负荷控制系统无线专网的分析及改进

贾阿丽

（运城学院物理与电子工程系，运城044000）

负荷控制系统无线专网的分析及改进

贾阿丽

（运城学院物理与电子工程系，运城044000）

负荷控制系统无线专网已经成为国家电网对各电力公司的基本要求。由于该网还存在着通信资源浪费、频谱利用率低等问题，从数据交换方式、调制方式、信道接入算法、通信可靠性和网络智能化六个方面对负荷控制系统230M无线专网进行研究。并通过采用分组交换法、PSK调制方式以及控制接入和随机接入两者相结合的混合接入方式进行改进，采用前向纠错技术、交织技术、扰码技术和使用ARQ协议进行出错重传来提高通信的可靠性，运用自组网技术和智能电网使网络智能化。

0 引言

随着工业经济突飞猛进地发展，专变用户数量迅猛增长，国家电网公司已经对一些电力公司制定了电力负荷控制系统无线专网“全覆盖、全采集、全费控”的战略目标，即覆盖供电局全部用户、采集全部用电信息、支持全部电费控制。目前，电力企业多数构建的是230MHz无线专网，并且广泛使用的通信设备是数传电台，但随着一些新型通信技术的发展及推广应用，已经出现了大量进一步提高无线通信资源利用率的新手段和组网模式。根据现有新型通信的体制，230MHz无线专网还远不能达到现状的要求，可以考虑在网络的结构、信道和频谱利用率以及通信可靠性等方面进行提高其性能[1]。

在1991年，国家无线电的相关管理部门下发了相关文件，在电力负荷监控系统频率使用的批复中已经很清晰的写到“可以把230MHz频段的15对双频频点和10个单频频点当作电力负荷监控系统的专门频点[1]”，其中相邻频点间隔为50到150kHz，宽带为25kHz[2]。

已有的提高频谱利用率的方法是将15个双工频点拆分为30个单工频点使用，但是使用数传电台进行通信时仍存在以下问题：

（1）每个数传电台之间都是彼此分离的，它们无对应的一致的管理模式，也没有同步的无线电信号，势必会使得在余暇之际数据传输的保护间隔明显增大，最终造成信道的利用率明显降低，浪费大量的宝贵的通信资源[1]。

（2）数传电台所使用的调制体系不是很先进，它支持的数据传输效率又相对比较低，频谱效率也只有0.048-0.384bps/Hz[1]。而在无线通信领域,大量成熟的无线通信产品也能支持1.35-3bps/Hz频谱效率。从上可知，与电信领域相比较，无线专网所使用的数传电台对通信资源的利用率只是其10%左右，以至于浪费率高达90%，这就急需大家来改进调制体系以提高通信频谱效率。

1 通信效率的分析及改进

1.1 数据交换方式的改进

在基于数传电台的电力负控专网中运用的是轮询协议，在所有通道上进行数据传输时运用的是透明传输方式，并且主站呼叫从站时数据是通过独自占用上行信道来发送的。需要传输的通信数据不能限定其总长度，而且必须打包成一个或多个报文的形式连续的把所有数据发送出去，要是这个过程所耗费的时间太长，那么从站相关告警信息的上传时间也将会被相应地推迟，这样就会造成操作人员不能及时发现并且解决问题。

轮询协议还有一个很大的缺点，即通信过程中从站不能够自动发起请求，仅能由主站发送，这势必会从时间上耽误告警信息的上传；另外即使在任何一个具有双向频率的两个信道的系统中也仅仅能实现单工通信，这样就会造成信道资源很大的浪费和通信效率的降低[3]。

在230MHz无线负控专网中可以运用分组交换法代替原有的轮询协议[4]，这样各个基站把需要传送的通信数据就会封装成一定类型和长度的分组，然后在相同的传输信道中再运用动态复用技术，最终以分组的形式将多个数据在同一时间传送出去，这样可以保证从站对信道使用是公平的。当然要根据其相关特点来决定长度，而传输过程中的一些抄表、负控和监测数据，即使统计出的长短都不一样，但必须统一并且按时上传到系统的中心站，当然这就需要分组与每次收集的数据两者在长度上基本相吻合，才能避免一次采集的数据分成两个组进行传输。

1.2 调制方式的改进

目前在230MHz无线专网大多数使用的是FSK调制方法，FSK是数字通信中ASK、FSK、PSK三种基本调制方式之一，其优点是易实现、抗噪与抗衰减能力强，并且在中速和低速数据传输过程中有着普遍的运用，但FSK调制模式的频谱效率是最低的[1]。PSK调制方式的综合性能优于FSK，在三种基本的数字调制模式中，PSK具有最高的频谱效率抗噪声性能（或功率利用率），在中、高数据传输有着广泛的应用[5]。

