（电气工程专业论文）gprscdma网络技术在电力计量行业内的应用及研究.pdf

山东大学硕士学位论文 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：型日期：丝笙星孑只 关于学位论文使用授权的声明 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 糍：弛燃：卜蛐 n i 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 电能表是国家电力行业内对电网下的用电线路、用电单位进行电能量计量、 考核、分析的最基本的计量单元，表内数据体现了线路计量点用电量、用电质量、 线路故障等信息，电力公司可以据此来进行收费、优化电网等工作。早期的电能 表都是依靠人工或者有线通道来获取表内信息，耗费了大量的人力物力，如果需 要进行实时监测，则需要加装配变终端或者采集终端，投资较大。 随着电力计量技术及计算机技术的飞速发展，标志着电力计量领域技术水平 的电子式多功能电能表技术也得到快速发展，目前新型电子式多功能电能表的功 能已经不再局限于常规的计量功能，而是逐步具备了更全面的电力线路及外围设 备运行参数的监测功能，因此它不再仅仅是一台计量表计，而是一台功能齐全的 计量、监测综合设备。采用一台新型电子式多功能电能表可以同时完成对一台配 电变压器的计量、监测功能，从而避免了既安装计量表计又安装配变监测仪的重 复投资及双倍的维护成本。 1 2 技术现状 在上世纪八十年代我国的电能表主要是以机械表及机电一体化电表为主，不 管是变电站还是大用户电表都不具备远程传输数据的功能，抄表只能到现场进 行，浪费了大量的人力物力，并且此类电表的精度较差，不能进行很精确的计量， 在抄收电表数据时也会由于抄收时间不统一而导致电能量结算误差较大。并且机 械表不具备分时计量功能，在国家推行了峰平谷分时计费方式之后，此类电表就 无法满足国家进行合理分配用电负荷的要求。在电表的防窃电方面，此类电表由 于采用机械式结构，用电户能够通过改变电表扭矩、反接电流方向等方式改变电 表精度，从而使供电局电量丢失，造成巨大的经济损失。此外，很多地区由于地 理位置偏远、交通不便或天气条件恶劣等原因无法正常的进行电能表的安装和计 量。 在国内电子式电能表行业还未起步时，很多关口计量点就只能采用国外的高 3 山东大学硕士学位论文 精度电子式电能表，例如澳大利亚的红象表、瑞士的兰吉尔表、法国的s l 系列 电表，以此来保证计量点的准确性、实时性。但是，由于西方国家在社会制度、 管理体制、所有制形式、电网负荷结构等方面与我国有较大的差异，引进的电表 也还存在着价格偏高、汉化程度差、售后服务不及时、软件修改不方便、扩充不 灵活等问题。 随着国家对计量行业的重视及一系列行业规范、制造标准及通信规约的出 台，在九十年代中后期，国内的电力行业供应商开始着手研发自己的电子式电能 表，例如威胜、东方电子、华立等供应商都相继推出了自行研制的电子式电能表 系列，其特点是采用了国家出台的制造标准d u t6 1 4 1 9 9 7 多功能电能表， 并且在数据传输上应用了较为统一的规约d u t6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通讯 规约，为远程数据传输提供了基本的硬件及软件规范。 在本世纪初的几年内，电子式电能表发展迅速，并且随着电子元器件的价格 下降，电子式电能表的成本也一再降低，已经开始出现取代机械机电一体化电 表的趋势。电子式电能表在全国市场的全面铺开的同时，也为电表数据的抄收提 出了新的要求。传统的数据传输方式是采集装置连接电表的4 8 5 通讯口或脉冲 口，按照电表的通讯规约采集数据，之后再通过上行通道将数据传至主站监测系 统，其上行通道主要有2 3 0 无线电台、光纤、网络、p s t n 拨号等。但是这种数 据采集及传输方式适用于电表相对比较集中的地区，对于台区变、单台高压计量、 低压计量以及地方偏远的计量点，如果也采用以上的方式，那么设备的投资就会 非常巨大，运行及维护成本也会加大。在这种情况下就需要有一种既经济方便又 能保证数据及时性的方法来实现计量数据的传输，此时，移动及联通网络运营商 的介入为我们提供了无线网络数据传输的功能。 中国移动联通在本世纪初期开始提供g p r s c d m a 无线上网技术，通用分 组无线系统( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ，g p r s ) 具有“实时在线”、“按量计费”、 “快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”等优点。由于采用的是交换技术，数据 传输速率最高理论值能达1 7 1 2 k b s 。g p r s 方式还可以利用现成的t c p p 协议。 所以，g p r s 方式特别适合一点对多点、多点对多点、突发性大流量数据的 监控。对于那些地域分散安装的电表，g p r s 网络为计量点的实时性监测提供了 很好的网络支持，从2 0 0 5 年之后各地开始大批量的采用g p r s c d m a 网络电能 4 山东大学硕士学位论文 表。而随着国家提出智能电网的概念后，基于g p r s c d m a 网络技术下的电能 表在未来一定会有更大范围的应用。 