 Smart Grid 智能电网, 2012, 2, 93-98 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2012.24017 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) Analysis the Solution of the Wireless Transmission in the Power Testing System Based on TD-SCDMA Xiaoqing Zhang Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi’an Email: powersys@263.net Received: Nov. 6th, 2012; revised: Nov. 24th, 2012 ; ac c epted: Dec. 5th, 2012 Abstract: According to the urgent need of wireless transport to present power testing system, the wireless transmission solution of power testing system based on TD-SCDMA is proposed in this paper. Analysing the network organization and realization process of the solution, the result shows that it can satisfy the index demands of the power testing system, which the time-delay of wireless transporting is less than 50 ms and the accuracy of clock synchronization is less than 200 ns. It shows the advantage of the low time-delay and high accuracy obviously, and it solves the problems of wire- less transport and clock synchronization efficiently. Also it provides the efficiency and accuracy in the power testing system. Keywords: TD-SCDMA; Wireless Transmission; Clock Synchronization; GPS; Power Testing System 基于 TD-SCDMA 电力测试系统的无线传输方案分析 张小庆 陕西电力科学研究院，西安 Email: powersys@263.net 收稿日期：2012 年11 月6日；修回日期：2012 年11 月24 日；录用日期：2012 年12 月5日 摘 要：本文根据当前电力测试系统对无线传输的迫切需求，提出基于 TD-SCDMA 技术的电力测试系统无线 传输解决方案。文中对该方案的组网及其实现过程进行了分析，通过方案测试结果表明，实现了电力测试系统 无线传输时延小于 50 ms，及时钟同步精度不大于 200 ns，完全满足电力测试系统的指标要求，突出了该无线传 输方案无线传输时延小和时钟同步精度高的优势，提高了电力测试系统的测试效率与测试准确度。 关键词：TD-SCD MA；无线传输；时钟同步；GPS；电力测试系统 1. 引言 电力系统是我国能源行业的最重要组成部分之 一，随着我国电力系统的智能化和自动化，电力测试 系统对通信也提出了越来越高的要求，电力测试系统 的通信信息平台已成为智能电力系统的重要支持系统 [1]。与国外先进国家相比，我国电力系统整体供电能 力和可靠性水平偏低，电力测试自动化系统覆盖范围 不到 9%，通信网络资源不足，且电力系统测试平台大 多都是通过有线方式进行数据传输，因此，建立先进 可靠的电力测试无线通信网络系统已经迫在眉睫[2]。 