赫赫 翻 基于ＧＳＭ通信的电力远动ＳＣＡＤＡ系统在国外铁路项目中的设计研究 庄珍花 （上海中铁通信信号国际工程有限公司，上海２００４５６） 摘要：根据电力远动ＳＣＡＤＡ系统的特点并结合国外铁路现状和项目要求，研究设计了一种基于ＧＳＭ 通信方式的电力远动ＳＣＡＤＡ系统。基于ＧＳＭ通信的电力远动ＳＣＡＤＡ系统主要由ＳＣＡＤＡ系统主站、ＧＳＭ 通信单元、增加了自适应天线的ＢＴＵ组成。采用ＧＳＭ方式接收的电力远动ＳＣＡＤＡ系统能够在复杂的 山地环境和有线方式建设较困难的部分区域保证数据的可靠发送／接收，具有良好的经济性和适 用性。 关键词：ＳＣＡＤＡ系统；ＧＳＭ通信；ＢＴＵ；自适应天线 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ＳＣＡＤＡ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ＧＳＭ—ｂａｓｅｄ ｒｅｍｏｔｅ ＳＣＡＤＡ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｐｒｏｊｅｃｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｒａｉｌｗａｙｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ＳＣＡＤＡ ｍａｓｔｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ，ＧＳＭ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ａｎｄ ＲＴＵ ｗｉｔｈ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａ．Ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ＳＣＡＤＡ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＧＳＭ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ ｃａｎ ｅｎｓｕｒｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｄａｔｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ／ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｉｎ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｅａ ｔｏ ｌａｙ ｃａｂｌｅｓ ｈａｒｄｌｙ，ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＣＡＤＡ ｓｙｓｔｅｍ；ＧＳＭ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ＲＴＵ；ａｄａｐｔｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａ ＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—４４４０．２０１２．０２．０２４ １ 概述 在电力系统中，数据采集和监视控制（ｓＣＡＤＡ） 系统在远程监控方面应用已十分广泛。ＳＣＡＤＡ系 统通过对现场设备进行监控，以实现数据采集、设 备控制、测量、参数调节以及信号报警等功能。在 ＳＣＡＤＡ系统中，远程终端单元（ＲＴＵ）主要实现 数据的采集功能，采集到的终端数据通过有线或无 线方式传输到数据中心。通过对土库曼斯坦别列克 应性。通过现场模拟实验和测试，此设计方案完全 能够满足该铁路设计的要求。 ２ ＳＣＡＤＡ系统设计 ２．１ ＳＣＡＤＡ系统主站设计 土库曼斯坦铁路Ｓ Ｃ ＡＤＡ主站系统包括电力远 动ＳＣＡＤＡ软件平台、数据采集和监视控制、计算 机网络通信、主站与备用主站（简称备站）的协同 调度模块。主站（备站）系统主要实现配（变）电 所、１０ ｋＶ自闭线和贯通线的分段开关、信号电源 等的ＳＣＡＤＡ功能，以及与其他系统接口等功能， 特一布尊段铁路项目的现场勘查过程中发现，该段 铁路分布以沙漠化和山地环境为主，且铁路覆盖区 域内存在比较大的人为损坏情况。因此，对通信保 障能力提出了较高要求。为了避免在有线通信环境 下线路损坏对通信的影响，以及针对土库曼斯坦别 列克特一布尊段铁路项目地理环境的分析，本文提 出了一种基于ＧＳＭ通信的ＳＣＡＤＡ系统解决方案 的设计。该方案达到了土库曼斯坦别列克特一布尊 并为其他系统的实时数据接入、实时数据和管理信 息的集成以及应用功能扩展提供一个信息一体化的 平台。主站与备站协同调度模块可根据操作人员的 权限，在主站和备站都可以完成相同的操作功能。 首期工程是对别列克特一布尊段全部的配（变）电 所、１０ ｋＶ自闭线和贯通线的分段开关、信号电源 等的监控。图１为土库曼斯坦别列克特一布尊段铁 路电力远动ＳＣＡＤＡ系统结构示意图。 在土库曼斯坦别列克特一布尊段铁路项目系统 段铁路项目ＳＣＡＤＡ系统通信的设计要求。