無線擴頻通信技術運用于機場供配電系統的案例

　　由于能夠使供配電管理單位節省運行人員、降低運行成本、提高運行可靠性以及改善服務質量、提高工作效率，供配電自動化控制技術已成為當今保障電網安全運行的重要技術手段。供配電自動化監控系統是運用自動控制技術、計算機技術、電力技術、通信技術等手段，對電網進行實時的智能化監視與控制，使電網始終處于安全、可靠、優質、高效的運行狀態。其最終目的是為了提高供電可靠性和供電質量，縮短事故處理時間，減少停電范圍，改善傳統的被動管理局面，提高整個供配電系統的管理水平和工作效率。通信是供配電監控系統中的一個重要組成部分，在其中占據著相當重要的地位，它承擔著監控中心與各個變電站RTU（Remote　Teminal　Unit，站內遠方終端）之間的數據傳輸、命令發布等任務。

　　通信技術的可靠性高低、抗干擾性強弱、是否便于運行和維護也成為供配電監控系統能否成功的關鍵之一，這在機場供配電監控系統中表現得尤為突出。

　　一、機場供電系統的特點以及由此引出的通信技術難題

　　1. 機場供電系統的特點

　　我國民用機場大都擁有一個較為完整的變電、配電系統，系統不但規模大、設備種類繁多，而且運行方式復雜、可靠性要求高。以北京首都國際機場為例，就擁有110／10kV總降壓站與35／10kV總降壓站各一座、10／0.4kV變電站60多座。變電站的數量多、分布廣、線路長，部分通訊導航臺位于機場場區以外，為其供電的變電站與監控中心距離遠的在十幾公里以上，給供電管理部門的運行管理帶來了極大困難。為了探討和研究在機場供配電系統中運用自動化技術實現監控，1996年7月民航總局將研制開發首都機場供電自動化控制系統列為了1996年民航重大科技項目（編號MD.SE.1996.11）。

　　2. 機場供配電監控系統的通信難題

　　由于機場的供配電網絡已經成形，而歷史上機場建設時，有些距離遠的變電站間未鋪設控制電纜或通信電纜，如果重新開溝鋪設，工程量大、工程造價高，機場圍界以外的變電站（如遠臺等）還存在臨時占地問題，因此機場環境的特殊性決定了部分變電站不能使用有線通訊方式。載波通信因其造價高、不經濟、抗干擾性差也不能算是一種較好的通信方式。因此只有無線通信方式作為首選方式。而機場的電磁環境復雜，在機場內有多種無線通信設備，包括長波、中波、短波等各個頻段的電波，其中不少是用于空中指揮、通信導航以及工作對講聯絡，而如何解決系統的無線通信問題，成為了整個供配電監控系統成功與否的關鍵問題。

　　二、擴頻通信的基本原理及特點

　　1. 擴頻通信的概念

　　頻譜是電信號在頻域中的描述。擴頻通信（SpreadSpectrumCommunication），即擴展頻譜通信，是通信的新進展，它與光纖通信、衛星通信一同被譽為信息時代的三大高技術通信傳輸方式。它是指將傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送人信道中傳輸，再利用相應手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統。

　　擴頻通信的工作原理如圖1所示。

　　2. 擴頻技術的理論基礎

　　按照信息論中的香農（c.E.Shannon）信道容量公式，C=Wlog2（1+5／，v），公式中C為信通容量（極限傳輸速率），為信道帶寬，，v為噪聲功率，S為信號功率。該公式表明，在高斯信道中當傳輸信號的信號噪聲功率比S／N下降時，可用增加系統傳輸帶寬的辦法來保持信通容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。若以信號帶寬的百倍甚至上千倍的帶寬的信號來傳輸信號，即可實現在強干擾的條件下安全地進行通信，這就是擴頻通信的基本思想。

　　3. 擴頻通信的特點

　　擴頻通信技術最初是為軍隊保密通信而發明的，后由于其具有許多獨特的優勢，被廣泛應用于計算機局域網互連、數據通信、圖像傳輸、電力系統、微波通信網等領域，其特點如下：

　　①可靠性高，誤碼率低（通常在10.以下）。

　　②通信容量大，擴頻通信使用碼分多址，其頻率利用率比單線載波高。

　　③安全保密性好，擴頻系統可將信號淹沒在噪聲中，因此適合工作于變電站等噪聲較嚴重的地區。

　　④能抗多重干擾，利用擴頻碼的相關特性，可有效抑制多重干擾。

　　⑤擴頻設備一般體積小、耗電低、發射功率小，價格相對便宜。

　　⑥建網周期短，組網快速靈活，可根據需要組成點對點、點對多點的系統。

　　三、無線擴頻通信技術在首都機場供配電系統中的應用

　　1. 遠方示范站的選擇與通信方式的確定

　　經過討論與研究，我們決定研發項目的一期工程選擇5個各具特點的遠方變電站進行實時監控。這5個遠方站為首都機場35kV總降壓站、6#東跑道南燈光變電站、20#南路西里宿舍區變電站、25#發信臺變電站和78#機場配餐樓變電站。除6#站利用已有控制電纜采用有線通訊方式外，其余均決定采用無線擴頻通訊方式，在監控中心裝設無線擴頻電臺和全向天線，在遠方站裝設無線擴頻電臺和定向天線，采用點對多點全雙工通信。其中25#站位于機場場區以外，距離監控中心約8km，周圍密布通信導航用的無線短波天線網陣。對無線擴頻設備的抗干擾性無疑是一場考驗。

