（微电子学与固体电子学专业论文）城市路灯scada系统的研究.pdf

摘要 本论文针对我国城市路灯系统路灯分布广、损坏率高，路灯管理部门排除故 障迟缓日费时、费力、费钱，以及现有传统路灯控制方式存在种种不足的管理现 状，运用最新的测控技术结合g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i 0s e r v jc e ) 公崩通信 网技术、p i c ( p o w e rl if i ec o m m u n i c a t i o n ) 电力线载波数据传输技术与计算机技 术，没计城市路灯监视控制及数据采集系统，简称s c a d a ( s u p e r v is o r yc o n t ，f o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，以实现对城市路灯系统进行远程的遥控、遥测、 遥信和遥视，达到节能、安全及城市路灯系统维护管理现代化和科学化的目的。 论文主要工作在于系统方案的论证，硬件、软件的设计，对电力线载波通讯 模块传输特性及抗干扰实验的研究，对系统实验结果的分析，对系统经济、社会 效益的分析。 结果表明，本系统在对路灯进行远程遥控、遥测、遥信和遥视的同时，实现 了对单个路灯的点控并有效地将工作电流降低了5 0 ，功率因数从0 8 提高到0 9 以卜，且其启动电流大大降低，小于0 7 5 a ，不仅延长了路灯寿命，而目提高了 能效比，降低了线路损耗，达到了真正意义上的节能。 关键词：城市路灯，智能监控，g p r s ，p i c ，节能 a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m st os o l v et h ep r o b l e mo ft h eu r b a ns t r e e ti a m ps y s t e m ， w h i c hi sd i s t r i b u t e dw id e l y ，e a s i ly - s p o i l a g e a n dt h ea d m i n is t r a t i v e d e p a r t m e n to fu r b a ns t r e e t1 a m ps p e n d sl o t so ft i m ea n dm o n e yt o f ixt h e b r e a k d o w n ，b u tt h e r eiso n l yl i t t l ee f f e c t b yu s i n gt h en e wc o n t r o l t e c h n o l o g y ，g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) t e c h n o l o g yo fp u b l i c c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) t e c h n o l o g ya n d c o m p u t e r ，t h es u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fu r b a n s t r e e ti a m p ，w h i c hc a nb ea b b r e v i a t e da ss c a d as y s t e mc h o u l db ed e s i g n e d t h es y s t e mc a rb er e a liz e d ，t oc o n t r o lt h es t r e e tl a m pb yl o n gr a n g e r e m o t ec o n t r o l ，t e l e m e t e r i n g ，r e m o t ec o m m u n i c a t i o na n ds u p e r v i s i o n ，a n d t os a v ee n e r g ya n du s es e c u r i t y i tc a na l s ob er e a l i z e dt h em o d e r n i z a t i o n o fm a n a g e m e n ta n ds c l e n t i f i co ft h eu r b a ns t r e e tl a m ps y s t e m t h i sp a p e ri n c lu d e st h ed e m o n s t r a t i o no ft h es y s t e ms o l u t i o b s ，t h e d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n ds oo n i ta l s oi n c l u d e st h er e s e a r c h o ft h et r a n s m is s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n da n t i - j a m m i n ge x p e r i m e n to