（电力系统及其自动化专业论文）基于cdma的电力自动化远程图像监控方案.pdf

出丕太堂亟堂位i 金塞 关键词：c d m a 、远程图像监控、通信信道、电力系统自动化 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e ra u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g y , i ti sm o r ea n dm o r e a d v a n c e df o rt h el e v e lo fa u t o m a t i z a t i o ni np o w e rs y s t e m m a n yp l a c e ss u c h 髂 p o w e rp l a n t ，t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , c o m m u n i c a t i o ns t a t i o n ，e t cn e e di m p r o v i n g p r o d u c t i o nb e n e f i tt h r o u g hm o n i t o rs y s t e m w eh a v er e a l i z e dt e l e m e t e r i n g r e m o t e s e n s i n g ，t e l e c o n t r o l ，r e m o t ea d j u s t i n gf u n c t i o n s 1 1 1 el o n g - d i s t a n c ei m a g em o n i t o r s y s t e mc a na d da st h ef i 铀r e l n o t e , f u n c t i o n w cc a l li tr e m o t ev i s u a l m o r ea n dm o r e p o w e rc o m p a n i e sm a k et h el o n g d i s t a n c ei m a g em o n i t o rs y s t e ma st h e i rn e w m a n a g i n gm e a s u r e t h el o n g d i s t a n c ei m a g em o n i t o rs y s t e mm a k e st h em o n i t o rc e n t e ri nt h ep o w e r d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n tc e n t e r i tb u i i d sv i s u a l ，a u d i oa n dd a t ac o l l e c t i n gu n i t ei n e a c he l e c t r i cs u b s t a t i o n a l s oi tc a l lb u i l dt h em o n i t o rc e n t e ri nt h ep o w e rp l a n to r s u b s t a t i o nt om o n i t o rt h ee q u i p m e n t s ，i n s t r u m e n t sa n do p e m t i o n a le n v i r o n m e n t w e c a nk n o wa n dg e tt h er u no fa l lt h em o n i t o r i n gu n i t ss i t u a t i o ni n t u i t i o n i s t i ca n d d i r e c t l ya tt h er e a lt i m et h r o u g hm o n i t o r i n gt h ec o r r e l a t i v ed a t aa n di m a g e w i t h t h e s ew ec a nd ot h er e a c t i o ni nt i m ef o rt h ec o n k t h em o n i t o rs y s t e mc a nh e l du s s t o r e a n a l y z et h er e l e v a n td a t at os u p p o r tu si m p r o v i n go rd e c i s i o n t l l i sk i n do f s y s t e mi 8f i tf o rt h ed e v e l o p m e n to f p o w e rm e d e r n i z a t i o n t h i sa r t i c l ea n a l y s e sa n dc o m p a r e sm a n yc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l