适用于电力系统调度自动化的扩频分组数据网于1995年底在沿海某大城市试验成功,该网采用美国先进的无线扩频技术集成联网。在九十年代中期,自动数据采集(Automated Data Collection ADC)、传输、监控成为当今世界上几大课题。从智能大厦进出人员和物品动态数据采集及管理到工厂、油田、仓库、码头集装箱的信息管理,都离不开数据采集和传输。如何选用现代通信技术来拟定自动监控通信系统的合理化方案?这对我国广大的公用事业,如水利、煤气、天然气、矿区、森林等都面临一场挑战与选择。
公用事业维系着民众生活,其测控系统的特点是数据速率和传输密度适中,它需常年不断地监测,而且覆盖面积广阔(一个十多公里的地区可能有上百个监测点,而且不少是室外采集系统,甚至在边远地区),需要设备成本低且耐用。一个测控系统如果有十来个测点,主站中心用一般轮询方式尚能应付,一旦测点数达数百个以上,时间和效率便成为问题,就形成瓶颈。什么是经济实用而又可靠的技术途径,以提供适合我国国情的自动监控通信系统呢?这是一门集有线无线通信、计算机硬件软件、网络、大规模集成电路、信号处理、终端等专业的复合技术,需要设计一个开放式系统,使用标准接口,把控制主机、传输信道和智能终端有机地结合在一起,整合于一体,达到使用灵活,节点可增可减可移动,并且整个系统投资强度小、生命力强,从而具有推广应用的价值。
本文介绍用于自动监控通信目的的公用事业网,重点说明其组成、体系结构、技术原理、实现方法和应用实例。
一、公用事业网的组成
公用事业网由测控中心和多个远程节点(Remote Node)构成。测控中心配置包括监控与捕获数据(SCADA)主机(Host)、控制软件和前端(Headend)收发器。远端收发器位于远程节点上,与采集装置或控制单元相连。无线网络由所有的节点收发器组成。网关计算机置于SCADA主机与无线网络之间作为接口。典型的具有数十个以上节点的公用事业网由六部分组成,如图一所示。
@@I1;图1 公用事业网的组成@@
SCADA主机 告诉网络采集什么信息和采集周期,它用自然语言对远端设施的设置控制状态和存储器值发出查询,并接收从远端设施经过网关(Gateway)返回的应答。
网关计算机 接在SCADA主机和无线网络之间,读入SCADA发来的查询或者远端设施的应答,产生响应或者将此查询路由到相应的远端设施。根据远端设施传来的状态信息的变化来刷新本地数据库,从而得到SCADA的当前状态。
前端收发器 直接通过RS-232接口接到网关上,作为无线分组网的接入点,传送信息到无线网及挂在无线网上的数据采集装置(RTU),为无线网络路由查询和接收响应信号。
无线分组网 由一系列远端收发器组成,节点之间进行数据包信息通信,将SCADA主机(经网关)发出的路由查询和信息送到相应的RTU,并返回响应到SCADA主机。对信息包的传送智能性地选择最佳路由。
远端收发器 直接通过RS-232接口接到RTU上,收发从SCADA主机(经网关和无线分组网)送来的查询与信息。
远程终端装置(RTU) 采集原始数据,以送到SCADA主机,相当于SCADA网关的外部接口,它可以是智能仪表、电容组合、控制开关、或泵站的监视器等。
二、公用事业网的体系结构
微蜂房(Cullular)概念 大哥大运用微蜂房概念的出发点是通过地理区域的间隔来重复使用相同的频率,从而扩大了用户范围,增加了节点数。而公用事业网则应用网状网络的方法和随机跳频序列来达到重复使用频率。如果节点A与节点B之间通信占用频率F1,节点C与节点D之间通信占用频率F2。在不同的时隙(Slot)上,不同的节点之间可以使用相同的频率。而横跨整个频谱上的各频道又是按伪随机噪声模式排成时间序列,这样使信息传输碰撞的概率很低。
