230MHz解決計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　摘 要：針對(duì)我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)、地下室等GPRS信號(hào)未能覆蓋或者信號(hào)較弱的環(huán)境，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端無(wú)法正常使用GPRS進(jìn)行及時(shí)通信，在不改動(dòng)GPRS通信設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)終端的前提下，利用230 MHz技術(shù)來(lái)解決計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)的技術(shù)難題。在230 MHz頻段開(kāi)發(fā)提供現(xiàn)場(chǎng)終端上行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)的設(shè)備，一端與數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)終端交互數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)終端上行數(shù)據(jù)通過(guò)230 MHz信道轉(zhuǎn)發(fā)后，另一端將通過(guò)230 MHz信道收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至GPRS網(wǎng)絡(luò)，從而傳輸至主站系統(tǒng)，進(jìn)而建立良好的通信環(huán)境。

　　關(guān)鍵詞：計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng);230MHz技術(shù);GPRS通信盲點(diǎn)

　　《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》創(chuàng)刊于1981年，是中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)刊。以介紹計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為重點(diǎn)，以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步為宗旨，以促進(jìn)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用創(chuàng)新為目標(biāo)。

　　我國(guó)電力通信隨著智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，從小到大、從點(diǎn)到面發(fā)展并形成覆蓋全國(guó)的電力通信網(wǎng)，因此，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)始被廣泛使用。該系統(tǒng)以當(dāng)前各行業(yè)先進(jìn)的技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的整合最終成型，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程抄表、分析供電線路損耗、有效控制管理電網(wǎng)負(fù)荷以及電網(wǎng)故障預(yù)警等先進(jìn)功能，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的使用極大的減少了工作人員的數(shù)量，節(jié)約了管理成本的同時(shí)還提高了管理效率。然而，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端安裝在各種復(fù)雜的環(huán)境中，部分地域存在GPRS信號(hào)未覆蓋或信號(hào)不穩(wěn)定的情況，造成現(xiàn)場(chǎng)終端與主站系統(tǒng)間不能建立通信連接或連接不穩(wěn)定，無(wú)法正常采集到現(xiàn)場(chǎng)終端的各項(xiàng)數(shù)據(jù)等問(wèn)題[1-3]。為此，基于計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的通信規(guī)約要求，研究利用230 MHz來(lái)解決計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)，以便現(xiàn)場(chǎng)終端能與主站系統(tǒng)建立穩(wěn)定可靠的通信連接。

　　1 計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)分析

　　1.1 計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)概述

　　計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)是一套涵蓋全網(wǎng)絡(luò)各種計(jì)量點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)終端，集信息采集、監(jiān)控、分析和計(jì)量管理于一體的應(yīng)用平臺(tái)。系統(tǒng)從單一到完整，功能從簡(jiǎn)單到豐富，業(yè)務(wù)應(yīng)用從原來(lái)主要以自動(dòng)抄表為主，拓展到用電檢查、計(jì)量管理、線損統(tǒng)計(jì)及分析、需求側(cè)管理、市場(chǎng)分析等多方面，覆蓋廠站、專變、公變及低壓用戶，完成了從點(diǎn)到面的自動(dòng)化信息管理。計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的投入應(yīng)用，為有序用電、遠(yuǎn)程抄表、智能負(fù)荷控制、電費(fèi)結(jié)算、市場(chǎng)管理、線損管理、營(yíng)銷系統(tǒng)的電費(fèi)結(jié)算等業(yè)務(wù)提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐，使得電力營(yíng)銷管理水平和客戶服務(wù)水平得到了實(shí)質(zhì)性的提升，取得了供用雙方的效益雙贏。