电力测试系统中的智能变电站检测系统需要在 广阔的户外进行测试，主、从站测试站之间通过无线 方式进行实时数据传输。若采用有线的方式，不仅给 测试带来较大的实施难度，也会增加测试工作量，导 致测试任务难以实施。然而，目前电力系统测试平台 大多都是通过有线方式进行数据传输，存在着大量的 布线工作，使其测试效率不高，且当前市场现有无线 传输产品无法满足电力测试系统指令周期小于 50 ms Copyright © 2012 Hanspub 93  基于 TD-SCDMA 电力测试系统的无线传输方案分析 的传输要求和时钟精度优于±1 us时钟信号要求。通 过与大唐移动合作开发智能电网测试系统，本文提出 基于 TD-SCDMA 技术的电力测试系统的无线传输解 决方案，为电力测试系统解决无线数据传输问题，并 提供低时延、高精度的时钟系统，可有效解决当前电 力测试系统通信困难的问题。 2. TD-SCDMA技术介绍 TD-SCDMA 是主流、先进的移动通信技术， 采 用时分双工的接入方式，是拥有我国自主知识产权的 3G 国际通信标准，获得国际电信联盟(ITU)批准的主 流标准，集 CDMA、TDMA、FDMA、SDMA 等技术 于一体，其具有系统容量大、频谱利用率高、抗干扰 能力强等特点，并采用了智能天线、联合检测、接力 切换、同步 CDMA、动态信道分配等先进的通信技术 [3]。其单载波上行速率可达 384 k，下行速率可达 2.8 M，可确保丰富的数据业务，后续上行速率可提高至 2.2 M。与其他通信技术(WCDMA、CDMA2000)相比 较，其灵活性强，系统性能稳定，系统设备成本低， 与传统系统兼容性好，无线传输速率更高。高话质、 高带宽数据能力、优良的无线特性，使其在电力测试 系统的应用中更具有优势，完全满足当前电力测试系 统的对通信技术的需求[4]。目前，无论从国家政策、 技术先进性与成熟度，还是产业链的规模来看， TD-SCDMA 技术都具有其他技术无法比拟的优势， 使其成为建设通信专网首选的3G 技术。 3. 电力测试系统无线传输方案分析 3.1. 电力测试系统组网方案 电力测试系统无线传输组网方案如图 1所示，该 组网解决方案通过无线方式连接主站设备和从站设 备。系统由一套主站设备和 15套从站设备组成。主 站设备包括综合接入控制设备、无线主站和操作维护 台。每套从站设备都有同步与无线接收设备，每个同 步与无线接收设备都有自己的时钟系统。操作维护台 通过综合接入控制设备发出测试指令，将测试指令通 过主站下发控制命令，以无线方式传输给从站，从站 接收到测试指令的信号，通过同步与无线接收设备发 送出时钟信号指令给被测设备，对被测设备进行测 试，测试完成后将测试数据传送给同步与无线接收设 备，从站通过无线方式返回测试结果到主站，操作维 护台从综合接入设备中获取各从站设备返回的测试 结果的数据信息，进行数据收集。整个测试系统的测 试指令周期小于 50 ms，完全满足电力测试系统对无 线传输的要求。电力测试系统通过无线传输的方式， 避免了大量的人工走线，降低了人工工作量，也提高 了测试效率[5]。 3.2. 系统方案分析 图2中在主站、从站上设置时钟系统的 GPS 天线 操作维护台 综合接入控制设备 无线主站 信号发生器 被测设备 被测设备 被测设备 同步与无线接收设备 以太 信号发生器 信号发生器 时钟信号 以太 时钟信号 以太 同步与无线接收设备 同步与无线接收设备 时钟信号 Figure 1. The power intelligence testing system solution 图1. 电力系统智能测试组网方案图 Copyright © 2012 Hanspub 94  基于 TD-SCDMA 电力测试系统的无线传输方案分析 Figure 2. System solution diagram 图2. 系统的方案框图 和GPS 模块，用于同步主站和从站的时间，使主站和 从站的工作时间保持一致，从站之间通过 GPS 天线接 收时钟信号来同步各被测设备的工作时间[6]。主站通 过TD 天线以无线信号的方式下发控制命令后，从站 通过 TD 天线接收TD-SCDMA 无线信号，通过同步 与无线接收设备经数据接口 F2将信息传送到信号发 生器，通过信号发生器给被测的电力设备提供信号 源，将测试信号发给被测设备。