ft h e p o w e r1 i n ec o m m u n i c a t i o nu n i t ，a n dt h ea n a l y s i so ft h ee c o n o m ya n ds o c i e t y t h es y s t e me x p e r i m e n tr e s u l t ，a n dt h ea n a ly s i so ft h er e s u l to fa na p p a r e n t s o cia la n de c o n o m icr e t u r n t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mc a nn o t o n i yr e a l i z ec o n t r o lt h e s t r e e t1 a m pb yl o n g r a n g er e m o t ec o n t r o l ，t e l e m e t e r i n g ，r e m o t ec o m m u n i c a t i o na n ds u p e r v i s o r y ，b u ta l s or e a l i z et h ec o n t r o lo ft h ei n d i v i d u a ll a m p a n dd e c i r et h ew o r kc u r r e n tt oo n ea n dh a l f ，t h ep o w e rf a c t o ri se n h a n c e d f r o m0 8t o0 9a b o v e ita ls or e d u c e dt h es t a r tc u r r e n td r a m a tjc a lly ， w h i c hi si e s st h a n0 7 5 a i na d d i t i o ni t l e n g t h e n e dt h e1 i f eo f ls t r e e t l a m pa n di m p r o v e dt h ee n e r g ye f f i c i e n c yr a t i o ，m o r e o v e rr e d u c e dt h ep o w e r 1i n el o s s ，l e a d i n gt ot h er e a l e n e r g ys a v i n g k e yw o r d s ：u r b a ns t r e e tl a m p ，i n t e l l e c t i v es u p e r v is i o na n dc o n t f o 】，( ；p r s p l c ，e n e r g ys a v i n g 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：闻确 时间：妒# 年上月，7 h 学位论文使用授权说明 本人完全了解湖北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电予版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供1 7 1 录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 沦文作者签名：l 司而 签名日期：硼6 年, c n t i 了 导师签名：1 纪+ 4 - 签名日期一以年j 月 - t h 1 引言 城市道路照明是城市建设的一个重要组成部分，对美化城市、社会治安、夜 间交通及城市的文明建设起重要的作用，同时也为城市的人民生活和经济活动提 供了重要保障。并且随着计算机技术、通信技术、电力线载波数据传输技术和 测控技术的发展，设计自动化程度高、运行可靠、高效节能和使用维护方便的路 灯系统，是路灯控制与管理现代化的必然要求。1 。 为了提高道路照明系统的质量，及时发现路灯的损坏情况，方便市民生活， 人们希望能够利用已有的路灯供电系统传输控制路灯的信号，进而实现一种自动 控制和维护及时的远程路灯监控系统。1 。9 0 年代，随着计算机技术的迅猛发展和 普及应用，人们开始把计算机技术应用到路灯的自动化管理上。通过设定程序逐 步实现线控方式( 即以一个专用变压器控制范围的路段为单位) ，实现了定时控制 变压器内一条线路的路灯，这应当是一大进步，但还不能智能化地控制到每一个 灯，不能使路灯的技术管理随心所欲。 路灯远程智能监控系统是城市路灯自动检测、远距离遥控开关路灯的管理 系统。它的主要功能是实现在路灯管理监控中心，通过计算机和显示屏幕，对路 灯运行状态进行自动定期巡检及实时故障上报，对整个城市各个点、路段、行政 区域集中或自动实行开、关、检测、管理，实现了路灯控制的现代化。 路灯智能监控系统突破了路灯智能化管理的瓶颈问题，引发了路灯管理的变 革。路灯智能监控系统，以计算机技术和载波通讯技术为基础，建立了一整套硬、 软件结合的完整体系，同时引入模块化管理，能在对每一盏路灯实施个体控制的 基础上，实现一个城市、一个区域、一条线、一个灯位的网络化、实时化及智能 化的路灯控制和管理。