1 3 本文工作 研究的内容 ( 1 ) g p r s c d m a 网络运行机制及网络技术，网络t c p j i p 协议及u d p i p 协议的了解。g p r s c d m a 网络技术是本项目的重点，了解网络技术的具体搭建 及应用方法能够为此次研究提供最基本的理论基础。 ( 2 ) g p r s c d m a 模块的接口技术及对应的a t 命令，模块部分是 g p r s c d m a 电表实现远程网络传输的最重要的器件，是最重要的通讯通道，对 模块的控制及应用直接决定了电表的数据传输是否能够正常运行。 ( 3 ) 基于m s p 4 3 0 系列单片机的c 语言开发，利用单片机实现电表对 g p r s c d m a 模块、外围电路、存储器的控制和操作。单片机部分相当于电表的 大脑，所有的数据处理、规约转换、数据采集、数据存储、g p r s c d m a 模块及 总线控制都由单片机来完成，要确保电表正常稳定的运行取决于c p u 的控制方 法及软件流程。 ( 4 ) 软硬件的设计要尽可能的遵循模块化，软件上需要将各个不同的器件 操作部分分离开，增强软件的可读性及可维护性；硬件上把采样部分、电源供电 部分及g p r s c d m a 模块部分形成各自的模块，以便现场维护及维修更换。 ( 5 ) 防窃电设计，要把电表的防窃电功能做到及时、准确，一旦出现异常 用电情况，需要在第一时间将报警信息传送到主站方，要求能够实现备用通讯通 道的切换。 g p r s c d m a 网络电能表设计的原则 ( 1 ) 选用可靠的元器件，包括c p u 处理器、g p r s c d m a 模块、数据存储 芯片( 洲及e e p r o m ) 。其中c p u 处理器及g p r s c d m a 模块为电表的核心 部分，应选用可靠、稳定的产品。 ( 2 ) g p r s c d m a 模块的软件驱动部分要考虑周全，确保模块一旦掉线， 必须在短时间内重新连上网络，同时软件应该具有自检功能，随时监测模块运行 山东大学硕士学位论文 状态。 ( 3 ) 对于g p r s c d m a 模块拨号上网所需的参数要做校验及备份处理，确 保模块能够连接网络。 ( 4 ) 对于电表自身数据的临时采集及存储要做到实时性高，存储准确。 ( 5 ) 对电表或模块进行参数维护时要利用密码及密级进行保护，对不同操 作级别的用户开发不同的编程权限。 ( 6 ) 电表应具备应急方案，一旦网络不可用时，可以利用短信、c s d 等方 式进行紧急维护。 ( 7 ) 电表的维护通信口要具备自动输出自身状态的功能，故障时可以查看 具体原因以便尽快解决。 ( 8 ) 防窃电部分应做到报警信息的及时性、准确性，要做到不误报、不漏 报。 1 4 本文结构安排 本文的主要内容安排如下： 第一章：阐述了电能表在电力行业内的应用趋势，分析了当前电能表发展过 程及应用情况。 第二章：阐述了远程电能表在行业内的应用及需求。 第三章：分析了不同阶段无线移动网络的结构和基本原理，为本文 g p r s c d m a 方式的基木应用打下了理论基础。 第四章：设计了一个实例，阐述了远程电能表具体硬件设计思路、所选用的 元器件及工作原理。 第五章：设计了一个实例，阐述了远程电能表具体软件设计思路及实现方法。 第六章：针对所设计的实例，阐述远程电能表基表部分和g p r s c d m a 无线 模块通讯单元的具体功能及备用通讯方式的实现方法。 第七章：阐述远程电能表在现场的典型应用、工程配置。 第八章：介绍几种g p r s 组网方式，可以根据用户需求、现有网络资源及远 程计量点数目选用合适的组网方式。 6 山东大学硕士学位论文 第二章远程电能表在行业内的应用及需求 随着社会的进步，文明服务意识的提高，提高电能管理水平的呼声越来越高， 而通信问题一直是困扰电能管理系统水平提高的瓶颈。中国g p r s c d m a 网络的 开通为地理位置分散的电能计量点的远抄及监测提供了经济可靠的通信手段。 g p r s c d m a 具有“永远在线、按流量收费 等优点，非常符合远方抄表及监测 系统的通信需求，得到了广大电力管理用户的普遍认可，因此该技术无疑将会成 为该类应用的主流技术。 近年来电力计量技术及计算机技术飞速发展，促进了电力计量领域技术水平 的电子式多功能电能表技术也得到快速发展。目前新型电子式多功能电能表的功 能已经不再局限于常规的计量功能，而是逐步具备了更全面的电力线路及外围设 备运行参数的监测功能。采用一台新型电子式多功能电能表可以同时完成对一台 配电变压器的计量、监测功能，从而避免了既安装计量表计又安装配变监测仪的 重复投资及双倍的维护成本。 远程电子式多功能电能表集电力计量技术、监测技术和g p r s c d m a 通信技 术于一体，不仅是高精度电能计量的最佳选择，也是高低压远方计量、远程预 付费及配变监测终端装置的必备部件。该类型电能表通过经济可靠的g p r s c d m a 通信技术，实现电能量的远方自动采集、电量结算与分析功能，实现表计设备在 线监测，解决监测点分散、通讯手段匮乏和人工抄表带来的数据及时性不高、准 确性无法保证、运行费用高等问题，提高用电管理水平和经济效益。 随着国家提出搭建智能电网的政策，此类远程电能表必然会在今后得到越来 越广泛的应用。 本章总结： 本章阐述了基于g p r s c d m a 无线通讯网络技术的远程电能表在电力行业 内的应用价值及其能够解决的问题，并说明该类型电表在日后的发展趋势。 