王 剛，曹媛媛，翟曉慧

（1.華北電力大學(xué)電器與電子工程學(xué)院，北京 102206；

2.山西呂梁供電分公司，山西 呂梁 033000；3.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

高速數(shù)傳技術(shù)在負(fù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 剛1，2，曹媛媛2，翟曉慧3

（1.華北電力大學(xué)電器與電子工程學(xué)院，北京 102206；

2.山西呂梁供電分公司，山西 呂梁 033000；3.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

針對目前南京地區(qū)無線專網(wǎng)終端數(shù)量眾多及公網(wǎng)無線信道通信效果差、通信盲區(qū)較多的問題，提出采用最新通訊技術(shù)，打開系統(tǒng)的發(fā)展空間；采用智能路由技術(shù)，解決基站覆蓋盲區(qū)的信號采集問題，并實(shí)現(xiàn)路由的自動維護(hù)；通過增加終端上線過程以方便調(diào)試。

高速；數(shù)傳系統(tǒng)；終端中繼；智能路由

0 引言

南京供電分公司電力負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)于1996年，目前，管理南京全市（包括郊縣）10000多用戶。系統(tǒng)以230M信道為主，采用傳統(tǒng)的宏蜂窩方式，使用國家無線電管理委員會批準(zhǔn)的頻點(diǎn)5對，建有主臺、紫金山等共8個(gè)無線基站。在各級領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心下，南京電力負(fù)荷管理系統(tǒng)多年來保持較高的通訊成功率等各項(xiàng)運(yùn)營指標(biāo)，在南京供電分公司有序用電、電能量采集、防竊電管理等領(lǐng)域作出了很大貢獻(xiàn)。

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和系統(tǒng)的不斷發(fā)展壯大，南京電力負(fù)荷管理系統(tǒng)紫金山中繼站（4頻）、珠江路基站（2頻）下終端數(shù)量急劇增加，曾分別達(dá)到4000多臺和2000多臺。同時(shí)，南京負(fù)荷管理系統(tǒng)每年持續(xù)新增大量用戶，每年新增用戶約1000～1200臺，預(yù)計(jì)2015年，系統(tǒng)終端數(shù)量將達(dá)到17000臺。為保證系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，南京需求側(cè)管理中心及時(shí)采取了新增基站、終端分流等傳統(tǒng)解決措施，目前，已經(jīng)取得初步成果，但是，南京系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間較早，采用的通訊波特率為1200kb/s，在現(xiàn)有容量下，該速率顯然已經(jīng)不能滿足當(dāng)下系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制和長遠(yuǎn)發(fā)展的需要。如何利用最新的通訊技術(shù)，對系統(tǒng)基站、終端進(jìn)行全面優(yōu)化，以滿足現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度、擴(kuò)容等方面的要求，是需求側(cè)管理中心一直考慮的問題。

1 方案介紹

提高通信效率最有效的方式就是提高信道通訊速度，增加實(shí)際信道數(shù)量。

1.1 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

為更方便地通過終端中繼來消除盲區(qū)，最好的方案就是使用單工頻點(diǎn)，終端全向天線，解決改變路由時(shí)，需不斷調(diào)整終端頻點(diǎn)和天線方向的問題，且全向天線沒有方向性，有利于中繼功能的實(shí)現(xiàn)[1]。

基站到負(fù)控主站間的鏈路有多種方案可供選擇，包括供電企業(yè)內(nèi)部的光纖、電力信息網(wǎng)、微波等鏈路，公網(wǎng)的信道。在棲霞地區(qū)的試點(diǎn)系統(tǒng)中的基站采用局域網(wǎng)鏈路。

南京市區(qū)及近郊地勢較平，但低山、緩崗和高樓較多。對于高速數(shù)傳系統(tǒng)所在的棲霞地區(qū)，基站建在市區(qū)北部的棲霞供電基地，其北部邁皋橋、新港方向高大建筑物較少，視野開闊，用戶較多的邁皋橋地區(qū)、新港開發(fā)區(qū)對基站信號很強(qiáng)。在新港開發(fā)區(qū)附近有低山橫貫基站方向，場強(qiáng)測試表明除個(gè)別山腳的測試點(diǎn)信號較弱外，用戶密集區(qū)信號未受明顯影響。高速數(shù)傳系統(tǒng)具備智能路由功能，這些信號較弱點(diǎn)的用戶可以通過周邊信號較好的用戶和主站實(shí)現(xiàn)良好通訊。棲霞基地高速數(shù)傳基站的建立，將實(shí)現(xiàn)北部郊區(qū)方向12km以上信號的良好覆蓋；主城區(qū)高樓遮擋較多，覆蓋范圍相對小，能滿足主城區(qū)方圓6km以上范圍的用戶和主站的直接通訊要求。

