扩频通信及其在电力系统中的应用

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北京电力高等专科学校 王　琴
　　电力调度自动化电力系统通信是电网调度自动化和能量管理系统的一个重要组成部分。目前，电力系统通信网主要有电力载波、微波、光纤、卫星通信等。随着电力调度自动化程度的不断提高，对通信可靠性的要求也越来越高，无线扩频通信以其可靠的传输、卓越的抗干扰能力、灵活的组网方式、安装维护简捷方便，以及适中的价格，越来越受到电力部门，特别是市、县电力部门的重视。本文主要先容扩频通信的原理以及在电力系统自动化方面的应用。
　　１　扩频通信原理扩频通信最常用的是直接序列扩频和跳频／直扩混合系统，其抗干扰能力最强。
　　１．１　直接序列扩频原理
　　所谓直接序列扩频，就是直接用高速率的伪随机扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
　　接收机解扩实际上是对干扰信号进行频谱展宽，把干扰信号变成功率谱密度很低而频谱很宽的信号，经窄带滤波器滤除后，使落到带内的干扰信号能量很小，而有用的数字信号被压缩还原成窄带信号，顺利通过滤波器，因此，该系统具有很强的抗干扰能力。目前此类产品的处理增益一般为１０ｄＢ。
　　１．２　跳频扩频原理
　　所谓跳频，就是用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。时间域的频率跳变，引起频率域的频谱展宽。接收端通过发端的提示码进行捕捉、同步、跟踪，使接收机中的扩频码与发端扩频码的变化规律完全一样，还原出不跳变的信息码。
　　与直扩类似，干扰信号主要是在信道中产生的，其它的跳变规律信号由于与收信机的本振频率跳变规律不同，所以混频以后，仍为跳变的信号。跳变的干扰信号由于其频谱很宽，所以大部分被窄带滤波器滤除，而落在带内的干扰信号的能量很小。这样，便提高了扩频设备的抗干扰能力。此类产品的处理增益为５～１０ｄＢ。
　　１．３　直扩／跳频混合系统
　　直扩／跳频混合系统是一个载波频率变化的直接序列扩频系统，它综合了直接序列和跳频技术二者的优点。频率跳变使它在部分时间上避开干扰，而在有干扰的频段上，干扰被直接序列展宽频谱，易于滤除。此类产品的处理增益达１５ｄＢ以上。在当今各种工业环境、各种人为干扰很严重的通信环境下，采用该系统具有长远意义。
　　扩频通信还具有抗多径衰落能力（直序），多径传输所产生的衰落对系统性能不但无害，反而有益，这是任何现行系统所不具备的；扩频信号的发射功率很低，使大气空间的电磁环境较干净，而传输数据却很高，并可在负信噪比下正常工作，因此系统具有很强的隐蔽性和保密性；系统容量大，在相同带宽内，扩频系统用于蜂窝区通信时，其容量比模拟蜂窝区系统容量大７～１０倍，比ＧＳＭ数字蜂窝区系统容量大４～６倍。
　　２　扩频通信在电力系统中的应用
　　２．１　点对点电力调度系统
　　在这种方式中，一对扩频电台起通道作用，在两个远离的地点之间构成一个无线链路。扩频电台实际上起ｍｏｄｅｍ的作用，它负责将要发送的数据进行扩频调制，并经天线发送出去，或将接收信号经相关解调恢复出原始数据码。在变电站，复用器将话音信号数字化后与远动机的数据信号进行时分复用，通过扩频电台传给调度所；相反方向，调度所通过扩频电台将遥控遥调等数据信号传给变电站。
　　前置机和远动机一般传输异步数据且速率较低，通常采用ＲＳ２３２Ｃ接口，因此扩频电台采用６４ｋｂ／ｓ的速率即可，扩频电台、复用器均可使用最普遍的ＲＳ２３２Ｃ接口。扩频电台的传输距离一般为５０ｋｍ，但实际通信距离与所使用的天线增益、高度以及地理环境有关。如果要延长通信距离，扩频电台也可组成中继方式。
　　２．２　一点多址变电站无人值守系统
　　在一点多址方式下，中心站的一个扩频电台和远端的多个扩频电台通信，所有的扩频电台工作在同一频率，远端的扩频电台不启动通信而靠中心的ＤＴＥ设备依次轮询远端的扩频电台，而远端的扩频电台只有在收到与之相连的设备的数据后才进行传输。
　　中心站一般安装全向天线，远端变电站应安装定向天线对准中心站。 图像传输分为静态图像传输和动态图像传输两种，选择哪种方式主要取决于传输图像的信道带宽和实际的图像监控需要。由于变电站的图像变化极其缓慢，采用静态图像传输方式就能够满足变电站远方监视的需要。若采用６４ｋｂ／ｓ的扩频电台进行组网，可以提供两路话音和两路速率为１９．２ｋｂ／ｓ的异步数据（ＲＳ２３２Ｃ接口）。两路数据通道，一路用来传送远动信息，一路用来传输静态图像信号，实现对变电站的远方监视。如果要求图像画面运动时连续性好、质量优良，则需要采用传输速率不低于３８４ｋｂ／ｓ的扩频设备和图象编、解码器。传输速率３８４ｋｂ／ｓ时，图像１５帧／ｓ；传输速率２Ｍｂ／ｓ时，图像２５帧／ｓ。扩频设备、图像编、解码器和复用器之间采用Ｖ．３５或Ｇ．７０３接口。
