基于GPRS通信的配電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)研究

??? 引言
??? 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。但是由于配電變壓器分布點(diǎn)多、位置雜亂，建立一個(gè)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、投資省的通信網(wǎng)絡(luò)困難非常大，并已成為配變監(jiān)測(cè)進(jìn)行大面積推廣的主要障礙。
??? 在配變監(jiān)測(cè)中，可以采用數(shù)傳電臺(tái)、GSM短消息、光纖等通信方式。其中無(wú)線(xiàn)通信對(duì)于分布范圍廣、布局分散的配變監(jiān)測(cè)是一種較好的通信方式。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)假日短消息服務(wù)中心服務(wù)器繁忙時(shí)延時(shí)相當(dāng)長(zhǎng)。光纖運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但是成本投入大。而GPRS通信則避免了上述問(wèn)題。
??? 本文提出了一種基于 GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和Internet接入功能，以GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和Internet為通信系統(tǒng)，構(gòu)建為星型網(wǎng)絡(luò)的配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1?? GPRS及其相關(guān)技術(shù)
??? GPRS是移動(dòng)通信技術(shù)中介于數(shù)字通信和分組型移動(dòng)業(yè)務(wù)之間的一種技術(shù)，目前通過(guò)升級(jí)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，即在GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中添加3種新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（分組控制單元PCU、GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）和GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN））以及對(duì)GSM的相關(guān)部件進(jìn)行升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。GPRS采用時(shí)分多址（TDMA）方式傳輸話(huà)音，采用分組方式傳輸數(shù)據(jù)。
GPRS是按GSM標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議，可以快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。主要優(yōu)點(diǎn)如下：
??? a. 傳輸速率高。通過(guò)同時(shí)使用8個(gè)時(shí)隙，GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率最高理論值可達(dá)到171.2kbit/s，而且通過(guò)不同的編碼方式，支持不同速率的傳輸，是對(duì)有限寬帶的高效利用，完全滿(mǎn)足配電變壓器監(jiān)測(cè)的通信速率要求。
??? b. 永遠(yuǎn)在線(xiàn)，可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。GPRS在終端與網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”的連接，即使沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送，移動(dòng)終端仍一直在與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)接，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)不需要重新連接，而網(wǎng)絡(luò)容量只有在實(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)才被占用，從而保證了信息交換的實(shí)時(shí)性。
??? c. 按流量計(jì)費(fèi)。GPRS營(yíng)運(yùn)商能夠以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時(shí)間為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)費(fèi)，接入網(wǎng)絡(luò)但沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸數(shù)是不收費(fèi)的，這使系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用大大降低。用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要控制數(shù)流據(jù)量，從而控制運(yùn)行費(fèi)用。
綜上所述，GPRS在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得它有廣泛的應(yīng)用前景，成為配變監(jiān)測(cè)較為理想的通信方式。

2?? 基于GPRS的配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
??? 該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分、互聯(lián)網(wǎng)傳輸部分和配變監(jiān)測(cè)管理軟件四部分組成。在該系統(tǒng)中，終端設(shè)備通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到Internet，與客戶(hù)端前置機(jī)（具有上網(wǎng)功能）進(jìn)行通信?？紤]到更高的帶寬、更高的流量，以及工業(yè)控制超時(shí)重發(fā)等協(xié)議的支持，數(shù)據(jù)以UDP報(bào)文發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

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??? 由于通過(guò) GPRS 模塊，數(shù)據(jù)采集模塊可以直接訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，所以在配變監(jiān)測(cè)中心并不需要購(gòu)置 GPRS 模塊。配變監(jiān)測(cè)中心只需要通過(guò)寬帶、ISDN 或 ADSL 上網(wǎng)即可，這比用 GSM 短消息的解決方案大大節(jié)省了成本(后者的方案中，監(jiān)測(cè)中心至少要配置1到8個(gè) GSM 模塊連接到主機(jī)的串行接口上)。具體的通信鏈路是數(shù)據(jù)采集模塊把配變的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)串口連接到 GPRS 模塊上，然后將數(shù)據(jù)打成IP包，再通過(guò) GPRS 空中接口接入到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，經(jīng) GPRS 網(wǎng)關(guān)和路由器接到配變監(jiān)測(cè)中心。
??? 對(duì)于比較大的工程、配變較多的時(shí)候，配變監(jiān)測(cè)中心最好使用寬帶接入，使用固定IP，并且可以配置UNIX主機(jī)或微軟的Windows服務(wù)器，使其滿(mǎn)足同時(shí)多個(gè)配變的監(jiān)測(cè)要求。
??? 但是通過(guò)Internet會(huì)對(duì)企業(yè)的安全性帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，這時(shí)可以考慮使用虛擬專(zhuān)用網(wǎng)(VPN)技術(shù)建立企業(yè)網(wǎng)，并在中國(guó)移動(dòng)申請(qǐng)接入點(diǎn)(APN)，使GPRS網(wǎng)傳出的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至VPN而不通過(guò)Internet。這樣可以保護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)不被破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)使用VPN，GPRS中端可以直接使用企業(yè)內(nèi)部IP，也節(jié)省了Internet的IP資源。
??? 總之，可以根據(jù)實(shí)際需要，靈活地選擇配變監(jiān)測(cè)中心的構(gòu)建方式?；贕PRS通信的配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成方案能夠解決配變監(jiān)測(cè)的信道“瓶頸”，避免重復(fù)建設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò)，有效地提供準(zhǔn)確可靠的配變參數(shù)；同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)配變的負(fù)荷和電能計(jì)量情況，可以防止竊電行為發(fā)生。