　　計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)是電力企業(yè)營(yíng)銷自動(dòng)化的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括主站系統(tǒng)、通信通道、現(xiàn)場(chǎng)終端、本地通信和電能表。計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的主站系統(tǒng)是指把各類計(jì)算機(jī)接入到計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)，它控制著整個(gè)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息采集，并遠(yuǎn)程連接通信信道，通過(guò)通信信道對(duì)現(xiàn)場(chǎng)終端的信息進(jìn)而二次控制和實(shí)時(shí)采集，并把得到的結(jié)果進(jìn)行分析與數(shù)據(jù)處理。通信信道是用來(lái)溝通主站系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)終端的通信介質(zhì)，可以是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS(Genegral Packet Radio Service)、碼分多址CDMA(Code-Division Multiple Access)、公用電話交換網(wǎng)PSTN(Public Switched Telephone Net-work)和/或數(shù)據(jù)專線等，目前主要應(yīng)用的是GPRS。現(xiàn)場(chǎng)終端包含一定的客戶端和總站下轄的二級(jí)單位，用于通過(guò)本地通信具體采集各個(gè)計(jì)量點(diǎn)(電能表)的電能信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并通過(guò)通信信道將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)，還執(zhí)行并轉(zhuǎn)發(fā)主站系統(tǒng)下達(dá)的各項(xiàng)控制與操作命令[1-3][5]。

　　1.2 GPRS技術(shù)概述

　　GPRS技術(shù)是一個(gè)疊加在GSM(Global System for Mobile)上專為高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的新網(wǎng)絡(luò)，屬于一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式，是介于第二代和第三代之間的一種技術(shù)，稱為2.5G數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，是GSM向3G移動(dòng)通信發(fā)展的必經(jīng)階段。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。它充分利用現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過(guò)在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級(jí)形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體，手機(jī)通話繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)傳輸則使用GPRS。它采用分組交換方式傳輸數(shù)據(jù)，理論上最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)171.2 Kbps，客戶可以在移動(dòng)狀態(tài)下通話的同時(shí)使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括高速電子郵件傳遞(可帶圖形等大型文件附件)、網(wǎng)上沖浪、訪問(wèn)企業(yè)廣域網(wǎng)等。此外，GPRS是以運(yùn)營(yíng)商傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時(shí)間為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)費(fèi)，從而令每個(gè)用戶的服務(wù)成本更低[4]。

　　GPRS是在原有基于電路交換(CSD)方式的GSM網(wǎng)絡(luò)上引入兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)。SGSN和MSC在同一等級(jí)水平，并跟蹤單個(gè)MS的存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過(guò)幀中繼連接到基站系統(tǒng)。GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和SGSN連通。GPRS與Internet連接原理如圖2所示，GPRS模塊通過(guò)接口從客戶系統(tǒng)取得數(shù)據(jù)，處理后的GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站(BSS)。分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，SGSN通過(guò)GPRS骨干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信。GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如Internet或X.25網(wǎng)絡(luò)等。若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一個(gè)GPRS終端，則數(shù)據(jù)由GPRS骨干網(wǎng)發(fā)送到SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端。

　　GPRS采用無(wú)線分組技術(shù)，將無(wú)線通信與因特網(wǎng)緊密結(jié)合，作為一種先進(jìn)的全新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載手段，全面提升了無(wú)線數(shù)據(jù)通信服務(wù)，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：1)永遠(yuǎn)在線：只要激活GPRS應(yīng)用就永遠(yuǎn)保持在線，不存在掉線問(wèn)題，相當(dāng)于一種高速無(wú)線專線網(wǎng)絡(luò);2)按量計(jì)費(fèi)：雖然永遠(yuǎn)在線，但只有產(chǎn)生通信流量時(shí)才計(jì)費(fèi)，它是一種面向使用的計(jì)費(fèi)方式，更加科學(xué)合理;3)快速登錄：全新的分組服務(wù)，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間的撥號(hào)建立連接過(guò)程;4)自如切換：話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以自如切換使用，電話上網(wǎng)兩不誤;5)高速傳輸：GPRS理論傳輸峰值遠(yuǎn)高于撥號(hào)上網(wǎng)及一般無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)[6]。

　　1.3 存在的問(wèn)題及原因分析

　　計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端主要采用GPRS的通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如某些用戶計(jì)量點(diǎn)安裝在偏遠(yuǎn)山區(qū)或地下室，中國(guó)移動(dòng)、電信或聯(lián)通等無(wú)線通信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不到或強(qiáng)度較弱、信號(hào)不穩(wěn)定。信號(hào)盲點(diǎn)問(wèn)題突出，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)終端無(wú)法遠(yuǎn)程接入主站系統(tǒng)，進(jìn)而無(wú)法穩(wěn)定上線、向主站傳輸數(shù)據(jù)。而且，通信信道的效果在相當(dāng)程度上依賴中國(guó)移動(dòng)、電信或聯(lián)通運(yùn)營(yíng)商的對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)的重視程度和維護(hù)水平，故障處理時(shí)間得不到保障[7]。從計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況分析，按地理環(huán)境特點(diǎn)分類，存在以下的問(wèn)題。