7 山东大学硕士学位论文 第三章g p r s c d m a 无线网络技术介绍 3 1g p r s 简介 3 1 1 概述 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 ) 是通用分组无线业务的简称，是在g s m 网络基础上发展出的一种高速数据网络业务，其主要特点及应用如下。 3 1 2 g p r s 的主要特点 传输速度快：g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令， 优化了对网络资源和无线资源的利用。支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i d s 的数据传输速率( 每用户) 。 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。 支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量 数据的传输。g p r s 能在0 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。g p r s 的计费一 般以数据传输量为依据。 g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功能， 计费方式更加合理，用户使用更加方便。 g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层款可使用多种传输技术，很方便地实 现与高速发展的i p 网无缝连接。 3 1 3g p r s 业务的具体应用 信息业务：传送给移动电话用户的信息内容广泛，如股票价格、体育新闻、 天气预报、航班信息、新闻标题、娱乐、交通信息等等。 9 山东大学硕士学位论文 交谈：人们更加喜欢直接进行交谈，而不是通过枯燥的数据进行交流。目前 因特网聊天组是因特网上非常流行的应用。有共同兴趣和爱好的人们已经开始使 用非话音移动业务进行交谈和讨论。由于g p r s 与因特网的协同作用，g p r s 将 允许移动用户完全参与到现有的因特网聊天组中，而不需要建立属于移动用户自 己的讨论组。因此，g p r s 在这方面具有很大的优势。 网页浏览：移动用户使用电路交换数据进行网页浏览无法获得持久的应用。 由于电路交换传输速率比较低，因此数据从因特网服务器到浏览器需要很长的一 段时间。因此g p r s 更适合于因特网浏览。 文件共享及协同性工作：移动数据使文件共享和远程协同性工作变得更加 便利。这就可以使在不同地方工作的人们可以同时使用相同的文件工作。 分派工作：非话音移动业务能够用来给外出的员工分派新的任务并与他们 保持联系。同时业务工程师或销售人员还可以利用它使总部及时了解用户需求的 完成情况。 企业e - m a i l ：在一些企业中，往往由于工作的缘故需要大量员工离开自己的 办公桌，因此通过扩展员工办公室里的p c 上的企业e - m a i l 系统使员工与办公室 保持联系就非常重要。g p r s 能力的扩展，可使移动终端接转p c 机上的e m a i l ， 扩大企业e m a i l 应用范围。 因特网e - m a i l ：因特网e m a i l 可以转变成为一种信息不能存储的网关业务， 或能够存储信息的信箱业务。在网关管业务的情况下，无线m a i l 平台将信息从 s m t p 转化成s m s ，然后发送到s m s 中心。 交通工具定位：该应用综合了无线定位系统，该系统告诉人们所处的位置， 并且利用短消息业务转告其他人其所处的位置。任何一个具有g p s 接收器的人 都可以接收他们的卫星定位信息以确定他们的位置。且对被盗车辆进行跟踪等功 能。 静态图像：例如照片、图片、明信片、贺卡和演讲稿等静态图像能在移动网 络上发送和接收。使用g p r s 可以将图像从与一个g p r s 无线设备相连接的数字 相机直接传送到因特网站点或其他接收设备，并且可以实时打印。 远程局域网接入：当员工离开办公桌外出工作时，他们需要与自己办公室的 局域网保持连接。远程局域网包括所有应用的接入。 1 0 山东大学硕士学位论文 文件传送：文件传送业务包括从移动网络下载量比较大的数据的所有形式。 3 1 4g p r s 的技术优势 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 用户的计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。 传输速率高 g p r s 可提供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i t s ) 。这意味着 通过便携式电脑，g p r s 用户能和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。 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。 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 1 5 存在的问题 g p r s 会发生包丢失现象 由于分组交换连接比电路交换连接要差一些，因此，使用g p r s 会发生一些 包丢失现象。