各被测设备经 GPS 天线接收时钟信号，经 GPS 接收模块处理，通过同步 与无线接收设备经时钟信息经时钟同步接口 F1 将接 收的时钟脉冲信号无线接收设备传送到信号发生器， 信号发生器对该时钟脉冲信号进行解析后，将解析出 来的消息传送到被测设备中，进行被测设备的时钟校 准，同步各从站被测设备的工作时间。同时，各从站 通过时钟模块将时钟信号以无线方式通过 TD 天线传 送给主站，让主站知道各从站每个时间段的工作状态 和时间信息。测试完成后，被测设备将测试结果以无 线信号的方式经 TD天线返回给主站，主站经 TD天 线接收数据信息，通过数据传输系统传输到测试服务 器或 PC 机中，PC 机经过计算处理后，将测试结果的 数据通过 TD 天线回传到被测设备中。该系统采用大 唐移动新开发的基于 TD-SCDMA技术的无线传输解 决方案及时钟同步系统，能为电力测试系统提供有效 的测试手段和时钟同步功能[7]。 3.3. 主、从站结构分析 主站结构如图 3可知，主要由 GPS 模块、TD 基 站和 PC 机组成。主站GPS 模块通过GPS 天线接收 GPS 信号获取 15 个从站信号源发出的时间信息，并 Figure 3. The master station architecture 图3. 主站结构图 将获取的时间信息送入PC 机中；主站的 TD 基站将 PC 机送入的数据转换成无线信号，经 TD 天线发送给 15 个从站，PC机运用 TD 基站的无线方式运行电力 系统的测试软件对整个系统的被测设备进行测试[8]。 测试完成后，主站 TD基站接收从站 TD 基站返回的 数据无线信号，并通过数据传输系统将无线信号转换 成数据信息，传送给PC 机，在PC 机中计算 15 个从 站送入的数据信息。 从站结构如图 4可知，从站中的同步与无线接收 设备主要由无线通信处理模块和时钟同步模块组成。 无线通信处理模块主要功能是实现以太接口和串口 的数据与无线数据的转换处理。从站通过 TD 无线通 信处理模块将接收到的无线信号转换成以太信号，并 通过以太接口或串口将信息传送给信号发生器，并读 取显示被测试设备的各种工作状态；时钟同步模块通 过GPS 天线接收时钟信号，经 GPS 模块处理后输出 1 PPS 信号，时间同步模块把输出的 1 PPS信号进行时 钟频率合成，将 GPS 时钟锁定，能输出精度很高的时 钟[9]。同时，无线通信处理模块读取时钟同步模块的 时钟信息，将时钟信息通过TD天线传送给主站，这 样主站就能获取各从站被测设备的时间信息和工作 状态。 Copyright © 2012 Hanspub 95  基于 TD-SCDMA 电力测试系统的无线传输方案分析 硬件平台 无线通信处理模块 时钟同步模块 GPS天线 电源 以太接口 时钟接口 串口 指示灯 状态读取 无线通信 模块天线 Figure 4. The slave station architecture 图4. 从站结构图 从站接收通信信号过程的实现原理如图 5所示， GPS 接收模块通过GPS 天线接收 GPS信号，并将信 号转换为 IPPS 信号传输到时间同步模块中，时间同 步模块对 GPS 信号进行锁相与倍频处理后，输出时间 精度为 200 ns高精度的时钟信号，并将该信号传送给 分频模块，分频模块通过指令控制分频模式，合成测 试信号需要的周期信号，最后输出指令触发信号，如 图6所示[10]。处理器模块与逻辑控制模块负责联系各 个模块，协调通讯与测试代码的启动、发射、接收等 信息，该模块收到指令触发信号和无线TD模块接收 的TD-SCDMA 无线信号，经处理后经信息通过测试 设备接口(光口)连接被测设备，给被测设备发送测试 命令，实现测试过程。 3.4. 方案实现过程 方案中，主站与信号源之间采用无线方式传输数 据和时间信号。主站与自动保护装置之间通过无线方 式传输数据和状态。测试系统包括主站、测试软件、 信号源、自动保护装置的无线通信模块。当多个信号 源同步发出数据时，各信号源按时间刻度发出测试数 据系列，其发出数据时刻的时间偏差优于 1 us，通过 FE/GE 光口的数据源发给自动保护装置后，自动保护 装置动作，产生状态，发出状态给主站设备。