以FSK和PSK为基础，无线通信系统的调制技术也朝着两个方向发展和改造，一是基于FSK的恒包络调制技术，二是基于PSK的线性调制技术。典型的恒包络调制技术主要有MSK、TFM、GMSK等；而典型的线性调制技术主要有BPSK、QPSK、π/4-QPSK、QAM、16QAM、64QAM、256QAM等。

在对230MHz无线专网系统进行改进时，传输速率和频谱速率提升是主要出发点。众所周知，当码元速率一样的时候，多进制系统的信息传输速率要比二进制的高，但这种提高是以牺牲传送功率为代价的，即增大码元宽度会增加其能量，所以必须在宽度和能量之间折中和均衡考虑。由于以PSK为基础的线性调制技术具有灵活多样的特性，于是比较适合运用到高速数据传输和快衰落信道，所以已成为各移动通信系统主要的调制方式，因此建议在230MHz无线专网系统进行改进中，尽可能选择以PSK为基础的线性调制技术。

1.3 信道接入算法的改进

目前，在负荷控制230MHz无线专网系统中，无线通信的机制是由主站控制，运用主站请求、从站应答和轮询的方式执行信道接入的原理[1]。由于该网要求全部从站必须公平地上报数据，所以不论从站有没有发送数据，主站都必须对它发送轮询帖，若主站已经对其刚轮询过，那么从站就应当传送相应的数据，但是只能等主站在下一个轮询周期时发送，因此就大大地降低了信道的利用率。当然，如从站有较紧急的数据时可在轮询的时候通知主站，主站就会通知该站继续发送数据，最后再去轮询其他的站。

综上所述，若要求从站在固定的时间采集数据并上传，那么可以运用适当的控制方式来控制从站的信道接入，即为了保持从站和网络的时间同步，需要通过网络向每个从站分配时隙，在发现时隙即将到达时立刻发送数据分组，这样就能保证更同步，分组间的保护间隙越小，在系统达到微秒级时，信道的利用率就很高。网络通信中MAC层时间同步时，误差能够降低到1ms以下，但当从站接受到相关告警信息并自动完成传送数据时，再采取上述方法就不可行了，最终会耽误报警的时效性。鉴于此，如果从站请求自动发送重要数据时，那么在信道接入的时候可以采取随机接入，即S-ALOHA协议[6]。其原理是主站从下行信道向全部从站传播信道不忙的消息，若从站接受到该信息后，就会随机挑选一个时隙把数据传送出去，因为各个从站挑选的时隙是随机的、不确定的，所以会降低传输数据在空中的碰撞概率。但是万一相互碰撞，主站发送下一空的周期信号时只有再随意挑选一个自由时隙然后再进行发送，若达到设置的重传次数后发送仍然失败，那么就只有停止发送。

如果在230MHz无线专网系统改进中采用新的接入方式代替轮询接入方式，即控制接入和随机接入两者混合接入方式，那么既能解决定时上传数据业务的接入，也能解决突发告警业务的接入[1]。

2 通信可靠性的提高

在230MHz无线专网系统中，考虑到无线信道特点、系统效率和实现复杂度，为了提高通信的可靠性[7]可分别采用以下几种技术：

（1）在基站使用前向纠错技术（FEC），该技术是在传输数据序列中增加冗余码来进行纠错的，在发送端发送设备按照一定的算法生成冗余码，然后将其插入到需要传输的数据流中，当到达接收端时，接收端按照相同的方法将收到的数据流解码，最后根据收到的码流来确定误码的具体位置并对其进行纠正。

（2）使用交织技术，其原理是把需要传送的不同时段的信息码进行交错排列，并将其传送到接收端，然后将原来的排列给恢复出来，而在传送中会出现一些集中突发误码，它们在被恢复的序列中会自动转成随机分散的误码，这就需要根据上面采用的纠错编码进行纠错。

（3）使用扰码技术[8]，扰码技术使用很长的PN序列与原符号序列逐位相乘（逻辑异或），即对信码进行有规律的无序的加工，目的是为了减少一些连“0”或“1”的长度，确保接收端机器能够获取到位定时信号，确保加扰后的信号频谱能够较好地适应基带传输，对信息起到保密通信的作用。

