楊榮杰

電力是國(guó)家發(fā)展的重要的基礎(chǔ)設(shè)施，而配電網(wǎng)絡(luò)是直接面對(duì)千家萬(wàn)戶的。對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常重要的，配電監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)配電網(wǎng)上的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)視，協(xié)調(diào)及控制的一個(gè)集成系統(tǒng)。它是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)和領(lǐng)域，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形技術(shù)在配電網(wǎng)監(jiān)視與控制上的應(yīng)用。實(shí)踐表明，配電監(jiān)控系統(tǒng)可以大大提高配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和效率，提高供電電能質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和充分利用現(xiàn)有設(shè)備的能力，從而對(duì)于用戶和電力公司均能帶來(lái)可觀的收益。通過(guò)各地的統(tǒng)計(jì)表明，高峰時(shí)段在用戶側(cè)調(diào)整1kW負(fù)荷的裝置，投資只要50～70元，僅僅為生產(chǎn)和輸送相同功率的發(fā)輸變電設(shè)備投資的1%。在我國(guó)人均用電水平還是很低的情況下，技術(shù)限電措施不僅緩解了電力的短缺，而且把電力資源的配置和合理利用提高到了一個(gè)新的水平。

1配電負(fù)荷終端可靠性的理論分析

配電負(fù)荷終端的可靠性主要由兩部分組成：下位機(jī)的可靠性和通信的可靠性組成。下面分別討論他們的可靠性能。

1.1下位機(jī)嵌入式ARM處理器的可靠性分析

本系統(tǒng)選擇的是嵌入式ARM處理器2190。它是ARM7系列的一員,是目前世界上使用最為廣泛的32位RISC處理器核。它的處理器是目前嵌入式系統(tǒng)中使用最廣泛的處理器。采用了RISC技術(shù)，具有尋址方式簡(jiǎn)單“寄存器多”指令長(zhǎng)度固定等特點(diǎn)，使得它的處理速度快“執(zhí)行效率高”處理能力大大超出了單片機(jī)系統(tǒng)。ARM處理器目前有5個(gè)系列產(chǎn)品ARM7、ARM9和SecurCore。其中ARM7是低功耗的32位核，最適合應(yīng)用于對(duì)價(jià)位和功耗敏感的產(chǎn)品，它又分為應(yīng)用于實(shí)時(shí)環(huán)境的ARM7TDMI、ARM7TMI-S，以及適用于開(kāi)發(fā)平臺(tái)的ARM720T和適用于DSP運(yùn)算及支持Java的ARM7EJ等。它的低功耗和全靜態(tài)設(shè)計(jì)使得其特別適用于成本敏感和功耗敏感的應(yīng)用。由于其核心板的高集成度，就決定了其工作效果比一般外設(shè)多的單片機(jī)穩(wěn)定可靠。

1.2GPRS通信可靠性的理論分析

GPRS是在GSM的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，盡管GPRS 采用了基于分組交換傳輸數(shù)據(jù)的高效率方式，在空中接口和外部網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，并和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行無(wú)縫連接，但是它在信道編碼上同GSM一樣，仍采用卷積碼技術(shù)。不同的編碼效率r、約束長(zhǎng)度K和交織深度D對(duì)系統(tǒng)的誤碼率和傳輸可靠性的影響不同。

降低編碼效率可以極大地改善系統(tǒng)的誤碼率，提高傳輸可靠性，同時(shí)不會(huì)增加系統(tǒng)的時(shí)延和復(fù)雜度。但要注意，這些性能的改善是以降低數(shù)據(jù)的傳輸速率為代價(jià)的。使用鑿孔（Punctured）卷積碼后，雖然系統(tǒng)的誤碼率增大了一些，但數(shù)據(jù)的傳輸速率提高了很多，同時(shí)系統(tǒng)的編碼方式變得十分靈活，系統(tǒng)復(fù)雜度增加很小。

