GSM/GPRS通信在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘　要：本文利用GSM和GPRS通信的突出優(yōu)點(diǎn)，將其分別應(yīng)用于配電自動(dòng)化系統(tǒng)，提出了兩套切實(shí)可行的配電參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

引言
配電網(wǎng)通信有終端節(jié)點(diǎn)多而分散、通信距離長(zhǎng)、每個(gè)終端的數(shù)據(jù)量小等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)通信一般都采用光纖、電力線載波，屏蔽雙絞線等介質(zhì)的通信方案。但往往在投資成本、擴(kuò)容性、維護(hù)量等方面或多或少存在缺陷。尋求可以更好的解決這些缺陷的新通信方案一直以來(lái)都是電力領(lǐng)域的重要研究方向。本文利用GSM/GPRS通信的突出優(yōu)點(diǎn)，將其分別應(yīng)用于配電自動(dòng)化系統(tǒng)，提出了兩套配電參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。通過實(shí)踐檢驗(yàn)，可作為配電自動(dòng)化中一個(gè)重要的組成部分。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1將GSM與GPRS兩套方案都表示出來(lái)。監(jiān)控中心由一個(gè)以太網(wǎng)組成。其中數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上安裝Microsoft SQL Server 2000，客戶機(jī)安裝監(jiān)控中心軟件。一臺(tái)客戶機(jī)可帶多臺(tái)Modem且并時(shí)工作。方案一：監(jiān)控中心可安裝GSM Modem或電話線撥號(hào)Modem與安裝GSM Modem的監(jiān)測(cè)終端通信。方案二：監(jiān)控中心可安裝GPRS Modem或網(wǎng)卡等支持其他ISP服務(wù)的設(shè)備與安裝GPRS Modem的監(jiān)測(cè)終端通信。

監(jiān)測(cè)終端
監(jiān)測(cè)終端采用廣東歐宇公司的EU2506，它由單片機(jī)最小系統(tǒng)、GSM/GPRS Modem、電力參數(shù)采集模塊和溫度采集模塊等四部分組成。其中，單片機(jī)最小系統(tǒng)以89C52為核心，以時(shí)鐘芯片DS12887構(gòu)成時(shí)間電路，以儲(chǔ)存芯片628128構(gòu)成歷史數(shù)據(jù)保存電路，以X25045構(gòu)成程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，以CPLD EPM7128構(gòu)成最小系統(tǒng)接口器件協(xié)調(diào)控制電路；GSM/GPRS Modem采用Siemens公司的TC35或MC35；電力參數(shù)采集模塊以80C196單片機(jī)為核心；溫度采集模塊采用ABB公司W(wǎng)2000鉑電阻Pt100和TR204-Ex溫度變送器。

信息采集內(nèi)容
常規(guī)遙測(cè)信息量：在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，遙測(cè)信息以采集電流信息和電壓信息為主。本項(xiàng)目對(duì)正常狀態(tài)下配電變壓器的三相電壓、電流、油槽溫度，以及有功、無(wú)功、視在功率和功率因數(shù)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)終端接到監(jiān)控中心的問詢命令時(shí)，即發(fā)送遙測(cè)量。
遙測(cè)信息量與遙控信息量：監(jiān)測(cè)終端具有四路遙測(cè)和三路遙控，可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制配電變壓器的開關(guān)量信息，還可以根據(jù)需要組合檔位進(jìn)行有級(jí)的遙調(diào)。
報(bào)警信息量：為及時(shí)解決配電變壓器的啟/停信號(hào)報(bào)警，三相電流、三相電壓和三相油槽溫度上下限閥值的越復(fù)限報(bào)警。
特殊信息量：監(jiān)測(cè)終端的運(yùn)行參數(shù)，可在監(jiān)控中心方便地查詢和下載。