（4）使用ARQ协议进行出错重传，在链路层增加自动重传请求的功能，接收端向发送端发送请求，发送端收到请求信息后将错误的报文重新发送出去。

3 网络智能化改造

3.1 自组网技术的推广

考虑到用户分布密度、支持移动性、建网成本等因素，电力系统负荷控制专网的基站数有限，不可能、也没有必要通过大规模基站建设来消除盲区。因此电力公司负荷控制专网应规划建立基站的数目，当然这不可避免会因为地形地貌、高楼遮挡等因素造成部分覆盖盲区[9]。为此必须根据负控系统的特点，借鉴终端自组网由技术实现传输中继，实现全覆盖目标。

目前已有部分厂商提供的采集终端设备具备有中继和路由功能，可以实现信息的中继转发，但原有的负控终端不支持中继转发，当由于气候、环境等原因造成部分老终端无法与基站通信时，就会引起传输终止。

在230MHz无线专网系统改进中应根据公司设备更新规划和安排，逐步淘汰旧终端，用具有中继转发功能的新终端替换，以多跳转发方式减少直至消除覆盖盲区。

3.2 智能电网

智能电网也称为电网智能化或“电网2.0”，是以集成的、高速双向通信网络为基础，对一些先进的技术的综合运用，包括一些设备技术、传感和测量技术、控制方法以及决策支持系统技术等，来实现无线电网经济、可靠、高效、使用安全以及环境友好等目标[10-11]。

作为新一代的网络技术，智能电网搭建了新的能源产业链和新型通信系统，为未来的发奠定了良好的基础。目前，处于全球萎缩状态的不仅是能源供给，还有金融市场的暗流涌动，世界各国都将发展智能电网提升至首要战略地位。因此，230MHz负控无线专网系统应考虑到电网的长期发展，充分重视230MHz负控无线专网系统在智能电网建设和发展中的角色和作用。

4 结语

本文通过研究分析负荷控制系统230M无线专网存在通信资源浪费、频谱利用率低等问题，从数据交换方式、调制方式、信道接入算法、通信可靠性和网络智能化六个方面进行了研究和改进，通过改进可以大大地提高通信的效率，保证其可靠性。但是目前还有很多山区由于临江，地势低洼等原因存在着盲区，尤其是重庆，因此下一步应重点考虑解决这些区域的信号覆盖问题。

[1]赵奇,李英凡,陆俊,等.电力系统无线数传网的改进与优化[J].电力系统保护与控制,2009,15(37）:100-103.

[2]徐光年.230MHz电力无线宽带通信系统的建设与应用[J].电力系统通信,2012,33(7）:23-24.

[3]张海涛.一种基于轮询的无线传感器网络MAC协议研究[D].北京:北京邮电大学,2012.

[4]孙虎.分组交换网仿真技术与算法研究[D].南京:南京邮电大学,2011.

[5]王晓娜.典型通信信号调制识别技术研究[D].成都:电子科技大学,2011.

[6]戴翠琴,任智.基于ALOHA的无线网络随机接入协议研究[J].数字通信,2009,02:29-34.

[7]梁柯,邓雪波,温永怡,等.现代电力通信网可靠性研究[J].数字通信,2013,5(40）:31-33.

[8]谢鹏,全海燕,黄海波.基于扰码技术降低OFDM系统PAPR的新算法[J].郑州轻工业学院学报:自然科学版,2014,02(29）:49-52.

[9]梁波,李文修,杨毅.230MHz无线组网技术在用电信息采集系统中的应用[J].电力信息与通信技术,2013,11(11）:28-32.

[10]张东霞,姚良忠,马文媛.中外智能电网发展战略[J].中国电机工程学报,2013,31(33）:1-14.

[11]蓝绍平，陈建斌，朱杭杰.无线传感网络在智能电网中的应用展望[J].科技展望,2014,12:42-42.

Abstract：

The load control system based on wireless private network has already become the basic requirements of State Grid for power companies.Due to the network exists the problem of wasting communication resources and lowering spectrum efficiency,studies from the method for data exchange,modulation type,channel access algorithm,reliability of communication and network intelligence.Improves the perfor⁃mance by the way of packet switching,PSK and hybrid access mode of control access and random access;improves communication reliabili⁃ty by forward error correction,interweaving technology,scrambling technique and uses the ARQ protocol for retransmission error;and makes the network intelligent by using ad hoc network technology and smart grid.

Keywords：

Packet Switching;PSK;Channel Access Algorithm;Reliability of Communication;Network Intelligence

Analysis and Improvement of Load Control System Based on Wireless Private Network

JIA A-li
(Department of Physics and Electronic Engineering,Yuncheng University,Yuncheng 044000）

1007-1423（2017）18-0037-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.009

2017-03-28

2017-05-30

贾阿丽（1987-），女，山西临汾人，研究方向为无线通信网络

分组交换；PSK；信道接入算法；通信可靠性；网络智能化