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Honeywell 51304511-200

随着无线通信的发展，出现了多种模式的通信体制，为了满足互通性的问题，软件无线电的思想被提出来。所谓软件无线电，其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将通信的各种功能通过软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。由于软件无线电可以通过增加软件模块来增加新的功能，而且硬件也可以随着器件的发展而不断地升级，所以这一概念一经提出就受到了广泛的关注。 


OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用）是一种具有多种优点的传输系统，目前已经有很多应用，而且随着第四代（4G）无线通信系统的研究进入实质性阶段，OFDM极有可能成为4G中的传输方案。本文在此背景下，设计了一种基于软件无线电的平台，并在此平台上实现了OFDM传输系统， 

系统结构设计 


目前受器件的限制，软件无线电一般都采用中频采样的结构，这样做既兼顾了软件无线电的思想，又能在目前的器件水平下搭建实际可应用的系统。本文的软件无线电平台也采用了这一结构。随着无线通信系统的发展都在朝着高速率、可移动性方向发展，因此本平台的设计也必然要适应宽带无线通信系统的要求。 


平台结构 


平台主要针对系统物理层中的中频和基带处理单元而设计。系统的结构如图1所示。平台由一个DSP（TMS320C6414T）、两片FPGA（Cyclone EP1C6Q240C8）、上变频芯片DUC（AD9857）、下变频芯片DDC（HSP50214B）等构成 

根据信号处理模块和各芯片数据处理的特点，我们将各通信模块分配到不同的器件中来完成。DSP的主频很高，而且内部资源丰富，支持高级语言的编程，适合于串行的算法，用来完成协议和基带处理；FPGA配置灵活多变，虽然主频不太高，但是鉴于其并行处理能力突出，用于完成时钟分配、芯片设置、接口转换等；AD9857和HSP50214B是用于上下变频的ASIC，集成程度高，参数设置灵活，可以满足多模式的数字上下变频，数据速率变换和滤波。下面简要介绍一下平台上器件的性能。 


器件介绍 


● DSP 


平台选用的DSP芯片是TI公司的TMS320C6416T芯片。该处理器属于32位定点处理器，主频1GHz，内部集成丰富的外设和接口。在指令结构上，扩展了寻址指令、位域指令、打包解包、控制转移等指令，增强了芯片的处理能力。在计算2048点的复数FFT运算时，可以在大约26 000个时钟周期内完成。 


6416T主要包含的模块有：1）两个通用寄存器组，64个32位通用寄存器；2）8个功能单元，6个ALU（32/40b），两个乘法器（16×16）；3）一共8.256Mb的两级缓存内部存储；此外，还有图1中没有列出的Viterbi编解码协处理器（VCP）和Turbo码编解码协处理器（TCP）。VCP支持500路7.95Kb/s AMR，TCP可以处理6路2Mb/s 3GPP。 


接口方面包括：1）多通道EDMA控制器；2）多通道缓冲串口（MCBSP）；3）高性能外部存储器接口（EMIF）；4）可访问DSP的整个存储空间的主机口（HPI）；这里不在一一列举。 


● 上变频芯片AD9857 


AD9857是一款高性能的数字上变频器，**高时钟为200MHz，根据外时钟的范围，可以选择0～80MHz的任意中频输出；芯片还具有两级内插功能，可以实现4倍固定内插和2～64倍可选内插倍数，便于多数据速率变换；14b的DAC。 


● A/D变换器AD9051 


ADC选用ADI公司的AD9051，**高采样速率达到60MSPS，10b输出，对于中心频率较低的中频信号可以进行直接采样，中频值较高的则运用带通采样方式。 


●下变频芯片HSP50214B 


HSP50214B是专用数字下变频芯片中综合性能**的，除数字下变频外还具有**高255阶可编程FIR滤波器，0～96dB动态范围的AGC自动增益控制，数据速率变换包括4～32倍CIC抽取和5级HB抽取，以及FIR1-16倍抽取，坐标转换，鉴频等功能，而且具有四种输出形式，接口灵活。 


● FPGA 


由于平台上的中频处理由ASIC完成，所以FPGA选用了CycloneⅡ EP1C6Q240C8，这是一款低端的FPGA芯片，逻辑单元只有6000门，主要用来完成时钟分配，接口转换，ASIC控制字配置，以及作为DSP的协处理器的补充。 


