无线扩频通信技术运用于机场供配电系统的案例

　　由于能够使供配电管理单位节省运行人员、降低运行成本、提高运行可靠性以及改善服务质量、提高工作效率，供配电自动化控制技术已成为当今保障电网安全运行的重要技术手段。供配电自动化监控系统是运用自动控制技术、计算机技术、电力技术、通信技术等手段，对电网进行实时的智能化监视与控制，使电网始终处于安全、可靠、优质、高效的运行状态。其最终目的是为了提高供电可靠性和供电质量，缩短事故处理时间，减少停电范围，改善传统的被动管理局面，提高整个供配电系统的管理水平和工作效率。通信是供配电监控系统中的一个重要组成部分，在其中占据着相当重要的地位，它承担着监控中心与各个变电站RTU（Remote　Teminal　Unit，站内远方终端）之间的数据传输、命令发布等任务。

　　通信技术的可靠性高低、抗干扰性强弱、是否便于运行和维护也成为供配电监控系统能否成功的关键之一，这在机场供配电监控系统中表现得尤为突出。

　　一、机场供电系统的特点以及由此引出的通信技术难题

　　1. 机场供电系统的特点

　　我国民用机场大都拥有一个较为完整的变电、配电系统，系统不但规模大、设备种类繁多，而且运行方式复杂、可靠性要求高。以北京首都国际机场为例，就拥有110／10kV总降压站与35／10kV总降压站各一座、10／0.4kV变电站60多座。变电站的数量多、分布广、线路长，部分通讯导航台位于机场场区以外，为其供电的变电站与监控中心距离远的在十几公里以上，给供电管理部门的运行管理带来了极大困难。为了探讨和研究在机场供配电系统中运用自动化技术实现监控，1996年7月民航总局将研制开发首都机场供电自动化控制系统列为了1996年民航重大科技项目（编号MD.SE.1996.11）。

　　2. 机场供配电监控系统的通信难题

　　由于机场的供配电网络已经成形，而历史上机场建设时，有些距离远的变电站间未铺设控制电缆或通信电缆，如果重新开沟铺设，工程量大、工程造价高，机场围界以外的变电站（如远台等）还存在临时占地问题，因此机场环境的特殊性决定了部分变电站不能使用有线通讯方式。载波通信因其造价高、不经济、抗干扰性差也不能算是一种较好的通信方式。因此只有无线通信方式作为首选方式。而机场的电磁环境复杂，在机场内有多种无线通信设备，包括长波、中波、短波等各个频段的电波，其中不少是用于空中指挥、通信导航以及工作对讲联络，而如何解决系统的无线通信问题，成为了整个供配电监控系统成功与否的关键问题。

　　二、扩频通信的基本原理及特点

　　1. 扩频通信的概念

　　频谱是电信号在频域中的描述。扩频通信（SpreadSpectrumCommunication），即扩展频谱通信，是通信的新进展，它与光纤通信、卫星通信一同被誉为信息时代的三大高技术通信传输方式。它是指将传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送人信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统。

　　扩频通信的工作原理如图1所示。

　　2. 扩频技术的理论基础

　　按照信息论中的香农（c.E.Shannon）信道容量公式，C=Wlog2（1+5／，v），公式中C为信通容量（极限传输速率），为信道带宽，，v为噪声功率，S为信号功率。该公式表明，在高斯信道中当传输信号的信号噪声功率比S／N下降时，可用增加系统传输带宽的办法来保持信通容量C不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。若以信号带宽的百倍甚至上千倍的带宽的信号来传输信号，即可实现在强干扰的条件下安全地进行通信，这就是扩频通信的基本思想。

　　3. 扩频通信的特点

　　扩频通信技术最初是为军队保密通信而发明的，后由于其具有许多独特的优势，被广泛应用于计算机局域网互连、数据通信、图像传输、电力系统、微波通信网等领域，其特点如下：

　　①可靠性高，误码率低（通常在10.以下）。

　　②通信容量大，扩频通信使用码分多址，其频率利用率比单线载波高。

　　③安全保密性好，扩频系统可将信号淹没在噪声中，因此适合工作于变电站等噪声较严重的地区。

　　④能抗多重干扰，利用扩频码的相关特性，可有效抑制多重干扰。

　　⑤扩频设备一般体积小、耗电低、发射功率小，价格相对便宜。

　　⑥建网周期短，组网快速灵活，可根据需要组成点对点、点对多点的系统。

　　三、无线扩频通信技术在首都机场供配电系统中的应用

　　1. 远方示范站的选择与通信方式的确定

　　经过讨论与研究，我们决定研发项目的一期工程选择5个各具特点的远方变电站进行实时监控。这5个远方站为首都机场35kV总降压站、6#东跑道南灯光变电站、20#南路西里宿舍区变电站、25#发信台变电站和78#机场配餐楼变电站。除6#站利用已有控制电缆采用有线通讯方式外，其余均决定采用无线扩频通讯方式，在监控中心装设无线扩频电台和全向天线，在远方站装设无线扩频电台和定向天线，采用点对多点全双工通信。其中25#站位于机场场区以外，距离监控中心约8km，周围密布通信导航用的无线短波天线网阵。对无线扩频设备的抗干扰性无疑是一场考验。