路灯智能监控系统是建立在计算机基础上，并以此为核心， 采用9 0 年代国际上最先进的3 c ( 控制c o n t r o l ，通讯c o m m u n i c a t i o n ，计算机 c o m p u t e r ) 技术，将多元化的事务形成一个统一的模块化、网络化、智能化的整 体系统。站在一个全新的高度，以全新的理念构造出新一代监控系统，迸发出无 限的活力，是其他任何一种专项系统所难以比拟的“1 。 路灯智能监控系统与计算机多媒体技术相结合，提供了良好友善的人机界 面。使各项功能的操作变得人性化，全中文运行平台、逼真的图形界面，使得用 户更容易学习掌握操作，动画图像、声音、文字提示相结合，通过监控中心可以 随时观察现场。在报警时，加入了提示音、文字显示，帮助操作员及时做出反应 和判断，有条不紊的采取紧急措施。路灯智能监控系统的目的是要在实现强大的 监控功能的同时，充分体现出高度智能化，安全性和可靠性。克服了传统的不足， 使操作更加简单易学，更加直观，日常维护变得更加容易。在信息化高速发展的 今天，将路灯智能监控系统稍加改造还可以应用到电力、自来水调度与控制、农 业水利灌溉、工矿企业、公安、消防、军事等不同领域“。 1 - 1 城市路灯控制系统现状 随着我国社会主义现代化建设的不断发展，城市路灯已从单纯的照明功能发 展成为美化城市环境、改善城市投资形象的重要组成部分。 2 0 0 1 2 0 0 4 年是城市道路快速发展的时期，道路照明市场持续高速增长，平 均增长率约为8 ，而城市路灯则呈现高速发展的状态。全国城市路灯总量从5 0 0 多万盏上升到1 0 0 0 多万盏，增长率达1 0 0 。2 0 0 4 年下半年道路建设速度有下滑 趋势，因为国家严格控制贷款，城市建设受到了相应的限制。根据时利华升顾问调 研，2 0 0 5 年道路照明仍将保持1 0 以上的增长速度“3 。 图1 1 道路照明的发展速度与趋势数据来源：s i n o t i m e 目前，国内多数城市路灯的开关灯控制由每台变压器( 配电箱) 分散控制， 统一性差，故障率高。由于不能按照室外自然光照度自动控制，不仅实时性差， 而且每年还要多支付大量的电费开支。路灯分布在城市的每条道路，深入到城市 的各个角落，自然损坏和人为破坏的情况时常发生，因其分布广，损坏率高的特 点，给路灯的管理、维护工作带来了很大困难。目前，路灯管理部门多采用上路 巡查的办法来发现故障，排除故障，不仅反应迟缓，且费时费力费钱，很难满足 2 高c 亮灯率”的管理要求，也远远落后于现代化道路照明的需要。 ( 1 ) 路灯的传统控制手段分为以下几种： 手控：使用人工方式通过控制供电电源来控制开关灯。现在有些落后城镇仍 然采用，但这是和路灯管理者风霜雪雨的辛苦成正比的。 钟控：目前较为普遍使用的方法。依靠编程时钟，将全年开关灯的时间预先 设定在时钟内，进行路灯开关控制。可以保证白天断电，夜间送电，但阴雨天不 能实现智能开灯，有些编钟不能随季节变化自动延迟或提前开关灯，必须每月由 人工调整。 光控：可以根据光导管中的光敏电阻上感受到的光照强度进行开关灯控制， 缺点是容易出现故障，维护量大。另外，因易受各种光线干扰，加上大气尘土污 染，误操作较多且难以解决，因而可靠性不高。 。 以上传统的控制手段，不能高可靠性、高质量的保障路灯运行。 ( 2 ) 传统控制方式存在的问题 1 ) 操作结果无法监控 传统的控制方式由于没有通讯功能，无法实现集中监控，所以操作结果不能 监视、记录和统计。设备是否动作、工作是否正常等无法知道，只有靠巡视、群 众电话等手段了解工作异常的设备，亮灯率、故障率等数据无法统计。 2 ) 人工巡视工作量大 设备的运行状况主要靠人工巡视，白天巡视、夜间巡灯。目前，城区路灯数 量多、分布广，因此设备巡视的工作量很大。 3 ) 处理故障效率低 靠人工巡视一天内很难巡遍所有设备，有的设备出现故障数天后才能发现， 并常由市民打电话再确定故障点及类型，总之处理设备故障的效率很低。 4 ) 统计功能弱 没有自动化手段采集、记录数据功能，只能作简单的统计工作。 5 ) 造成电力浪费 采用“全夜灯”照明，由此造成“无谓”的电费支出，而且由于时控器与光 控器的不可靠性，不可避免有白天亮灯情况的出现。 3 1 2 城市路灯远程智能监控的必要性、主要意义 1 2 1 城市路灯远程智能监控的必要性 ( 1 ) 安全性要求 为确保路灯供电线路安全运行，确保亮灯率，提高对自然灾害和突发事件的 防御能力，路灯行业的工作人员要为此付出巨大的艰辛努力，但还不能完全及时 有效的应对。路灯智能监控系统能完成复杂、艰巨而又单调重复的工作，它不受 人为因素的影响，按部就班地按照预先设置的程序完成每一步工作。系统采用优 先报警技术，对所控路段的电压、电流等数据实时监控，确保路灯正常运行。在 系统监控的同时也对值班人员起到监督作用，值班人员的每一步操作均有记录， 避免渎职情况发生。 另外，根据行业特点，边远郊区偷盗电缆等路灯照明设旌情况时有发生。安 装该系统后，可以一改以前无可奈何的状况。根据报警内容，值班人员能够及时 采取措施，确保路灯正常运行。 ( 2 ) 简便性要求 路灯智能监控系统率先提出了系统模块化管理的思想，使整套系统商品化， 将各个组成单元以模块化形式组合起来，从而大大减少了工作的难度，使施工变 得更加简单。用户决定安装该监控系统，可以根据现场负载情况、气候特点，随 意选择不同的分站设备及灯控器。只需要根据产品安装说明书的操作步骤进行安 装连线就可以了。