基于GPRS通信的配電監(jiān)控系統(tǒng)
發(fā)布時間：2010-01-14 共1頁
一、前言
隨著科學技術的發(fā)展，實現(xiàn)中低壓配電網的自動化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。中低壓配電網作為輸配電系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，其實現(xiàn)自動化的程度與供用電的質量和可靠性密切相關。為此，本文特對中低壓配電網自動化的必要性及其實現(xiàn)方案作簡單的討論。
配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶的電力設備，其運行數(shù)據(jù)是整個配電網基礎數(shù)據(jù)的重要組成部分。因此，對其運行參數(shù)與狀態(tài)進行監(jiān)測是必要的。本文討論利用GRPS作為通信手段，建立配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)。
在配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的通信中，可以采用數(shù)傳電臺、GSM短消息、光纖接入等方式。數(shù)傳電臺的優(yōu)勢是除了每年的頻點費以外，平時運行無需額外費用；缺點是受地形、氣候的影響較，造成系統(tǒng)的可靠性、實時性較差，無法主動上報。GSM短消息方式可以實現(xiàn)主動上報；缺點是按條收費，運行費用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長。光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入、擴展性差、設備維護方面不方便。而GPRS通信則避免了以上問題。
通用分組無線業(yè)務GPRS 是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新無線數(shù)據(jù)傳數(shù)業(yè)務，目的是給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務。 GPRS理論帶寬可達171.2Kbit/s，實際應用帶寬約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢谩PRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。GPRS永遠在線，按流量計費，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的數(shù)據(jù)量傳輸。
二、系統(tǒng)結構
配電變壓器綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)目標是建立一個安全可靠，能提供各種高級服務，并有為應用程序的執(zhí)行和實施提供較強功能的開放式平臺和運行在該平臺的多個相對獨立的應用子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，成為一個符合配電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理要求的，分布式，開放式，模塊化，可擴充的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)。基礎平臺除提供基本的硬件技術和操作系統(tǒng)內核外，還提供諸如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息傳遞、人機界面、實時環(huán)境應用程序等基礎服務。基于基礎平臺之上的各應用子系統(tǒng)包括：配電變壓器管理，線損管理，自動抄表，VQC功能，諧波數(shù)據(jù)，購電量管理，數(shù)據(jù)查詢，自動報表，圖表和與其他系統(tǒng)的接口等。這些子系統(tǒng)之間在開放系統(tǒng)結構（OSA）基礎上實現(xiàn)有機的橫向和縱向集成，形成一個完整的配電變壓器綜合管理信息系統(tǒng)。
GPRS配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的網絡架構如下圖所示，系統(tǒng)分為四個部分，分別是監(jiān)控中心主站、網絡代理服務器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控終端設備。主站主要完成人機交互工作；網絡代理服務器主要負責網絡數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉；GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端完成信息的上送與下發(fā)；監(jiān)控終端設備主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。