而且，由于话音和g p r s 业务无法同时使用相同的网络资源，因此， 用于专门提供g p r s 使用的时隙数量越多，能够提供给话音通信的网络资源就越 山东大学硕士学位论文 少。对用户来说其容量有限g p r s 确实对网络现有的小区容量产生影响，对于不 同的用途而言只有有限的无线资源可供使用。例如，话音和g p r s 呼叫都使用相 同的网络资源，这势必会相互产生一些干扰。其对业务影响的程度主要取决于时 隙的数量。当然，g p r s 可以对信道采取动态管理，并且能够通过在g p r s 信道 上发送短信息来减少高峰时的信令信道数。 实际速率比理论值低 g p r s 数据传输速率要达到理论上的最大值1 7 2 2 k b p s ，就必须只有一个用 户占用所有的8 个时隙，并且没有任何防错保护。运营商将所有的8 个时隙都给 一个用户使用显然是不太可能的。另外，最初的g p r s 终端预计可能仅支持1 个、 2 个或3 个时隙，一个g p r s 用户的带宽因此将会受到严重的限制，所以，理论 上的g p r s 最大速率将会受到网络和终端现实条件的制约。 终端不支持无线终止功能 目前还没有任何一家主要手机制造厂家宣称其g p r s 终端支持无线终止接 收来电的功能，这将是对g p r s 市场是否可以成功地从其他非语音服务市场抢夺 用户的核心问题。 启用g p r s 服务时，用户将根据服务内容的流量支付费用，g p r s 终端会装 载w a p 浏览器。但是，未经授权的内容也会发送给终端用户，更糟糕的是用户 要为这些垃圾内容付费。 调制方式不是最优 g p r s 采用基于g m s k ( g a u s s i a nm i n i m u m s h i f tk e y i n g ) 的调制技术，相 比之下， e d g e 基于一种新的调制方法8 p s k ( e i g h t - p h a s e s h i f tk e y i n g ) ，它允 许无线接口支持更高的速率。8 p s k 也用于u m t s 。网络营运商如果想过渡到第 三代，必须在某一阶段改用新的调制方式。 存在转接时延 g p r s 分组通过不同的方向发送数据，最终达到相同的目的地，那么数据在 通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出错的情况。 1 2 山东大学硕士学位论文 3 2c d m a 技术发展及原理介绍 3 2 1c i ) m _ a 网络概述 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 又称码分多址，是在无线通讯上使 用的技术，c d m a 允许所有的使用者同时使用全部频带，并且把其他使用者发 出的讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞( c o l l i s i o n ) 的问题。c d m a 的优 点包括：c d m a 中所提供的语音编码技术，其通话品质比目前的g s l 好，而且 可以把用户对话时周围环境的噪音降低，使通话更为清晰。c d m a 利用展频的通 讯技术，因而可以减少手机之间的干扰，并且可以增加用户的容量，而且手机的 功率还可以做的比较低，不但可以使使用时间更长，更重要的是可以降低电磁波 辐射对人的伤害。c d m a 的带宽可以扩展较大，这是第三代手机为什么选用 c d m a 的原因。就安全性能而言，c d m a 不但有良好的认证体制，更因为其传输 的特性，用分码多工，防止被人盗听的能力大大地增强。目前c d m a 系统正快 速发展中。w i d e b a n dc d m a ( w c d m a ) 宽带分码多工传输技术，为i 忏2 0 0 0 的 重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统的标准 3 2 2c d l v i a 技术背景 c d m a 技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战 期间因战争的需要而研究开发出c d m a 技术，其思想初衷是防止敌方对己方通 讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成 为商用蜂窝电信技术。1 9 9 5 年，第一个c d m a 商用系统运行之后，c d m a 技术 理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅 速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、 美国都已建有c d m a 商用网络。在美国和日本，c d m a 成为国内的主要移动通信 技术。在美国，1 0 个移动通信运营公司中有7 家选用c d m a 。到今年4 月，韩 国有6 0 的人口成为c d m a 用户。在澳大利亚主办的第2 7 届奥运会中，c d m a 技术更是发挥了重要作用。 中国联通于2 0 0 2 年1 月8 日正式开通了c d m a 网络并投入商用，2 0 0 8 年 山东大学硕士学位论文 1 0 月1 日后转由中国电信经营。 3 2 3c d m a 技术标准 c d m a 技术的标准化经历了几个阶段。