同时， 通过引入自适应天线的设计，使系统能够在不同频 段下实现数据通信，可大大增强系统的稳定性和适 铁路通信信号工程技术（ＲＳＣＥ）２０１２年４月，第９卷第２期 令，完成对外控制逻辑信号的输出。 ＧＳＭ模拟发射单元主要由选频网络、高频放 大电路等组成。ＧＳＭ模拟发射单元能够根据不同 频率的发射要求自动匹配。通过自适应天线接收的 信号先后经过Ｌ 、Ｌｚ两个鉴频电感，经场效应管 Ｖ。滤波输出，送人高频放大电路，选频电路如图３ 所示。 ＶＤＤ 图５鞭状天线设计模型 种天线的上半空间方向函数和方向图相同，极化特 性、频带特性等都相同。但是鞭状天线的输入阻抗 是偶极子天线的一半，原因主要是激励电压减半而 激励电流不变。同时鞭状天线的方向系数是偶极子 天线的两倍，因为场强不变而辐射功率减半，即只 在半空间辐射造成的；损耗电阻大，辐射效率低。 鞭状天线的远场分量 的计算如下。 ＝—６０Ｉｏｃｏｓ （ｋｈｓ ｉｎ Ａ）ｃｏｓｋｈ －——一（１） 图３选频电路图 高频放大接收电路是由两个型号相同的三极管 组成，从选频网络来的接收信号经两个三极管放大、 电容滤波之后进入到解调电路进行解调。高频放大 电路图如图４所示。 ＶｎＴ） 其中，ｈ为天线在Ｅｏ场分量方向上的有效高 度，厶为天线馈电电流。 自适应天线调谐系统由驻波比检测器、ＭＰＵ 控制器、驱动电路和匹配网络４部分构成。其中， 检测器用于检测天线输入阻抗中的电阻分量和电抗 分量，ＭＰ Ｕ控制器将根据检测器提供的阻抗信息 和发射机发出的跳频指令，按预定的调谐算法发出 开关控制信号，通过驱动电路驱动匹配网络中射频 开关的截止与导通状态，进而改变匹配网络中的电 感、电容参数值，最终使天线达到匹配目的。天线 输出 自动调谐系统如图６所示。 图４高频放大电路 ２．３自适应天线设计 本设计采用的鞭状天线长度ｌ为３０ ｃｍ，上行频 率８９０～１ ９１０ ＭＨＺ，下行频率９３５～１ ９９０ ＭＨＺ。 经计算可得，鞭状天线的方向性为４．８０左右，绝对 增益能够达到６ ｄＢ。通过电磁波的场强分析，此增 图６天线自动调谐系统 益基本能够满足远程无线遥控系统的信号接收。 鞭状天线又称为接地单极子天线。单极子垂直 于地面，把地面假设为理想导体，地的影响可以用 其镜像代替，并且仅在地面上半空间存在电磁场。 单极地馈天线可以等效为偶极子天线。图５为鞭状 天线设计模型。 鞭状天线与偶极子天线相比，波瓣方向朝行波 方向倾斜，最大辐射方向偏２５。，半功率波束宽度 由７８。减小到６０。。同时，与偶极子天线相比，两 ３现场测试结果 ３．１环境条件 环境温度：年最高温度为４１℃，年最低温度 为－２９℃； 海拔高度：不超过ｌ ０００ Ｉｌｌ； 环境湿度：月平均相对湿度不大于９０％； 地面倾度：不大于３。； 安装地点：应无火灾、爆炸和腐蚀气体； （下转９０页） Ｎｏ．２庄珍花：基于ＧＳＭ通信的电力远动ＳＣＡＤＡ系统在国外铁路项目中的设计研究 系统适用在单、复线铁路，结合半自动闭塞使 用时，能使车站连发列车区间追踪运行，确保安 达到增加一套安全保证措施作用；也能在新建铁路 线使用。 附图１、２。 全、扩能显著；或平行在既有自动闭塞区段使用， ０ 嵌睾．精睾奄矗鬻奄奄奄睾 图２区间列车追踪运行示意图（含：区间ＧＰＳ坐标点示例） （供稿：王家麟） （上接８５页） 覆盖面广、监控点移动、实时性要求较低的工业监 控与数据采集系统中的应用，具有很好的应用价值 和经济意义。基于ＧＳＭ通信的ＳＣＡＤＡ远动系统 防护等级：ＩＰ４３。 ３．２ ＳＣＡＤＡ系统主（备）站的协同调度能力测试 ｓｃＡＤＡ系统主站和备站皆为独立的ｓｃＡＤＡ 系统，这两个系统通过网管机进行协同调度。主站 和备站能够同时收到相关数据，操作人员可以根据 权限在主站或备站完成同样的操作。从现场测试结 果来看，采用ＧＳＭ通信的ＳＣＡＤＡ系统其主（备） 站与ＲＴＵ之间能够实现稳定的数据传输。 ３．３数据采集能力测试 土库曼斯坦别列克特一布尊段铁路项目设计 全长３５０ ｋｍ，有１２个ＲＴＵ。所有ＲＴＵ均采用 ＧＳＭ方式进行数据传输。通过实验室模拟实验和 为用户提供了一种较为全面、完整和一致的解决 方案，包括遥信、遥测、遥控功能，并且可根据 用户的需要任意组合，具有一定的创新性。目前， 基于ＧＳＭ通信的电力远动ＳＣＡＤＡ系统已大量 应用于电力监控系统。当然，采用该方式的电力 远动Ｓ Ｃ Ａ Ｄ Ａ系统也还存在一些不足和需要完善 之处，如：通信数据量较小、速度较慢等。此外， 该技术还存在进一步研究空间，如通过采用更好 的编码方式，提高码元传输速率以满足大数据量 传输的需要；在数据的传输方式上，可以进一步 研究基于ＧＳＭ无线数据传输网络架构的组网方式 方法等。 参考文献 ［１】刘健，倪建立，邓永辉．配电自动化系统［Ｍ］（２版）．北 京：水利水电出版社，２００３． 现场模拟测试的结果可以看出该系统数据传输速率 稳定，数据传输参数均满足系统设计要求。表１为 ＧＳＭ参数实例表。 表１ ＧＳＭ通信参数实测表 ［２】王士政．电网调度自动化与配网自动化技术【Ｍ】．北京： 水利水电出版社，２００６． 宣彩平，王皓，邹国良．利用ＧＳＭ无线模块发送短信息 ［Ｊ］．计算机应用，２００４，２４（５）：１４８—１ ５０． ４结束语 （收稿Ｅｌ期：２０１１—０１—１ ６） 基于ＧＳＭ移动网络通信在监控采集点分散、 铁路通信信号工程技术（ＲＳＣＥ）２０１２年４月