19.2 kbps高速数传技术在负荷管理系统中的应用

徐正安，祁 劲，王振宇

（南京供电公司，南京 210000）

南京的电力负荷管理系统始建于1996年，目前管理南京全市（包括郊县）10 000多户用户。系统多年来保持着较高的通信成功率，为南京供电公司的有序用电、电能量采集、防窃电管理等做出了很大贡献。系统以230 MHz信道为主，采用传统的宏蜂窝方式，使用国家无线电管理委员会批准的频点5对，建有主台、紫金山中继站等8个无线基站。

随着经济的持续发展和系统的不断壮大，系统每年新增大量用户，近2年每年新增用户1 000～1 200户，预计到2015年，系统终端数量将达到17 000台。为保证系统长期安全稳定运行，南京供电公司需求侧管理中心及时采取了新增基站、终端分流等传统解决措施，目前已经取得初步成果。南京的电力负荷管理系统建设时间较早，采用的通信波特率为1.2 kbps，在现有容量下，该速率显然已经不能满足当下系统对数据采集、实时控制和长远发展的需要。如何对系统基站、终端进行全面优化，以满足现有系统数据采集速度、扩容等方面的要求，是当前亟待解决的问题。

在新一轮发展形势下，系统内开展了高速数传试点，采用19.2 kbps的通信速率，通过对组网方式、通信时序、路由等关键技术进行深入研究，提出了采用光纤主干网与230 MHz智能中继相结合组建230 MHz蜂窝网、通过终端中继消除盲区的解决方案。该系统的建立，对提升终端数量极多的大系统整体数据采集速度、解决系统局部盲区等有着重要意义，为南京电力负荷管理系统的长远发展和稳定运行提供了解决方案。

1 方案介绍

1.1 组网设计

提高通信效率的有效方式是提高信道通信速度、增加实际信道数量。为更方便地通过终端中继来消除盲区，本方案使用单工频点、终端使用全向天线，解决改变路由时需不断调整终端频点和天线方向的问题，有利于中继功能的实现。

基站到负荷管理主站间的链路方式有多种方案可供选择，包括供电企业内部的光纤、电力信息网、微波等链路，公网的非对称数字用户环路（asymmetric digital subscriber line，ADSL）、通用分组无线服务（general packet radio service，GPRS）信道，以及3G信道。南京市栖霞区试点系统中的基站采用局域网链路，如图1所示。

图1 局域网链路方式的高速系统结构

南京市区及近郊地势较平缓，但低山缓岗和高楼较多。高速数传系统所在的栖霞区，基站建在市区北部的栖霞供电基地，其北部迈皋桥、新港方向高大建筑物较少，用户较多且无线信号较好。在新港开发区附近有低山横贯基站方向，场强测试表明，除个别山脚的测试点信号较弱外，用户密集区信号未受明显影响。由于高速数传系统具备智能路由功能，信号较弱点的用户可以通过周边信号较好的用户和主站实现良好通信。栖霞基地高速数传基站的建立，将实现北部郊区方向信号良好覆盖12 km以上；主城区由于高楼遮挡较多，覆盖范围相对较小，能满足方圆6 km范围内的用户和主站的直接通信要求。

1.2 无线数据采集传感器网络

高速数传系统使用无线数据采集传感器网络（wireless data acquisition sensor networks，WDASN）技术，在传统230 MHz电力负荷管理系统的基础上，采用19.2 kbps的通信速率，对解决系统局部盲区、提升终端数量极多的大系统整体数据采集速度有着重要意义。

除了实现现有系统的所有功能外，WDASN还具有如下特点：

（1）通信速度快

系统基站、终端的电台设备实际启动延时从传统系统的50～200 ms降低至3 ms左右，大大提高了系统响应速度。采用独特流时序控制技术，消除了基站、终端设备在数据处理、应答等待时间方面的消耗，系统数据采集时间大幅缩短。

（2）基站小型化

独立的小型化室外型基站尺寸小，安装简易方便。

（3）工程造价低廉

采用WDASN技术的系统主站费用仅比原主站贵2万元，新增中继站的费用为每台1.8万元，终端的改造费用每台增加约0.13万元。

（4）覆盖半径较小

小型基站的覆盖半径约为5 km，如大规模推广应用，新增小型基站的数量会较多。

（5）对终端的信号场强要求有所提高

在同样误码率的情况下，WDASN系统与原系统相比，对终端的场强要求需增加5～6 dbμv/m，所以对终端天线安装要求有所提高。

1.3 智能路由优化

通信路由的自动管理和智能优化是中继路由实用化的关键。为了能够较好的兼容负荷管理系统，路由的功能在基站中实现，负荷管理系统将应用层标准规约发给基站，由基站打包成链路规约发出，收到的报文再解析为标准应用层规约返回给负荷管理系统前置机。

