2021-4-9 | 无线通信论文
作者：陈华霖 陈海昆 吴爱军 唐明瑜 单位：上海市电力公司松江供电公司 上海资和通信科技有限公司
操作简易性不够传统的柱上断路器操作繁琐，通过拨码开关整定数据不直观，容易引起操作失误；在新型柱上断路器的控制器上，虽然配备了多种式样的手持设备，由于此类掌机大多不采用友善的图形化界面的实时操作系统做平台，会使维护人员入门难，且安全认证机制不充分，容易造成维护时操作错误，从而影响配电线路的正常运行，对客户的生产和生活带来影响。缺乏故障数据下载功能传统的柱上断路器、现役新型柱上断路器控制系统无法纪录故障波形数据，只有少数支持故障录波功能的，手持设备依然缺乏数据下载功能，因此无法实现故障的回溯分析，也就无法有针对性的对配电线路的建设和运行进行优化。随着配电网建设的推进，电网规模的不断扩大，复杂程度的日益提高，客户对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高，这就要求供电公司以更高标准和更快的速度去维护和处理配电网发生的故障。同时，为了有效推进智能化配电网的建设，实现架空线的环网控制、故障隔离和线路优化都变得愈发重要。上述问题的解决，均依赖于柱上开关智能化管理控制系统的实现，掌机终端作为智能化柱上开关系统的重要组成部分，对掌机终端的研发也就变得愈发重要与紧迫。
现场掌机终端的解决方案
为了解决上述问题，可通过掌机终端对配电线路中的柱上开关及控制系统进行近距离监测和无线操控，如图１所示。通过掌机终端可以整定开关的相关参数，实时显示配电线路中柱上开关的分合闸状态，显示负荷电流、零序电流等相关电能质量参数，读取录波数据的功能。为了实现上述功能，需要利用嵌入式软硬件的设计方法，还需要利用电力电子技术、无线通信技术、电力继电保护技术等相关交界技术。
１选择４３３ＭＨｚ无线通信方式针对上述无线接口的缺失和现场操作的安全性来说，需要选择一种适合于柱上开关掌机终端的无线通信方式。目前，国内外无线领域较受关注的技术主要有：红外通信技术、蓝牙、ＺｉｇＢｅｅ，Ｗｉ－Ｆｉ，通用分组无线服务技术、频移键控技术（ＦＳＫ）和幅移键控调制技术（ＡＳＫ）等，无线技术纷繁复杂，并非每种技术都适合于柱上开关掌机终端。由于红外通信技术存在通信距离短、没有移动性、传输有方向、速率较低，故不合适；蓝牙技术受制于传输距离较短（１０ｍ左右）、功耗相对较高（１００ｍＷ左右）等问题，故不合适；ＺｉｇＢｅｅ的穿透性不强，技术不理想，故不合适；Ｗｉ－Ｆｉ发射功率大（超过１Ｗ），成本高，主要用于民用，故不合适；ＧＰＲＳ用于远程传输，功耗较大，适合于设备与数据主站应用，故不合适。只有基于ＦＳＫ和ＡＳＫ技术的射频技术，不仅功耗较低，通信距离较远，抗干扰能力好，穿透力强，在配电网现场通信方面具有特有的优势，故选择基于ＦＳＫ方式的４３３ＭＨｚ小无线通信作为传输手段。
２采用可视化图形客户界面为了实现操作简易，维护人员入门便捷，需要一个图形化的界面。在常见的ＰＤＡ等小型手持式终端上，由于ＰＤＡ自身硬件条件的限制，以及无线传输模块功耗与体积的限制，通常工业客户的无线掌机界面都非常简单和文字化，几乎看不到类似ＰＣ机的美观界面。随着电子技术的不断发展，在掌机上嵌入热插拔式的无线传输模块已成为可行的方案，并且还得到ＰＤＡ的图形客户界面支持。因此，掌机系统采用通用性、兼容性较好的客户平台，屏弃了烦琐的纯文字化界面。
３引入安全管理机制为了进一步保证操作的安全性，减少现场误动作，以及提高数据传输过程中的完整性和安全性，引入了各种安全机制。比如：柱上开关系统与掌机之间传输的数据，在原有一套传输协议之外，加一层无线传输协议，使数据本体更为隐蔽和安全，而且数据本体和协议各有校验方案，使数据出错的概率大为降低，提高了掌机终端通信过程的稳定性和安全性。又如：掌机软件控制系统引入客户和密码管理机制，只有高权限的客户才可通过掌机终端操控智能化柱上开关，屏蔽了未被受权人员的意外操作，在提高线路安全运行的同时，也方便供电公司集中管理。
掌机终端功能的实现
掌机终端是智能化柱上开关系统的组成部分之一，要实现掌机应有的功能，需要实现终端硬件和终端软件两大部分。