2.2 智能路由優(yōu)化

為使終端中繼成為重要的消除盲區(qū)的技術(shù)手段，就必須使路由的確定能夠由系統(tǒng)自動完成，才能滿足規(guī)模應(yīng)用的需求。中繼終端故障、停電、拆除等中繼路由變化能夠自動找出新的路由。通信路由的自動管理和智能優(yōu)化是中繼路由實(shí)用化的關(guān)鍵。為了能夠較好地兼容負(fù)控系統(tǒng)，路由的功能在基站中實(shí)現(xiàn)，負(fù)控系統(tǒng)將應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約發(fā)給基站，由基站打包成鏈路規(guī)約發(fā)出，收到的報(bào)文在解析為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層規(guī)約返回給負(fù)控系統(tǒng)前置機(jī)[2]。

路由的確定通過彼此間通信場強(qiáng)的大小來確定路由的優(yōu)劣，同時(shí)，需要兼顧路由的中繼級數(shù)。在通過中繼方式對通信成功率提高不大時(shí)，優(yōu)先使用中繼級數(shù)少的路由。從本質(zhì)上講，最佳的路由是在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸越多的字節(jié)越好，但由于影響無線信道質(zhì)量的因數(shù)較多，通過累計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行路由的優(yōu)化實(shí)效性較低；另外，設(shè)計(jì)過分復(fù)雜的路由優(yōu)化邏輯會嚴(yán)重降低通信效率。因此，需要設(shè)計(jì)簡單實(shí)用的路由優(yōu)化算法。棲霞基站實(shí)現(xiàn)時(shí)采用下面介紹的算法實(shí)現(xiàn)。

由于基站的和終端的非對稱性（基站的位置一般好于終端的位置），路由優(yōu)化時(shí)上、下行路由也可能是非對稱的，即上、下行經(jīng)過的終端不同，因此，路由優(yōu)化按照上、下行分別優(yōu)化。決定路由的是路由中場強(qiáng)最小的一級，而過大的場強(qiáng)也是不需要的，根據(jù)使用的19200b/s的信道特征，以20dB為基礎(chǔ)，與基站彼此接收場強(qiáng)大的即為直通終端。多級路由中大于此值按此值計(jì)算除以25dB作為增加一級路由的綜合損失，得到的結(jié)果小于1，作為一級路由的綜合成功率，將經(jīng)過的路由各級綜合成功率乘起來的積作為路由的特征成功率，成功率越高的路由越好。相同的路由連讀多幀失敗則確定為不通終端，不通終端不能被用做中繼終端。整個(gè)系統(tǒng)通信效率的優(yōu)化隨著巡測的場強(qiáng)信息獲得不斷改善。

2.3 終端登錄功能

為實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)終端所具有的可以獲知終端鏈路狀態(tài)的功能，專網(wǎng)終端需增加鏈路連接和鏈路維持功能。由于終端可以主動發(fā)送報(bào)文，因此由基站統(tǒng)一管理信道，基站定時(shí)發(fā)送信標(biāo)幀。信標(biāo)幀的作用是安排正常通信時(shí)的信道占用時(shí)序，采用時(shí)分多址技術(shù)，將信道按時(shí)序分為競爭時(shí)段和非競爭時(shí)段，非競爭時(shí)段分配給指定終端，直通終端在競爭時(shí)段和非直通終端采用負(fù)控A－CA方式發(fā)送登錄報(bào)文，鏈路維持報(bào)文和時(shí)槽請求報(bào)文。

登錄的過程包括附著申請、連接申請和連接確認(rèn)，直通終端發(fā)出附著申請后，直接由基站確認(rèn)，非直通終端由上線終端附著確認(rèn)，按照在附著確認(rèn)報(bào)文中指定的路由向基站發(fā)送連接申請，由基站確認(rèn)。