雖然增加系統(tǒng)的約束長(zhǎng)度不會(huì)降低數(shù)據(jù)的傳輸速率，并能適當(dāng)?shù)馗纳葡到y(tǒng)的誤碼率，但是，約束長(zhǎng)度的增加會(huì)使系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)成指數(shù)增長(zhǎng)，這就意味著系統(tǒng)時(shí)延和復(fù)雜度也成指數(shù)增長(zhǎng)。在實(shí)際的應(yīng)用中一般不采用該方法來(lái)改善系統(tǒng)性能。增加交織深度也可以有效地改善系統(tǒng)的誤碼率，提高系統(tǒng)性能，且不影響數(shù)據(jù)的傳輸速率，但是會(huì)大大增加系統(tǒng)的時(shí)延和復(fù)雜度，在某些系統(tǒng)中，交織深度取128甚至更高時(shí)，它對(duì)系統(tǒng)性能的影響就更大了。

從上面分析可以看出在減少系統(tǒng)誤碼率方面，降低編碼效率效果最優(yōu)，但它降低了信息傳輸速率；增加交織深度其次，但它增加了系統(tǒng)的時(shí)延和復(fù)雜度；而增加約束長(zhǎng)度的效果最差，使系統(tǒng)的時(shí)延和復(fù)雜度按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)慎重。對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的編碼，這樣既保證了較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又滿足了用戶對(duì)不同的數(shù)據(jù)的不同要求，具有重要的應(yīng)用意義。要根據(jù)不同的系統(tǒng)要求選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)。一般以編碼效率和交織深度為主，以約束長(zhǎng)度作為前兩者的補(bǔ)充。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，要綜合考慮性能、傳輸速率、時(shí)延、復(fù)雜度等因素，選擇最佳的編碼方案。

在實(shí)際應(yīng)用中，在接收端，將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)，然后按照發(fā)送端的編碼方案進(jìn)行信道譯碼和解交織，最后將得到的數(shù)據(jù)送去進(jìn)行信源譯碼或圖象恢復(fù)顯示。在該方案中，要保證發(fā)送端和接收端在編碼效率、約束長(zhǎng)度和交織深度等方面的同步和一致。該方案既可以保證較高的傳輸速率，又可以對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行不同處理，獲得令人滿意的性能。

2配電負(fù)荷終端可靠性的實(shí)測(cè)分析

2.1下位機(jī)嵌入式ARM處理器的可靠性分析

在實(shí)際工作中，配電負(fù)荷終端都會(huì)受到器件特性的影響，任何AD轉(zhuǎn)換和運(yùn)算都需要時(shí)間，存在時(shí)延，ARM7也不例外，而產(chǎn)生一定的誤差，從而影響性能效果。

2.1.1傳感器的傳變誤差

電壓電流傳感器都有一定的非線性誤差和相移誤差。當(dāng)誤差嚴(yán)重時(shí)，需要在軟件部分做適當(dāng)?shù)奶幚硪詼p小誤差。本文采用的傳感器非線性誤差均小于0.1%，相移角均小于5＇。

2.1.2信號(hào)采樣誤差

在計(jì)算指令電流時(shí)，需采樣各路模擬電流信號(hào)。信號(hào)采樣誤差取決于AD（Analog Digital，AD）轉(zhuǎn)換器件的分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間。本文采用ARM器件內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換電路，其分辨率為10位，8路全部轉(zhuǎn)換時(shí)間小于2.44μs。

2.1.3計(jì)算誤差及運(yùn)算延遲

計(jì)算誤差指用軟件獲取的電流與理論計(jì)算的電流之間的差值這主要取決于計(jì)算算法和所用數(shù)據(jù)的類型。運(yùn)算誤差主要是指從信號(hào)采樣到最后的計(jì)算完畢。經(jīng)統(tǒng)計(jì)該部分軟件總耗時(shí)為20μs。

2.2 GPRS通信可靠性的實(shí)際分析

2.2.1傳輸延遲分析

GPRS核心網(wǎng)對(duì)傳輸時(shí)延有影響。GPRS系統(tǒng)的傳輸延遲包括：無(wú)線信道的接入延遲(上行方向)、信道安排延遲(下行方向)、傳輸時(shí)延(空中接口上/下行方向)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲(可能經(jīng)過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))，但不包括數(shù)據(jù)包在外部網(wǎng)絡(luò)PDN (公用數(shù)據(jù)網(wǎng))的延遲。下面分別對(duì)這三方面進(jìn)行分析：