１掌机终端硬件实现掌机终端硬件主要依托于ＰＤＡ和笔记本计算机的标准的ＰＣ卡总线接口（传输速度接近于总线速度），并支持热插拔的ＰＣＭＣＩＡ接口转４３３ＭＨｚ小无线接口卡和ＰＤＡ终端两部分组成，通过ＰＣＭＣＩＡ接口连接在一起，如图２所示。ＰＣＭＣＩＡ无线接口卡插入ＰＤＡ终端的ＰＣＭＣＩＡ接口卡槽后，ＰＤＡ自动识别ＰＣＭＣＩＡ无线接口卡，完成驱动程序安装后，通过ＰＣＭＣＩＡ接口交换数据或通信。１）ＰＣＭＣＩＡ接口转４３３ＭＨｚ小无线接口卡由ＰＣＭＣＩＡ接口模块与无线传输模块构成，分别制作了专用通道，通过串行口通信。ＰＣＭＣＩＡ接口模块将来自ＰＤＡ的数据转换成串行数据发送至无线传输模块，由无线传输模块通过４３３ＭＨｚ的ＦＳＫ无线信号传输至柱上开关控制器。这是数据发送的传输顺序，而数据接收的传输顺序则相反。２）ＰＤＡ终端ＰＤＡ终端是接口卡和应用软件的软硬件载体，其硬件配置至关重要。基本配置由主频为３１２ＭＨｚ的ＣＰＵ，６４Ｍ的内存，１９２Ｍ的固态硬盘，ＰＣ卡接口，触摸屏组成，预装Ｗｉｎ－ｄｏｗＭｏｂｉｌｅ５．０系统［２］，电池续航时间超过４ｈ。开发的掌机应用软件安装在ＷｉｎｄｏｗＭｏｂｉｌｅ系统上，通过ＰＣＭＣＩＡ接口与接口卡交互，接口卡再与柱上开关控制器通信，从而实现掌机与柱上开关控制器间的通信。
２掌机终端软件实现掌机终端软件是一种基于ＷｉｎｄｏｗＭｏｂｉｌｅ操作系统的嵌入式软件，采用面向对象的Ｃ＃语言和采用具有图形化绘制界面的ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＩＤＥ进行编程，使程序设计过程更加自然、更加直观、更加方便，使维护难度减低并且给软件的扩展提供了支持。掌机终端软件采用分页式的布局方式设计，软件界面功能分布合理，操作方便，容易使用，并且有效提高了掌机终端操作的准确性。１）软件的总体流程如图３所示，在掌机终端软件的操作界面中，输入相应的用户参数和固定命令（如整定值参数、时间信息、串口参数、通信地址参数、查询命令等），提交后，软件会判断数据的合法性，只有合法的数据才被传送至户外柱上断路器。断路器解析运算后，返回一组应答帧，完成一次完整的数据传输过程。若应帧错误或者等待帧超时，软件发起新一轮的发送，重发多次仍失败，软件宣告发送不成功。２）数据传输的实现软件后台代码在采集到用户输入或请求等有效命令数据后，通过调用ＷｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函数的方式，将采集到的数据进行校验计算及ＣＲＣ校验合成，打包成约定的通信协议形式的数据帧，再转换成ＲＳ－２３２协议允许的数据流并通过串口至无线接口模块，经过无线转换后发送到控制器。控制器接收到掌机终端发送来的数据流后，根据ＲＳ－２３２协议对数据流进行解码并处理解析到的用户输入数据和请求等命令。控制器执行完用户的请求和数据输入等命令后，以同样的通信方式提交处理结果给掌机终端。数据流被转换成４３３ＭＨｚ无线信号传输，在数据帧传输的初期需要进行软件握手连接。实现一次完整的数据传输过程为：发送连接请求，返回请求应答，发送验证信证，返回验证信息，再到实质的数据交互。３）故障录波数据的处理在柱上开关发生故障分闸后，柱上开关控制装置中保存了故障录波数据。掌机终端通过录波读取命令，一帧一帧的读取录波数据，并存储在内存中，读取过程结束，将录波数据以ＸＭＬ文件的形式转存在固态硬盘中。在完成录波数据的读取与存储过程后，软件对录波数据进行了抽象量化处理，包括单个通道的所有采样点数据、单个通道的所有采样点的个数、模拟量通道绘制时的颜色、绘制此通道波形时纵向比例系数、波形通道占据的绘制宽度、波形通道在界面上占据的位置、通道最大值、通道最小值等。处理完后，将数据打印到显示屏的坐标上。在数据处理过程中使用了ＳＴＬ技术，使数据序列的内存维护由ＳＴＬ自身完成，减少了内存分配与释放，提高了软件效率，是本软件隐含的性能优势。４）提高安全性的措施为了提高掌机终端操作的准确性，减少误操作，掌机终端采用了多项措施。采用用户加管理员的用户权限控制方案，即基本用户只能对控制器和柱上断路器进行操作而无权对本用户的用户名和密码进行修改，而管理员用户只能对基本用户的用户信息进行修改而不能对控制器和柱上断路器进行操作。在对柱上开关进行远距离分合闸操作时，采用了用户名加密码的认证机制，只有被受权的用户才可以进行整定值修改和分合闸操作。在密码认证的后续流程，增加了一道安全确认，最大限度的保证现场操作安全性。掌机终端在对柱上开关控制器进行无线操作时，为了保证数据自身的安全，终端软件在设计时运用了ＤＥＳ数据加密方式，其特点是分组短、密钥短、运算速度较慢、加密后很难破解。