su s e di nt h e p o w e rs y s t e m i ti su pw i t l lt h eq u i c kd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p r o p o s eo n en e wi m a g em o n i t o rs y s t e mb a s e do nc d m a i tc a na f f i r n lt h e f e a s i b i l i t ya n du n i v e r s a l i t yo ft h er i s i n gc o m m u n i c a t i o nm e d i u ma p p l i e dt oe l e c t r i c p o w e ra u t o m a t i z a t i o nt h r o u g ha n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e ro fc d m a t h e n i tc a nc o m m e n tt h e g r e a tv a l u eo ft h i sk i n do fs y s t e mi m p r o v i n gt h ep o w e r a u t o m a t i z a t i o nd e g r e e ，r e l i a b i l i t ya n dr e a lt i m e t h ec d m an e t w o r kp r o v i d e sak i n d o fq u i c ka n dc r e d i b l ec o m m u n i c a t i o nm e a nf o rt h ee l e c t r i cp o w e ra u t o m a t i z a t i o n 。 w h i c hi s e a s ye x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c e s ot h el o n g d i s t a n c ei m a g em o n i t o r s y s t e mb a s e do nc d m a h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sn oi n s t a l l a t i o nw o r k , d o w nt h e c o n s t r u c t i o nc o s t ，m a n ye x p e n s es a v e ，s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d , s t r o n ge x p a n s i o n a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , q u i c kt r a n s m i s s i o nr a t e ，g r e a tr e a lt i m e ，e t c a sl o n ga st h e p l a c e sc o v e r e d 晰mc d m an e t w o r k , w ec a nm a k et h ei m a g em o n i t o ra ta n yt i m e t h i si st h et e a lr e m o v i n gm o n i t o r t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fi m a g em o n i t o rb a s e do n c d m a c o n n e c t i n gw i t ht h ei n t e r n e ti nd e t a i l t h e nd e s i g nt h el o n g - d i s t a n c ei m a g e m o n i t o rs c h e m ew i t ht h ec d m av p nn e t w o r k , w h i c hc a na p p l yw i t hp o w e rp l a n t s w a t e rs o u r c es t a t i o n i tr e f e r st ot l l en e t w o r km o d eo ft h es y s t e m , s t r u c t u r eo f m o d u l e si nt h em o n i t o ru n i t e ，d e p e n d e n tc o m p r e s ss t a n d a r d ，a r i t h m e t i co f ft h e b a c k g r o u n da n d t h ef u n c t i o n , w