基于GPRS通信的配電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張　帆，婁　為


杭州市電力局，杭州310009



　　摘　要：介紹了GPRS技術(shù)，提出了基于GPRS通信的配電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并分析了監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用中表明，該體系在非實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中有較強(qiáng)的實(shí)用意義與推廣價(jià)值。


　　關(guān)鍵詞：GPRS通信；配電變壓器；監(jiān)測(cè)




　　1　引言


　　GPRS（GeneralPacket Radio Service）是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，采用的是基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)高速數(shù)據(jù)分組傳輸技術(shù)，目前理論傳輸速率為115 kbps。GPRS業(yè)務(wù)于2002年7月開(kāi)始在國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信業(yè)推出，第一期工程在全國(guó)東部16個(gè)省的25個(gè)城市開(kāi)通并進(jìn)入試商用。試商用的GPRS系統(tǒng)能夠提供傳輸速率為30～50 kbps的分組業(yè)務(wù)。GPRS的出現(xiàn)，很大程度是為多媒體、互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)，將從根本上改變?cè)�有的GSM的基于話(huà)音服務(wù)。


　　配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶(hù)的電力設(shè)備，其運(yùn)行數(shù)據(jù)是整個(gè)配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要組成部分。因此，對(duì)其運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，并在杭州市電力局城東配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到了實(shí)際應(yīng)用。


　　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(tái)、GSM短消息、光纖接入等方式。數(shù)傳電臺(tái)的優(yōu)勢(shì)是除了每年的頻點(diǎn)費(fèi)以外，平時(shí)運(yùn)行無(wú)需額外費(fèi)用；缺點(diǎn)是可靠性、實(shí)時(shí)性較差，無(wú)法主動(dòng)上報(bào)。GSM短消息方式可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)上報(bào)；缺點(diǎn)是按條收費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務(wù)器繁忙時(shí)延時(shí)相當(dāng)長(zhǎng)。光纖通信穩(wěn)定可靠，但是成本投入大。而GPRS通信則避免了以上問(wèn)題。



　　2　體系結(jié)構(gòu)


　　GPRS基本原理是，當(dāng)用戶(hù)上傳或下載互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)不是利用當(dāng)時(shí)承載服務(wù)所采用的電路連接，而是利用分組將數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳送，達(dá)到多用戶(hù)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的共享，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)還可以最大限度地使用現(xiàn)有GSM設(shè)備，避免了GSM設(shè)備投資的浪費(fèi)。另外，數(shù)據(jù)傳送使用GPRS，而語(yǔ)音傳送使用GSM，使下載資料和通話(huà)可以同時(shí)進(jìn)行。為此，它不但可以為GPRS用戶(hù)提供GSM移動(dòng)電話(huà)通信的所有功能，更為突出的是為GPRS用戶(hù)提供了一種更快捷，更方便，更便宜，更持久的移動(dòng)上網(wǎng)方式。GPRS目前被認(rèn)為是移動(dòng)通信從第二代向第三代過(guò)渡的重要一環(huán)。


　　配電變壓器綜合管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是建立一個(gè)安全可靠，能提供各種高級(jí)服務(wù)，并有為應(yīng)用程序的執(zhí)行和實(shí)施提供較強(qiáng)功能的開(kāi)放式平臺(tái)和運(yùn)行在該平臺(tái)的多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，成為一個(gè)符合配電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理要求的，分布式，開(kāi)放式，模塊化，可擴(kuò)充的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)�；�礎(chǔ)平臺(tái)除提供基本的硬件技術(shù)和操作系統(tǒng)內(nèi)核外，還提供諸如數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、信息傳遞、人機(jī)界面、實(shí)時(shí)環(huán)境應(yīng)用程序等基礎(chǔ)服務(wù)。基于基礎(chǔ)平臺(tái)之上的各應(yīng)用子系統(tǒng)包括：配電變壓器管理，線(xiàn)損管理，自動(dòng)抄表，VQC功能，諧波數(shù)據(jù)，購(gòu)電量管理，數(shù)據(jù)查詢(xún)，自動(dòng)報(bào)表，圖表和與其他系統(tǒng)的接口等。這些子系統(tǒng)之間在開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（OSA）基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)有機(jī)的橫向和縱向集成，形成一個(gè)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)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為四個(gè)部分，分別是主站、前置機(jī)、GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測(cè)終端設(shè)備。主站主要完成人機(jī)交互工作；前置機(jī)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉(zhuǎn)；GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器完成信息的上送與下發(fā)；監(jiān)測(cè)終端設(shè)備主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。主站和前置機(jī)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，前置機(jī)和GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器是點(diǎn)對(duì)多連接。通訊方式上，GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器和前置機(jī)采用GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，人機(jī)界面和服務(wù)器采用Internet網(wǎng)絡(luò)通訊。






