0 引言
国家电网公司正全面推进“三型两网”建设，泛在电力物联网的建设应用是其核心任务，其中，在网络层重点推进电力无线专网和终端通信建设，增强带宽，实现深度全覆盖，满足新兴业务发展需求。国家电网公司已获得工信部无线电管理委员会223.025～235.000 MHz频段280个离散频点共7 MHz的授权，在12个省31个地市覆盖1.4万平方公里范围内接入终端20万套，接入配电自动化“三遥”、精准负荷控制等重要业务，有效解决光纤敷设难度大和成本高区域的业务接入问题，满足多样化、泛在化、智能化、规模化电网末端设备的接入需求，全面支撑泛在电力物联网建设和公司发展[1]。
电力无线专网可采用230 MHz和1 800 MHz两种技术体制，工信部无管局授权国家电网公司使用230 MHz频段资源后，原则上不再批复1 800 MHz频率资源，同时经挂网测试，230 MHz技术体制能够满足电力控制业务需求，建网成本较低。目前，230 MHz技术体制有“LTE-G 230 MHz”和“IoT-G 230 MHz”两套电力无线专网标准规范，LTE-G 230 MHz系统产品已通过试点验证，IoT-G 230 MHz的基站和核心网产品已完成认证与实际部署，业界首款IoT-G 230商用终端模组eM600也于2019年3月发布，230 MHz电力无线专网产业生态已初步形成，实现全系列、标准化设备规模化供货[2]。
电力无线专网远程通信终端广泛应用在电力输电、变电、配电、用电等业务中，实现了电力终端设备的通信接入功能。本文基于嵌入式系统研制了LTE-G 230电力无线专网远程通信终端，兼容不同业务流程和通信接口，通过终端性能测试和业务接入测试，验证了终端运行稳定性和可靠性[3]。
1 LTE-G 230 MHz通信系统概述
LTE-G 230 MHz电力无线通信系统是利用TD-LTE先进无线通信技术，结合电力业务开发的专用无线宽带通信系统，具备电力业务所需的广覆盖、大容量、高可靠、安全性强、灵活易扩展等特性，可广泛应用于用电信息采集、配电自动化、输变电状态监测、分布式能源、现场视频监控、电动汽车充电站/桩等业务。该系统主要由230远程通信终端(230终端)、基站、核心网以及网管构成，如图1所示[4-6]。
(1)230终端：230终端上行与基站通信，下行与电力设备通信，主要接口包括串口、以太网口、IO口等，实现业务数据采集与传输，以及控制信息下发等，分为外置式终端、嵌入式终端和移动终端。
(2)基站：通过空中接口与230终端通信，负责资源调度和接入控制等，可分为宏覆盖基站、中等覆盖基站和本地覆盖基站。
(3)核心网：介于业务平台和无线接入网络之间，实现业务数据传输，接入网络控制管理等功能。
(4)网管：主要实现网络状态监控、网元配置管理和运维。
2 远程通信终端设计
2.1 总体架构设计
远程通信终端采用模块化设计思想，按照功能可划分为ARM主控单元和LTE-G 230通信模组两部分，两者通过串口协议通信，软硬件都相互独立，如图2所示。ARM主控单元一方面提供对外接口，包括串口、网口等，与电力设备通信，可根据“嵌入式终端”和“外置式终端”的型式不同，改变对外接口数量和型式，另一方面通过串口与通信模组进行数据与控制交互；通信模组上行通过空口与基站实现无线通信链路的建立与维护，下行通过串口与ARM主控单元实现数据交互。
ARM主控单元采用国产嵌入式ARM芯片GD32F450，该芯片是基于ARM Cortex-M4处理器的32位通用微控制器，运行嵌入式实时多任务μC/OS III操作系统，使得程序设计可以分为不同实时任务，实现通信终端的多任务处理机制，并支持LWIP协议栈，实现TCP/IP协议解析。LTE-G 230通信模组采用自研“国网芯”SGC3103，该芯片是国内首款针对230 MHz频段研发的具有自主知识产权的芯片，主要由DSP、内部eDRAM、Cache、外设、中频处理单元组成，实现物理层、业务面、控制面软件；射频部分主要完成上行方向基带信号的数模转换、滤波、上变频、功率放大等功能，下行方向空口射频信号的低噪声放大、下变频、滤波、模数转换等[7-8]。
2.2 硬件设计
LTE-G 230远程通信终端硬件主要包括主控单元、通信模组、电源单元以及外围接口单元，如图3所示。
(1)主控单元：采用ARM芯片GD32F450，内置1 MB容量Flash、256 KB容量SRAM、4个TTL电平串口、1个RMII网口。其中串口1与通信模组调试串口通信、串口8与通信模组业务串口通信、串口4为远程通信终端调试口、串口7与电力设备通信，为了方便运维和现场调试，串口4和串口7连接同一个串口DB9接口的不同引脚，共用一个DB9。
(2)通信模组：采用自主研发的“国网芯”SGC3103，国网芯集成了DSP处理器、基带处理单元、中频处理单元，通信模组内置Flash、射频处理单元、2个TTL电平串口。其中串口1与主控单元的调试串口1通信、串口2与主控单元的业务串口8通信。
(3)电源单元：电源输入采用DC 12 V供电，具有正负极防接反功能；内置EMC防护模块，防护等级EMC4级；电源转换模块将DC 12 V按需转换为DC 5 V和DC 3.3 V。