　　２．３　无线自动抄表系统
　　目前，居民用电抄表仍是挨门挨户的人工抄表，实现自动抄表，不但可减少抄表的工作量，而且可及时反映用户的用电情况，对用电进行监督管理，防止窃电。
　　自动抄表系统由电表、采集器、集中器和扩频电台等设备组成。光电传感器输出电脉冲，供采集器采集，采集器可采集１～１６个用户的用电量。集中器一般安装在变压器（副边２２０Ｖ输出）附近，它通过电力线集中抄录台区内所有采集器的数据进行预处理，然后通过扩频专线送至供电局中央计算机进行集中处理。采集器和集中器均含有电力线调制解调单元，亦可在各开闭站建立低功耗小型无线扩频站点，利用装有无线扩频采集设备的车辆沿路跑一遍，即可将集中器中的用户用电数据收集起来。
　　２．４　扩频电台的参数设置及测试
　　２．４．１　扩频电台的参数设置
　　当系统安装完毕后，首先要对扩频电台进行参数设置：
　　（１）数据传输方式即同步／异步的设置和数据速率、数据接口类型的设置。
　　（２）主／从站及时钟的设置。在点对点方式中，必须有一个ｍｏｄｅｍ设为主ｈｕｂｍａｓｔｅｒ，另一个为从ｓｌａｖｅ。在点对多点方式中，中心站设为主，所有远端站均设为从。主站ｍｏｄｅｍ提供同步时钟，从站ｍｏｄｅｍ受主站ｍｏｄｅｍ发出的信息包控制而同步，从站在收到主站的数据包后才发送数据。
　　（３）工作模式设置。选择点对点方式、点对多点方式、ＲＦ环路模式、自动频率模式等。
　　２．４．２　链路测试
　　链路测试是对所有通道进行扫描，检测当地干扰。如果不知当地无线射频环境，设置停留在每个通道上的时间应由短到长，对通道进行多次扫描，寻找突发干扰，以便得到无线射频环境的大概情况，然后选择最佳工作频道。
　　２．４．３　天线的选择与调整
　　天线是系统的重要部分，它直接影响系统的性能。扩频属于微波频段，因此要求天线间可视。对于短距离通信，天线间允许有一定大小的障碍物，但此时系统的性能很难预料。天线增益的选择应考虑气候的变化，在雨、雾和气温转变造成信号２０～３０ｄＢ的衰减、持续时间从几分钟至几小时的情况下，接收机的接收电平应有足够的冗余。
　　点对点方式中，在两端天线极化方向相同、方向大致对准的情况下，先调整一端天线的方向使本方或对方的接收电平为最大，再调整另一端天线的方向使接收电平为最大。反复调整几次，使双方天线均处于最佳状态。一点多址方式中，中心站采用垂直极化方向的全向天线，调整远端天线的方向使其接收电平为最大。
　　３、无线扩频电台性能
　　数据接口：Ｖ．３５、Ｖ．１１、ＲＳ２３２、Ｘ．２１、ＲＳ４２２、ＥＩＡ５３０等，同步或异步；
　　数据速率：６４ｋｂ／ｓ、１２８ｋｂ／ｓ……５１２ｋｂ／ｓ及２０４８ｋｂ／ｓ等；
　　组网：可选择点对点、点对多点或中继等工作方式；配置：一话一数或几话几数；
　　频率波段、信道：可选；ＰＮ码速率、长度：可选；调制方式：ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ可选，可选择跳频功能；
　　发射功率：１ｍＷ～几百ｍＷ可调，美国标准要求不大于６５０ｍＷ，欧洲标准要求不大于１００ｍＷ；
　　接收灵敏度：－９６ｄＢｍ；
　　误码率：优于１０－１０（无衰落）。无线扩频电台还具有App状态设置及控制功能，提供远程管理计算机接口；具有先进的远程诊断及管理功能，易于维护及故障恢复；体积小，重量轻，安装方便。
　　４、无线扩频组网如何避免
　　相互干扰在同一地区、甚至同一大楼内，安装几套扩频系统，应避免相互干扰，克服干扰的方法：（１）如采用定向天线，一对天线要相互对准，要选择合理的增益、波段。（２）频道隔离。两套系统采用隔开的信道。（３）ＰＮ码隔离。如果两套系统方位相同，则采用不同的ＰＮ码隔离。（４）极化隔离。
　　如果两套系统方位相同，则采用不同的天线极化方向。 当没有通信线路，铺设通信电缆、光缆太昂贵或无法铺设时；当收发信息地点需经常变动时，最简便快捷的方法就是选用无线扩频产品。该产品可同时传输数据／话音／图像等信号，具有很强的抗干扰能力，在我国的金融、油田、广播、交通、公安等系统已广泛应用。

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