假如由于经济条件等原因不想拆卸原来的配电设备和线路，完 全可以保留，采用“挂式”r t u 分站箱使其连接即可。灯控器的安装更简单，只 要断开原通向灯泡的供电线路将灯控器串进即可。系统的所有r t u 均设有自运行 的功能，即使不安装中央监控室，单机也能可靠运行。 ( 3 ) 信息化发展要求 网络是在计算机的基础上发展起来的，在信息技术高速发展的今天，路灯管 理网络化是本行业的发展趋势。智能监控系统在完成自身监控的同时，为将来的 整个共用事业自动化网络的连接奠定了基础。另外，其还具有分控和远程调度功 能，可以随时随地调用每天运行的各项历史数据，实现数据共享。采用计算机为 控制中心，通过系统软件实现控制界面的可视化，控制环境的多媒体化，可以方 便地实现灵活机动的智能化控制。1 。 4 1 2 2 城市路灯远程智能监控的主要意义 实现城市路灯远程监控具有多方面的意义，其主要意义有：提高市政路灯管 理部门硬件水平，与现代科技接轨，增强城市照明可靠性和可控性；结合城市夜 景设置，通过智能控制，创造城市新景观：根据不同季节合理利用电能资源，杜 绝电能浪费：及时发现线路故障和单个路灯故障，提高路灯系统工作质量：减轻 工人线路巡检工作量，提高工作效率；天气变化或有特殊事件，路灯可快速投切， 方便人民生活，消除不良影响；通过电量记录可方便与电力局核算电费。 1 3 国内外路灯远程监控系统的发展状况概述 在国外，欧洲尤里卡( e u r e k a ) 计划项目之一就是路灯电予镇流器和路灯远程 监控系统。路灯远程监控系统主要包括i d m ( i n t e l l i g e n td i s t r i b u t e d m a n a g e m e n t ) 局部主控制器、i d m 电力线调制解调器和i d m 定时模块。i d m 局部主 控制器是配备了高压气体放电灯电子镇流器的路灯系统的局部控制节点。它和每 一盏灯都能够进行通信，能向每一盏灯发送开灯命令、关灯命令、调光命令和收 集故障灯信息命令，同时它还能与路灯监控中心的主控制器通过电话线、无线或 者电力线进行通信。变压器和每一盏路灯是以电力线为通信传输媒介进行通信 的。i d m 电力线调制解调器主要是与高压气体放电灯电子镇流器通信的，它在高 压气体放电灯电子镇流器的内部。同一个电力网络的一个主节点和若干个从节点 之间采用电力线扩频载波技术进行通信。i d m 定时模块是和具有调光功能的路灯 电子镇流器连在一起的，它能够通过检测线电压知道夜晚持续时间，并且能够根 据存储在数据库中的数据执行相应的调光程序“。 但欧、美等国外的情况与我国路灯的运行方式差别很大，国外的路灯大都没 设计专有供电网，就地取材。在需要路灯的地方将路灯接入民用电。因此，国外 的路灯控制是以单个灯为单位。由于单灯控制的方式实施复杂、成本高，所以目 前主要以光控、时控为主。 我国的情况不同，路灯供电都是专用的变压器，由i o k v 变为2 2 0 v 专供路灯 使用，有条件实施集中监控方式，以每台变压器为控制单位安装控制设备。因此， 路灯监控系统的设计、实时没有国外成熟的经验可参考，需要根据我国具体情况 进行开创性的设计。在国内，路灯监控系统从8 0 年代末9 0 年代初就己经开始有 人研究。1 9 8 9 年，常州路灯处在当时路灯监控没有成功先例的情况下，组织力 量研究路灯控制方法，如手动控制、定时器控制与光敏控制器控制等，控制方式 单一，无法满足实时监控和管理的要求，已不能适应现代城市对路灯控制的需要 量进行可行性调研。上海、北京、广州、大连也分别开始研制具有遥测、遥信、 遥控功能的路灯监控系统，用于市区重要道路路灯及配电设施的监控”。 现阶段正在发展中的城市路灯s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统根据通信方式主要分为两种：有线传输和无线传输，有线传输 方式如电力载波、总线及p s t n 公用电话网等形式，无线传输方式主要借助于u h f v h f 无线电台、i s m 扩频电台、g s m 移动电话网及卫星通信等来实现数据传输。 本系统针对城市路灯“终端多、地域广、户外、分散、信息量不大”等特点，总 体上选择无线通信方式，但对路灯进行单灯控制时，采用有线通信的方式“。 1 4 本课题的选题背景及主要研究内容 1 4 1 课题的选题背景 目前我国正处于经济发展阶段，能源问题对经济的制约作用愈来愈明显，能 耗( 电耗) 过高是发展经济的致命问题。城市公共照明在我国照明耗电中占3 0 的比例，约4 3 9 亿k w h ，以平均电价0 6 5 元k w h 计算，一年开支2 8 5 亿元， 降低公共照明中的电耗具有重要意义。 在推进城市亮化工程的进程中，照明光源及调控设备得到了空前的发展，然 而，城市照明的电能消耗和灯具损耗也越来越大，我国现有的路灯7 0 以上使 用的都是高压钠灯，其设计寿命为2 4 0 0 0 小时( 5 年) 。但是由于我国城市电网技 术落后，造成线路的电压波动大大超过国际标准，许多地区的波动甚至超过额定 电压的左右1 5 ，特别是在后半夜，由于电负荷减少使得电网电压有时接近 2 4 5 v ，致使路灯灯泡的实际使用寿命平均不到一年“。 随着城市市政建设的发展，传统的路灯控制与维护手段已远远不能适应城市 现代化发展的要求。由于道路、路灯众多，传统的人工管理模式已经和现代化的 城市建设不相适应“。现代的计算机集散控制技术的发展给城市市政管理带来了 福音。