登錄過程直觀地展示在終端的顯示界面上，并實(shí)時(shí)顯示信號的強(qiáng)度，以便調(diào)試人員可以了解信道的狀態(tài)和質(zhì)量。

2.4 高速信道設(shè)計(jì)

由于230M為窄帶信道，物理層可采用專用調(diào)制方式，將速率提高到19.2kb/s。

2.5 時(shí)序優(yōu)化

目前230M信道采用問答通信方式，無論雙工頻點(diǎn)還是單工頻點(diǎn)，其基本時(shí)序都是一樣的，雙工頻點(diǎn)并不比單工頻點(diǎn)效率更高，且浪費(fèi)一個(gè)頻點(diǎn)，因此，完全可以將雙工頻點(diǎn)分成單工來用，有一部分時(shí)間可以壓縮，即終端處理報(bào)文時(shí)間，以優(yōu)化通信效率?；鞠滦袌?bào)文后，終端需要一定的處理時(shí)間，然后才能向基站應(yīng)答上行報(bào)文。為了壓縮終端處理時(shí)間，可以連續(xù)下發(fā)下行報(bào)文，最好連續(xù)下發(fā)的報(bào)文發(fā)給不同的終端，也可以發(fā)給同一個(gè)終端。當(dāng)發(fā)給終端的下行報(bào)文延時(shí)超過終端處理時(shí)間后，基站在隨后的下行報(bào)文中設(shè)置該終端允許發(fā)上行的報(bào)文，從而壓縮了終端的處理時(shí)間。

2 實(shí)際運(yùn)行效果

棲霞地區(qū)100臺終端的實(shí)際運(yùn)行效果表明，高速數(shù)傳技術(shù)較好地解決了目前大型負(fù)荷管理系統(tǒng)存在的由于終端數(shù)量過多導(dǎo)致數(shù)據(jù)巡測時(shí)間不夠、終端數(shù)量發(fā)展受限的問題，并有效解決了基站覆蓋區(qū)域內(nèi)盲區(qū)或盲點(diǎn)終端的可靠通訊。

2.1 高速數(shù)傳終端整體巡測時(shí)間

在南京運(yùn)行的負(fù)荷管理系統(tǒng)中，100臺高速數(shù)傳終端進(jìn)行整體巡測耗時(shí)18s，其中含9臺通訊帶路由的終端。

2.2 高速數(shù)傳終端直通終端巡測時(shí)間

剔除9臺帶路由終端，91臺直通終端的巡測耗時(shí)1 2 s。

2.3 100臺1 200 b/s終端巡測時(shí)間

選出1200b/s信號下100臺終端，巡測耗時(shí)132s。如圖1所示。

圖1 1200b/s終端巡測結(jié)果

2.4 巡測速度比較

100臺高速數(shù)傳終端進(jìn)行整體巡測耗時(shí)為17s，而1200b/s系統(tǒng)耗費(fèi)的時(shí)間是132s。因此，100臺高速數(shù)傳終端（含9臺路由終端）的整體巡測時(shí)間是1200b/s終端的7.7倍。

在巡測終端全部為直通的情況下，91臺終端耗時(shí)12s，平均132ms/臺。可同樣計(jì)算出，1200b/s終端的平均巡測時(shí)間為1.32s，即高速數(shù)傳系統(tǒng)直通終端的巡測速度達(dá)到1200b/s終端速度的10倍。

2.5 1 200 b/s系統(tǒng)日數(shù)據(jù)采集平均時(shí)間

以2頻站點(diǎn)為例，終端日數(shù)據(jù)從00：45：00啟動，03：05：00結(jié)束。查詢前置機(jī)日志可以看到，前置機(jī)實(shí)際啟動時(shí)間為00：45：40左右，實(shí)際耗時(shí)約即8360s）。在此期間，當(dāng)日優(yōu)先級更高的營銷電表日數(shù)據(jù)巡測任務(wù)終端數(shù)量為零，即未執(zhí)行。終端成功率為99%，即11臺終端通訊失敗，由于每臺終端日數(shù)據(jù)巡測為4幀，前置機(jī)超時(shí)設(shè)置為5s，那么前置機(jī)等待超時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間為220s。因此，2頻站點(diǎn)有效日數(shù)據(jù)巡測終端數(shù)量為1163臺，2頻日數(shù)據(jù)采集有效時(shí)間為8140s，2頻（1200b/s）平均每臺終端日數(shù)據(jù)巡測耗時(shí)8140/1163=7.0s。