该平台较好的整合了DSP、ASIC和FPGA，兼顾了系统的通用性和复杂度，ASIC的应用减少了系统配制时的软件设计复杂度。 


OFDM收发信机的实现 


OFDM技术是当前的热门技术之一，与传统的传输技术相比，OFDM具有：1）降低了子载波的数据速率，减小了无线信道引起的ISI，有效的降低了多径干扰；2）采用若干相互正交的子载波，频谱有重叠，**限度地提高频谱效率；3）采用IFFT和FFT进行调制和解调，硬件实现简单；所以，尽管存在峰均比较高以及对频偏敏感等问题，OFDM仍然不失为一种性能优良的传输方式。目前采用了OFDM的标准主要有数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、欧洲无线局域网Magic WAND、802.11、非对称数字用户线（ADSL）等。为此，我们在本平台上实现了OFDM的收发信机。 


本OFDM系统采用了如下的基带和中频结构，如图2所示。图2中，音频编码采用了G.729标准，加扰采用了9位的反馈移位寄存器产生的伪随机序列，压扩部分为μ律压扩变换，其中μ=3。另外，系统子载波个数为2048，载波间隔1kHz，中频40.96MHz。图中的结构几乎包括了所有OFDM系统应有的处理单元，具有一定的代表性，在此基础上经过必要的参数修改，可以演变出绝大多数标准的系统。为了便于接收端的同步处理，在帧结构上采用了类似DAB的结构，每帧76个符号，其中**个符号为空符号，第二个符号为固定的相位参考符号。 

图2 OFDM系统框图 


通过对各模块功能的分析，并结合本平台上各器件的特点，对各模块的实现在平台上进行分配。图3显示了这种分配方式。 

图3 OFDM系统处理流程 


数据接口方面，发射端DSP将经过基带处理以后成帧的信号通过EMIF接口发送到FPGA的FIFO中缓存，然后数据进入数字上变频器，进行40.96MHz的上变频，上变频后的数据经过4倍固定内插和CIC的24倍内插后经过D/A输出，形成OFDM中频信号。如图4所示。 

图4 OFDM中频信号频谱仪截图 


接收端对中频信号以32.768MHz进行带通采样，数字下变频器对采样后8.192MHz的镜像频率进行数字下变频，之后对信号进行16倍的抽取，使信号速率下降到2M，HSP50214采用并行直接输出的模式，分两路分别输出16b的IQ两路数据，FPGA通过并串转换，将数据通过MCBSP送入DSP进行同步处理和基带处理，得到原发送信息。 

结论 


本文提出了一种基于DSP、FPGA以及ASIC的软件无线电平台，并在该试验平台上完成了OFDM系统的基带和中频设计，并且经过了实际的验证，系统运行情况良好，有效地支持多种通信模式，是一种应用广泛的软件无线电平台。目前正在对功率放大器的基带预失真技术进行研究，以进一步的改善系统性能。对国产JYN、KYN手车柜和合资厂生产的8BK20开关柜的实际温升数据进行分析后发现，运行中开关柜的温升水平均超过型式试验测得数据。然后，从试验条件、金属膨胀效应、紧固螺栓压力、导体材料电导率等方面进一步分析了温升超标的原因。**后提出建议，应根据实际情况选用和维护开关柜。  

随着电网的发展和设备技术的提高，10，35 kV系统开关柜在电网中已大量使用。而开关柜的内部过热现象已成为开关柜使用中的常见问题，由于开关柜体的密闭性，在一些负荷较重的地区，存在开关柜的温升超标问题。  


开关柜的温升超标，直接影响设备的安全稳定运行，而且，过热问题是一个不断发展的过程，如果不加以控制，过热程度会不断加剧，并对绝缘件的性能及设备寿命产生很大的影响。  


目前，对电力系统内部使用的开关柜，严格遵守设备采购程序及技术政策，确保入网的开关柜都通过型式试验，尤其对温升的要求比较严格。运行中，负荷通常都不会达到开关柜的设计满容量，开关柜的温升问题应该不会很突出，但是实际情况并不尽然。  


1  开关柜实际温升数据分析  


1.1  国产JYN手车柜  


表1为某变电站2台同型号、同参数的10 kV主变开关柜的实测温升与负荷关系的统计。开关柜为福建某开关厂生产，JYN1-10型。测试温度为开关柜箱体的外表温度。  


数据显示，随着负荷的增加，开关柜的温升迅速加快。当负荷接近1 900 A(约为开关柜额定电流2 500 A的76%)，温升尤为明显，**达47℃，已经不符合标准要求(标准为满负荷条件下30℃)，而负荷较低时(1 200 A以下)，温升则不明显。  