BSS(基站子系統(tǒng))到SGSN (GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn))之間的數(shù)據(jù)采用幀中繼方式傳輸。幀中繼技術(shù)是在OSI第2層上用簡(jiǎn)化的方法傳送和交換單元的一種新技術(shù)，使用1組規(guī)程將數(shù)據(jù)信息以幀的形式傳送。它使用邏輯連接傳送數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)1個(gè)物理連接上的多個(gè)邏輯連接來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶的復(fù)用和動(dòng)態(tài)分配。幀中繼協(xié)議簡(jiǎn)化了X.25的第3層功能，僅采用物理層和邏輯鏈路層的2級(jí)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理大大簡(jiǎn)化，提高了網(wǎng)絡(luò)信息處理效率，省去了幀編號(hào)、流量控制、應(yīng)答和監(jiān)視等機(jī)制，大大節(jié)省了交換機(jī)開(kāi)銷，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了傳輸時(shí)延。幀中繼采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)，以VC(虛電路)機(jī)制為每一幀提供地址信息，多個(gè)用戶的邏輯數(shù)據(jù)流復(fù)用在同一個(gè)物理數(shù)據(jù)通路上，并以DLCI(數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí))尋址進(jìn)行區(qū)分。每一物理通路可包含1023個(gè)邏輯通路(第1024個(gè)用作保留)甚至更多。BSS與SGSN接入FR(幀中繼)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，物理層接口采用2Mb/s。因此，可以計(jì)算出長(zhǎng)度為L(zhǎng)(L<1560)字節(jié)的LL-PDU(LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元)從BSS發(fā)送SGSN的時(shí)間t，假設(shè)有1023個(gè)DLCI復(fù)用，不考慮擁塞。

t=1023×(L+40)/[2048×(30/32)]ms

當(dāng)L= 128字節(jié)時(shí)，計(jì)算得t=89.5ms。

GTP對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)′的用戶數(shù)據(jù)N-PDU添加16字節(jié)GTP協(xié)議頭，封裝成G-PDU后，在SGSN和GGSN之間采用UDP/IP或TCP/IP協(xié)議傳送。UDP有8字節(jié)報(bào)頭開(kāi)銷，TCP至少有20字節(jié)協(xié)議頭開(kāi)銷。假設(shè)物理鏈路數(shù)據(jù)速率也是2Mb/s，則SGSN到GGSN之間的傳送時(shí)延由(2)式計(jì)算。

t'=[L'+16+40(or28)]/[2048×30/32]ms

當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度L′為128字節(jié)時(shí)，t′為0.096或0.090ms.

因此，在不考慮擁塞的情況下，BSS到SGSN和SGSN到GGSN (GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))之間延遲可以估算出來(lái)，延遲非常小，不是影響延時(shí)的主要因素。MS和BSS之間接口情況復(fù)雜，一般只對(duì)移動(dòng)臺(tái)處在不同狀態(tài)時(shí)對(duì)時(shí)延的影響進(jìn)行分析。

GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)延等級(jí)可參閱下表1.

任何通信網(wǎng)絡(luò)都存在時(shí)延，GPRS網(wǎng)絡(luò)也不例外，其封包數(shù)據(jù)向各個(gè)方向傳輸，最終到達(dá)同一目的地，這種傳輸途徑使傳輸數(shù)據(jù)包可能在射頻鏈中遺失或損毀。GPRS標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了無(wú)線封包技術(shù)并采用數(shù)據(jù)整合與再傳方法，但造成潛在的傳輸延遲。此外，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度跟傳輸延遲也會(huì)有很大影響。

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸，它有可能丟失、被重復(fù)傳送或者損壞，數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地的順序也有可能與其在發(fā)送端時(shí)的順序不一致。為了更安全的把數(shù)據(jù)發(fā)送到接收方，GPRS采用了GMSK調(diào)制方式，采用了ARQ檢錯(cuò)重發(fā)等技術(shù)。在信道FEC（前向糾錯(cuò)編碼）上，GPRS采用卷積編碼。由于不同的應(yīng)用對(duì)可靠性的要求不同，GPRS網(wǎng)絡(luò)支持三種不同的可靠性級(jí)別，見(jiàn)表2所示.