主站设 备根据自动保护装置上报的状态，再给信号源发出指 令，发出下一组测试数据，其中，主站收到上报的状 态到信号源发出下一组测数据的时间间隔小于 50 ms。具体实现步骤如下： 第一步：启动主站与从站的通信状态检测，分别 与15 个从站进行通信，主站发出测试信号，从站进 行应答，确认 15 个从站工作正常； 第二步：根据主、从站上安装的GPS 同步电路， 同步主站与从站的时间。通过主站 GPS 同步电路触发 指令信号，输出信号时钟精度为200 ns，如图 7所示 [11]； 第三步：主站通过 TD 无线信号发送测试指令， 从站通过 TD 模块接收到指令信号转换成以太信号送 给信号发生器。主站在一个指令触发脉冲信号后，发 出设备测试准备指令；从站接收该指令后，做好启动 的准备，如图 8所示； 第四步：信号发生器接收到时钟模块的时钟信号 与以太指令信号后，对被测设备进行控制；主站发出 指令，从站进行接收，并准备到下一个脉冲上升延触 发命令，各个从站启动监测命令，如图 9所示。 控制接口 TD天 线 指令触发信号 GPS天线 处理器模块 与逻辑控制 模块 无线模块， 如TD模块 测试设备接口（光口） 时钟同步 模块 被测设备 高精度时钟输 出信号 Figure 5. The slave station theory frame 图5. 从站原理框图 GPS接收模块 时间同步模块 分频模块指 令触发信 号 1PSS信号 10MHz信号 GPS天线 指令控制分频模式 Figure 6. The slave time synchronization module solution 图6. 从站的时间同步模块方案框图 1PPS：周期可设置 ，时间精度优于200ns GPS同步模块输出的 指令触发信号 Figure 7. GPS synchronization signal 图7. GPS同步信号 Copyright © 2012 Hanspub 96  基于 TD-SCDMA 电力测试系统的无线传输方案分析 从站接到指令 ，做好测试准备 ，到下一个脉冲 上升延触发测试指令 从站指令触发信号 启动测试命令 Figure 8. The master station trigger signal 图8. 主站指令触发信号 主站发出指令 ，该指令让从站做好准备 主站指令触发信号 主站时钟上升信号 Figure 9. The slave station trigger signal 图9. 从站指令触发信号 第五步：被测设备将检测结果通过从站送到主 站，一个测试周期完毕。测试完毕后，从站发送出检 测结果，主站接收到多个检测结果后，再发出下一条 检测命令。主站和从站之间的测试验证，主站收到从 站检测结果到发送下一条检测命令时间间隔要求小 于50 ms，具体实现的时间流程如图 10 所示。 图10 中，从 t1到t10 的时间是整个测试系统的 一个指令周期。指令周期是执行一条指令所需要的时 间，本系统中是指被测设备发送数据给信号发生器， 然后信号发生器将经过处理后的数据传送给从站，由 从站经过无线传输发送给主站，然后主站再将所有从 站的数据发送给控制台，由控制台将处理的结果再回 传给被测设备，整个过程就是一个指令周期，即 t1 + t2 + t3 + t4 + t5 + t6 + t7 + t8 + t9 + t10。但在本系统中不 涉及信号发生器及被测设备处理过程的时间，只关心 无线传输的指标，即 t1 + t2 + t5 + t6 + t7 + t8的时间。 其中 t2和t5 是通过网线短距离传输，时延很小，对 该系统的指标影响不大。所以系统时间指标重点放在 主站处理速度(t7)、从站处理速度(t8)以及无线传输效 率(t1 和t6)上。而通过本文无线传输方案的实现，实 现了无线传输时延 T = t1 + t2 + t5 + t6 + t7 + t8 < 50 ms，并为电力测试系统提供时钟精度优于 200 ns的时 钟信号。 t1 主站 （收集数 据进行的 运算时间 t7） 同步与无 线接接收 设备（运 算时间 t8） 信号发生 器（运算 时间t9） 被测试设 备（被测 试设备处 理信号时 间t10 ） t2 t5 t4 t6 t3 Figure 10. Clock system time process 图10. 