城市路灯监控系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效且必然的 6 产物，将可实现城市路灯系统的计算机集中控制、监测与管理。操控人员只需通 过计算机即可了解整个系统路灯的工作状态，并可通过计算机、人工或自动控制 所有路灯的开关“。我国本身就是电力资源匮乏大国，电力分布不均衡，经济的 迅速发展，使得我国电力供应r 趋紧缺，为保证国家经济长久持续稳定的发展， 节能是国家发展经济的一项长远战略方针。本课题研究目的是针对我国城市路灯 系统的管理现状，运用最新的测控技术结合g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 公用通信网技术、p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 电力线载波数据传输技术 与计算机技术设计城市路灯s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统又称监视控制及数据采集系统，包括方案论证、硬件设计、和软件设计等。 实现对城市路灯系统进行远程的遥控、遥测、遥信和遥视，并实现城市公共照明 系统的节能、安全，进而使城市路灯系统维护管理现代化、科学化。 1 4 2 本文的主要工作 针对我国目前路灯监控技术的现状，本文以研究开发一套适合我国国情的， 低成本的，可靠性高且容易改造的城市路灯s c a d a 系统为目的，开展以下主要工 作： ( 1 ) 研究监视控制及数据采集系统及相关的几项关键技术，给出一个实际 的解决方案。 ( 2 ) 远程终端设备r t u 的硬、软件系统设计。远程终端设备r t u 包括路灯 智能中继控制器及路灯节能控制器两部分，其中电力线载波通信模块 与节能模块为硬件设计的重点。 ( 3 ) 整体规划和实现与整个城市路灯s c a d a 系统配套的上位机软件系统。 ( 4 ) 为了测试电力线载波模块的传输特性，进行传输距离实验和抗干扰实 验，分析实验结果，总结一些抗衰减与抗干扰措施。 2 s c a d a 系统概述及相关技术的应用 2 1s c a d a 系统概述 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统又称监视控制及 数据采集系统。它是以计算机为基础的生产过程控制与调度管理自动化系统。它 可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参 数调节以及各类信号报警等各项功能。该系统已广泛的应用到了电力系统、市政 公用、供水系统、石油、化工等诸多领域“。 2 1 1s c a d a 系统的发展历程 s c a d a 系统白诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。s c a d a 系统发展 到今天已经经历了三代。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统。7 0 年代一8 0 年代初 主要采用第一代s c a d a 系统。 第二代是基于通用计算机的s u a d a 系统，广泛的采用v a x 小型计算机以及其 它通用工作站，操作系统一般是通用的u n i x 操作系统 第三代s c a d a 系统开始应用p c 机和网络技术，同时系统逐步从集中式结构 转向到客户机服务器结构。 第四代s c a d a 的雏形已经出现，它以智能化、网络化为标志。主要特征是采 用因特网技术、面向对象技术、模糊控制以及数据挖掘等技术，实现了s c a d a 系统与其它信息系统的增值集成，实现控制和管理过程的自动化“。 2 1 2s c a d a 系统的组成 s c a d a 系统主要包括：远程终端设备r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 、通信网络 及控制中心三大部分“。 ( 1 ) 远程终端设备( r t u ) s c a d a 系统中在远端现场完成测控任务的设备叫远程终端设备( r t u ) ，又称 为从站或子站。主要作用是进行数据采集及本地控制，进行数据采集时作为系统 中一个独立的工作站，这时r t u 可以完成连锁控制、前馈控制、p i d 控制等工业 上常用的控制调节功能：进行通信时作为一个远程数据通讯单元，完成或响应子 8 站与控制中心或其它子站的通讯和控制任务。 ( 2 ) 通信网络 主要用于从站与控制中心或从站与其它从站的通讯。链路种类有无线和有线 两种。通讯方式有控制中一t 3 触发的通讯方式，包括轮询方式、广播方式以及控制 命令下发方式等；从站触发的通讯方式，包括事件触发方式、突发传输方式以及 从站对从站的通讯等。 ( 3 ) 控制中心 主要由一个计算机局域网构成，可包括多个工作站和支持网络功能的设备， 以完成不同的工作。它通过控制中心软件管理系统数据库，可以通过主控软件监 测远端现场的工作状态和参数，下发控制命令进行控制，并完成报表显示及打印 等功能。 2 1 - 3s c a d 系统的基本功能 s c a d a 系统基本功能需求的数据流如图2 1 所示。 