本系統(tǒng)中網絡代理服務器可采用ADSL、LAN等INTELNET公網連接，采用公網固定IP或者公網動態(tài)IP+DNS解析服務，出于安全性考慮，監(jiān)控中心主站在局域網中，不直接連在INTERNET網上，通過網絡代理服務器來負責網絡數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉。GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端上電后，它會根據(jù)預先設定在其內部的IP地址或者是域名來主動訪問網絡代理服務器，通過代理服務器和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路。監(jiān)控中心主站本身維護接入的每個終端的IP地址和ID號，當主站要向某個監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù)IP地址和ID號來找到對應的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應后通過GRPS數(shù)據(jù)傳輸終端把數(shù)據(jù)發(fā)到網絡代理服務器端口，通過端口影射轉發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個應答式的通訊流程。
以上方式是通過Internet（CMNET）實現(xiàn)的，這樣用戶的實現(xiàn)成本比較低。如需要高可靠性數(shù)據(jù)傳輸。中國移動為這種應用提供了直接接入GPRS網絡的方式。監(jiān)控中心主站通過專線方式直接接入GPRS移動基站，并獲得一個固定的IP地址。監(jiān)測點數(shù)據(jù)無需路由到Internet網絡，監(jiān)測點DTU也采用固定IP地址的SIM卡。采用這種方式組成點對多點網絡具有實時性好、安全性高的特點，但接入費用相對較高。
三、監(jiān)控終端
該監(jiān)測系統(tǒng)采用的配電綜合監(jiān)測儀是根據(jù)電力需求側管理技術要求和配變負荷監(jiān)測相關標準設計、制造的一種高科技產品。它采用高精度數(shù)字采樣處理技術，集數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、通訊等多功能于一體，并可通過后臺軟件將儲存記錄的數(shù)據(jù)以圖表或報表的形式顯示、打印和分析。其科技領先，功能強、可靠性高，可廣泛應用于配電自動化系統(tǒng)的監(jiān)測。其主要功能有：
基本測量參數(shù)：三相電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、四象限電能、環(huán)境溫度等九類，三十多個參數(shù)。
四、GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端
GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端實現(xiàn)監(jiān)控中心主站與監(jiān)控終端的通訊。本系統(tǒng)中采用SARO1010P GRPS DTU.該DTU功能與特點如下：
A、功能：
1. 標準的AT 命令界面，方便程序設計；
2. TCP/IP Internet 內嵌的協(xié)議棧，輕松互連；
3. RS232接口方式，更加簡便的通訊方式；
4. 可通過串口升級程序。
B、性能：
1. 使用低功耗高性能的CPU 做處理器，16位內部數(shù)據(jù)總線，128KBSRAM，512KBFLASH，可高速處理協(xié)議和量數(shù)據(jù)；
2. 支持全透明及幀格式數(shù)據(jù)傳輸；
3. 支持TCP、IP、PPP、ICMP、UDP、TELNET、HTTP 協(xié)議棧；
4. 一個符合ISO7816-3IC 卡標準的SIM 卡座，支持符合GSM11.11 和GSM11.10，規(guī)范SIM 卡；
5. 簡化的接口設計，使用通用的232 接口和簡單的AT 命令交互界面；
6. 供了更方便的電源接口，即可使用外掛電源。又可從串口直接取電；
7. 整機功耗小于3W；
8. 完善了GPRS 網絡中所出現(xiàn)的假撥號，掉線自動重啟，遠程喚醒等功能；
9. 支持遠程控制及動態(tài)域名解析；
10. 同時更具嵌入式系統(tǒng)要求，可提供內置式模塊（不帶外殼，可通過插針與嵌入式直接系統(tǒng)相連）。
11、同時還有軟硬件雙重看門狗，在DTU不能正常工作時，能夠自動斷電復位。
五、監(jiān)控中心主站
主站系統(tǒng)最里面層為操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件。第二層為系統(tǒng)支持軟件層，包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)采集和傳輸。電力系統(tǒng)模型主要指電力系統(tǒng)設備對象化及網絡拓撲；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分運行庫、基礎庫、標準庫和歷史庫四部分；數(shù)據(jù)采集和傳輸就是將各種數(shù)據(jù)從不同的終端根據(jù)各種通訊協(xié)議采集過來，但并不進行處理，再通過網絡分發(fā)給需要這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。第三層為基礎應用層，將采集過來的數(shù)據(jù)經過各種處理，通過GUI界面顯示給用戶。第四層為高級應用層，它所產生的數(shù)據(jù)主要是供電力系統(tǒng)進一步管理和決策用。