h i c ht h es y s t e mb a c k g r o u n ds h o u l dh a v e 1 1 l ep a p e r p u t sf o r w a r dt h ei m p r o v i n ga n dd e v e l o p i n gw a yf o rt h ew i r e l e s si m a g em o n i t o r s y s t e m w i t ht h er e a l i z a t i o no fp e r f e c tl o n g - d i s t a n c ei m a g em o n i t o rs y s t e mb a s e d n i c d m a ，t h el o n g - d i s t a n c ei m a g em o n i t o ro fe l e c t r i cp o w e ra u t o m a t i z a t i o ns y s t e m m u s tb ei n j e c t e di n t on e wv i t a l i t y t h i si l e ws c h e m ew i l l c o n t r i b u t et ot h e i m p r o v e m e n to f p o w e r a u t o m a t i z a t i o n k e yw o r d s ：c d m a ，i m a g em o n i t o r , c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，e l e c t r i cp o w e r s y s t e ma u t o m a t i z a t i o n i v 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二墨摊 日 期：j 变已雌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：撕导师签名：啦日 期：土蝴 1 引言 1 。1 概述 电力系统是由发电厂、变电站、输电网、配电网和用户的用电设备等组成， 并由调度控制中心对全系统的运行进行统一的管理。现代的电力系统，调度控 制中心需要采集和处理的数据数量多，实时性要求高，早期的靠电话采集数据， 下达命令的调度手段显然速度慢、实时性差，已无法满足要求。特别是在事故 情况下，丧失时机可能就会造成极大的危害【l 2 1 。 随着国民经济的发展以及人民物质文化生活水平的不断提高，对电力的需 求越来越大，促使电力事业迅速发展。自动化技术的不断发展，使电力系统的 自动化水平逐步提高，各发电厂、变电站、通讯站等都逐渐需要通过监控系统 实现少人、无人监管，以提高生产效益。同时，监控系统和电力调度系统、办 公室自动化系统能够有机的融合在一起，形成一个综合的管理业务系统。 在电力调度管理中心建立监控中心，在各发电厂、变电站建立视频、音频 数据采集单元，从而在远端能对各监控场所的相关数据、图像进行采集、监控 和监视，以便能够实时、准确、直接的了解和掌握各电厂、变电站、变电所等 地方的情况，并及时作出反应，同时将相关的数据进行存储分析，以为今后的 决策和改进提供有力的支持。 远程图像监控系统是对遥测、遥信、遥控、遥调即“四遥”的进一步补充， 即所谓的“遥视”。它能监视并记录监测点的环境变化、安全以及设备的运行情 况，监测电力设备发热、运行程度，能够及时发现、处理事故，具有防火、防 盗等功能，有助于提高电力系统自动化的安全性和可靠性，并提供事后分析事 故的有关图像资料。因此越来越多的电力企业把远程图像监控系统作为电力系 统自动化管理的新手段。 监控系统原先是零散地、分别地对一些专用设备，如动力设备、环境控制 设备等进行监控，其形式在2 0 世纪8 0 年代是集散系统，9 0 年代是总线技术。 随着通信、计算机、自动化技术的发展，带动了监控技术发展与应用，发展非 常迅速，逐渐演变成集中监控系统。可以说前端一体化、视频数字化、监控网 络化、系统集成化、管理智能化是现代监控系统的发展方向。而数字化是网络 化的前提，网络化又是系统集成化的基础。所以，监控系统发展的最大特点就 是数字化、网络化、智能化，具有这些特点的监控系统可以称为现代监控系统。 在日常的生活和工作中，人们经常接触的信息主要有三大类，分别为语音、 文本和图像信息。和语音、文本信息相比较，图像信息具有直观性强、信息内 容丰富等特点。因此，通信中引人图像信息的传输，不仅大大地丰富了通信的 内容，而且也更适合人们获取直观、大量的信息。 1 2 图像通信在电力行业中的应用展望 在图像通信产品中发展最快的是电视会议系统，从8 0 年代起，电视会议有 了较大发展，如美国惠普公司建立了一个全球性的电视会议网，把该公司分布 在世界各地的办事机构连接了起来。英国b t 公司通过卫星与德国、瑞士、比 利时、荷兰和法国实现了电视会议信号的传输。德国的1 1 个城市组成了一个电 视会议网。日本计划到2 0 0 0 年将电视会议室发展到2 0 0 个。