　　2. 無線擴頻電臺的功能

　　無線擴頻電臺（SSWirelessModem）就是使用擴頻技術工作的，它可以實現點對點、點對多點的數據、話音、圖像傳輸，可全雙工運行。發射電臺通過數據接收控制器的信號，調制成擴頻信號經天線發射出去，接收電臺把從天線接收到的擴頻信號解調出來，再通過數據接口把信號發送給控制器。

　　3. 無線擴頻電臺的選擇與參數設定

　　經過調研和慎重考慮，我們選用了世界上著名的保密產品與無線擴頻通信產品供應商Cylink公司的AirlinkS波段64SMP無線電臺，Airlink系列電臺已獲得了國家無線電管理委員會的認可和核準，符合國家無線電管理和技術標準，是無線擴頻設備中第一個獲得認證的產品。該電臺可在全雙工的Modem點對點、點對多點的環境里工作，工作頻率在2400MHz至2483.5MHz頻段上，利用擴頻技術提供數據和語音通道，支持1.2、2.4、4.8、9.6、19.2、56、64kbps全雙工同步數據和1.2至19.2kbps異步數據，通信距離為33km至48km，并且具有誤差校正、發射頻率和輸出功率可以選擇等特點。

　　系統采用點對多點的工作模式，監控中心用一臺Cylink64SMPModem和一副全向天線，各個采集現場用一臺Cylink64SMPModem和一副定向天線，將監控中心的Modem設置為主單元（MasterUnit），將采集現場的Modem設置為從單元（SlaveUnit），主單元和從單元利用同一射頻（RF）通道。

　　首都機場供電控制系統無線擴頻通信網絡示意圖如圖2所示。

　　主、從單元電臺的系統參數分別為：

　　（1）監控中心站電臺

　　射頻通道：15

　　發射輸出功率：650（28dbm）

　　脈沖串同步定時：內部串定時

　　發射時鐘源：DCE（ST）

　　模式選擇：異步10位

　　偽隨機碼：5

　　數據率：2.4kbps

　　RTS：ONRTS／CTS

　　延遲：0毫秒

　　收發器模式：正常

　　主／從電臺：主電臺

　　（2）采集現場電臺

　　射頻通道：15發射

　　輸出功率：650（28dbm）

　　脈沖串同步定時：內部串定時

　　發射時鐘源：DCE（ST）

　　模式選擇：異步10位

　　偽隨機碼：5

　　數據率：2.4kbps

　　RTS：OFFRTS／CTS

　　延遲：0毫秒

　　收發器模式：正常

　　主／從電臺：從電臺

　　四、通信系統的調試

　　調試開始，我們編寫了專門的電臺測試程序，使用電臺在計算機之間進行通信，以便全面測試出電臺的使用特性。首先，我們在室內對電臺進行全面測試，通信電臺均采用室內小天線。在點對點測試過程中，發送接收數據完全正確，遠遠超過了電臺說明書中提到的精度參數。但在點對多點測試過程中，發現數據偶有異常，但誤碼率超過了電臺說明書中的精度要求，通過查閱有關資料和反復探索，后來發現從電臺在發送完數據后，在發送“清除發送（CTS）”命令前，必須延遲至少17ms以上，否則電臺傳輸可能有誤。這個發現大大改善了點對多點的傳輸精度，達到了預期效果。

　　接著測試轉到現場環境做進一步測試，通信電臺均采用采集現場的室外天線，但通信仍在計算機之間進行。開始時誤碼率遠遠超過了系統規定的指標，后經過分析和反復調整定向天線以及縮短電臺與天線間的連接電纜、改進布線方案，使通信質量得到了進一步的提高，通信質量完全達到了規定的要求。

　　通過測試，基本掌握了電臺的使用方法和特性，歸納起來，有以下幾點感受：①在調整定向天線的方向時，定向天線發射的波瓣應對準全向天線的接收端，在注意天線的方向的同時也要重視仰角的調整。②應盡量縮短天線與電臺間的連接電纜，連接電纜在布線時遇到拐彎處不要有折角，要圓滑過渡，以防在連接電纜內發生信號輻射，從而產生信號疊加。③調試時，試驗不同的發射頻率和PN碼組合，最后確定全網能達到最佳的通信效果的發射頻率和PN碼組合。④在點對多點通信時，主電臺處于常收常發狀態，而從電臺只是處于常收狀態，只有請求發送時，才能發送數據，且在發送完數據后，在發送“清除發送（CTS）”命令前，必須延遲至少17ms以上。

　　五、結束語

　　無線擴頻通信技術的引入攻克了機場供電監控系統特有的通信難點，使項目研制得以順利進展。該項目通過驗收投入試運行至今，系統運行正常。事實證明，無線擴頻通信技術是適用于機場供電系統的，它既可避免機場環境對無線通信的干擾，又不影響機場內現有的通信系統，通信誤碼率低，安裝簡單，節省投資，免維護。無線擴頻通信確實在可靠性、可用性和抗毀性等很多方面超過了傳統的通信方式，尤其在如機場這樣一些特殊的地理環境下，更顯示出了其獨特的優越性。