上位軟件主要完成以下功能：
（1）配電變壓器SCADA系統(tǒng)
變壓器運行監(jiān)控，變壓器異常情況監(jiān)控，數(shù)據(jù)的分析、處理和存盤，RTU的參數(shù)設置及狀態(tài)顯示。既能獲得配電網運行的基本信息，又為功能擴充提供很好的基礎。
（2）自動抄表系統(tǒng)
根據(jù)設定的時間自動抄錄配電變壓器和用戶的電度數(shù)。并具有電表異常告警，跟蹤抄表記錄和操作記錄等輔助功能。
（3）用戶購電量管理
對于信譽比較差的用戶，通過系統(tǒng)對它進行先購電后供電，并在使用電量達到某些比例時進行警告。
（4）線損管理
主要是臺區(qū)線損管理和線路線損管理。
（5）配電設備管理
主要是配電線路和配電變壓器等設備的管理。
（6）終端錯誤智能識別
終端錯誤分為通訊恢復，通訊中斷（某一終端連續(xù)三次召測不到），終端無線錯誤（一天連續(xù)十次召測不到），無線中斷（連續(xù)有三十個終端召測不到）。
（7）負荷預測
通過計算主站和分站所有臺區(qū)的總有功功率總加值來初步預測下一階段的負荷情況。
（8）電容器投切
根據(jù)電壓和功率因數(shù)就地進行調節(jié)，調節(jié)時考慮時間因素和投切次數(shù)。在就地調節(jié)失靈的情況下能夠遠方監(jiān)視和遠方控制。如果終端無調節(jié)投切功能，系統(tǒng)能夠遠方計算后控制電容器投切。
（9）終端操作
可以遠方讀取或者設置終端的參數(shù)，如變壓器的整定參數(shù)等。可設置開關合閘，開關分閘。可讀取或設置VQC參數(shù)。
（10）與營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的接口 能方便地為營銷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源。
（11）采集諧波數(shù)據(jù)
通過系統(tǒng)能夠采集用戶的各次諧波含量。
（12）用戶竊電管理
增加用戶電量與功率轉換為電量的比較，通過設置比例系數(shù)，來進行警告，比如當有功功率產生而電量不動時，則產生警告。
六、結論
實現(xiàn)我國中低壓配電網自動化，是提高供電質量、用電可靠性和提高電力企業(yè)自身水平的需要，GPRS作為一種新的通訊手段，應用在配電自動化中有很多優(yōu)點，基于GPRS通信的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)是一個比較有應用前景的實現(xiàn)方案。
隨著科學技術的發(fā)展，實現(xiàn)中低壓配電網的自動化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。中低壓配電網作為輸配電系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，其實現(xiàn)自動化的程度與供用電的質量和可靠性密切相關。為此，本文特對中低壓配電網自動化的必要性及其實現(xiàn)方案作簡單的討論。
配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶的電力設備，其運行數(shù)據(jù)是整個配電網基礎數(shù)據(jù)的重要組成部分。因此，對其運行參數(shù)與狀態(tài)進行監(jiān)測是必要的。本文討論利用GRPS作為通信手段，建立配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)。
在配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的通信中，可以采用數(shù)傳電臺、GSM短消息、光纖接入等方式。數(shù)傳電臺的優(yōu)勢是除了每年的頻點費以外，平時運行無需額外費用；缺點是受地形、氣候的影響較，造成系統(tǒng)的可靠性、實時性較差，無法主動上報。GSM短消息方式可以實現(xiàn)主動上報；缺點是按條收費，運行費用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長。光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入、擴展性差、設備維護方面不方便。而GPRS通信則避免了以上問題。
通用分組無線業(yè)務GPRS 是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新無線數(shù)據(jù)傳數(shù)業(yè)務，目的是給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務。 GPRS理論帶寬可達171.2Kbit/s，實際應用帶寬約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢谩PRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。GPRS永遠在線，按流量計費，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的數(shù)據(jù)量傳輸。
