基于ＡＲＭ２１９０和ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)的配電負(fù)荷終端可靠性研究

楊榮杰

電力是國家發(fā)展的重要的基礎(chǔ)設(shè)施，而配電網(wǎng)絡(luò)是直接面對千家萬戶的。對配電網(wǎng)進行實時監(jiān)測是非常重要的，配電監(jiān)控系統(tǒng)是對配電網(wǎng)上的設(shè)備進行遠(yuǎn)方實時監(jiān)視，協(xié)調(diào)及控制的一個集成系統(tǒng)。它是近幾年來發(fā)展起來的新興技術(shù)和領(lǐng)域，是現(xiàn)代計算機技術(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。實踐表明，配電監(jiān)控系統(tǒng)可以大大提高配電網(wǎng)運行的可靠性和效率，提高供電電能質(zhì)量，降低勞動強度和充分利用現(xiàn)有設(shè)備的能力，從而對于用戶和電力公司均能帶來可觀的收益。通過各地的統(tǒng)計表明，高峰時段在用戶側(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)，具有尋址方式簡單“寄存器多”指令長度固定等特點，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系統(tǒng)。ARM處理器目前有5個系列產(chǎn)品ARM7、ARM9和SecurCore。其中ARM7是低功耗的32位核，最適合應(yīng)用于對價位和功耗敏感的產(chǎn)品，它又分為應(yīng)用于實時環(huán)境的ARM7TDMI、ARM7TMI-S，以及適用于開發(fā)平臺的ARM720T和適用于DSP運算及支持Java的ARM7EJ等。它的低功耗和全靜態(tài)設(shè)計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)進行無縫連接，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、約束長度K和交織深度D對系統(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，同時不會增加系統(tǒng)的時延和復(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)的約束長度不會降低數(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，約束長度的增加會使系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)成指數(shù)增長，這就意味著系統(tǒng)時延和復(fù)雜度也成指數(shù)增長。在實際的應(yīng)用中一般不采用該方法來改善系統(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，但是會大大增加系統(tǒng)的時延和復(fù)雜度，在某些系統(tǒng)中，交織深度取128甚至更高時，它對系統(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)的時延和復(fù)雜度；而增加約束長度的效果最差，使系統(tǒng)的時延和復(fù)雜度按指數(shù)規(guī)律增長，在實際應(yīng)用中應(yīng)慎重。對不同類型的數(shù)據(jù)進行不同的編碼，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，以約束長度作為前兩者的補充。在實際的工程設(shè)計中，要綜合考慮性能、傳輸速率、時延、復(fù)雜度等因素，選擇最佳的編碼方案。

在實際應(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)送端的編碼方案進行信道譯碼和解交織，最后將得到的數(shù)據(jù)送去進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，又可以對不同的數(shù)據(jù)類型進行不同處理，獲得令人滿意的性能。

2配電負(fù)荷終端可靠性的實測分析

2.1下位機嵌入式ARM處理器的可靠性分析

在實際工作中，配電負(fù)荷終端都會受到器件特性的影響，任何AD轉(zhuǎn)換和運算都需要時間，存在時延，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，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信號采樣誤差

在計算指令電流時，需采樣各路模擬電流信號。信號采樣誤差取決于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)換時間小于2.44μs。

2.1.3計算誤差及運算延遲

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

2.2 GPRS通信可靠性的實際分析

2.2.1傳輸延遲分析

GPRS核心網(wǎng)對傳輸時延有影響。GPRS系統(tǒng)的傳輸延遲包括：無線信道的接入延遲(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)過多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點)，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。下面分別對這三方面進行分析：