(4)外围接口单元：外围接口包括①电力业务串口RS232，对于外置式终端，通过芯片MAX3232与主控单元串口7连接，实现电平转换，对于嵌入式终端，直接与主控单元串口7连接，如图3中虚线所示；②调试串口RS232，通过芯片MAX3232与主控单元串口4连接，实现电平转换；③电力业务网口，通过PHY芯片LAN8720Ai与主控单元RMII网口连接；④JTAG调试口，与主控单元连接，实现ARM在线程序调试与烧写功能；⑤LED指示，提供终端状态指示灯功能，便于观察串口和以太网的数据传输状态，以及通信模组网络连接状态等；⑥LTE天线，采用50 Ω微同轴射频连接器，使用频率范围覆盖DC~2 GHz。
硬件电路采用4层PCB板，对同一模块或芯片的多条数据信号线采取群组走线的策略，优化信号质量，外置式和嵌入式终端硬件电路如图4和图5所示，根据终端使用环境要求和标准规范，进行终端外壳工业化防护设计，外置式终端和嵌入式终端的整体结构如图6所示。
2.3 软件设计
在软件设计方面，通信终端可分为ARM主控单元和通信模组两部分，各包括驱动与网络协议层、操作系统层以及应用软件层，如图7所示。
驱动与网络协议层提供串口、网口、GPIO等硬件相关驱动程序；操作系统层主要完成多任务调度管理、中断管理以及内存管理等功能，ARM主控单元采用μC/OS III操作系统，通信模组采用Nucleus操作系统；应用软件层采用多任务模块化设计，主要实现电力业务识别与控制、AT指令解析、数据处理以及I/O口管理等功能，同时具备远程升级和看门狗等运维功能。
模块化设计可以针对数据采集类、远端控制类、移动接入类、视频类等电力业务差异化需求，灵活重定义应用层功能，实现远程通信终端的“容器化”和快速开发，以用电信息采集业务为例，其软件功能设计如图8所示。业务控制任务与集中器通信，并管理其他任务，包括AT指令解析任务、I/O管理任务、远程升级任务等；AT指令解析任务判别集中器的工作模式，PPP模式执行PPP协议与通信模组交互，国网模式经TCP/IP协议后，通过虚拟网卡与通信模组交互；I/O管理任务与通信模组直接交互数据，经业务控制任务后与集中器交互数据，并控制指示灯；远程升级任务经通信模组空口接收数据，数据处理后升级ARM主控单元固件，而通信模组的升级数据需要经过TCP/IP协议栈解析后返回给通信模组，实现固件升级；看门狗实时监控各个子任务的运行状态，任何一个任务出现错误都会重启终端并上报错误信息。
3 终端电气性能测试
根据国家电网公司企业标准230 MHz电力无线通信系统测试规范的要求和方法，进行远程通信终端的电气性能测试，主要测试内容和结果如表1所示，该终端的电气性能可满足规范要求。
4 终端业务接入测试
以用电信息采集业务为例，对本文设计的嵌入式远程通信终端进行用采业务的规约功能和适配性测试，测试环境如图9所示。
测试一次抄收和遥控正确率，步骤如下：
(1)将嵌入式终端安装在集中器内，二者通过TTL串口通信，电脑端运行用电信息采模拟主站，与核心网连通；
(2)集中器开机，启动远程通信终端，正确配置通信终端和系统侧的相关参数，完成无线通信连接建立过程；
(3)模拟主站发出数据召测命令，记录数据采集命令下发是否正常，数据上报是否正常，如图10所示；
(4)主站发出控制命令，记录控制命令下发是否正常，控制操作是否生效；
(5)分别重复步骤(3)和步骤(4)50次，统计测试结果。
测试过程中无掉线中断现象，测试结果为一次抄收成功率100%，遥控正确率100%。
5 结论
本文针对230 MHz电力无线专网，基于嵌入式系统研发了电力无线专网远程通信终端。首先，概述了230 MHz电力无线专网应用现状，针对电力业务需求，介绍了LTE-G 230 MHz通信系统的构成和通信终端在系统中的作用；然后，在总体架构设计基础上，分别从硬件和软件介绍了远程通信终端的设计与功能开发；最后，开展了终端电气性能测试和用采业务功能测试。经测试表明，本文设计的远程通信终端可满足标准规范的性能指标要求，满足电力无线专网的通信需求，通过了用采业务功能性测试。后续工作将继续开展其他性能指标的测试，以及配电业务的规约和适配性功能测试，验证远程通信终端在各类电力业务的承载能力。
参考文献
[1] 赵宏昊，毕庆刚，卢斌，等.电力无线专网在智能电网中的创新应用[J].电力信息与通信技术，2019，17(1)：110-115.
[2] 王继业，赵东艳，原义栋，等.电力无线专网中基于频谱检测的SDR技术[J].电子技术应用，2017，43(4)：102-106.
[3] 吕超，赵高峰，马涛，等.面向电力业务的LTE无线专网通信终端设计与实现[J].电工电气，2018(5)：27-31.
[4] 闫成超.基于LTE230的电力无线通信专网分析[J].通信电源技术，2018，35(7)：169-170.
[5] 李飞，王鸿玺，杨鹏，等.用电信息采集系统无线专网与无线公网通信技术的比较分析[J].河北电力技术，2017，36(4)：5-8.
[6] 蔡根，张健明，杨大成.TD-LTE电力专网230 MHz与1.8 GHz的研究[J].软件，2015，36(12)：83-88.
[7] 陈立志，张宏，张树华，等.230 MHz无线专网终端芯片的设计技术研究[J].数字通信世界，2016(9)：325-333.
[8] 王于波，张树华，赵东艳.230MHz电力频段专用LTE基带芯片设计[J].电子技术应用，2015，41(1)：46-49.
作者信息:
王兴涛，赵训威，付海旋，李金安，丁高泉，吴 庆，李温静
(国网信息通信产业集团有限公司，北京102211)