二、系統(tǒng)結構
配電變壓器綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)目標是建立一個安全可靠，能提供各種高級服務，并有為應用程序的執(zhí)行和實施提供較強功能的開放式平臺和運行在該平臺的多個相對獨立的應用子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，成為一個符合配電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理要求的，分布式，開放式，模塊化，可擴充的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)。基礎平臺除提供基本的硬件技術和操作系統(tǒng)內核外，還提供諸如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息傳遞、人機界面、實時環(huán)境應用程序等基礎服務。基于基礎平臺之上的各應用子系統(tǒng)包括：配電變壓器管理，線損管理，自動抄表，VQC功能，諧波數(shù)據(jù)，購電量管理，數(shù)據(jù)查詢，自動報表，圖表和與其他系統(tǒng)的接口等。這些子系統(tǒng)之間在開放系統(tǒng)結構（OSA）基礎上實現(xiàn)有機的橫向和縱向集成，形成一個完整的配電變壓器綜合管理信息系統(tǒng)。
GPRS配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的網絡架構如下圖所示，系統(tǒng)分為四個部分，分別是監(jiān)控中心主站、網絡代理服務器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控終端設備。主站主要完成人機交互工作；網絡代理服務器主要負責網絡數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉；GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端完成信息的上送與下發(fā)；監(jiān)控終端設備主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。
本系統(tǒng)中網絡代理服務器可采用ADSL、LAN等INTELNET公網連接，采用公網固定IP或者公網動態(tài)IP+DNS解析服務，出于安全性考慮，監(jiān)控中心主站在局域網中，不直接連在INTERNET網上，通過網絡代理服務器來負責網絡數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉。GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端上電后，它會根據(jù)預先設定在其內部的IP地址或者是域名來主動訪問網絡代理服務器，通過代理服務器和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路。監(jiān)控中心主站本身維護接入的每個終端的IP地址和ID號，當主站要向某個監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù)IP地址和ID號來找到對應的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應后通過GRPS數(shù)據(jù)傳輸終端把數(shù)據(jù)發(fā)到網絡代理服務器端口，通過端口影射轉發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個應答式的通訊流程。
以上方式是通過Internet（CMNET）實現(xiàn)的，這樣用戶的實現(xiàn)成本比較低。如需要高可靠性數(shù)據(jù)傳輸。中國移動為這種應用提供了直接接入GPRS網絡的方式。監(jiān)控中心主站通過專線方式直接接入GPRS移動基站，并獲得一個固定的IP地址。監(jiān)測點數(shù)據(jù)無需路由到Internet網絡，監(jiān)測點DTU也采用固定IP地址的SIM卡。采用這種方式組成點對多點網絡具有實時性好、安全性高的特點，但接入費用相對較高。
三、監(jiān)控終端
該監(jiān)測系統(tǒng)采用的配電綜合監(jiān)測儀是根據(jù)電力需求側管理技術要求和配變負荷監(jiān)測相關標準設計、制造的一種高科技產品。它采用高精度數(shù)字采樣處理技術，集數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、通訊等多功能于一體，并可通過后臺軟件將儲存記錄的數(shù)據(jù)以圖表或報表的形式顯示、打印和分析。其科技領先，功能強、可靠性高，可廣泛應用于配電自動化系統(tǒng)的監(jiān)測。其主要功能有：
基本測量參數(shù)：三相電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、四象限電能、環(huán)境溫度等九類，三十多個參數(shù)。
四、GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端
GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端實現(xiàn)監(jiān)控中心主站與監(jiān)控終端的通訊。本系統(tǒng)中采用SARO1010P GRPS DTU.該DTU功能與特點如下：
A、功能：
1. 標準的AT 命令界面，方便程序設計；
2. TCP/IP Internet 內嵌的協(xié)議棧，輕松互連；
3. RS232接口方式，更加簡便的通訊方式；
4. 可通過串口升級程序。
B、性能：
1. 使用低功耗高性能的CPU 做處理器，16位內部數(shù)據(jù)總線，128KBSRAM，512KBFLASH，可高速處理協(xié)議和量數(shù)據(jù)；
2. 支持全透明及幀格式數(shù)據(jù)傳輸；
3. 支持TCP、IP、PPP、ICMP、UDP、TELNET、HTTP 協(xié)議棧；
4. 一個符合ISO7816-3IC 卡標準的SIM 卡座，支持符合GSM11.11 和GSM11.10，規(guī)范SIM 卡；
5. 簡化的接口設計，使用通用的232 接口和簡單的AT 命令交互界面；
6. 供了更方便的電源接口，即可使用外掛電源。又可從串口直接取電；
7. 整機功耗小于3W；
8. 完善了GPRS 網絡中所出現(xiàn)的假撥號，掉線自動重啟，遠程喚醒等功能；
9. 支持遠程控制及動態(tài)域名解析；
10. 同時更具嵌入式系統(tǒng)要求，可提供內置式模塊（不帶外殼，可通過插針與嵌入式直接系統(tǒng)相連）。
11、同時還有軟硬件雙重看門狗，在DTU不能正常工作時，能夠自動斷電復位。
五、監(jiān)控中心主站
主站系統(tǒng)最里面層為操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件。第二層為系統(tǒng)支持軟件層，包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)采集和傳輸。電力系統(tǒng)模型主要指電力系統(tǒng)設備對象化及網絡拓撲；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分運行庫、基礎庫、標準庫和歷史庫四部分；數(shù)據(jù)采集和傳輸就是將各種數(shù)據(jù)從不同的終端根據(jù)各種通訊協(xié)議采集過來，但并不進行處理，再通過網絡分發(fā)給需要這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。第三層為基礎應用層，將采集過來的數(shù)據(jù)經過各種處理，通過GUI界面顯示給用戶。第四層為高級應用層，它所產生的數(shù)據(jù)主要是供電力系統(tǒng)進一步管理和決策用。
上位軟件主要完成以下功能：
（1）配電變壓器SCADA系統(tǒng)
變壓器運行監(jiān)控，變壓器異常情況監(jiān)控，數(shù)據(jù)的分析、處理和存盤，RTU的參數(shù)設置及狀態(tài)顯示。既能獲得配電網運行的基本信息，又為功能擴充提供很好的基礎。
（2）自動抄表系統(tǒng)
根據(jù)設定的時間自動抄錄配電變壓器和用戶的電度數(shù)。并具有電表異常告警，跟蹤抄表記錄和操作記錄等輔助功能。
（3）用戶購電量管理
對于信譽比較差的用戶，通過系統(tǒng)對它進行先購電后供電，并在使用電量達到某些比例時進行警告。
（4）線損管理
主要是臺區(qū)線損管理和線路線損管理。
（5）配電設備管理
主要是配電線路和配電變壓器等設備的管理。
（6）終端錯誤智能識別
終端錯誤分為通訊恢復，通訊中斷（某一終端連續(xù)三次召測不到），終端無線錯誤（一天連續(xù)十次召測不到），無線中斷（連續(xù)有三十個終端召測不到）。
（7）負荷預測
通過計算主站和分站所有臺區(qū)的總有功功率總加值來初步預測下一階段的負荷情況。
（8）電容器投切
根據(jù)電壓和功率因數(shù)就地進行調節(jié)，調節(jié)時考慮時間因素和投切次數(shù)。在就地調節(jié)失靈的情況下能夠遠方監(jiān)視和遠方控制。如果終端無調節(jié)投切功能，系統(tǒng)能夠遠方計算后控制電容器投切。
（9）終端操作
可以遠方讀取或者設置終端的參數(shù)，如變壓器的整定參數(shù)等。可設置開關合閘，開關分閘。可讀取或設置VQC參數(shù)。
（10）與營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的接口 能方便地為營銷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源。
（11）采集諧波數(shù)據(jù)
通過系統(tǒng)能夠采集用戶的各次諧波含量。
（12）用戶竊電管理
增加用戶電量與功率轉換為電量的比較，通過設置比例系數(shù)，來進行警告，比如當有功功率產生而電量不動時，則產生警告。
六、結論
實現(xiàn)我國中低壓配電網自動化，是提高供電質量、用電可靠性和提高電力企業(yè)自身水平的需要，GPRS作為一種新的通訊手段，應用在配電自動化中有很多優(yōu)點，基于GPRS通信的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)是一個比較有應用前景的實現(xiàn)方案。