規(guī)約制訂
設(shè)計(jì)了問詢和數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳兩種方式相結(jié)合的規(guī)約。以Modbus規(guī)約為基礎(chǔ)，通信幀格式(見表1)：報(bào)頭用于標(biāo)識(shí)不同版本的規(guī)約，監(jiān)測(cè)終端號(hào)用于唯一標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)終端，系統(tǒng)可容納65536臺(tái)監(jiān)測(cè)終端。功能碼用于標(biāo)識(shí)本通信幀的內(nèi)容。

通信機(jī)制的設(shè)計(jì)
?問詢式通信：用于查詢常規(guī)數(shù)據(jù)。為了最大限度的提高用戶操作的靈活度和方便度，采用了手動(dòng)調(diào)度和自動(dòng)調(diào)度結(jié)合的靈活方式。監(jiān)控中心在設(shè)計(jì)時(shí)采用多線程多任務(wù)并發(fā)技術(shù)。采用兩個(gè)循環(huán)的任務(wù)線程用于調(diào)度，一個(gè)線程用于監(jiān)測(cè)是否有到達(dá)預(yù)定時(shí)間的調(diào)度任務(wù)，若有任務(wù)，則將任務(wù)代號(hào)賦給調(diào)度線路下的所有變壓器。另一個(gè)線程用于循環(huán)監(jiān)測(cè)每臺(tái)變壓器是否有調(diào)度任務(wù)，如果有， 則開始一個(gè)新線程以建立連接，連通后執(zhí)行任務(wù)并自動(dòng)斷開連接。
主動(dòng)上傳式通信：用于報(bào)警操作，監(jiān)測(cè)終端探測(cè)到變壓器啟/停報(bào)警或者電壓、電流和溫度的上下限越復(fù)限報(bào)警時(shí)，主動(dòng)連接監(jiān)控中心，上傳報(bào)警數(shù)據(jù)，或者將報(bào)警信息通過短消息發(fā)送到用戶設(shè)置的手機(jī)號(hào)碼上。
GSM通信的具體實(shí)現(xiàn)
每臺(tái)GSM Modem都必須插入一張開通帶有被叫數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)的SIM卡，監(jiān)控中心的最小化配置包括一臺(tái)安裝有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和監(jiān)控中心軟件的PC機(jī)，一臺(tái)兼容Hayes標(biāo)準(zhǔn)AT指令集的GSM Modem。系統(tǒng)支持多臺(tái)Modem并行工作以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳送。
以監(jiān)控中心與監(jiān)測(cè)終端的一次連接為例，操作流程如圖2所示。
(1)初始化：監(jiān)控中心在進(jìn)行連接之前，先檢測(cè)所有GSM Modem的狀態(tài),對(duì)仍未初始化的Modem進(jìn)行初始化。一般來(lái)說(shuō),初始化步驟在打開監(jiān)控中心軟件的同時(shí)會(huì)完成，但之后可能會(huì)中途卸裝Modem引起Modem狀態(tài)變化，而需要重新初始化。初始化AT命令字符串為“AT&D0&S0X0E0V0Q0S0=1S7=30”。
(2)撥號(hào)建立連接：搜索空閑的Modem，對(duì)其發(fā)送撥號(hào)命令“ATDT＋檢測(cè)終端Sim卡號(hào)碼”，然后系統(tǒng)會(huì)直接或間接地通過GSM網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)終端握手。握手成功后，建立通信線路，Modem返回31 0D的結(jié)果碼給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，Modem進(jìn)入聯(lián)機(jī)狀態(tài)。由此時(shí)起，計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令幀將直接傳至監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)幀接收緩沖區(qū)；如果握手不成功，Modem返回33 0D以提醒系統(tǒng)重?fù)?。重?fù)苋尾煌ㄅ袨樵摯螕芴?hào)失敗。
(3)執(zhí)行任務(wù)：監(jiān)控中心判斷本次連接是手動(dòng)連接還是自動(dòng)連接，如果是自動(dòng)連接，即開始執(zhí)行用戶預(yù)設(shè)任務(wù)。如果是手動(dòng)連接則等待用戶輸入實(shí)時(shí)任務(wù)，在執(zhí)行之后又會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)。