　　2. 无线扩频电台的功能

　　无线扩频电台（SSWirelessModem）就是使用扩频技术工作的，它可以实现点对点、点对多点的数据、话音、图像传输，可全双工运行。发射电台通过数据接收控制器的信号，调制成扩频信号经天线发射出去，接收电台把从天线接收到的扩频信号解调出来，再通过数据接口把信号发送给控制器。

　　3. 无线扩频电台的选择与参数设定

　　经过调研和慎重考虑，我们选用了世界上著名的保密产品与无线扩频通信产品供应商Cylink公司的AirlinkS波段64SMP无线电台，Airlink系列电台已获得了国家无线电管理委员会的认可和核准，符合国家无线电管理和技术标准，是无线扩频设备中第一个获得认证的产品。该电台可在全双工的Modem点对点、点对多点的环境里工作，工作频率在2400MHz至2483.5MHz频段上，利用扩频技术提供数据和语音通道，支持1.2、2.4、4.8、9.6、19.2、56、64kbps全双工同步数据和1.2至19.2kbps异步数据，通信距离为33km至48km，并且具有误差校正、发射频率和输出功率可以选择等特点。

　　系统采用点对多点的工作模式，监控中心用一台Cylink64SMPModem和一副全向天线，各个采集现场用一台Cylink64SMPModem和一副定向天线，将监控中心的Modem设置为主单元（MasterUnit），将采集现场的Modem设置为从单元（SlaveUnit），主单元和从单元利用同一射频（RF）通道。

　　首都机场供电控制系统无线扩频通信网络示意图如图2所示。

　　主、从单元电台的系统参数分别为：

　　（1）监控中心站电台

　　射频通道：15

　　发射输出功率：650（28dbm）

　　脉冲串同步定时：内部串定时

　　发射时钟源：DCE（ST）

　　模式选择：异步10位

　　伪随机码：5

　　数据率：2.4kbps

　　RTS：ONRTS／CTS

　　延迟：0毫秒

　　收发器模式：正常

　　主／从电台：主电台

　　（2）采集现场电台

　　射频通道：15发射

　　输出功率：650（28dbm）

　　脉冲串同步定时：内部串定时

　　发射时钟源：DCE（ST）

　　模式选择：异步10位

　　伪随机码：5

　　数据率：2.4kbps

　　RTS：OFFRTS／CTS

　　延迟：0毫秒

　　收发器模式：正常

　　主／从电台：从电台

　　四、通信系统的调试

　　调试开始，我们编写了专门的电台测试程序，使用电台在计算机之间进行通信，以便全面测试出电台的使用特性。首先，我们在室内对电台进行全面测试，通信电台均采用室内小天线。在点对点测试过程中，发送接收数据完全正确，远远超过了电台说明书中提到的精度参数。但在点对多点测试过程中，发现数据偶有异常，但误码率超过了电台说明书中的精度要求，通过查阅有关资料和反复探索，后来发现从电台在发送完数据后，在发送“清除发送（CTS）”命令前，必须延迟至少17ms以上，否则电台传输可能有误。这个发现大大改善了点对多点的传输精度，达到了预期效果。

　　接着测试转到现场环境做进一步测试，通信电台均采用采集现场的室外天线，但通信仍在计算机之间进行。开始时误码率远远超过了系统规定的指标，后经过分析和反复调整定向天线以及缩短电台与天线间的连接电缆、改进布线方案，使通信质量得到了进一步的提高，通信质量完全达到了规定的要求。

　　通过测试，基本掌握了电台的使用方法和特性，归纳起来，有以下几点感受：①在调整定向天线的方向时，定向天线发射的波瓣应对准全向天线的接收端，在注意天线的方向的同时也要重视仰角的调整。②应尽量缩短天线与电台间的连接电缆，连接电缆在布线时遇到拐弯处不要有折角，要圆滑过渡，以防在连接电缆内发生信号辐射，从而产生信号叠加。③调试时，试验不同的发射频率和PN码组合，最后确定全网能达到最佳的通信效果的发射频率和PN码组合。④在点对多点通信时，主电台处于常收常发状态，而从电台只是处于常收状态，只有请求发送时，才能发送数据，且在发送完数据后，在发送“清除发送（CTS）”命令前，必须延迟至少17ms以上。

　　五、结束语

　　无线扩频通信技术的引入攻克了机场供电监控系统特有的通信难点，使项目研制得以顺利进展。该项目通过验收投入试运行至今，系统运行正常。事实证明，无线扩频通信技术是适用于机场供电系统的，它既可避免机场环境对无线通信的干扰，又不影响机场内现有的通信系统，通信误码率低，安装简单，节省投资，免维护。无线扩频通信确实在可靠性、可用性和抗毁性等很多方面超过了传统的通信方式，尤其在如机场这样一些特殊的地理环境下，更显示出了其独特的优越性。