系统 控制 中心 遥控要求 鬻鉴| 蚕ii i 劓” 髦然 ：现场数据；竺； _ 垫瞳塑垂 i l 标准 时间 菰统计司春耋 i 部门 图2 1 系统需求的数据流图 ( 1 ) 遥控：对远端的研究对象和目标进行控制，系统按照控制中心主控机上 的各项参数和控制目标来对远端执行机构进行控制。 ( 2 ) 遥测：对被测对象的参数进行远距离的间接测量，也就是系统具有实时 获取远程现场的各项模拟量参数的功能。 ( 3 ) 遥信：把被控对象的动作结果和故障信息送回到控制端，也就是系统具 有实时获取远程现场的各项开关量参数的功能。 4 ) 数据处理：系统具有将r t u 采集到的实时数据处理加工成相应的报表，提 交给系统管理人员或上级管理机构的能力。 5 ) 报警处理：系统具有根据r t u 的采集量进行声光报警的功能。 2 1 - 4s c a d a 系统的特点n 5 ” ( 1 ) 分散测控、集中管理。分散测控是s c a d a 系统的特点决定的，分散控 制，分散危险，提高了系统的可靠性；集中管理可以大大降低监控管理成本，解 决了人工巡检的困难，做到了及时响应，实时控制。 ( 2 ) r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 的智能化。r t u 是采用微处理器或d s p 的 智能测控模块，完成各种远端现场的智能测控，独立运行数据通信任务的智能化 模块。 ( 3 ) 系统的环境适应能力强，可靠性高，针对不同的现场环境s c a d a 系统 可以采用不同的通信方式，来实现数据传输和通信。 ( 4 ) 数据通信的多样化。随着通信技术的发展，目前s c a d a 的通信方式也 日趋多样化。如：r s 一4 8 5 现场总线、电力载波和p s t n 公用电话网、v h f u h f 电台、 i s m 扩频电台、g s m 移动电话网以及卫星通信等。 ( 5 ) 可扩展性和可维护性好。r t u 端主要由以微处理器和d s p 为核心的智 能模块化结构，易于添加和更换模块。由于工业现场总线的协议有通用的标准， 采用相同总线的模块在扩展时，不必考虑兼容性和电平转换问题，给系统的扩展 和维护带来了很大的好处。 2 2 相关技术在城市路灯s c a d a 系统通信网络中的应用 本系统针对城市路灯“终端多、地域广、户外、分散、信息量不大”等特点， 总体上选择g p r s 无线通信方式，但对路灯进行单灯控制时，采用电力线载波有 线通信的方式。 2 2 1g p r s 技术 ( 1 ) g p r s 的基本概念 1 0 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称， 是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组 形式的数据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的 突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与 当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一 开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和 接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成 本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传 输，也适用于偶尔的大数据量传输“。 g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b s ，实际应用带宽大约在1 0 7 0 k b s ，在此信道 上提供t c p i p 连接，可以用于i n t e r n e t 连接、数据传输等应用。g p r s 是一种 新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户 提供高速无线i p 。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道， 同一无线信道又可以由多用户共享，资源被有效的利用。使用g p r s 技术实现数 据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本“。 ( 2 ) g p r s 的技术优势8 3 1 ) 资源利用率高 g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传输 数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电 路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信 道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味 着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。g p r s 用 户的汁费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。 