　　1)偏遠(yuǎn)山區(qū)

　　根據(jù)對(duì)現(xiàn)有情況的總結(jié)分析，偏遠(yuǎn)山區(qū)常見(jiàn)的地理環(huán)境特點(diǎn)及其影響有幾個(gè)類型：1)處于山峰峽谷地段，一般是現(xiàn)場(chǎng)終端附近沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)或者信號(hào)較弱，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致終端無(wú)法上線，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程通信;2)離變電站超10千米的偏遠(yuǎn)地區(qū)，無(wú)信號(hào)覆蓋同時(shí)也沒(méi)有安裝有線電話，導(dǎo)致無(wú)法使用有線通信接入;3)位于省際交界區(qū)域，其通信網(wǎng)為外省信號(hào)，終端SIM卡未開(kāi)通漫游功能，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程通信等。為此，改善偏遠(yuǎn)山區(qū)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端接入主要技術(shù)瓶頸在于如何在信號(hào)不穩(wěn)定或沒(méi)有信號(hào)環(huán)境下保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。

　　2)地下室

　　城市建筑的地下室的地理環(huán)境特點(diǎn)是，受墻體、地面等的屏蔽影響，地下室的室內(nèi)信號(hào)弱或者無(wú)信號(hào)，但室外的GPRS通信良好，形成局部性區(qū)域信號(hào)不穩(wěn)定。導(dǎo)致位于地下室的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端無(wú)法穩(wěn)定與主站系統(tǒng)進(jìn)行通信[8、11]。

　　2 基于230 MHz技術(shù)的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)分析

　　2.1 230 MHz技術(shù)概述

　　230 MHz技術(shù)屬于超短波無(wú)線通信技術(shù)，是利用223～231MHz超短波頻段電磁波進(jìn)行的無(wú)線電通信。超短波通信由于地面吸收較大且電離層不能反射，只能靠直線方式傳輸，又被稱為視距通信，傳輸距離約50 Km，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)需經(jīng)中繼站分段傳輸，即中繼接力通信。為了滿足電力系統(tǒng)建設(shè)負(fù)荷管理系統(tǒng)的需要，1991年國(guó)家曾明確將223～231 MHz頻段共15個(gè)雙頻頻點(diǎn)和10個(gè)單頻頻點(diǎn)分配給電力專用。

　　230 MHz技術(shù)用于負(fù)荷管理系統(tǒng)至今己十多年。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，230MHz電臺(tái)和數(shù)據(jù)傳輸Modem也在不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)傳輸速率從最早的600bps己發(fā)展到目前成熟的9600bps，電臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性大大改善，整個(gè)230MHz通信信道也日益完善。從目前通信技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，19.2Kbps或者更高的高速傳輸系統(tǒng)為今后大信息量的傳輸，尤其是圖文的傳輸創(chuàng)造了條件。230MHz技術(shù)具有建設(shè)方便、覆蓋面大等優(yōu)點(diǎn)。

　　2.2 基于230 MHz技術(shù)的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為加快營(yíng)銷計(jì)量、抄表、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，電網(wǎng)公司提出全面建設(shè)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶用電信息“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”，有效改變長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法及時(shí)、完整、準(zhǔn)確地掌控用戶用電信息的局面。目前，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)主要采用GPRS的通信信道。隨著計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的陸續(xù)建設(shè)，對(duì)通信信道也提出了更高的要求。

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，利用公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商無(wú)線專網(wǎng)進(jìn)行用電信息采集的方式得到了廣泛的推廣應(yīng)用，但用電信息采集用戶不斷增加，網(wǎng)絡(luò)帶寬費(fèi)用和千萬(wàn)級(jí)用戶采集數(shù)據(jù)傳輸給我們帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，因此重新審視230 MHz無(wú)線組網(wǎng)方式，考慮將GPRS與230 MHz進(jìn)行結(jié)合使用[9-10]。