1.2  国产KYN手车柜  


表2为某变电站10 kV主变开关柜的实测温升与负荷关系的统计，开关柜为扬州某开关厂生产，KYN28-10型，配用VD4断路器。测温前打开部分顶盖，对开关柜箱体外表温度及主母排温度同时进行测试。  
   
数据表明，母排**高温度已经达到100℃，温升88℃，明显超标(母排温升标准为65℃)。由于该站温升问题比较突出，制造厂针对这一情况对该变电站10 kV开关柜1，2号母线桥采用新型钢重新制作，主母线铜排规格更换为2×TMY120×10(原规格为2×TMY100×10)，并进一步改进了通风系统。2号主变开关柜经改造后，其实测温度如表3所示。  


改造后温升情况略有好转，但是与该开关柜型式试验提供的温升数据偏差仍然较大。  


1.3  合资厂的手车柜  


某合资厂开关柜，为上海某开关有限公司生产，型号为8BK20，测试位置为开关柜箱体外表及内部母线母排。  


此处，开关柜温升暂时没有超标，但是应该注意，此时负荷并没有达到额定容量的70%，但是温升已经接近上限。由此可见，合资厂产品虽然温升情况优于国产设备，但同样也存在温升超标情况。  


数据证明，运行中的开关柜实际温升水平通常都要超过试验室测出的温升数据。而且，多数情况下温升超标时开关柜甚至远没有达到设计满容量。  


2  开关柜实际温升超标原因分析  


开关柜内部实际温升情况，尤其是母排连接等部位，通常总是比型式试验测出的数据高。主要有以下几点原因： 
  
(1) 型式试验测得数据通常是在试验室完成的，持续时间不长，通常不超过8 h，不具备温升累积效应，不能等同于长期运行并持续发热的设备。  


(2) 不同金属的膨胀效应不同。钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多，尤其是螺栓型设备接头，在运行中随着负荷电流及温度的变化，其铝或铜与铁的膨胀和收缩程度将有差异而产生蠕变，也就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形，蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。实践证明，当接头处的运行工作温度超过80℃时，接头金属将因过热而膨胀，使接触表面位置错开，形成微小空隙而氧化。当负荷电流减小温度降低回到原来接触位置时，由于接触面氧化膜的覆盖，不可能是原安装时金属间的直接接触。每次温度变化的循环所增加的接触电阻，将会使下一次循环的热量增加，所增加的温度又使接头的工作状况进一步变坏，因而形成恶性循环。  


(3) 连接部位紧固螺栓压力不当。部分安装或检修人员在导体连接上认为连接螺栓拧得愈紧愈好，其实不然。特别是铝质母线，弹性系数小，当螺母的压力达到某个临界压力值时，若材料的强度差，再继续增加不当的压力，将会造成接触面部分变形隆起，反而使接触面积减少，接触电阻增大，从而影响导体接触效果。  


(4) 选用的导体材料电导率不满足要求，多数属于导体原材料纯度不够。  


(5) 现场的其它因素，比如可能存在安装检修工艺不当，如母线在加工、连接、安装过程中，对母线接触表面处理不到位、不平整、不光滑、没有涂专用电力脂等，导致有效接触面积减少接触电阻增大而发热。  


3  结束语  


开关柜型式试验中的温升数据，并不能正确反映运行中的开关柜实际温升水平，特别是长期运行负荷比较重的开关柜，由于长时间温升的累积效应，运行中的开关柜实际温升水平通常都要超过试验室测出的温升数据。部分制造厂对开关柜实际运行中的温升水平并没有深入地研究，比如大多数厂家给额定3 150 A的开关柜按照2 500 A的标准启动风扇，在开关柜经历长时间的高负荷运行后，再采取这个标准是不合理的，通常是风扇没有启动，温升早已超标了。  


所以，选用开关柜设备的时候，不能盲目相信制造厂的试验室数据，在日常运行维护管理中，也不能盲目套用试验室的数据标准。实践经验，往往也是非常重要的。只有重视实践，并不断针对实际情况，分析解决问题，才能真正把对设备的安全运行管理工作做到实处。