2.6 高速數(shù)傳系統(tǒng)日數(shù)據(jù)采集平均時(shí)間

高速數(shù)傳系統(tǒng)的棲霞站點(diǎn)終端日數(shù)據(jù)從00：45：00啟動，00：46：36結(jié)束，耗時(shí)96s。查詢前置機(jī)日志可以看到，前置機(jī)實(shí)際啟動時(shí)間為00：45：15左右，結(jié)束時(shí)間00：45：36，實(shí)際日數(shù)據(jù)巡測時(shí)間81s。當(dāng)天100臺終端中有9臺通訊路由終端。高速數(shù)傳站點(diǎn)（棲霞）平均每臺終端的日數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1/100=0.81s，即在包含9臺路由終端的情況下，高速數(shù)傳站點(diǎn)每臺終端日數(shù)據(jù)巡測平均耗時(shí)0.81s。

2.7 高速數(shù)傳系統(tǒng)和1 200 b/s系統(tǒng)日數(shù)據(jù)采集時(shí)間比較

頻點(diǎn)2站點(diǎn)下有2種規(guī)約類型終端，一種是96規(guī)約，另一種是04規(guī)約，查看日數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)配置，這兩種類型終端召測數(shù)據(jù)配置基本一致。棲霞站點(diǎn)下只有04規(guī)約終端。不考慮因規(guī)約類型因素，比較上述兩個(gè)站點(diǎn)下終端日數(shù)據(jù)巡測的平均耗時(shí)可計(jì)算出，現(xiàn)有棲霞站點(diǎn)下230M高速數(shù)傳終端日數(shù)據(jù)采集速度是頻點(diǎn)2下終端速度的8～9倍。需注意系統(tǒng)中有少量帶通訊路由的終端，如果完全為直通的終端，速度還會略有提高，和實(shí)驗(yàn)室測試基本一致。

3 管理效益分析

100臺高速數(shù)傳終端整體巡測結(jié)果表明高速數(shù)傳技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了管理效益。

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度大幅提高

通過上述測試分析可知，230M高速數(shù)傳系統(tǒng)通訊速率比傳統(tǒng)230M系統(tǒng)大幅提升。在南京系統(tǒng)推廣應(yīng)用后，南京現(xiàn)有負(fù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度將成倍提高，對解決南京系統(tǒng)現(xiàn)有的終端數(shù)據(jù)采集時(shí)間過長、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定具有重要的戰(zhàn)略意義。

3.2 突破系統(tǒng)發(fā)展容量瓶頸

對南京電力負(fù)荷管理系統(tǒng)這樣的的大型系統(tǒng)，系統(tǒng)容量問題是需提前考慮并作長遠(yuǎn)規(guī)劃。傳統(tǒng)的解決方案是增加多個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)采用不同的頻點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)解決方案受頻點(diǎn)等資源的制約，同時(shí)，如在一個(gè)地點(diǎn)架設(shè)多個(gè)基站，也將遇到?jīng)]有合適的天線位置、基站設(shè)備位置的問題，系統(tǒng)也變得更為復(fù)雜。根據(jù)上述分析結(jié)果，如按1200b/s系統(tǒng)容量為1000臺，高速數(shù)傳系統(tǒng)容量提高5倍的計(jì)算，每個(gè)高速數(shù)傳站點(diǎn)的終端容量將是5000臺。因此，高速數(shù)傳系統(tǒng)應(yīng)用到南京負(fù)控系統(tǒng)后，一個(gè)站點(diǎn)可容納的終端數(shù)量將成倍提高，系統(tǒng)容量問題得到有效地解決。

3.3 解決局部信號盲點(diǎn)和盲區(qū)