我国近几年来电视 会议业务也取得了长足的进步，国家的电视会议骨干网已基本建成。电力系统 的图像通信，从8 0 年代初就开始了一系列试验和研究。目前正在建设从国家电 力公司到各省公司的会议电视骨干网p j 。 图像平台的另一个重要应用是远程工业电视监控。在不少基层单位已陆续 安装了本地的工业电视系统，便于相关管理人员及时了解生产现场的实况。从 而减少了劳动强度，改善了工作环境，起到了减人增效的作用。为了使省公司 和调度中心的有关管理人员也能及时了解各下属单位的生产现场的情况，图像 平台可以为此提供图像传输信道和控制信道。有关人员可远程控制远方的图像 设备，实现监控点的选择、摄象机及云台的操作等功能。旦发生事故，还可 用带有移动图像传输设备的摄象机拍摄事故现场，通过图像平台传输到上级单 位，便于上级单位决策和现场指挥。无人值守变电站的远程图像监控就是典型 应用之一。 我国电力图像平台未来应具有的功能有： 电视会议 桌面视频系统 可视化调度 远程工业图像监控 图像平台与m i s 的交互 广播级图像信号的传送 图像平台同有线电视的互联 下属单位问的图像信息交换 1 3 本文的主要工作 本论文主要做了以下方面的工作： 论文在电力系统自动化要求日益提高的环境下，分析了电力系统目前应 用于监控的各种通信信道的特点和应用环境，重点介绍了应用较为广泛 的电话线信道、微波通信及光纤信道，简要介绍了最近几年出现的无线 信道的原理及特点。 基于目前无线通信的快速发展及电力系统远程监控的某些特殊环境，提 出利用新媒介c d m a 进行电力系统无线监控的设想。论文通过对c d m a 结构及特点的分析，充分肯定了将这种新兴的传输媒介应用于电力系统 自动化的可行性及广泛的应用前景，从而说明这种系统对提高电力系统 自动化程度，提高可靠性和实时性具有重大意义。结合c d m a 无线通 信的“3 g ”发展指出其在电力系统中的广泛发展空间。 以应用最为典型的变电站远程监控为例分析和介绍了当前电力系统自 动化中的远程图像监控系统的现状和发展趋势。设计出了这种基于 c d m a 的远程图像监控系统方案，介绍了此无线通信监控方案的工作原 理。设计出应用于发电厂水源站的基于c d m a 远程图像监控系统的具 体方案，并设计完成了系统方案相关的硬件模块。 对此基于c d m a 远程图像监控系统实现的关键技术压缩算法 进行了比较研究，从特点及适用范围入手论证了此系统选用m p e g 一4 压 缩算法的正确性。在异常图像提取方面选取并分析了能够大大提高此系 统实用性的背景去除算法，它能有效减少误报警的产生，非常适用于实 时图像监控。提出基于c d m a 无线监控的系统后台构建，分析了此系 3 统的特点及发展改进方向。 2 电力系统通信信道现状与发展 随着我国电力工业的迅速发展，电力通信网的建设不论是广域网或局域网 都取得了长足的进展，电力系统的专用通信网已初具规模，光纤通信，卫星通 信等也获得相当水平的应用，初步形成了以北京为中心，以数字微波为主，边 远地区为数字卫星通信的电力通信干线网，覆盖全国绝大部分省市m 1 5 】。有的 地区已形成环网，基本上保证了电网运行控制和生产行政管理的需要。 我国电力调度系统数据网络c e d n e t ( c h i n ae l e c t r i c p o w e rd i s p a t c h i n g n e t w o r k ) 以电力调度生产为服务宗旨，按照分级调度管理的原则，网络分为 三级。第一级网络为国家调度到大区网调及直属省的数据网络；第二级网络为 网调到所属省调及直属地调的数据网络；第三级网络是省内数据网络。各地区 的数据网络也正在逐步发展。 2 1 架空明线或电缆 这是一种最早发展起来的信道。架空明线的优点是敷设简单，缺点是线路 衰耗大，易受干扰，现在一般只用在低速和近距离传送。电缆信道用的较多， 在电力系统中常用作近距离传送，从低速到高速的数据传输都可采用。常用的 电缆类型有多芯电缆、同轴电缆等。 2 2 电话线信道 利用电话线作为通信信道的远程监控系统亦很常见。过去的电话线上只能 传递模拟电信号。经过技术发展，利用电话线传输已经拥有可靠性高、传输稳 定、可以直接传输数字信号、能长距离传送等优点。 利用电话线传输数据可分为租用电话专线和公用拨号电话两种方式a 为了 利用电话线传输数据，就必须将数字脉冲信号转换为3 0 0 3 4 0 0 h z 的话带信号， 通常可采用两个方法达到这个目的，一种是通过m o d e m ( 一般时方式) ，另一种 方式是采用数字音频转换芯片将数字脉冲信号转换为双音多频信号( d t 肝) 。 4 采用m e d e m 的方式可以达到更高的速率，但是其设备的造价较高；采用双 音多频信号( d t m f ) 方式时，o 9 十个b c d 码分别可采用两个音频频率的组合 代表，并规定每5 1 m s 或1 0 2 m s 发送一个b c d 码，这样传输速率大致为5 0 b p s 或 l o o b p s ，显然较m o d e m 方式慢，但是其设备的造价很低。 目前利用电话线上网出现了除模拟m o d e m 窄带方式的一种新方式：a d s l 宽 带方式。 