基于ＡＲＭ２１９０和ＧＰＲＳ网络的配电负荷终端可靠性研究

杨荣杰

电力是国家发展的重要的基础设施，而配电网络是直接面对千家万户的。对配电网进行实时监测是非常重要的，配电监控系统是对配电网上的设备进行远方实时监视，协调及控制的一个集成系统。它是近几年来发展起来的新兴技术和领域，是现代计算机技术，通信技术，网络技术和图形技术在配电网监视与控制上的应用。实践表明，配电监控系统可以大大提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电电能质量，降低劳动强度和充分利用现有设备的能力，从而对于用户和电力公司均能带来可观的收益。通过各地的统计表明，高峰时段在用户侧调整1kW负荷的装置，投资只要50～70元，仅仅为生产和输送相同功率的发输变电设备投资的1%。在我国人均用电水平还是很低的情况下，技术限电措施不仅缓解了电力的短缺，而且把电力资源的配置和合理利用提高到了一个新的水平。

1配电负荷终端可靠性的理论分析

配电负荷终端的可靠性主要由两部分组成：下位机的可靠性和通信的可靠性组成。下面分别讨论他们的可靠性能。

1.1下位机嵌入式ARM处理器的可靠性分析

本系统选择的是嵌入式ARM处理器2190。它是ARM7系列的一员,是目前世界上使用最为广泛的32位RISC处理器核。它的处理器是目前嵌入式系统中使用最广泛的处理器。采用了RISC技术，具有寻址方式简单“寄存器多”指令长度固定等特点，使得它的处理速度快“执行效率高”处理能力大大超出了单片机系统。ARM处理器目前有5个系列产品ARM7、ARM9和SecurCore。其中ARM7是低功耗的32位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TMI-S，以及适用于开发平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的ARM7EJ等。它的低功耗和全静态设计使得其特别适用于成本敏感和功耗敏感的应用。由于其核心板的高集成度，就决定了其工作效果比一般外设多的单片机稳定可靠。

1.2GPRS通信可靠性的理论分析

GPRS是在GSM的基础上产生的，尽管GPRS 采用了基于分组交换传输数据的高效率方式，在空中接口和外部网络间进行分组数据业务传输，并和现有的数据业务进行无缝连接，但是它在信道编码上同GSM一样，仍采用卷积码技术。不同的编码效率r、约束长度K和交织深度D对系统的误码率和传输可靠性的影响不同。

降低编码效率可以极大地改善系统的误码率，提高传输可靠性，同时不会增加系统的时延和复杂度。但要注意，这些性能的改善是以降低数据的传输速率为代价的。使用凿孔（Punctured）卷积码后，虽然系统的误码率增大了一些，但数据的传输速率提高了很多，同时系统的编码方式变得十分灵活，系统复杂度增加很小。

虽然增加系统的约束长度不会降低数据的传输速率，并能适当地改善系统的误码率，但是，约束长度的增加会使系统的状态数成指数增长，这就意味着系统时延和复杂度也成指数增长。在实际的应用中一般不采用该方法来改善系统性能。增加交织深度也可以有效地改善系统的误码率，提高系统性能，且不影响数据的传输速率，但是会大大增加系统的时延和复杂度，在某些系统中，交织深度取128甚至更高时，它对系统性能的影响就更大了。

从上面分析可以看出在减少系统误码率方面，降低编码效率效果最优，但它降低了信息传输速率；增加交织深度其次，但它增加了系统的时延和复杂度；而增加约束长度的效果最差，使系统的时延和复杂度按指数规律增长，在实际应用中应慎重。对不同类型的数据进行不同的编码，这样既保证了较高的数据传输速率，又满足了用户对不同的数据的不同要求，具有重要的应用意义。要根据不同的系统要求选择适当的参数。一般以编码效率和交织深度为主，以约束长度作为前两者的补充。在实际的工程设计中，要综合考虑性能、传输速率、时延、复杂度等因素，选择最佳的编码方案。

在实际应用中，在接收端，将接收到的数据解调，然后按照发送端的编码方案进行信道译码和解交织，最后将得到的数据送去进行信源译码或图象恢复显示。在该方案中，要保证发送端和接收端在编码效率、约束长度和交织深度等方面的同步和一致。该方案既可以保证较高的传输速率，又可以对不同的数据类型进行不同处理，获得令人满意的性能。

2配电负荷终端可靠性的实测分析

2.1下位机嵌入式ARM处理器的可靠性分析

在实际工作中，配电负荷终端都会受到器件特性的影响，任何AD转换和运算都需要时间，存在时延，ARM7也不例外，而产生一定的误差，从而影响性能效果。

2.1.1传感器的传变误差

电压电流传感器都有一定的非线性误差和相移误差。当误差严重时，需要在软件部分做适当的处理以减小误差。本文采用的传感器非线性误差均小于0.1%，相移角均小于5＇。

2.1.2信号采样误差

在计算指令电流时，需采样各路模拟电流信号。信号采样误差取决于AD（Analog Digital，AD）转换器件的分辨率和转换时间。本文采用ARM器件内置的AD转换电路，其分辨率为10位，8路全部转换时间小于2.44μs。

2.1.3计算误差及运算延迟

计算误差指用软件获取的电流与理论计算的电流之间的差值这主要取决于计算算法和所用数据的类型。运算误差主要是指从信号采样到最后的计算完毕。经统计该部分软件总耗时为20μs。

2.2 GPRS通信可靠性的实际分析

2.2.1传输延迟分析

GPRS核心网对传输时延有影响。GPRS系统的传输延迟包括：无线信道的接入延迟(上行方向)、信道安排延迟(下行方向)、传输时延(空中接口上/下行方向)和GPRS网络的传输延迟(可能经过多个网络节点)，但不包括数据包在外部网络PDN (公用数据网)的延迟。下面分别对这三方面进行分析：