WAN与LAN 每一个节点既是WAN节点,又是LAN节点。WAN的传输媒介是无线,在节点之间相互通信;LAN是指远程节点上的收发器通过RS-232标准接口与本地终端,如PC、仪表、负荷控制装置、电容组合、RTU等连接。
分布式处理 常规的轮询对具有几百个节点的网络而言效率大为降低,因为是串行工作。为了提高效率,必须把串行的轮询改为并行采集处理,将集中型测控系统改为分布式处理系统。做法是在主机前采用前端处理机,或称网关,其对远程节点不断地查询和采集,存入数据库,必要时刷新数据。随时可送入主机内,避免了与远程节点一一握手(Handshake)交流的过程,缩短了传输周期。
网络拓扑 这是一个是双向的、多点对多点的通信网络。每一个节点都平等地参与网络,不分主从。任一节点可与另一节点通信,同时其它节点之间也可进行通信。每一点均可未经请求即启动发送数据和作出响应,在状态有变化时及时发送数据给中心。
网络层次 从开放系统互连(OSI)的角度分析,无线分组网包含了七层中的三层,即物理层、数据链路层和网络层,而SCADA和RTU之间通过传输层和会话层相互沟通。在传输层中使用RTU工业自然规程,在无线分组网中使用无线通信规程。
@@I2;图2 网络体系结构@@
收发器和终端、主机之间都是RS-232接口。数据链路层规定数据结构,数据包的大小为256字节,包含了源和目标地址信息和数据等。网络层确定节点之间传送数据包的规程,每一节点都设有唯一的地理地址。每发送一个数据包之前都会检查目标地址和选择路由。
网关是一级窗口OLE软件,装载在主机和无线网之间的计算机上,由几个服务器(Server)模块组成,支持应用和SCADA系统开发。它可以是通用的,也可以是用户专用的。它相当于第二主机(Sub-master),功能包括数据集中器(Concentrator)和提取器。由于数据库存储网络送来的数据不断刷新,等候主机取数。作为SCADA与前端收发器之间的接口,网关把串行的采集转换为并行的传送,提高了机动性和适应性。所以引入网关后,整个网络可看成是无线分组网的上一层。作为集成方法,除了应用网关来集成外,TCP、IP、分布式OLE等也是可用的办法。
三、公用事业网的技术原理
公用事业网采用了扩频通信技术和网关集成技术。
扩频技术 常见的扩频技术分直序扩频和跳频两大类。图三表示扩频技术和常规通信的比较。
@@I3;图3 扩频技术和常规通信@@
直序扩频是将原始数据调制到高速率,即用伪随机噪声码(Pseudo-noise code,简称PN码)序列将数据位流提高到速率高许多倍的Chip,从而相应展宽了带宽。在接收端再用相同的PN码进行解码,用匹配滤波器和相关器检测电路将信号检出还原。抑制干扰和抗多径效应的能力与扩展系数有关。图四表示直序扩频的原理。
@@I4;图 4直序扩频的原理@@
本系统采用跳频方式。跳频方式的优点既具有扩展频谱带来的好处,同时又可利用传统的窄带滤波技术来抑制噪声和干扰。信号按照伪随机模式在不同频道上异步跳频(Hop)传送。由窄带滤波和扩展增益带来的影响达到100dB的数量级,即70dB窄带滤波,加上33dB扩展增益。举一简单例子说明。假设将带宽扩展到20MHz,数据率为10kbps,则
扩展增益=扩展后带宽/数据率=20Mhz/10Kbps=2000→33dB
在工作频段上划分240个频道,每一频道宽25kHz,相间100kHz。
异步跳频使得可用的频道多,网上的节点数也多。图五表示跳频(FH)的扩频原理。
@@I5;图5 跳频(FH)的扩频原理@@
收发器具有电脑功能,其智能性体现在多方面。与常规的通信方式不同,每个节点上的收发器不是"通过"无线网交换信息,而是直接"与"无线网进行交流。数据传输取信道于任一可能的途径,而不是固定某一途径,由最小路由算法动态地决定路由。如果环境状态有所改变,网络会自动地调整路由。没有固定的路由表,使增减节点很方便。另外,由于每一节点采取存储/向前传(Store/Forward)的模式,使得即使源与目标不在视距以内,也能找到路径传送到目标。