對(duì)應(yīng)上述的3種可靠性級(jí)別，GPRS推薦四種編碼方式：CS-1～CS-4，通過(guò)采用不同的糾錯(cuò)比特?cái)?shù)適應(yīng)不同傳輸信道質(zhì)量要求。在這四種編碼的具體應(yīng)用中，CS-1和CS-2的編碼糾錯(cuò)能力比較強(qiáng)，適用于傳輸信道質(zhì)量比較差的電路；CS-3和CS-4是無(wú)糾錯(cuò)編碼，其編碼糾錯(cuò)能力差，適用于傳輸信道質(zhì)量好的電路，可以提供較高的“凈數(shù)據(jù)傳輸速率”。

因此，從上面的分析可以看到，誤碼率與通信信道的好壞有關(guān)。但是需要注意的是，即使誤碼率高，也不意味著GPRS通信不能用于遠(yuǎn)程控制，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)如果對(duì)控制實(shí)時(shí)性要求不高的話，即使通信信道誤碼率高，若通過(guò)合理的規(guī)約設(shè)計(jì)，為遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)提供校核--反校過(guò)程，總能達(dá)到一個(gè)基本“無(wú)過(guò)錯(cuò)的信道”。

2.2.2傳輸速率分析

GPRS采用TDMA（時(shí)分多址）的多址方式，一個(gè)TDMA幀分為8個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)一個(gè)無(wú)線物理信道。由于GPRS采用的是分組交換電路技術(shù)，所以在GPRS中，8個(gè)時(shí)隙中的每一個(gè)都可以被多個(gè)用戶共享，而且每個(gè)用戶最多可以占用全部8條信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣，它便可以讓多個(gè)用戶共享某些固定的物理信道，理論上可達(dá)到171.2kbit/s。比起GSM技術(shù)，它的傳輸速率理論上是GSM的兩倍左右。

為了更清楚說(shuō)明GPRS在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率，我們引入一個(gè)概念：吞吐量。

吞吐量是指在不丟包的情況下單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的數(shù)據(jù)包數(shù)量。GPRS系統(tǒng)中可以用平均吞吐量衡量網(wǎng)絡(luò)情況。

GPRS的平均吞吐量指的是單個(gè)PDP上下文所能提供的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，有19個(gè)不同的級(jí)別，除最高級(jí)別31外，級(jí)別越高，其平均吞吐量越大，平均吞吐量的級(jí)別定義表如下表3所示。

從吞吐量的衡量參數(shù)中可以看出，GPRS的一般傳輸速率比較大，即使偶爾有丟包現(xiàn)象，也足以應(yīng)付電網(wǎng)日常的數(shù)據(jù)傳輸。

3結(jié)論

由于配電系統(tǒng)的通信工作環(huán)境通常比較惡劣，所以，適用于配電網(wǎng)通信的載體必須能抵御惡劣環(huán)境，而且能很可靠地工作。眾所周知，GPRS所依賴的GSM中國(guó)移動(dòng)通信是目前國(guó)內(nèi)最大的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商，其網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備與基站設(shè)備全部按電信級(jí)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配備的，所以其設(shè)備的性能與安全性都有保證。在傳輸系統(tǒng)方面，GPRS采用雙光纖/微波路由保護(hù)，并且大部分建成SDH光纖自愈環(huán)，備有充分的應(yīng)急電路調(diào)度方案。由此可見(jiàn)，雖然ARM2190和GPRS有一定的誤差和延時(shí)，但對(duì)于配電網(wǎng)自動(dòng)化的通信來(lái)說(shuō)，是完全可以接受的。