　　GPRS網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)鏈路上相當(dāng)于無(wú)線(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)上兩臺(tái)主機(jī)要實(shí)現(xiàn)直接通訊（不通過(guò)中轉(zhuǎn)）的必要條件是至少有一臺(tái)主機(jī)IP地址具有固定性和唯一性。由于GPRS通訊模塊啟動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)所獲得的是一個(gè)隨機(jī)的IP地址，即每次啟動(dòng)獲得的IP地址不同，同時(shí)如果將前置機(jī)和主站都安裝在具有代理服務(wù)器的局域網(wǎng)內(nèi)，該網(wǎng)絡(luò)地址不唯一而且對(duì)外不可見(jiàn)，這種情況將無(wú)法進(jìn)行基于連接的網(wǎng)絡(luò)通訊。因此必須將前置機(jī)從局域網(wǎng)中獨(dú)立出來(lái)，安裝在一個(gè)具有固定IP的機(jī)器上，成為一個(gè)提供網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)收發(fā)的中轉(zhuǎn)服務(wù)器。


　　前置機(jī)負(fù)責(zé)維護(hù)聯(lián)入的每個(gè)終端的IP地址和RTU號(hào)，當(dāng)主站向某個(gè)終端提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器根據(jù)RTU號(hào)找到對(duì)應(yīng)的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應(yīng)后再將數(shù)據(jù)發(fā)給前置機(jī)，前置機(jī)確認(rèn)該數(shù)據(jù)來(lái)源于終端后，將數(shù)據(jù)發(fā)給主站，即完成了一個(gè)應(yīng)答式的通訊流程。



　　3　監(jiān)控終端


　　該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在杭州市電力局的應(yīng)用中，采用了PEJ／S－3系列配變負(fù)荷綜合測(cè)控儀。該設(shè)備可廣泛應(yīng)用于低壓配電線(xiàn)路中進(jìn)行多種電氣參數(shù)的測(cè)量和記錄，并可作為無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切控制器使用。其主要功能有：


　�。�1）測(cè)量功能


　　①測(cè)量三相電流、電壓、有功功率、有功電量、無(wú)功功率、功率因數(shù)；


　　②測(cè)量三相總諧波電流畸變率；


　�、蹨y(cè)量電壓合格率。


　�。�2）數(shù)據(jù)記錄和存貯功能


　　①記錄和存貯每日三相電流、電壓、有功、無(wú)功、功率因數(shù)；


　　②記錄和存貯每日三相電流、電壓的最大值和最小值及對(duì)應(yīng)的發(fā)生時(shí)刻；


　�、塾涗浐痛尜A每日三相電量；


　�、苡涗浐痛尜A每日三相無(wú)功補(bǔ)償電容器組投入補(bǔ)償時(shí)間（單位：分鐘）；


　�、萦涗浐痛尜A的每日各類(lèi)數(shù)據(jù)保留周期可分為45天，75天，120天。越限時(shí)，數(shù)據(jù)自動(dòng)循環(huán)刷新；


　�、抻涗浐痛尜A停電事件記錄。


　�。�3）設(shè)置、查詢(xún)及顯示功能


　�、僦С謨煞N參數(shù)設(shè)定形式：一種為抄表機(jī)設(shè)定，一種為面板直接設(shè)定；


　�、诿姘鍏�數(shù)設(shè)定內(nèi)容包括：CT變比，起用時(shí)間（年、月、日、時(shí)、分），預(yù)置電容器組投切的無(wú)功上、下限，投切裝置的手動(dòng)、自動(dòng)切換，電壓門(mén)限。



　　4　協(xié)議轉(zhuǎn)換器


　　GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)控制主站與終端子站的通訊。圖2為GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器構(gòu)成圖。三個(gè)通信端口分別為：第一個(gè)RS232口是信號(hào)接入口，直接接終端設(shè)備；第2個(gè)RS232口接GPRS模塊；第三個(gè)RS232口為調(diào)試端口，與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行調(diào)試。3個(gè)RS232口的波特率可自行設(shè)置。






　　GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器可通過(guò)編程設(shè)置其工作方式。主要實(shí)現(xiàn)兩種工作方式：


　�。�1）透明轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明轉(zhuǎn)發(fā)，將RS232口收到的數(shù)據(jù)直接通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送；