每一收发器既是路由器,又是接入点,同时又是中继器。只要作用距离入围,便对传输自动地接力中继。因而传输距离不成问题。在这样的机制下,网点越多,能起路由和中继作用的点也越多,网络的性能和容量也就越高。
系统容量 将跳频与常规的微波系统比较一下系统容量。系统容量由整个数据容量除以面积来计算。
异步跳频:假设数据率为9.6kbps,采用240频道,8公里范围
总数据容量=240频道×9.6kbps=2.3Mbps
系统容量=2.3Mbps/82×3.14=11.4kbps/平方公里
常规的窄带(Trunked)系统:假设数据率为9.6kbps,采用20个频道,40公里范围
总数据容量=20频道×9.6kbps=192kbps
系统容量=192kbps/402×3.14=0.38kbps/平方公里
以上计算并未计入频率重复使用的效果。由此可见,频谱展宽了,信道数增加,系统容量也明显增加。
网络规程 无线网通信是分组交换,数据打包传输,发往指定目标。微处理器和存储技术及软件算法保证了最小路由。数据透明工作,每一数据包含256字节,数据量大时由软件分组,到达目标后再恢复还原。图六表示发送数据的过程和数据结构。
@@I6;图6 发送数据的过程和数据结构@@
网关 也可称为中间件(Middleware),它既是RTU规程的驱动软件,又是将多个收发器复接到一个SCADA串接口的复接器。
软件设置 在多点对多点的通信系统中,在电源一接通时,一张网络节点表就建立起来了,每一点都知道其相邻是谁,以此引道路由。在软件中将收发器A的目标设为B,反之亦然,则A与B之间即可双向通信。
无线网也可与原已安装的一点多址系统(MAS)相连接,配合作为一个扩展的分系统。执行数据集中器的功能,在主机要求响应时,把最后更新的数据送到主机。
四、公用事业网的应用举例
引用扩频智能技术的网络系统,对我国地区、县级供电、配电测控中心与变电所的联网带来新的生机。它对水利系统、城市地下煤气管道、森林防火监视等其它领域都具有同样的应用价值。什么是公用事业数据网的用途?设想一个供电局由10个变电所、200个变电站、1000个竿式变压器组成。当前使用的一些通信方式,大体为明线、电力线载波、集群、短波或一点多址微波。前几种有线损,频率低,可靠性、适用性差,后者投资强度大,都有不尽人意之处,尚不能理想地满足我国广大地区数据采集和传输的需求。而公用事业数据网可将地区变电所、配电站全部联网,实时地将数据传送到监控中心,使中心及时掌握负荷动态,精确地定位测量大用户的负荷。如果在电表读数改变时才送数据,则大大减少网上的通信量。通信网传送监测信息,连通自动通断开关,远程操作负荷控制开关,采取相应措施进行故障隔离恢复,并能对工业和住宅用户进行双向互式通信,实现实时计费系统,有效地开展节能计划。概括而言,这一系统很适合我国3万5千伏供电系统的技术改造项目。美国南加州爱迪生电力公司应用扩频数据网以后,节省用电几十亿度。该公司不断扩大网络规模,已用到一万个节点收发器。图七表示供电局监测系统联网图。图八表示数据网连接各种终端。如果一个远端终端要与多个终端装置相连,可用RS-232到RS-485转换器。
综上所述,采用先进扩频技术的无线网,经过计算机网关集成,组网成本低,经济耐用,可靠性高,覆盖范围大,适合于工业界、公用事业界作为自动监测、数传、控制系统技术改造项目的一种解决方案。
@@I7;图7 供电局监测系统联网@@
@@I8;图8 数据网联接各种终端@@
（计算机世界报 1996年 第28期）
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