模拟m o d e m 窄带上网 模拟m o d e m 上网是目前i n t e r n e t 接入方式的主流，对于众多个人用户而言， 最简便最实惠的方法就是将自己的p c 机通过m o d e m 与i n t e r n e t 服务商( i s p ) 相连，即拨号上网。这种接入方式收费低、接入简单灵活；但它有显着的缺陷： ( 1 ) 占用电话线路。用户拨号上网时不能再拨打电话，同时也造成了公共电话 网的拥塞： ( 2 ) m o d e m 的速率受限。市场上5 6 k b p s 调制解调器基本已是极限速率： ( 3 ) 通信建立时间长，速率不稳定。 a d s l 宽带上网 a d s l ( a s y m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 技术即非对称数字用户环路 技术，a d s l 是x d s l 家族成员中的一员，它以普通电话线和3 类5 类线等铜质 双绞线作为传输媒质。就是利用现有的一对电话铜线，为用户提供上、下行非 对称的传输速率( 带宽) 。由于它采用了全新的数字调制解调技术，因而可以传 送比m o d e m 和i s d n 带宽高得多的宽带技术。它最初主要是针对视频点播业务开 发的，随着技术的发展，逐步成为了一种较方便的宽带接入技术，为电信部门 所重视。 它利用特有的a d s lm o d e m 来连接现有电话线连接的两端，并创建具有三个 信道的信道。三个信道分别是高速下传信道，中速双工信道和一个p o s t 信道。 p o s t 信道就是用来进行电话通信的，改变了传统的拨号上网占用线路同时不能 拨打电话的情况。由于a d s l 先进的调制解调技术，这三个信道可以同时工作。 目前被广泛应用的a d s l 调制解调技术有两种：c a p 、d m t ，其中d m t 调制解调技 术由于技术先进已经被a n s i 组织定为标准，并被美国a d s l 国家标准推荐使用， 是目前最具前景的调制解调技术。 在d m t 调制解调技术中一对铜制电话线上0 4 k h z 频段用来传输电话音频， 用2 6 k h z 一1 1 m h z 频段传送数据，并把它以4 k h z 的宽度划分为2 5 个上行子信 道和2 4 9 个下行子信道。输入的数据经过比特分配和缓存变为比特块，再经t c m 编码及q a m 调制后送上子信道，理论上每赫兹可以传输1 5 b i t s 数据，所以a d s l 的理论上行速度为2 5 4 1 5 = 1 5 m b p s ，而理论下行速度为 2 4 9 x 4 x1 5 = 1 4 9 m b p s ( 这只是理论极值，实际中由于线路质量及传输距离的影 响是难以达到如此高速) 。 此外d m t 还具有良好的抗干扰能力，它可以根据实际中线路及外界环境干 扰的情况，动态地调整子信道的传输速率。即在有干扰存在的子信道上的传输 速率可能降为8 b it s h z ，而未受干扰或于扰较小的地方仍可保持较高的速率， 同时d m t 还可以把受干扰较大的子信道内的数据流转移到其它信道上。这样既 保证了传输数据的高速性又保证了其完整性。 a d s l 的优点： ( 1 ) 永远在线，节省开支。在线不需要拨号，上网无须交纳额外的话费。 ( 2 ) 网上视频服务。a d s l 的传输速率比普通m o d e m 要快2 0 0 倍以上。 ( 3 ) 安装简单，不需要另外申请线路，只需要在普通电话线上加装a d s l m o d e m ，在电脑上装上网卡即可。 a d s l 与普通拨号m o d e m 及n - i s d n 的比较： a ) 比起普通拨号m o d e m 的最高5 6 k 速率，以及n - i s d n1 2 8 k 的速率，a d s l 的速率优势是不言而喻的。 b ) 与普通拨号m o d e m 或i s d n 相比，a d s l 更为吸引人的地方是：它在同 一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备，减轻 了电话交换机的负载，并且不需要拨号，一直在线，属于专线上网方式。这意 味着使用a d s l 上网并不需要缴付另外的电话费。 a d s l 与i s d n 相比较： 6 a d s l 下行速率可达8 m b p s 。上行i s d n 提供2 b + d 的数据信道， 速率可达1 m b p s ，距离可达3 5速率最高可达1 4 4 k b p s 公里 a d s l 话音部分走的是传统的i s d n 接入网络是窄带的i s d n p s t n 网，而数据部分则接入宽带交换网络 a t m 平台 单从技术角度看，利用电话线通信是很适合于电力自动化系统的，利用电 话线通信可以达到较高的波特率，而且容易实现双向通信。但是电话专线的租 用费用往往较高，并且电力公司无法完全掌握电话线通信的维护以确保其可靠 运行。此外，还有许多电话线未能覆盖到的区域，为这些区域额外架设专线的 费用也是较高的。电话线通讯方案也是一种长距离传输视频的途径。随着监控 系统的发展，数字监控将因为其从远端传输到管理中心的信息真实性及直观性， 而成为现场管理和监控的首选方案，而它的信息传递量也会因为电力系统监控 的发展需要而迅速增加。