i s 一9 5 是c d m a o n e 系列标准中最先 发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个c d m a 标准是i s 一9 5 a ，这一标 准支持8 k 编码话音服务。其后又分别出版了1 3 k 话音编码器的t s b 7 4 标准， 支持1 9 g h z 的c d m ap c s 系统的s t d - 0 0 8 标准，其中1 3 k 编码话音服务质量 已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长，1 9 9 8 年2 月，美国高通公司宣布将i s - 9 5 b 标准用于c d m a 基础平台上。i s 一9 5 b 可提 供c d m a 系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对6 4 k b p s 数据 业务的支持。其后，c d m a 2 0 0 0 成为窄带c d m a 系统向第三代系统过渡的标准。 c d m a 2 0 0 0 在标准研究的前期，提出了1 x 和3 x 的发展策略，但随后的研究表 明，1 x 和1 x 增强型技术代表了未来发展方向。 c d m a 技术的标准化，推进了这项技术在世界范围的应用。目前，在美国、 韩国、日本等国家，c d m a 技术已获得了较大规模的应用。在一些欧洲国家，一 些运营商也建起了c d m a 网络。据c d g ( 世界c d m a 发展集团) 统计，1 9 9 6 年底 c d m a 用户仅为1 0 0 万；到1 9 9 8 年3 月已迅速增长到1 0 0 0 万；截至1 9 9 9 年9 月，用户数量已超过4 0 0 0 万。2 0 0 0 年初全球c d m a 移动电话用户的总数已突 破5 0 0 0 万，在一年内用户数量增长率达到1 1 8 。c d g 表示，目前亚洲已经成 为c d m a 市场增长的主要动力，亚洲地区c d m a 用户数量比一年前增长8 8 ， 达到2 8 0 0 万。美国地区的增长率更是高达1 4 3 ，达到1 6 5 0 万，但用户绝对 数量要低于亚洲，在亚太地区，中国香港、日本、韩国、澳大利亚、泰国、印度、 菲律宾、新西兰、孟加拉国等许多国家和地区都已建有c d m a 商用网络，用户 数量已超过2 1 0 0 万户。增长率位于第三的是中美洲和南美洲，c d m a 用户数量 达到5 0 0 万。c d g 还表示，今后全球c d m a 市场中，中国大陆地区的增长潜力 最大，估计2 0 0 3 年中国大陆市场的用户数量可以达到4 0 0 0 万。 c d m a 是移动通信技术的发展方向。在2 g 阶段，c d m a 增强型i s 9 5 a 与g s m 在技术体制上处于同一代产品，提供大致相同的业务。但c d m a 技术有其独到 1 4 山东大学硕士学位论文 之处，在通话质量好、掉话少、低辐射、健康环保等方面具有显著特色。在2 5 g 阶段，c d m a 2 0 0 01 xr 1 - r 与g p r s 在技术上已有明显不同，在传输速率上1 x r t t 高于g p r s ，在新业务承载上1 xr r 比g p r s 成熟，可提供更多的中高速 率的新业务。从2 5 g 向3 g 技术体制过渡上，c d m a 2 0 0 01 x 向c d m a 2 0 0 0 3 x 过渡比g p r s 向w c d m a 过渡更为平滑。 3 2 4c d m a 所具优势 3 2 4 1 系统容量大 理论上，在使用相同频率资源的情况下，c d m a 移动网比模拟网容量大2 0 倍，实际使用中比模拟网大1 0 倍，比g s m 要大4 5 倍。 系统容量的配置灵活 在c d m a 系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的 下降。但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外， 多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。 这一特点与c d m a 的机理有关。c d m a 是一个自扰系统，所有移动用户都占 用相同带宽和频率，打个比方，将带宽想像成一个大房子，所有的人将进入惟一 的大房子。如果他们使用完全不同的语言，他们就可以清楚地听到同伴的声音而 只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里，屋里的空气可以被想像成宽带的载波， 而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住 了我们。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以 容纳更多的用户。 3 2 4 2 通话质量更佳 t d m a 的信道结构最多只能支持4 k b 的语音编码器，它不能支持8 k b 以上 的语音编码器。而c d m a 的结构可以支持1 3 k b 的语音编码器。因此可以提供更 好的通话质量。