实际上，g p r s 用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费 用。 2 ) 传输速率高 g p r s 可提供高达11 5 k b i t s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i t s ，不包括 f e c l7 0 r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 前向纠错) 这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户 1 l 能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒 体应用成为可能。 3 ) 接入时间短 分组交换接入时间缩短为少于1 秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高 一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可使已有的i n t e r n e t 应用( 如 e - m a i l ，网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 4 ) 支持i p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网络 覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 ( 3 ) v p n 虚拟专网概念 虚拟专用网( v p n v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) 是依靠i s p ( i n t e r n e t 服务提 供商) 和其它n s p ( 网络服务商) ，在公用网络中建立专用数据通信的网络技术。 在v p n 中，任意两个节点之间的连接并没有传统专网所需的端到端的物理链路， 而是利用某种公众网资源来动态组成的。实际上，v p n 是通过私有隧道技术在公 共数据网络上仿真一条点到点的专线技术。要实现v p n 连接，企业内部网络中必 须配置一台基于w i n d o w sn t 或w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 的v p n 服务器，v p n 服务器 一方面连接企业内部专用网络，另一方面要连到i n t e r n e t ，即v p n 服务器必须拥 有一个公用的i p 地址。v p n 的物理结构图2 2 所示。 图2 ，2v p n 的物理结构图 ( 4 ) g p r s + v p n 通信方式在城市路灯s c a d a 系统中的应用 根据城市路灯比较分散、数据量小、实时性要求较低的特点，通信网采用中 国移动g p r s 数据业务，形成v p n 通道。采用远程数据终端( r t u ) 完成各种数据的 采集( 电流、电压、防盗信息等) ，并执行主站的控制命令，完成开关的开、合及 亮度调节。路灯无线监控中心采用路灯自动化监控系统，通过i n t e r n e t 与 g p r s m o d e m 通信向各r t u 传送控制命令，其系统结构如图2 3 所示。 图2 3g p r s + v p n 通信方式系统结构图 通过g p r s 网络进行数据传输一般需要使用g p r s 模块。目前，g p r s 模块一 般是指带有g p r s 功能的g s m 模块，可以通过g p r s 网络进行数据传输现在使用 较多的有法国w a v e c o m 公司的w i s m o 系列、西门子公司的m c 3 5 ，m c 4 5 系列、摩 托罗拉公司的g 1 8 ，g 2 0 系列、索尼爱立信的g m 4 7 系列等等。这些模块无论在结 构还是功能上都很相似。一般具有以下特点： 1 ) 接口简单、使用方便 一般都提供电源接口、s i m 卡接口、r s 2 3 2 数据口，利用a t 指令进行控制。 2 ) 功能强大 有两种工作模式：8 g s mp h a s e 2 模式，支持语音服务 b g p r s 分组交换模式。 模块本身支持的数据业务包括s m s ，c s d ，h s c s d 和g p r s 。同时也支持语音、 传真服务。有的模块内部还集成了t c p i p 协议栈，方便了网络应用程序的开发。 本课题选择的g p r s 模块是s i e m e n s 公司生产的g p r s 调制解调器m c 3 5 i ，主 要特征如下： 1 ) 支持语音、数据传输、短消息、传真业务 2 ) 三种语音编码方式( f r e f r h r ) 3 ) 四种数据传输模式( c s 一1 ，c s 一2 ，c s 一3 ，c s 一4 ) ，下行速率最大为 8 5 6 k b i t s ，上传速率最大为2 1 4 k b i t s 4 ) 提供r s 2 3 2 全双工数据口 5 ) 使用a t 指令进行控制 选择m c 3 5 i 的主要理由一方面是因为它的应用较早，相关的技术资料较多， 有利于产品的开发，另一方面是它的功能强大、性能稳定、可靠性好。其工作原 理图如图2 4 。 