电话线传输虽然能够得到较好的监控效果，而且新出 现的a d s l 技术可以使电话线通信的带宽、传输质量等有了很大的提高，但是从 长远发展来看，电话线的带宽最大已受限制，将来传输数据量的快速增多会使 电话线传递因带宽受限而质量得不到保证。电话线为有线信道，架设电话线会 受到市容等因素的影响，而且仍存在很多电话线架设存在困难或架设费用过高 的区域。对于长距离传输，为避免多段转接，群延时大，信号畸变严重的情况， 必须对线路采取均衡措施。若大量数据在电话线线路质量不高或在没有进行线 路改进以提高带宽的电话线上传输，则可能导致传输到终端的图像都不连续。 而且分辨率越高，帧与帧之间的间隔就越长；在此情况下，如果想取得相对连 续的图像，就必然以牺牲清晰度为代价。 2 。3 电力线载波信道 电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r , p l c ) 通信是电力系统特有的一种通信方 式，在电力通信中应用很广泛。 电力线载波通信以电力线为传输信道，具有可靠性高、投资少、施工期短、 设备简单、与电网建设同步、覆盖面与电力系统一致等优点，特别适用于电力 系统中的发电厂，变电所和开关站为对象的电力系统调度电话、调度自动化和 远动化，以及在被保护的输电线路两端间传输保护和安全自动装置等信息。因 此，对于信道数量不多，而需要通信覆盖的厂站数量较多，或采用其它通信方 式不便的情况下，可考虑优先采用电力线载波通信【1 6 1 。 根据所采用电力线的电压等级不同，电力线载波又分为输电线载波 ( t r a n s m i s s i o nl i n ec a r r i e r , t l c ) 、配电线载波( d i s t r i b u t i o nl i n ec a r r i e r , d l c ) 7 和低压配电线载波( l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n l i n e c a r r i e r ，又称入户线载波) 三 类。对于输电线载波通信，载波频率一般为l o 3 0 0 k h z ：对于高、中压配电线 载波通信，载波频率一般为5 4 0 k h z ：对于低压配电线载波通信，载波频率一 般为5 0 1 5 0 k h z 。这种频率上的不同是由于配电网络中有大量的变压器、了1 ：关 旁路电容等组件，采用较低的载波频率可使高频衰耗减小。由于载波信道可靠 性高，结合加工设备成本低、易于安装，配电线载波通信系统( d l c ) 性能价 格比很高，被广泛应用于对用户进行的负荷控制和自动抄表系统m l 。 配电线载波还有两种变形即脉动控制技术和工频控制技术。脉动控制技术 对信息的调制是通过脉动有或无实现的，使用的载波频率低于2 k h z ( 也叫音频 控制) ，比较接近5 0 h z 工频，因此脉动控制技术在配电网上的传输效率更高。 脉动技术主要适用于单相通信的场合。 工频控制技术是一种双向通信方式，它利用工频电压过零的时机进行信号 调制。与脉动技术相比，工频控制设备更简单，投资更节省而且不存在由于驻 波带来的盲点问题。目前被广泛应用于远方自动抄表和零散负荷控制领域。 电力线载波信号信道的主要缺点是气候的变化对载波信号的衰耗有影响， 输电线路的噪声比较大，因而误码率较高。配电线路上也存在着一些不足。由 于我国配电网的复杂性，载波通信环境恶劣，其中最主要的问题在于噪声和信 号衰减，很难保证传输的质量。而且，配电线载波通信系统还须解决故障时通 信的问题。配电网故障时，信号必须能够通过打开的断路器。在输电线载波通 信系统中，单相故障是可以跨过的，因为没有发生故障的另外两相可给载波通 信提供辅助信道，载波信号可以通过相邻相的传输线在离故障点较远处重新耦 合到故障相的传输线上。但是对于配电网载波通信系统，由于存在许多只有单 相的区段，因此上述过程行不通。虽然通过旁路调谐设备构造桥路，可以使配 电线载波信号绕过重合器和开关，但相比于输电网，配电网旁路调谐设备的用 量要大的多。 2 4 无线电信道 无线电信道是自由空间，信号以电磁波在自由空间中传播。高频发送机产 生高频电磁波，通过天线发射出去。在接收端，通过接收天线和接收机来接收。 8 出塞太堂亟堂僮：途塞 发射机和发射天线、自由空间、接收天线和接收机共同组成无线电信道【l 】。 无线电波按波长可划分为长波、中波、短波、微波等。长波信道可用于特 种通信，如海上通信等。中波及短波信道通常划给声音传播、电视广播等。部 分短波也用于通信。电力系统中主要是用微波中继通信。 微波是指频率为3 0 0 m h z 3 0 g i - i z ( 波长为l m m - l m ) 的无线电波。微波 具有类似光的直线传输特性，其绕射能力很弱。由于地球是一个球体，所以微 波的直线传输距离就受到了限制，一般在平原地区，一个5 0 m 高的微波天线， 通信距离为5 0 k i n 左右。为了增加通讯距离，通常采用中继接力方式。在视距 范围内设一个微波站，将信号接收下来加以放大后再发送出去，这就是中继转 发。利用多级中继站可以使微波通信距离大大增加。