽箱之间的连接关系，在各连接通路上加入衰减，形成各种拓扑结构，可以尽量模拟通信模块在实际工作时的环境，使测试结果更加可靠更有实际意义。所以，如何设计屏蔽箱之间的连接方案以实现各种模拟真实现场环境的拓扑结构是测试系统非常重要的一个环节。下面将详细介绍一种屏蔽箱连接和组网拓扑结构设计方案。

2 屏蔽箱连接和组网拓扑结构设计与实现

2.1 总体设计方案

根据上述测试的规模，测试系统包含了1 个主节点屏蔽箱和20 个子节点屏蔽箱。一种此测试系统屏蔽箱的连接方案，如图3 所示。

图3： 屏蔽箱连接图

图3 中，中间的红色方框为主节点屏蔽箱，圆圈为子节点屏蔽箱，长方块代表程控衰减器，屏蔽箱与程控衰减器间用射频线连接。这种屏蔽箱的连接方式有别于其他测试系统的链式串联结构，属于多分支的网状连接方式。在不需要信号传输的路径上将程控衰减器值设为最大，在需要信号传输的路径上将衰减器设置为合理值，这样通过改变各个程控衰减器的值，就可以组成需要的网络拓扑结构。下面详述这种屏蔽箱连接方式的几个优点。

2.2 线性组网拓扑结构设计

国网标准宽带载波通信互联互通技术规范中对载波STA模块规定最大可以支持15 层级组网，所以载波模块的测试系统都需要可以组成15 层网络的测试环境。一般测试系统都会有至少15 个子节点屏蔽箱组成串行结构，来达到15 层级的组网环境。而本屏蔽箱连接方案可以更为灵活多变的达到15 层级组网环境。

如图4 所示，红色线是衰减值为合理范围，信号可以通过的路径，而黑色线是衰减器设置为最大值，信号不能通过的路径（为显示的更加清晰，原连接图中的程控衰减器已省略）。从主节点屏蔽箱开始，信号按顺序经过7、4、2、1、3、6、9、11、12、15、18、20、19、17 号子节点屏蔽箱，到达14号子屏蔽箱，通过设置线路上的衰减值，让每个子节点屏蔽箱的被测载波模块都处在上一个屏蔽箱内模块的下一层级，而14 号子节点屏蔽箱正好处在第15 层。这样能很轻松的组成一个15 级层级的组网拓扑结构。当然，也可以随意改变拓扑结构，测试其它子屏蔽箱的载波通信模块在15 层级是否可以正常通信，如图5 所示，组网拓扑结构是让3 号子屏蔽箱处在第15 层级。

图4： 15 层组网屏蔽箱连接图一

图5： 15 层组网屏蔽箱连接图二

由此看出，这种子屏蔽箱的连接方式可以灵活多变的组成各种15 层级的组网结构。此连接方式还可以减少拆装测试模块的工作量，大规模的载波通信模块测试，一般都是上百个模块一起进行组网抄表测试，一般串行结构的屏蔽箱连接方式，如果想更换第15 层级的被测模块，需要人工将屏蔽箱内的模块都卸下，再装入其他被测模块。而这种多分支的网状连接方式，可以装入所有测试模块，通过更改程控衰减器的值来控制信号通过的路径，将被测的通信模块所在的子屏蔽箱置于想要的层级上，这样省去了频繁更换被测模块的人力和时间成本，提高工作效率。

2.3 模拟现场组网拓扑结构设计

在实际电力系统中，集中器的CCO 通信模块是工作在380V 强电下，并且同时接入A、B、C 三相强电，而单相电表上的STA 通信模块是工作在220V 强电下，接入三相电中任意一相强电。正常来说，一个集中器下管理着若干个用户电表，从集中器出来的三相电，每相电下都挂有若干电表在工作。而现在大多数的载波通信模块测试系统，屏蔽箱内都是射频线连接被测STA，在弱电环境下测试。或者，有的测试系统在屏蔽箱内只接入某一相强电，所有子节点屏蔽箱内的单相被测载波模块STA 全部在同一相强电下工作，可见这样的测试系统环境并没有贴近实际中的工作环境。

而本测试系统设计将三相强电同时接入子节点屏蔽箱内，并将进入屏蔽箱的射频信号耦合在强电上，测试时根据需要将屏蔽箱内的被测STA 挂在某相强电下进行测试。这样可以使系统的整个测试环境更加贴近实际。有三相电参与的测试系统环境示意图，如图6 所示。

图6： 三相电测试环境示意图

从图6 可以看到，通入A 相电的子节点屏蔽箱为8、6、9、11、12、10 共6 个屏蔽箱，通入B 相电的子节点屏蔽箱为13、15、18、20、19、16 共6 个屏蔽箱，通入A 相电的子节点屏蔽箱为7、4、2、1、3、5 共6 个屏蔽箱。这样三相强电下每路强电都有被测模块STA 在工作，可以同时测试主屏蔽箱内的被测CCO 在三相电每相上的通信能力，也可测试在三路通信都同时存在的情况下，CCO 的工作稳定性。这样设计的测试系统更为贴近集中器和电表实际工作环境。

2.4 组网拓扑结构的可扩展性设计

目前来说，电力标准要求载波通信模块最高可以在15层级的组网环境下通信，那么未来电力技术进步，可能会要求通信模块可以在更高层级状态下通信。那么本屏蔽箱连接设计方案，可以搭建最高19 层级的组网环境，为可能需要更高层级组网环境的测试提供了扩展性。

如前所述，电力系统存在两种通信方式，电力线载波和微功率无线通信方式载波和无线，虽然微功率无线通信目前使用较少，但是有着逐渐增多趋势。对于微功率无线模块，国网标准对其要求是最大可以实现7 级组网。如果利用本测试系统，增加屏蔽箱内无线信号的线路，将测试系统改为既可测试载波STA 模块又可测试无线STA 模块，利用此屏蔽箱的接线方案，可以组成任意路径的7 级无线STA 组网拓扑结构。同时还可以测试载波STA，为以后双模模块的测试提供了可扩展性。

在现实的生活中，大多数住宅用户都使用单相电表进行计费，而小区内的电梯或商铺等用电需求较大的地方，都使用三相电表进行计费。一般来说生活小区的一个用电台区内，除了大量单相电表以外还会有少量的三相电表。为了贴近这种台区实际情况，测试系统内还应有安装三相载波通信被测模块的位置，进行单相STA 和三相STA 一起工作的综合测试。一般链式串联屏蔽箱的测试系统，只能将安装三相STA的屏蔽箱放在拓扑的第一层级或最后一层级，组网不灵活。而本设计方案中的子屏蔽箱已经接入了真实的三相电，只需将需要安装三相STA 的子节点屏蔽箱内的测试工装，更换为三相通信模块的工装，三相STA 模块就可以正常工作，并且可以改变网拓扑结构，将被测三相STA 子节点屏蔽箱置于任何想要的层级上，不需要额外为了三相STA 再多设计一个通三相强电屏蔽箱，而改变整个屏蔽箱的连接方案。

3 结束语

本文提出了一种用电信息采集本地通信模块的组网测试系统设计方法，首先简单介绍了电力系统里的用电采集的通信方式，然后介绍通信模块测试系统的功能结构，最后提出一种更贴近实际的测试系统屏蔽箱连接方案和组网拓扑结构实现方法，详细介绍了该方案的优点，这种连接方案改变了传统测试系统单一化的情况。让测试系统更加贴近电力系统的实际工作环境，减少了大规模通信模块测试时间和人力操作的难度，提高通信模块测试的有效性和可靠性，对建设智能电网具有重要意义。