c d m a 系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当 的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即 使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，t d m a 采用一 种硬移交的方式，用户可以明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的 山东大学硕士学位论文 城市中，这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2 至4 次移交的 情形。而c d m a 系统、掉话”的现象明显减少，c d m a 系统采用软切换技术，、先 连接再断开，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。 3 2 4 3 频率规划简单 用户按不同的序列码区分，所以不相同c d m a 载波可在相邻的小区内使用， 网络规划灵活，扩展简单。 虽然c d m a 系统频率规划简单，但c d m a 系统存在着p n 短码的规划，并且 p n 短码的规划相较频率规划并不一定更简单。 总体来说c d m a 的规划并不简单。相反，较之g s m 系统要更为复杂。 3 2 4 4 建网成本低 c d m a 系统有着容量大、工作频点较g s m 低，因此，在c d m a 规划中，c d m a 的站间距一般较g s m 稀疏。因此可以更好的节约建网成本。 3 2 4 5 网络绿色环保 技术体制平均发射功率最大发射功率 g s m1 2 5 毫瓦2 瓦 c d m a2 毫瓦2 0 0 毫瓦 从以上数据可以看到c d m a 手机是g s m 手机平均发射功率的2 1 2 5 c d m a 手机更加绿色环保。 3 2 4 6 低功率谱密度 由于c d m a 的关键技术为扩频技术，所以它的功率谱被扩展的很宽，从而 功率很低，好处有- - 1 防止其它信道的干扰； 2 防止干扰其它信道。 3 2 5c d m a 技术特点 3 2 5 1c d m a 是扩频通信的一种，他具有扩频通信的以下特点： 1 6 抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。 山东大学硕士学位论文 宽带传输，抗衰落能力强。 由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得 多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。 利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。 多个用户同时接收，同时发送 3 2 5 2 在扩频c d m a 通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些新的 特点： 采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率 分集的作用，同时在基站和移动台采用了r a k e 接收机技术，相当于时间分集的 作用。 采用了话音激活技术和扇区化技术。因为c d m a 系统的容量直接与所受的 干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增 大。 采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续 性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号， 可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向 联路的容量和覆盖范围。 采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。 具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道 数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率， 使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。 兼容性好。由于c d m a 的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密 度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。 c d m a 的频率利用率高，不需频率规划，这也是c d m a 的特点之一。 本章总结： 本章简单介绍了g p r s c d m a 网络技术发展概况及优缺点，为基于 g p r s c d m a 网络技术的远程电能表设计应用提供理论基础。 1 7 山东大学硕士学位论文 第四章g p r s c d m a 网络电能表硬件设计 基于g p r s c d m a 无线技术的远程网络电子式三相电能表主要由两大部分 组成，一是基表部分，该部分实现对计量点进行采样、计量、统计、分析、4 8 5 通讯、显示等功能；二是g p r s c d m a 无线通讯模块部分，该部分实现对基表数 据的采集、存储、上传以及对g p r s c d m a 通讯芯片驱动并完成网络登录功能。 