南京市主城區(qū)地勢較為平坦，傳統(tǒng)的宏蜂窩基站信號較好，但由于市區(qū)高樓林立，存在少量丘陵低山，局部的盲點(diǎn)和盲區(qū)還是存在的，特別在房地產(chǎn)高速發(fā)展的今天，原先通訊良好的用戶，也可能受到新建樓盤的遮擋而出現(xiàn)通訊問題，增加負(fù)控檢修和管理工作的負(fù)擔(dān)。盲點(diǎn)或盲區(qū)問題對系統(tǒng)的整體通訊成功率的提高造成了一定障礙，且是現(xiàn)場開通和維護(hù)工作中的難點(diǎn)。230M高速數(shù)傳系統(tǒng)提供的智能路由功能，有效消除了高樓或山丘背后、地勢低洼處、天線施工不便處等的通訊死角，在終端安裝地區(qū)組成一個(gè)互聯(lián)互通的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)通訊成功率和穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，減輕了大量的現(xiàn)場維護(hù)工作，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、電費(fèi)結(jié)算、負(fù)荷控制等重要功能的實(shí)用化運(yùn)用也得到更有力保障。

4 結(jié)束語

高速數(shù)傳系統(tǒng)將速率提高到19.2kb/s，結(jié)合時(shí)序優(yōu)化控制技術(shù)，通信速度較傳統(tǒng)的230M信道有了質(zhì)的飛躍。采用智能路由技術(shù)不僅節(jié)省了安裝調(diào)試工作量，提高了信道的可靠性和可用性，而且信道上可以保證數(shù)據(jù)100%地采集。試點(diǎn)工程表明本方案是可靠、實(shí)用的，完全滿足用戶用電信息采集系統(tǒng)對信道的需求。南京1200臺老終端的升級改造（更換）工作正在進(jìn)行，目前，正將這批終端改造成高速數(shù)傳終端接入230M高速數(shù)傳系統(tǒng)。隨著用戶數(shù)量的增加，高速數(shù)傳系統(tǒng)在速度方面的優(yōu)勢將愈發(fā)明顯，系統(tǒng)整體效率將極大提高，未來系統(tǒng)擴(kuò)容也打下良好地基礎(chǔ)。

隨著高速數(shù)傳系統(tǒng)在南京負(fù)控系統(tǒng)的推廣，南京電力負(fù)荷管理系統(tǒng)將解決系統(tǒng)發(fā)展容量問題的瓶頸，在業(yè)內(nèi)率先邁入高速時(shí)代，今后將為南京及江蘇電能量采集、實(shí)時(shí)控制、防竊電管理等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，同時(shí)也將為南京供電公司負(fù)控及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展作出更多貢獻(xiàn)。

［1］ 駱東松.基于數(shù)字?jǐn)?shù)傳電臺的分布式供水控制系統(tǒng)［J］.甘肅科技，2005（01）：9-11.

［2］ 豐國春，談順濤，袁榮湘.基于組件技術(shù)的主站通信模塊［J］.電力自動化設(shè)備，2004（06）：32-33.

The Application of High-speed Data Transmission Technology on Load Control System

WANG Gang1，2，CAO Yuan-yuan2，ZHAI Xiao-hui2
（1.North China Electric Power University Electrical&Electronic Engineering College
Beijing 102206，China；2.Lvliang Power Supply Company，Lvliang，Shanxi033000，China；
3.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi030001，China）

Due to large number of wireless private network and weak signal of public wireless channel in Nanjing area，the latest communication technology is adopted to expand the development of the system.Intelligent routing is adopted to acquire signal at dead zone and it can render the routing to be maintained automatically.Besides，terminal on-line process is increased to facilitate debugging.

high speed；data transmission system；terminal relay；intelligent routing

TN915.1

B

1671-0320（2012）01-0069-04

2011-09-26，

2011-12-19

王 剛（1983-），男，山西呂梁人，2006年畢業(yè)于山西師范大學(xué)數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)，助理工程師，從事辦公室管理工作；

曹媛媛（1983-），女，山西呂梁人，2006年畢業(yè)于山西大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院工商管理專業(yè)，助理工程師，從事電力營銷管理工作；

翟曉慧（1983-），女，山西太原人，2006年畢業(yè)于重慶大學(xué)英語專業(yè)，助理工程師，從事黨務(wù)管理工作。