由于基站和终端的非对称性（基站的位置一般好于终端的位置），上下行路由也可能是非对称的，即上下行经过的终端不同，因此路由优化需按照上下行分别优化。决定路由特性的是路由中场强最小的一级，根据19.2 kbps信道的特征，以20 dbμv/m为基础，与基站彼此接收场强大于20 dbμv/m的为直通终端。相同的路由连读多帧失败则认定为不通终端，不通终端不能被用做中继终端。整个系统通信效率的优化随着巡测的场强信息获得不断改善。

1.4 终端登录功能

为实现公网终端具有的获知终端链路状态的功能，专网终端需增加链路连接和链路维持功能。由于终端可以主动发送报文，因此由基站统一管理信道，基站定时发送信标帧。信标帧的作用是安排正常通信时的信道占用时序，采用时分多址（time division multiple access，TDMA）技术，将信道按时序分为竞争时段和非竞争时段，非竞争时段分配给指定终端，在竞争时段直通终端和非直通终端采用负荷管理A—CA方式发送登录报文、链路维持报文和时槽请求报文。

登录的过程包括附着申请、连接申请和连接确认，直通终端发出附着申请后，直接由基站确认，非直通终端由上线终端附着确认，再通过附着确认报文中指定的路由向基站发送连接申请，由基站确认。登录过程直观地展示在终端的显示界面上，并实时显示信号的强度，以便调试人员了解信道的状态和质量。

1.5 高速信道设计

由于230 MHz为窄带信道，物理层可采用4电平频移键控（frequency-shift keying，FSK）方式，将速率提高到19.2 kbps。选用CML公司的芯片，支持硬件前向纠错（forward error correction，FEC）和循环冗余检验（cyclic redundancy check，CRC），以提高通信质量。

1.6 时序优化

目前230 MHz信道采用问答通信方式，无论双工频点还是单工频点，其基本时序都是一样的，双工频点并不比单工频点效率更高，且浪费一个频点，因此可以将双工频点分成单工频点来用，如图2所示。基站下行报文后，终端需要一定的处理时间，然后才能向基站应答上行报文。为了压缩终端处理时间，可以连续下发下行报文，最好下发给不同的终端。当发给终端的下行报文延时超过终端处理时间后，基站在随后的下行报文中设置该终端允许发上行报文，从而压缩了终端的处理时间，比较图2、图3可以发现，通过本措施可以多发2个下行报文。

1.7 高速数传系统的特点

与传统的230 MHz通信方式相比，高速数传系统具有以下特点：

（1）通信速率更高：目前负荷管理系统主要采用1.2 kbps速率、FSK或PSK调制方式，少部分采用9.6 kbps速率、GFSK调制方式。高速数传系统将通信速率进一步提高到19.2 kbps，采用4电平FSK调制方式。

（2）纠错能力更强：目前普遍采用RS（15，11）编码纠错，高速数传系统采用2/3 FEC编码纠错，可以将接收灵敏度提高6 db，并使用CRC校验保证数据的正确性。

（3）自组网能力：在原组网方式中增加自动路由组网功能，通过采用CSMA/CA、场强/通信质量测量、邻居表、对称中继、非对称中继、路由优化、路由自愈等技术实现智能组网，不需要人工配置维护。