本次设计定位于现场应用最多的三相四线制电表，输入电压3 2 2 0 v ，电流 等级1 5 c 6 ) a ，主要应用在配变箱、变压器下端的低压远程网络电能表。 4 1 基表部分 基表部分主要由电源、采样、存储、显示、通讯、时钟、按键等回路组成， 集计量、显示、通讯、监控等功能于一身，可以精确地分时计量三相正反向有功 电能、四象限无功电能以及需量；精密实时测量三相电压、电流、有功无功功率、 功率因数等；检测并记录失压、失流、断相等事件，并可以将数据通过液晶直接 显示或者通过4 8 5 、红外通讯通道同上位机软件进行通讯，基本工作原理如图 4 1 所示： i a i b i c u u b u c 厂、 i 、，r 0 二爿 通信单元 电 广 八垲旧牛儿 流八 取 v 。v 显示单元、 样 y 7 一 数 g = 二二义存储单元) 据 入 c p u 采 v 。 一、 集 厂 八“1 竹 电 卜 压 卜 器( 按键 )y 取 样 = = = 令( 其他单元3 (电源及其管理。l 。一i、a 电池厂 一。 、 7 。”一“94 图4 - 1 电能表基表原理框图 1 9 山东大学硕士学位论文 4 1 1 电源回路部分： 采用开关电源设计回路：电网在实际运行过程中会经常出现电压波动的情 况，而采用开关电源技术可以保证电表能够在较宽的电压范围内正常工作，可以 有效防止输入电压过高导致电表烧坏。设计工作电压范围为0 7 1 9 u n ， ( u n = 2 2 0 v ) ，在此范围内，电表可以长时间工作不损坏。 同时对低压三相四线电能表( 3 x 2 2 0 3 8 0v ) 电源设计为可以承受峰值1 2 0 0 v ( a c ) 的瞬时过电压历时1 0 秒而不损坏。此设计是为了防止电表在现场出现 铁磁谐振时变压器产生的瞬间高电压而导致电表损坏。 4 1 2 采样回路部分： 采样回路是对电表输入端的电压、电流进行采样分析，实时监测线路变压器 的瞬时有无功功率、功率因数等数据，并以此进行电能量累加计算。 采样回路是电表能够计量的最重要的功能模块，一般电子式电表采样可以通 过专用采样芯片+ m c u 或者a d + d s p 数字芯片两种方式进行。 专用采样芯片+ m c u 方式： 在三相电子式多功能电能表领域，采用专用计量芯片作为电能表的计量核心 单元已经成为一种趋势，已经被国内主流厂家广泛采用，也得到广大电力用户的 认可。目前采用比较多的计量芯片是s m 9 6 0 4 、a d e 7 7 5 3 、c s 5 4 6 3 、a d e 7 7 5 8 、 胛0 2 2 等，计量芯片在计量有功电能方面原理方面相差无几，本文中的设计采 用的是c i r r u sl o g i c 公司的c s 5 4 6 3 采样芯片， 图4 2 是典型的三相普通电子式电能表工作原理框图。 l c d 鞭功硬a 承 a 棚也崩崭- ic s 5 4 6 3 _ ； i ： 辣冲指乃j 及翰f l ： 岩驾等习j 二恒 l r 渐h l 及榭缪锵淡掰雌： b 桕电激：f 衰。j 。毛b j 卜一 m c u l 乜豫躲戳发看门魄 嚣：易犬牲红铝器 墅煦艮瞄翥南- 产彳 ， 洲电流湍j 5 4 6 3f ； 【 光黼离4 8 5 援u ， 图4 2 三相普通电子式电能表的工作原理框图( 采样芯片+ m c u 方式) 山东大学硕士学位论文 电压信号，一般为5 7 v 、1 0 0 v 、2 2 0 v 通过电阻分压的方式变换为弱电压信 号直接输入计量芯片的电压通道，电流信号，一般为o 一6 a 的信号通过电流互感 器隔离变换为弱电压信号，直接输入计量芯片的电流通道。计量芯片通过采样电 压和电流通道的信号，计算出电压、电流、计算有功电能。处理器m c u 用于显 示、通讯、需量处理、电能累计、事件记录等。 a d + d s p 数字芯片方式： a d q - d s p 方式与专用计量芯片+ m c u 方案没有本质的不同，在性能指标上 几乎没有优劣之分，只是a d + d s p 方式在计量算法上更灵活，功能可以做得丰 富些，由于d s p 数字芯片其比较高效的自身新能，可以实现谐波分析、谐波电 能计算、基波电能计算等高级计量功能。 下面是典型的a d + d s p 电能表工作原理框图，如图4 3 所示。一般有以下 几个部分组成：采用电路，a d 转换器，处理器，电源，其它功能模块。 毡_ 叮一 叫电流取样 i c + 。i a d 转换器 按键 时钟 d s p 或其它 处理器 r $ 4 8 5 l c d 红外接口 脉冲输出 锂电池 图4 3 三相普通电子式电能表的工作原理框图( a d + d s p 方式) 电压信号，般为5 7 v 、1 0 0 v 、2 2 0 v 通过电阻分压的方式变换为弱电压信 号直接输入a d 转换器的模拟通道，电流信号，一般为0 6 a 的信号通过电流互 感器隔离变换为弱电压信号，直接输入a d 转换器的模拟通道。a d 转换器对6 路电压、电流信号进行准同步采样，把模拟信号转换为数字信号，通过串口把数 字信号传送到处理器，处理器根据预先编程的算法计算出电压、电流的有效值， 有功功率、无功功率，并对有功和无功电能进行累积，根据设定的费率时段进行 多费率电能的累积和存储。 