微波通信的优点是频带很 宽、通信容量大、可以容纳很多频道、受外界干扰少、误码率较低、方向性强 及保密性好。 用微波中继通信构成模拟信道的，称为模拟微波；构成数字信道的，称为 数字微波。模拟微波为模拟信号提供通路，以频分方式进行复用，采用频率调 制；是自微波为数字信号提供通路，以时分方式进行复用，通常采用相对调相 的数字调制。 用 联络，告警 接收 图2 - 1 微波中继通信终端站的简化结构框图 图中是微波中级通信终端站的简化结构框图示例。用户的基带信号经基带 处理( 如码型的双极性、单极性转换等) 后，对中频载波( 常用7 0 m h z ) 进行 调制，然后由上变频器把中频信号变换为微波信号( 例如2 g h z ) ，再经射频功 9 率放大和滤波后送天线发射出去。接收时将收到的射频信号滤波后由下变频器 把微波信号变换为中波信号，再经中频滤波放大，由解调器解调为基带信号， 经适当处理后送交用户。收发端之间还有联络告警等业务信号传送。 微波中继通信的频段包括1 4 0 g - i z 的很宽范围。工作频率高时易于获得 较宽的通频带和较大的通信容量，同时天线设备也具有更尖锐的方向性，体积 质量也减小。但频率越商大气中的雾、雨或者雪地吸收越明显，传输衰耗和设 备噪音也越高。电力通讯的微波频段般选用2 、6 、8 g h z 等，其中2 g h z 频 段用于主干线，8 g i - i z 用于分支线。数字微波中继通信目前已成为我国电力系 统通信网的骨干线路。 卫星通讯也可属于微波中继通信，但中继站设在人造地球卫星上。与一般 的微波通信相比，卫星通信不受地形和距离的限制，卫星通信的可靠性也较高。 我国电力系统中的卫星通信一般用于边远地区的厂、站。 2 5 光纤信道 光导纤维简称光纤。利用光纤传送光信号进行通信，称为光纤通信。 光波的波长为微米级，频率为1 0 1 4 h z 数量级。可见紫外线、可见光、红外 线等都属光波范围。目前光纤通信使用的波长为0 8 1 8 t i i l ，在近红外线区， 其频率比微波要高几个数量级。光纤通信具有传输频带宽、通信容量达、损耗 底、不受电磁干扰、线径细、质量轻、抗化学腐蚀等优点。 光纤的结构核心部分是用石英玻璃( s i0 2 ) 制成的同芯的纤芯和包层。纤 芯的折射率略大于包层的折射率，按照几何光学的反射原理，光线就在光纤芯 中传播，经过弯曲的路由也不会折射出光纤之外。为了保护光纤表面，提高抗 拉强度，在包层外面有一层很薄的涂覆层。再在外面用尼龙等制成塑料护套。 光纤的纤芯很细，直径不过几十微米，包层的直径也只1 0 0 2 0 0 tn l 。外加塑 料护套后的直径也仅l m m 左右。 光波是电磁波，按照波动理论，电磁波是交变的电场和磁场在空间相互交 替地变换而向前传播的。光线在光纤内传播时，有由于全反射而沿传播方向前 进的电磁波，有尾端反射回来的回波，还有其它不均匀界面上过来的反射波等。 这些波在纤芯中互相重迭，互相干涉，在纤芯的截顶上形成各种各样的电磁场 1 0 分布形式。每一种电磁场的分布状态称为光纤的一种模式。不同的模式有不同 的电磁场分布和不同的传播路径。模式种类的多少与纤芯直径、波长、纤芯、 包层的折射率等因素有关。传输多种模式的光纤，称为多模光纤。只传输一种 模式的光纤，称为单模光纤。一般单模光纤的纤芯较细，例如有的单模光纤的 纤芯直径仅为4 1 0 m 。单模光纤的传输特性较好、衰减小、频带宽，适用于 大容量远距离的通信系统。 光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，由于光纤的传输损耗，光功 率将逐渐下降。光纤损耗除光纤自身的损耗外，还有光纤与光源的耦合损耗以 及光纤之问的连接损耗等。光纤中光的损耗与工作波长有关。 用光纤传送一个光脉冲信号时，随着传输距离的延长，光脉冲的宽度会随 之被展宽，这种现象称为色散。光纤的色散主要是由于光纤中的不同频率成分 或不同的模式，在传播过程中因速度不同，到达光纤终端的时间就有先有后， 从而造成波形的畸变。单模光纤只传输基本模式，所以它的色散性能优于多模 光纤。光纤的色散使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰。增加误码率， 限制了通信容量和传输距离。 光纤通信可传输模拟信号，但目前获得广泛应用的是时分割制的脉冲数字 编码强度调制、直接检波方式。强度调制是用信号调制光源强度，使之随信号 电流而变化。直接检波是光信号直接在接收机中被检测转换为电信号。 下图是简化的光纤通讯系统图。脉冲数字编码复用设备将各路信号综合转 化为电脉冲信号。发送光端机是将电信号变换成光信号的光发射机，采用的光 源通常是半导体激光二极管l d 或半导体发光二极管l e d 。l d 发出的是激光，光 谱的线宽较窄，响应速度快，适用于高速宽带传输。l e d 发出的是荧光，光谱 的线宽比l d 宽的多，不利于高速传输，响应速度也较馒，但价格较为便宜。 1 堂望焦丕笪 i 图2 - 2 简化的光通信系统图 光发送端机将已调制好的光波送入光纤，需要时经过光中继器送至光接收 端机。光接收端机将光信号变换成电信号的光接收机。