3?? 系統(tǒng)終端硬件設(shè)計(jì)
??? 終端硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊和 GPRS 模塊組成。微控制器采集到配變的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息之后，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心。另外，當(dāng)監(jiān)測(cè)中心向它要數(shù)據(jù)時(shí)，及時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)。
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3.1 GPRS 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊
??? 目前GPRS模塊一般是指帶有GPRS上網(wǎng)功能的GSM模塊，該系統(tǒng)所采用的 F2103? GPRS 模塊，其核心來(lái)自西門(mén)子公司。F2103? GPRS數(shù)傳模塊支持雙頻GSM/GPRS，A5/1&A5/5 加密算法；內(nèi)置自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接和協(xié)議處理模塊，無(wú)需后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持；抗干擾設(shè)計(jì)，具有自診斷與告警輸出，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求；提供RS232接口，使用簡(jiǎn)單、方便，為用戶(hù)的數(shù)據(jù)設(shè)備提供透明傳輸通道，體積小，功耗低，非常適合嵌入式系統(tǒng)的使用。

3.2 CS5460A芯片[2]
??? CS5460A 是美國(guó)CRYSTAL公司推出的帶有串行口的單相雙向功率/電能計(jì)量集成電路芯片，可以測(cè)量瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)功率、能量、電流有效值和電壓有效值，并具有片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器WDT(Watch Dog Timer)與內(nèi)部電源監(jiān)視器。CS5460A不僅具有較高的可靠性和精度，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前已在電力參數(shù)測(cè)量裝置中有廣泛的應(yīng)用。

3.3 看門(mén)狗定時(shí)器
??? 采用MAXIM公司的MAX 705 芯片，監(jiān)視電源電壓和微處理器的工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能豐富，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度。

4?? 配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件
??? 監(jiān)測(cè)軟件采用通用編程工具開(kāi)發(fā)，靈活性好、針對(duì)性強(qiáng)，可以對(duì)采集來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、保存、入庫(kù)，制作輸出報(bào)表、繪制各種曲線(xiàn)、從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。界面友好、操作簡(jiǎn)單方便，真正實(shí)現(xiàn)了高效率和辦公自動(dòng)化。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)使網(wǎng)絡(luò)化管理變得簡(jiǎn)單易行。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：
??? a. 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。自動(dòng)接收和處理配電變壓器綜合參數(shù)測(cè)量與計(jì)量裝置發(fā)送過(guò)來(lái)的三相電壓、三相電流、每相的有功功率，三相的總有功功率、三相的總無(wú)功功率、功率因數(shù)、線(xiàn)路的三相總累計(jì)電量等數(shù)據(jù)，并把其存入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
??? b. 顯示功能。系統(tǒng)可以針對(duì)某一配電變壓器的某一同類(lèi)參量自動(dòng)繪制出其趨勢(shì)曲線(xiàn)，直觀的反映出各配電變壓器的運(yùn)行情況，曲線(xiàn)可以任意放大、縮小和拖動(dòng)。
??? c. 報(bào)警功能。在配電變壓器運(yùn)行時(shí)，當(dāng)某一電參量超出其設(shè)定范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并把其故障內(nèi)容存入數(shù)據(jù)庫(kù)。報(bào)警方式為窗口提示報(bào)警和短消息報(bào)警。窗口提示報(bào)警是當(dāng)檢測(cè)到故障后，系統(tǒng)自動(dòng)彈出故障窗口，只有在人工手動(dòng)干預(yù)下方可解除。而短消息報(bào)警，則是在故障時(shí)，以短消息的方式把故障內(nèi)容發(fā)送到主要負(fù)責(zé)人的手機(jī)上。
??? d. 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)功能。操作員可以設(shè)置不同的查詢(xún)條件從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得各種歷史數(shù)據(jù)，顯示這一時(shí)刻的某一配電變壓器的運(yùn)行參數(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)可方便的維護(hù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，可對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可在權(quán)限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享。
??? e. 統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能。系統(tǒng)可以針對(duì)某一配電變壓器自動(dòng)做出日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年度報(bào)表等匯總統(tǒng)計(jì)，報(bào)表可按照用戶(hù)要求定制，直接進(jìn)行預(yù)覽、打印。

4.2 系統(tǒng)主要特點(diǎn)
a. 實(shí)時(shí)通信。 通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，管理中心可以實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)終端設(shè)備的異?，F(xiàn)象，并做出相應(yīng)的處理。
b.? 適用范圍廣。由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，開(kāi)通GPRS業(yè)務(wù)的地區(qū)越來(lái)越多，上網(wǎng)方便，基于GPRS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各種地理?xiàng)l件惡劣的地區(qū)也可以開(kāi)通。
c.? 運(yùn)行費(fèi)用低。GPRS按流量計(jì)費(fèi)，對(duì)配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，運(yùn)行費(fèi)用非常低，用戶(hù)還可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，自主選擇按流量計(jì)費(fèi)或包月制計(jì)費(fèi)。

5．結(jié)論
????? 本文所論述的基于GPRS通信的配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了配變監(jiān)測(cè)的信道“瓶頸”。該系統(tǒng)已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高了系統(tǒng)的可靠性