图2 4g p r s - m o d e m x 作原理图 2 2 2 低压电力线载波技术 ( 1 ) 电力线载波的基本概念 人们很早就对电力线( p lp o w e rl i n e ) 的载波通信进行了广泛的研究，利用 电力网络的丰富资源进行低成本的信息的传送。鉴于自身的特点，电力系统一直 以来都致力于发展和利用电力线载波通信来实现电力的实时监控和调度，并取得 较好的效果。在目前公用电话通信网如此发达的今天，电力线载波通信仍然是电 力系统的一个重要的通信手段。 电力载波通信技术利用现有交流电源线作为通信线路，省去了铺线工程。但 1 4 由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数 据传输有许多限制。 1 ) 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配 电变压器区域范围内传送； 2 ) 不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同； 3 ) 电力线存在本身固有的脉冲干扰。 另外电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通信 媒介。为了排除以上所述的各类干扰，选择适合电力网络环境的通信技术是关键。 在目前的p l 通讯产品中，主要使用两种方式，即窄带通讯方式和扩频通讯方式。 因为窄带通讯技术价格低廉并且较为容易实现，所以在以往的应用中比较流行。 然而，要实现用于家庭或经济产品上的通讯与控制网络，需要更为可靠的多用户 环境的p l 通讯技术。扩频通讯相对于窄带通讯而言具有一定技术上的优势，主 要表现在抗干扰方面。因为扩频载波信号的带宽通常较大( 几十至几百k k l z ) ，所 以其受干扰的频率范围所占比例相对减小，换句话讲，就是各种噪声仅能影响到 一小部分所要传输的信号，而大多数的信号都能够完整、正确的到达目的地，所 以对于各种类型的干扰都具有较强的抵抗性。其中数据信号的信噪比决定传输距 离的远近。由于电力线载波的实现通常己经由硬件制作商封装成硬件，因此只要 选择合适的产品，就可以像一般局域网络那样搭建基于电力线载波通讯的网络。 电力线载波通信的关键就是选用一个功能强大的电力线载波专用m o d e m 芯片。 ( 2 ) 低压电力线载波在路灯监控系统中的应用 目前的路灯远程监控系统只能实现对每条支路路灯的开关灯控制，不能实现 对每盏灯的单独控制，无法了解各条路灯线路上具体每盏灯的工作情况。不能控 制每盏路灯的开启、关闭，也就不能实现最佳的路灯控制方案，不能实现大量的 节约用电费用的开支，更实现不了由计算机管理系统自动识别每盏路灯是否故 障。 为了克服现有的路灯管理不能实现最佳的控制方案、节约用电费用及路灯故 障自动检测，利用最新低压电力线载波技术、载波控制器可以实现路灯的单灯控 制器。它不仅可以实现在单台变压器下的所有路灯仅用一个集中控制器，通过现 有的2 2 0 v 低压电力线利用载波技术远程控制每盏路灯、检测路灯的工作状态， 节约大量的用电费用，而且可以通过计算机自动识别故障路灯。“。 采用低压电力线载波技术的优点： 1 ) 可以最大限度的节约路灯电能的消耗量。 2 ) 自动监测路灯网中的任一盏灯的工作状态。 3 ) 适用于城镇路灯、高速公路路灯、“亮化工程”的自动化管理。 4 ) 投资回报率高。 5 ) 可延长路灯的使用寿命。 具体实施方式： 当主控中心计算机发出指令时，通过i n t e r n e t 网、p s t n 网、g s m 一9 0 0 m ，可 控制任一变压器下的中继控制器，通过2 2 0 v 的载波远程控制该单灯控制器下的 所有路灯从而自动控制每盏灯的开启、关闭。也可采集任一盏路灯的电量数据( 以 此检验路灯是否故障) 。一般情况下，由变压器下的单灯控制器通过m c u 及载波 模块将载波信号传递在a ，b ，c 三相2 2 0 v 的电力线上并按3 6 5 同规定时间表自 动控制路灯的开启和关闭，及最佳的节约用电时间表自动控制路灯的亮度调节， 同时对采集路灯的电量数据进行保存、分析、管理。 1 6 3 城市路灯s c a d a 系统的整体设计 设计城市路灯s c a d a 系统的目的是将计算机及现代通信技术应用于城市路 灯、灯光亮度的调节与管理，以实现其遥控、遥测、遥信、遥视和节能等功能， 是现代化城市的重要组成部分。 3 1 系统设计依据与原则 3 1 1 系统设计依据。2 1 路灯s c a d a 系统是一项重大的市政建设工程，其设计应符合下列标准和规范 的要求： g bj 4 2 81 工业企业通信设计规范。 g bj 5 4 8 3 低压配电装置及设计规范。 j gj t 一9 2 民用建筑电气设计规范。 g b8 5 6 6 计算机软件开发规范。 g b t 1 2 5 0 4 计算机软件质量保证计划规范。 g b5 0 0 5 7 9 4 建筑物防雷设计规范。 c jj 4 5 9 1 城市道路照明设计规范。 g a t 7 5 9 4 安全防范工程程序与要求。 g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波标准。 3 1 2 系统设计原则 ( 1 ) 先进性：整个系统采用目前先进的设备和技术，能适应以后的发展趋势。 ( 2 ) 开放性：整个系统是一个开放性的网络系统，不但可溶入到其他的系统 中，而且也可以兼