光信号到达接收端后先 经作为光检测器的光电二极管p i n 或雪崩光电二极管a p d ，将光信号检波成为 电脉冲，然后经放大、判决等适当处理后恢复为相应的电信号，再送至接收电 端机脉冲编码复用设备，最后分别送至接收端的各路用户。 光电二极管p i n 是在本征材料两端分别生成薄层p 和n 的光电二极管，这 种p i n 光电二极管检测的响应速度和转换效率比简单的p n 结光电二极管要好。 由于接收的光信号一般仅有几个纳瓦，采用p i n 光电二极管时输出的光电流只 有几个纳安，还需要进行多级放大。雪崩光电二极管a p d 的p n 结内有电流放大 作用，提高了增益，但电流倍增时会引进噪声。在接收灵敏度要求较高的场合， 通常采用a p d ，但其价格比p i n 高的多。 光通信可免遭电磁干扰，因此在电力系统中特别受到重用，不仅用于厂站 内部，也用于远距离传输。电力系统在敷设光缆方面有特别有利的条件，光缆 可以和电力线同杆架设，特种光缆还可以缠绕予架空地线，或与架空地线组合 在一起成为架空地线复合光缆。与一般地埋式光缆相比不仅节省施工费用，也 不易受人工破坏，提高了可靠性。电力系统中采用光通信在技术上和经济上都 具有相当优势，必将得到更快地发展，发挥更大的作用。 2 。6g s m 网络通信 近年来，全球移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 发展逐步成熟，网络覆盖面广，通信质量好，具有传输速度快、运行费用相对 低廉、适应性强等优点。g s m 系统是以连接i s d n 网，向用户提供i s d n 业务为 目标的，它所支持的业务种类包括： 1 基本电信业务。包括电话、紧急呼叫、传真、语音信箱等，可以与p s t n 、 i s d n 等互通。 2 数据传输业务。包括3 0 0 b p s 和1 2 0 0 b p s 异步双工数据电路，1 2 0 0 b p s 、 2 4 0 0 b p s 、4 8 0 0 b p s 和9 6 0 0 b p s 同步双工数据电路等，并可以与p s t n 、i s d n 、p d n 等互通。 3 补充业务。如三方通话、电话会议、呼叫转移等。 g s m 短消息和g s m 数据传输业务已在配电自动化系统中得到推广应用，如 远程抄表，配变监测等。 g s y 短消息业务 手机短信由于使用方便，价格低廉，早已广泛应用。在电力信息通信中， 数据被编成短消息的格式发送到预定的号码上，每条短消息可以发送1 6 0 个字 符或者1 4 0 个字节的信息。这种通信方式的优点是利用g s m 公网为信道，免于 维护，成本低，通信质量有保证。但是，由于短消息经过g s m 短消息中心s m s c 转发，短消息的发送一般有一定的延时，实时性差。因此，这种方式般用于 实时性要求不高、小数据流量的数据传输。 g s m 数据业务 g s m 数据业务的发展大致经历了以下几个阶段：g s mp h a s e1 提供的数据传 输速率为0 3 9 6 k b p s ，属于低速电路交换无线数据业务，传输速度较慢。 为了突破9 6 k b p s 的瓶颈限制，g s mp h a s e2 提出了高速电路交换数据业 务( h s c s d ) 。通过改变编码方式，实现了单个物理信道上1 4 4 k b p s 的数据传输 速率，并且它最多可绑定8 个物理信道同时传输数据，数据传输速率理论上可 达1 1 5 2 k b p s 。h s c s d 适合于实时性强的应用，如高速传真，以及持续时间较长 的大数据量业务。其缺点是信道利用率低。 2 7g p r s 通信技术 通用无线分组交换业务( g p r s ) 是g s t tp h a s e2 + 阶段引入的内容之一。它在 g s m 网络中引入了分组交换能力， 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 ，通用无线分组业务) 作为第二代 移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是 一种基于6 s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连 接。 和现有的通信网络相比，g p r s 有几个新特点。 1 ) g p r s 一个最”招人”的特点就是”永远在线”，g p r s 采用的是分组交换技术， 不需要像m o d e m 那样拨号连接，用户只有在发送或接收数据时才占用资源。 2 ) 以传输资料量计费，而不是以传送的时间计费，所以就算遇上网络塞车， 也不会白白花钱，对消费者来说更为合算。 g p r s 是基于现有的g s m 网络实现的，需要在现有的g s m 网络中增加一些节 点：网关g p r s 支持节点g g s n 、服务g p r s 支持节点s g s n 。g g s n 在g p r s 网络和 公用数据网之间起关口站的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。s g s n 记录移动台的当前位置信息，并在移动台和各种数据网络之间 完成移动分组数据的发送和接收，为服务区内所有用户提供双向的分组路由。 系