但是对于现有市场上的绝大多数电能表来说，采用a d + d s p 方式有些大材 小用的感觉，首先d s p 数字处理芯片一般价格相对较贵，对软件算法的要求也 2 1 山东大学硕士学位论文 较高，因此本文中所设计的远程无线电表还是采用专用采样芯片+ m c u 方式，也 能够实现用户所要求的功能。 4 1 3 存储模块部分： 电表的电能量是一个累计量，在计算完毕后需要将其存储到e e p r o m 中进 行定期转存及累计。同时电表的运行统计、负荷曲线、异常事件记录、重要运行 参数备份等数据都需要存放在存储器中。存储器通过s p i 总线进行数据存储及读 取，并且所有重要数据都要进行双备份及校验保护，尤其对于电能量、参数等数 据。 现今电力用户对数据量及数据种类的要求越来越多，因此存储芯片需要根据 实际需要进行配置，本文中选用两片3 2 k 的e e p r o m 和一片2 m 的f a l s h 存储 器，其中e e p r o m 用来存储电能量、参数等数据，f l a s h 用来存储异常事件、 负荷曲线、冻结数据等。 4 1 4 液晶显示、时钟及按键部分： 电子式电表可以通过液晶屏来显示用户所要求的数据，因此需要选用带汉字 提示的段式液晶屏，并能够通过上翻( 下翻) 按键进行不同数据显示切换。另外， 为防止用电户非法进行电表编程窃电，电表上需要有编程按键进行硬件保护，当 编程按键没有按下时，不允许对电表内参数进行更改。 表内时钟是电子式电表实现分时计量功能的重要组成部分，为保证电表在掉 电期间时钟正常，需要在表内安装供时钟芯片保持工作的锂电池，当电表停电时 给时钟芯片提供工作电源。 4 1 5 通讯部分 电子式电能表可以通过4 8 5 总线、远红外来实现同上位机软件的通讯功能， 其中4 8 5 通道是对外接采集装置的数据接口，远红外是对现场掌上电脑装置的 数据接口。本文中对电表设计为2 路4 8 5 ，1 路远红外接口。 山东大学硕士学位论文 4 2 通讯模块部分 无线通讯模块单元主要由电源、数据采集、存储、遥信信号检测、无线模块 通讯、l e d 检测、状态监测输出等回路组成，可以实现对基表数据采集并按照用 户需求进行存储，可存储电能、需量、瞬时量等数据，并能够以1 5 分钟周期存 储至少一周曲线数据，通过对无线通讯模块驱动( g p r s c d m a ) 实现网络登录 并向远程系统主站传输数据，检测外部两路遥信信号，达到防窃电功能，同时通 过状态监测输出端口和l e d 状态显示来检测当前模块运行状态，基本工作原理 如图4 4 所示： 4 2 1 电源部分： 图4 - 4 通讯模块单元原理框图 本文中通讯模块单元同电表采用模块化设计，因此模块工作电源直接从基表 表的开关电源上获取，从基表电源上引出一个8 v 直流电源，经过d c d c 转换后 变为3 8 v ，以供模块m c u 、无线通信模块、存储芯片等器件所需电源。此部分 硬件设计电路如图4 5 ： 山东大学硕士学位论文 啊畦蕊 ；l 覃一点一一 一之 匕 _ ：+ 嬲7 尉惭 + 三c l l 一 】 c 7 l5 弧i 再 一 置= 4 g n 删 1 1 。】 i c b 上 o丁 一- - e 1 7 c l m 竹铲 巢三 g 国 j 图4 - 5 模块电源回路电路图 另外，为保证模块在电表停电之后的一段时间内仍然能够正常工作，需要设 计安装一块大容量锂电池，以备在电表停电时模块能够将停电瞬间的电表信息返 回给远方主站，并能够持续工作2 4 小时，检测期间遥信状态，防止用电户窃电。 4 2 2 模块采集及存储部分： 模块电路板同电表间扩展一个4 8 5 通讯接口，在电表上电后模块通过此4 8 5 接口轮询招测基表数据，并检测当前电表状态。模块轮询招测数据包括基表电能 量、需量、瞬时量等数据，并将采集上来的数据存放在模块电路板上的r a 卜1 中， 用来实时刷新，并在用户定制的定时任务生效时将r a m 中数据转存到e e p r o m 中。当模块在巡检的过程中发现电表有异常事件发生，则立即将所发生的事件采 集上来并通过无线模块进行上报。 4 2 3 无线模块驱动部分： 模块电路在上电后要完成对g p r s c d m a 模块的硬件驱动及软件初始化工 作，并根据基表内事先设定好的网络参数进行网络登陆，在登录成功后通过无线 模块实现远方系统主站同电表之间的通讯。并且实时监测网络当前状态，一旦检 测到网络异常掉线，需要立即重新恢复网络，重新登陆。 一旦网络长时间无法连接，模块会启动应急措施，远方主站系统可以通过 c s d 拨号、s m s 短信方式读取模块内信息。 山东大学硕士学位论文 4 2 4 遥信信号检测部分： 遥信信号是对远程电表实现防窃电功能的一种技术手段，一般在现场户外安 装的计费表都是安装在电表箱体内，用电户在进行非法窃电时会首先打开电表 箱，之后通过更改电表接线方式来进行窃电。为了在第一时间监测该非法操作， 在模块上扩展遥信端子，并在计量箱门上安装门磁开关，当箱门被打开时，模块 会立即检测到遥信变位，之后发送报警信息至远方主站通知值班人员进行查处。 遥信信号扩展为2 路，其中一路给电表箱门使用，另一路可以提供给低压侧 空开或者高压组合互感器上的二次回路出线接线盒。 4 2 5 状态检测输出部分： 无线模块在运行的过程中会因很多突发因素导致网络无法登陆、连接失败等 故障，由于模块电路自身不具备液晶显示功能，因此如何将异常信息输出则成为 现场故障检测方法的重中之重。 本文设计中将无线模块单元同电表的一路4 8 5 通道进行