　�。�2）IEC 870－5－101規(guī)約的轉(zhuǎn)發(fā)　發(fā)送端將RS232口傳來(lái)的數(shù)據(jù)依據(jù)101規(guī)約的格式進(jìn)行解釋和校驗(yàn)，假如不是101規(guī)約格式，則不再發(fā)送。


　　該轉(zhuǎn)換器主程序運(yùn)行在一個(gè)嵌入式處理器中。程序運(yùn)行時(shí)不斷監(jiān)測(cè)兩個(gè)串口，如果終端有數(shù)據(jù)，則通過(guò)GPRS端透明轉(zhuǎn)發(fā)出去，反之亦然。處理器啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)連接主站服務(wù)器，連接成功后主動(dòng)上送一條包括本機(jī)IP地址和RTU號(hào)的報(bào)文。程序運(yùn)行過(guò)程還實(shí)現(xiàn)了看門(mén)狗程序，當(dāng)程序處在不明狀態(tài)時(shí)處理器便會(huì)重新啟動(dòng)，程序重新置位。



　　5　前置機(jī)與主站


　　主站系統(tǒng)如圖3。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(kù)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(shè)備對(duì)象化及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌粩?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)分運(yùn)行庫(kù)、基礎(chǔ)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和歷史庫(kù)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(guò)來(lái)，但并不進(jìn)行處理，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給需要這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。第三層為基礎(chǔ)應(yīng)用層，將采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各種處理，通過(guò)GUI界面顯示給用戶(hù)。第四層為高級(jí)應(yīng)用層，它所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要是供電力系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)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(pán)，RTU的參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示。既能獲得配電網(wǎng)運(yùn)行的基本信息，又為功能擴(kuò)充提供很好的基礎(chǔ)。


　�。�2）自動(dòng)抄表系統(tǒng)　根據(jù)設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)抄錄配電變壓器和用戶(hù)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(hù)購(gòu)電量管理　對(duì)于信譽(yù)比較差的用戶(hù)，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)它進(jìn)行先購(gòu)電后供電，并在使用電量達(dá)到某些比例時(shí)進(jìn)行警告。


　�。�4）線(xiàn)損管理　主要是臺(tái)區(qū)線(xiàn)損管理和線(xiàn)路線(xiàn)損管理。


　�。�5）配電設(shè)備管理　主要是配電線(xiàn)路和配電變壓器等設(shè)備的管理。


　�。�6）終端錯(cuò)誤智能識(shí)別　終端錯(cuò)誤分為通訊恢復(fù)，通訊中斷（某一終端連續(xù)三次召測(cè)不到），終端無(wú)線(xiàn)錯(cuò)誤（一天連續(xù)十次召測(cè)不到），無(wú)線(xiàn)中斷（連續(xù)有三十個(gè)終端召測(cè)不到）。


　�。�7）負(fù)荷預(yù)測(cè)　通過(guò)計(jì)算主站和分站所有臺(tái)區(qū)的總有功功率總加值來(lái)初步預(yù)測(cè)下一階段的負(fù)荷情況。


　�。�8）電容器投切　根據(jù)電壓和功率因數(shù)就地進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)考慮時(shí)間因素和投切次數(shù)。在就地調(diào)節(jié)失靈的情況下能夠遠(yuǎn)方監(jiān)視和遠(yuǎn)方控制。如果終端無(wú)調(diào)節(jié)投切功能，系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)方計(jì)算后控制電容器投切。


　�。�9）終端操作　可以遠(yuǎn)方讀取或者設(shè)置終端的參數(shù)，如變壓器的整定參數(shù)等�？稍O(shè)置開(kāi)關(guān)合閘，開(kāi)關(guān)分閘。可讀取或設(shè)置VQC參數(shù)。


　�。�10）與營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口　能方便地為營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源。


　�。�11）采集諧波數(shù)據(jù)　通過(guò)系統(tǒng)能夠采集用戶(hù)的各次諧波含量。


　�。�12）用戶(hù)竊電管理　增加用戶(hù)電量與功率轉(zhuǎn)換為電量的比較，通過(guò)設(shè)置比例系數(shù)，來(lái)進(jìn)行警告，比如當(dāng)有功功率產(chǎn)生而電量不動(dòng)時(shí)，則產(chǎn)生警告。



　　6　結(jié)論


　　GPRS作為一種新的通訊手段，有很多優(yōu)點(diǎn)。將其應(yīng)用于配電變壓器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并取得成功。實(shí)踐證明，該體系在非實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。今后應(yīng)在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更有效的安全加密方面作進(jìn)一步研究。



　　參考文獻(xiàn)




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摘自《電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)》