BSS(基站子系統(tǒng))到SGSN (GPRS服務(wù)支持節(jié)點)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1個物理連接上的多個邏輯連接來實現(xiàn)寬帶的復(fù)用和動態(tài)分配。幀中繼協(xié)議簡化了X.25的第3層功能，僅采用物理層和邏輯鏈路層的2級結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的處理大大簡化，提高了網(wǎng)絡(luò)信息處理效率，省去了幀編號、流量控制、應(yīng)答和監(jiān)視等機制，大大節(jié)省了交換機開銷，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了傳輸時延。幀中繼采用統(tǒng)計復(fù)用技術(shù)，以VC(虛電路)機制為每一幀提供地址信息，多個用戶的邏輯數(shù)據(jù)流復(fù)用在同一個物理數(shù)據(jù)通路上，并以DLCI(數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識)尋址進行區(qū)分。每一物理通路可包含1023個邏輯通路(第1024個用作保留)甚至更多。BSS與SGSN接入FR(幀中繼)網(wǎng)絡(luò)時，物理層接口采用2Mb/s。因此，可以計算出長度為L(L<1560)字節(jié)的LL-PDU(LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元)從BSS發(fā)送SGSN的時間t，假設(shè)有1023個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，計算得t=89.5ms。

GTP對長度為L′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)報頭開銷，TCP至少有20字節(jié)協(xié)議頭開銷。假設(shè)物理鏈路數(shù)據(jù)速率也是2Mb/s，則SGSN到GGSN之間的傳送時延由(2)式計算。

t'=[L'+16+40(or28)]/[2048×30/32]ms

當(dāng)數(shù)據(jù)包長度L′為128字節(jié)時，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)之間延遲可以估算出來，延遲非常小，不是影響延時的主要因素。MS和BSS之間接口情況復(fù)雜，一般只對移動臺處在不同狀態(tài)時對時延的影響進行分析。

GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時延等級可參閱下表1.

任何通信網(wǎng)絡(luò)都存在時延，GPRS網(wǎng)絡(luò)也不例外，其封包數(shù)據(jù)向各個方向傳輸，最終到達同一目的地，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，整個網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度跟傳輸延遲也會有很大影響。

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，當(dāng)一個數(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)包到達目的地的順序也有可能與其在發(fā)送端時的順序不一致。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檢錯重發(fā)等技術(shù)。在信道FEC（前向糾錯編碼）上，GPRS采用卷積編碼。由于不同的應(yīng)用對可靠性的要求不同，GPRS網(wǎng)絡(luò)支持三種不同的可靠性級別，見表2所示.

對應(yīng)上述的3種可靠性級別，GPRS推薦四種編碼方式：CS-1～CS-4，通過采用不同的糾錯比特數(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的編碼糾錯能力比較強，適用于傳輸信道質(zhì)量比較差的電路；CS-3和CS-4是無糾錯編碼，其編碼糾錯能力差，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，因為實際系統(tǒng)如果對控制實時性要求不高的話，即使通信信道誤碼率高，若通過合理的規(guī)約設(shè)計，為遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)提供校核--反校過程，總能達到一個基本“無過錯的信道”。

2.2.2傳輸速率分析

GPRS采用TDMA（時分多址）的多址方式，一個TDMA幀分為8個時隙，每個時隙對應(yīng)一個無線物理信道。由于GPRS采用的是分組交換電路技術(shù)，所以在GPRS中，8個時隙中的每一個都可以被多個用戶共享，而且每個用戶最多可以占用全部8條信道進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣，它便可以讓多個用戶共享某些固定的物理信道，理論上可達到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。

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

吞吐量是指在不丟包的情況下單位時間內(nèi)通過的數(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PDP上下文所能提供的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，有19個不同的級別，除最高級別31外，級別越高，其平均吞吐量越大，平均吞吐量的級別定義表如下表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中國移動通信是目前國內(nèi)最大的移動通信業(yè)務(wù)運營商，其網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備與基站設(shè)備全部按電信級企業(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，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，雖然ARM2190和GPRS有一定的誤差和延時，但對于配電網(wǎng)自動化的通信來說，是完全可以接受的。