(4)斷開連接：如果是自動(dòng)連接，系統(tǒng)在預(yù)設(shè)任務(wù)完成后會(huì)自動(dòng)發(fā)送斷開連接命令；如果是手動(dòng)連接，系統(tǒng)會(huì)在線等待用戶輸入斷開連接指令，如果三分鐘內(nèi)沒有任何用戶指令下達(dá)，系統(tǒng)將自動(dòng)斷開連接以節(jié)省資源。斷開連接時(shí)，系統(tǒng)先發(fā)送“＋＋＋”命令使Modem從聯(lián)機(jī)狀態(tài)切換為命令狀態(tài)，再發(fā)送“ATH0”掛斷Modem。
GPRS通信的具體實(shí)現(xiàn)
監(jiān)控中心必須擁有一個(gè)固定IP，以便監(jiān)測(cè)終端可以在登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)后通過該IP找到監(jiān)控中心。有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)，一是監(jiān)控中心向移動(dòng)公司申請(qǐng)APN服務(wù)以獲得綁定GPRS網(wǎng)內(nèi)IP的Sim卡；一是向中國(guó)電信申請(qǐng)Internet公網(wǎng)上的固定IP。
GPRS通信支持TCP/IP協(xié)議并采用IP包作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝唬痉桨缚梢圆捎妹嫦蜻B接的傳輸控制協(xié)議TCP或者無(wú)連接的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP進(jìn)行傳輸。若使用前者，則通信流程與前面提到的GSM流程相似。以下著重介紹后者。UDP特別適合于配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)量小且頻繁突發(fā)的情況。監(jiān)測(cè)終端每隔20分鐘會(huì)發(fā)送IP包向監(jiān)控中心注冊(cè)一次，告知其終端IP、UDP端口號(hào)、Sim卡標(biāo)識(shí)號(hào)和終端模塊號(hào)，避免因某一方的突然掉線而從此失去聯(lián)系。另外監(jiān)測(cè)終端每隔幾分鐘發(fā)送一條實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心，保證整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)更新。監(jiān)控中心在下達(dá)命令時(shí)同樣發(fā)送UDP包，并預(yù)留一定時(shí)間等待終端作出響應(yīng)。經(jīng)過測(cè)試，GPRS偶爾會(huì)出現(xiàn)包丟失現(xiàn)象，但在正常的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，掉包率相當(dāng)?shù)?。盡管如此，為了增強(qiáng)配電監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)安全性，本方案在監(jiān)控中心方面設(shè)計(jì)了重發(fā)機(jī)制，若命令下達(dá)后的一定時(shí)間內(nèi)沒收到終端的回復(fù)，則判為超時(shí)并重發(fā)該命令。

系統(tǒng)擴(kuò)展功能和其他應(yīng)用場(chǎng)合
在獲得配電變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)如下的擴(kuò)展功能：報(bào)表打印和圖形曲線顯示，以及供電可靠率、電壓合格率、負(fù)荷率、負(fù)載率和電能損耗等配電自動(dòng)化的分析功能，并可提供方便直觀的操作，為電力MIS系統(tǒng)或調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫(kù)共享接口。
該系統(tǒng)除了用于配電變壓器參數(shù)監(jiān)控之外，還適合電力臺(tái)區(qū)負(fù)荷監(jiān)測(cè)、防剪線、防偷電等應(yīng)用場(chǎng)合。

結(jié)語(yǔ)
本文所構(gòu)建的系統(tǒng)可以作為配電自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，特別適用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散分布且布線距離長(zhǎng)、難度大的情況。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的日益發(fā)展以及資費(fèi)的不斷下調(diào)，該方案的實(shí)用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值不斷提升，已成為高性價(jià)比的解決方案。