图2 普通基站通信时序

图3 高速数传基站时序

（4）采用信标技术优化时序，减少了下行帧、压缩了应答处理时间，通信效率较传统应答方式有显著提高。

2 实际运行效果

高速数传系统在实际应用中充分体现了高速和自动路由的特性，以南京电力负荷管理系统为例，实际运行效果如下。

2.1 巡测耗时比较

在目前的负荷管理系统中，100台高速数传终端（其中含9台带路由的终端）进行整体巡测耗时19 s，如图4所示。

图4 100台高速终端巡测时间

剔除9台带路由终端，91台直通终端的巡测耗时13 s。

1.2 kbps速率下100台终端的巡测耗时为138 s，是100台高速数传终端巡测时间的7.3倍。

2.2 任务执行时间比较

系统每天凌晨自动执行日数据采集、抄表数据采集等任务，2010年4月29日任务执行情况如图5所示。

图5 2010年4月29日任务执行情况

以频率2站点为例，终端日数据采集从00：45：00启动，到03：05：00结束，查询前置机日志可以看到，前置机实际启动时间为00：45：40左右，实际耗时约8 360 s。在此期间，当日优先级更高的营销电表日数据巡测任务终端数量为0，即未执行。终端成功率为99%，即11台终端通信失败，由于每台终端日数据巡测为4帧，前置机超时设置为5 s，那么前置机等待超时所耗费的时间为220 s。因此，2频站点日数据巡测终端有效数量为1 074台-11台=1 063台；日数据采集有效时间为8 360 s-220 s=8 140 s；平均每台终端日数据巡测耗时8 140 s/1 063台≈7.66 s/台。

高速数传系统的栖霞站点100台终端（包含9台路由终端）日数据采集从00：45：00启动，到00：46：36结束，查询前置机日志可以看到，前置机实际启动时间为00：45：15左右，实际耗时约81 s，平均每台终端的日数据采集时间为0.81 s。

频率2站点下有2种规约类型终端，一种是1996规约，另一种是2004规约，查看日数据数据项配置，这2种终端召测数据配置基本一致。栖霞站点下只有2004规约终端，不考虑规约类型因素。比较上述2个站点下终端日数据巡测的平均耗时可计算出，现有栖霞站19.2 kbps高速数传终端的日数据采集速度是频率2站点下终端速度的8～9倍。由于该高速数传系统中有少量带通信路由的终端，如果全部为直通的终端，速度还会略有提高。

3 效益分析

3.1 系统数据采集速度大幅提高

通过上述测试分析可知，高速数传系统的通信速率比传统系统大幅提升。若在南京推广应用，现有负荷管理系统的数据采集速度将成倍提高，对解决南京负荷管理系统现有的终端数据采集时间过长、系统运行不稳定等问题具有重要的战略意义。

3.2 突破系统发展容量瓶颈

对于南京电力负荷管理系统这样的大型系统，容量问题需提前考虑并作长远规划。传统的解决方案是增加多个站点，每个站点采用不同的频点来实现。该方案受频点等资源的制约，而且如果在一个地点架设多个基站，也将遇到没有合适的天线位置、基站设备位置等问题，系统将变得更为复杂。根据上述分析结果，按1.2 kbps系统传统容量为1 000台，综合考虑传输速率、通信模式等情况，高速数传系统容量一般是传统系统的5倍，每个高速数传站点的终端容量将是5 000台。因此，高速数传系统应用到南京负荷管理系统后，单个站点可容纳的终端数量将成倍提高，系统容量问题得到有效解决。

3.3 解决局部信号盲点和盲区

南京市主城区地势较为平坦，传统的宏蜂窝基站信号较好，但由于市区高楼林立，存在少量丘陵低山，局部的盲点和盲区依旧存在。在房地产高速发展的今天，原先通信良好的用户，也可能受到新建楼盘的遮挡而出现通信问题，增加检修和管理工作的负担。盲点或盲区问题对系统的整体通信成功率的提高造成了一定障碍，而且是现场开通和维护工作中的难点。高速数传系统提供的智能路由功能，有效消除了高楼或山丘背后、地势低洼处、天线施工不便等处的通信死角，在终端安装地区组成一个互联互通的无线通信网络，系统通信成功率和稳定性进一步提高，减少了大量的现场维护工作，系统数据采集、电费结算、负荷管理等重要功能也得到了有力保障。

4 结论

高速数传系统将数据传输速率提高至19.2 kbps，并结合TDMA、时序优化控制技术，使得通信速度较传统的230 MHz信道有了大幅提高。采用智能路由技术不仅节省了安装调试工作量，提高了信道的可靠性和可用性，而且可以保证数据的100%采集。试点工程验证了本方案的可靠性和实用性，能够完全满足用户用电信息采集系统对信道的需求。

当前南京负荷管理系统终端的升级改造（更换）工作正在进行，这批终端将被改造成高速数传终端接入高速数传系统。随着用户数量的增加，高速数传系统在速度方面的优势将愈发明显，系统整体效率将极大提高，也为未来系统扩容也打下良好基础。

［1］ 周昭茂，张恺.电力负荷管理系统通信网技术［J］.大众用电，2006（12）：19-21.

［2］ IEEE 802.15.4—2006，Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specification for Low-Rate Wireless Personal Area Networks（WAPNs）［S］.