时钟系统实现的时间流程 3.5. 方案测试结果 如图 11 所示，测试环境由两台 PC 机、无线主站 设备和无线从站设备组成。PC1相当于操作维护台， PC2 相当于模拟的测试设备。测试方法是使用网络调 测助手软件进行测试，通过一台 PC 机ping另外一台 PC 机，测试时间延时与协议包。ping包测试使用 1028 大小的包，进行了1515 包测试，测试结果如图 12 所 示。 由图 12 可知，测试结果最大时延为 27 ms，远 小 于电力测试系统要求的 50 ms，完全优于其性能指标， 体现本无线传输解决方案的显著优势。 根据测试结果(图13)，输出时钟精度为 200 ns的 时钟信号，远优于电力系统提出的时钟精度优于±1 us 的要求，体现本方案时钟系统的优越性。 PC机1无线主站设备 PC机2无线从站设备 距离600m 主站天线 从站天线 Figure 11. Testing environment 图11. 测试环境搭建图 Figure 12. Test ping result 图12. ping包测试结果 Copyright © 2012 Hanspub 97  基于 TD-SCDMA 电力测试系统的无线传输方案分析 指令触发信号 GPS同步电路 （主站和从站） GPS天线 时间精度为 200ns Figure 13. Test ping result 图13. ping包测试结果 4. 方案的优势分析 4.1. TD-SCDMA的技术优势 TD-SCDMA 是第三代无线通信技术标准之一， 目前，其技术应用已经成熟可靠，并有过大规模的应 用案例。TD-SCDMA 系统的信号稳定性好，可靠性 高，且无线覆盖面积大，并有专用的行业应用频率， 可支持话音、数据和多媒体等多种业务，并支持更多 的用户数和更高速的数据传输，最高速率可达 2 Mbit/s 以上，基本满足个人通信的要求。TD-SCDMA 采用的空中接口技术是最为先进的传输技术之一，如 智能天线技术、同步 CDMA技术、软件无线电技术 以及独特的无线资源管理技术，因此，TD-SCDMA 相对于其它第三代移动通信，其无线传输能力更强 [12]。本文采用 TD-SCDMA 技术提出的无线传输解决 方案更具有优势，能完全满足电力测试系统无线传输 的通信需要。 4.2. 无线传输时延小 主、分站测试站之间进行实时数据传输传输时， 电力测试系统提出要求无线传输时延小于 50 ms。而 当前电力系统测试平台的无线传输产品都难以满足 该传输要求，造成电力测试系统测试缓慢，效率不高 的现象。通过与大唐移动合作开发的电力测试系统无 线传输解决方案，采用 TD-SCDMA 技术，将主站与 从站的被测设备进行无线传输，根据测试结果显示， 整个测试系统指令周期的无线传输时延为 27 ms，优 于电力系统提出的 50 ms指标的要求，同时也优于其 他无线传输产品的性能指标，体现了该无线传输解决 方案的无线传输时延小的显著优势。 4.3. 时钟精度高 大唐移动拥有多项时钟频率合成专利技术，其技 术成熟稳定。本文提出的电力测试系统解决方案中运 与大唐合作开发的时钟同步系统，采用技术成熟且 选型范围广的 GPS 同步方案，实现了时钟精度不大于 200 ns的时钟信号，明显高于电力测试系统提出的时 钟精度优于±1 us的要求，并比其他的时钟同步系统 的时钟精度高，提高了电力测试系统的精确度，体现 了本方案时钟同步系统的良好性能和优越性[13]。 用 5. 总结 本文基于 TD-SCDMA 技术提出电力测试系统的 无线传输解决方案。从方案的组网、结构和实现过程 等方面进行了分析，突出了该无线传输方案传输时延 小和时钟同步精度高的优势，有效解决了电力测试系 统的无线传输和时钟同步问题，有效解决了电力测试 系统中的无线传输和时钟同步问题，为电力系统智能 化、自动化的发展奠定了坚实的基础。 参考文献 (References) [1] 李妍. 网络 通信技术 在智 能化 变电站 中的 应用[J]. 电力建设, 2011, 12(24): 192. 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