BSS(基站子系统)到SGSN (GPRS服务支持节点)之间的数据采用帧中继方式传输。帧中继技术是在OSI第2层上用简化的方法传送和交换单元的一种新技术，使用1组规程将数据信息以帧的形式传送。它使用逻辑连接传送数据信息，并通过1个物理连接上的多个逻辑连接来实现宽带的复用和动态分配。帧中继协议简化了X.25的第3层功能，仅采用物理层和逻辑链路层的2级结构，使网络节点的处理大大简化，提高了网络信息处理效率，省去了帧编号、流量控制、应答和监视等机制，大大节省了交换机开销，增加了网络吞吐量，降低了传输时延。帧中继采用统计复用技术，以VC(虚电路)机制为每一帧提供地址信息，多个用户的逻辑数据流复用在同一个物理数据通路上，并以DLCI(数据链路连接标识)寻址进行区分。每一物理通路可包含1023个逻辑通路(第1024个用作保留)甚至更多。BSS与SGSN接入FR(帧中继)网络时，物理层接口采用2Mb/s。因此，可以计算出长度为L(L<1560)字节的LL-PDU(LLC协议数据单元)从BSS发送SGSN的时间t，假设有1023个DLCI复用，不考虑拥塞。

t=1023×(L+40)/[2048×(30/32)]ms

当L= 128字节时，计算得t=89.5ms。

GTP对长度为L′的用户数据N-PDU添加16字节GTP协议头，封装成G-PDU后，在SGSN和GGSN之间采用UDP/IP或TCP/IP协议传送。UDP有8字节报头开销，TCP至少有20字节协议头开销。假设物理链路数据速率也是2Mb/s，则SGSN到GGSN之间的传送时延由(2)式计算。

t'=[L'+16+40(or28)]/[2048×30/32]ms

当数据包长度L′为128字节时，t′为0.096或0.090ms.

因此，在不考虑拥塞的情况下，BSS到SGSN和SGSN到GGSN (GPRS网关支持节点)之间延迟可以估算出来，延迟非常小，不是影响延时的主要因素。MS和BSS之间接口情况复杂，一般只对移动台处在不同状态时对时延的影响进行分析。

GPRS网络内部时延等级可参阅下表1.

任何通信网络都存在时延，GPRS网络也不例外，其封包数据向各个方向传输，最终到达同一目的地，这种传输途径使传输数据包可能在射频链中遗失或损毁。GPRS标准涵盖了无线封包技术并采用数据整合与再传方法，但造成潜在的传输延迟。此外，整个网络的拥塞程度跟传输延迟也会有很大影响。

在数据传输的过程中，当一个数据包在IP网络上传输，它有可能丢失、被重复传送或者损坏，数据包到达目的地的顺序也有可能与其在发送端时的顺序不一致。为了更安全的把数据发送到接收方，GPRS采用了GMSK调制方式，采用了ARQ检错重发等技术。在信道FEC（前向纠错编码）上，GPRS采用卷积编码。由于不同的应用对可靠性的要求不同，GPRS网络支持三种不同的可靠性级别，见表2所示.

对应上述的3种可靠性级别，GPRS推荐四种编码方式：CS-1～CS-4，通过采用不同的纠错比特数适应不同传输信道质量要求。在这四种编码的具体应用中，CS-1和CS-2的编码纠错能力比较强，适用于传输信道质量比较差的电路；CS-3和CS-4是无纠错编码，其编码纠错能力差，适用于传输信道质量好的电路，可以提供较高的“净数据传输速率”。

因此，从上面的分析可以看到，误码率与通信信道的好坏有关。但是需要注意的是，即使误码率高，也不意味着GPRS通信不能用于远程控制，因为实际系统如果对控制实时性要求不高的话，即使通信信道误码率高，若通过合理的规约设计，为远程控制数据提供校核--反校过程，总能达到一个基本“无过错的信道”。

2.2.2传输速率分析

GPRS采用TDMA（时分多址）的多址方式，一个TDMA帧分为8个时隙，每个时隙对应一个无线物理信道。由于GPRS采用的是分组交换电路技术，所以在GPRS中，8个时隙中的每一个都可以被多个用户共享，而且每个用户最多可以占用全部8条信道进行数据传输，这样，它便可以让多个用户共享某些固定的物理信道，理论上可达到171.2kbit/s。比起GSM技术，它的传输速率理论上是GSM的两倍左右。

为了更清楚说明GPRS在网络中的传输速率，我们引入一个概念：吞吐量。

吞吐量是指在不丢包的情况下单位时间内通过的数据包数量。GPRS系统中可以用平均吞吐量衡量网络情况。

GPRS的平均吞吐量指的是单个PDP上下文所能提供的平均数据传输速率，有19个不同的级别，除最高级别31外，级别越高，其平均吞吐量越大，平均吞吐量的级别定义表如下表3所示。

从吞吐量的衡量参数中可以看出，GPRS的一般传输速率比较大，即使偶尔有丢包现象，也足以应付电网日常的数据传输。

3结论

由于配电系统的通信工作环境通常比较恶劣，所以，适用于配电网通信的载体必须能抵御恶劣环境，而且能很可靠地工作。众所周知，GPRS所依赖的GSM中国移动通信是目前国内最大的移动通信业务运营商，其网络核心设备与基站设备全部按电信级企业标准配备的，所以其设备的性能与安全性都有保证。在传输系统方面，GPRS采用双光纤/微波路由保护，并且大部分建成SDH光纤自愈环，备有充分的应急电路调度方案。由此可见，虽然ARM2190和GPRS有一定的误差和延时，但对于配电网自动化的通信来说，是完全可以接受的。