基于GPRS通信的配電變壓器監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并分析了監(jiān)控系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。配變監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用中表明，該體系在非實時監(jiān)控系統(tǒng)中有較強的實用意義與推廣價值。


　　關(guān)鍵詞：GPRS通信；配電變壓器；監(jiān)測




　　1　引言


　　GPRS（GeneralPacket Radio Service）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，采用的是基于GSM系統(tǒng)的無線高速數(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月開始在國內(nèi)移動通信業(yè)推出，第一期工程在全國東部16個省的25個城市開通并進入試商用。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)，將從根本上改變原有的GSM的基于話音服務(wù)。


　　配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶的電力設(shè)備，其運行數(shù)據(jù)是整個配電網(wǎng)基礎(chǔ)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)，并在杭州市電力局城東配變監(jiān)測系統(tǒng)中得到了實際應(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、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(wù)器繁忙時延時相當(dāng)長。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題。



　　2　體系結(jié)構(gòu)


　　GPRS基本原理是，當(dāng)用戶上傳或下載互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)不是利用當(dāng)時承載服務(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，達到多用戶間對網(wǎng)絡(luò)資源的共享，同時網(wǎng)絡(luò)運營機構(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。另外，數(shù)據(jù)傳送使用GPRS，而語音傳送使用GSM，使下載資料和通話可以同時進行。為此，它不但可以為GPRS用戶提供GSM移動電話通信的所有功能，更為突出的是為GPRS用戶提供了一種更快捷，更方便，更便宜，更持久的移動上網(wǎng)方式。GPRS目前被認(rèn)為是移動通信從第二代向第三代過渡的重要一環(huán)。


　　配電變壓器綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是建立一個安全可靠，能提供各種高級服務(wù)，并有為應(yīng)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(yīng)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)�；�礎(chǔ)平臺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)庫系統(tǒng)、信息傳遞、人機界面、實時環(huán)境應(yīng)用程序等基礎(chǔ)服務(wù)�；�于基礎(chǔ)平臺之上的各應(yīng)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(jié)構(gòu)（OSA）基礎(chǔ)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)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為四個部分，分別是主站、前置機、GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測終端設(shè)備。主站主要完成人機交互工作；前置機主要負(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。主站和前置機是點對點連接，前置機和GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器是點對多連接。通訊方式上，GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器和前置機采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通訊，人機界面和服務(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)于無線IP網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)上兩臺主機要實現(xiàn)直接通訊（不通過中轉(zhuǎn)）的必要條件是至少有一臺主機IP地址具有固定性和唯一性。由于GPRS通訊模塊啟動接入網(wǎng)絡(luò)時所獲得的是一個隨機的IP地址，即每次啟動獲得的IP地址不同，同時如果將前置機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)地址不唯一而且對外不可見，這種情況將無法進行基于連接的網(wǎng)絡(luò)通訊。因此必須將前置機從局域網(wǎng)中獨立出來，安裝在一個具有固定IP的機器上，成為一個提供網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)收發(fā)的中轉(zhuǎn)服務(wù)器。


　　前置機負(fù)責(zé)維護聯(lián)入的每個終端的IP地址和RTU號，當(dāng)主站向某個終端提出數(shù)據(jù)請求時，服務(wù)器根據(jù)RTU號找到對應(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，前置機確認(rèn)該數(shù)據(jù)來源于終端后，將數(shù)據(jù)發(fā)給主站，即完成了一個應(yīng)答式的通訊流程。



　　3　監(jiān)控終端


　　該監(jiān)測系統(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)荷綜合測控儀。該設(shè)備可廣泛應(yīng)用于低壓配電線路中進行多種電氣參數(shù)的測量和記錄，并可作為無功補償裝置的投切控制器使用。其主要功能有：


　�。�1）測量功能


　　①測量三相電流、電壓、有功功率、有功電量、無功功率、功率因數(shù)；


　　②測量三相總諧波電流畸變率；


　�、蹨y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、無功、功率因數(shù)；


　�、谟涗浐痛尜A每日三相電流、電壓的最大值和最小值及對應(yīng)的發(fā)生時刻；


　�、塾涗浐痛尜A每日三相電量；


　　④記錄和存貯每日三相無功補償電容器組投入補償時間（單位：分鐘）；


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


　�、抻涗浐痛尜A停電事件記錄。


　　（3）設(shè)置、查詢及顯示功能


　　①支持兩種參數(shù)設(shè)定形式：一種為抄表機設(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，起用時間（年、月、日、時、分），預(yù)置電容器組投切的無功上、下限，投切裝置的手動、自動切換，電壓門限。



　　4　協(xié)議轉(zhuǎn)換器


　　GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(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。三個通信端口分別為：第一個RS232口是信號接入口，直接接終端設(shè)備；第2個RS232口接GPRS模塊；第三個RS232口為調(diào)試端口，與計算機連接進行調(diào)試。3個RS232口的波特率可自行設(shè)置。






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


　�。�1）透明轉(zhuǎn)發(fā)實現(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GPRS無線網(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口傳來的數(shù)據(jù)依據(jù)101規(guī)約的格式進行解釋和校驗，假如不是101規(guī)約格式，則不再發(fā)送。


　　該轉(zhuǎn)換器主程序運行在一個嵌入式處理器中。程序運行時不斷監(jiān)測兩個串口，如果終端有數(shù)據(jù)，則通過GPRS端透明轉(zhuǎn)發(fā)出去，反之亦然。處理器啟動時自動連接主站服務(wù)器，連接成功后主動上送一條包括本機IP地址和RTU號的報文。程序運行過程還實現(xiàn)了看門狗程序，當(dāng)程序處在不明狀態(tài)時處理器便會重新啟動，程序重新置位。



　　5　前置機與主站


　　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)備對象化及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�；�?shù)據(jù)庫系統(tǒng)分運行庫、基礎(chǔ)庫、標(biāo)準(zhǔn)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(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，將采集過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過各種處理，通過GUI界面顯示給用戶。第四層為高級應(yīng)用層，它所產(chǎn)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(shè)置及狀態(tài)顯示。既能獲得配電網(wǎng)運行的基本信息，又為功能擴充提供很好的基礎(chǔ)。


　�。�2）自動抄表系統(tǒng)　根據(jù)設(shè)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(shè)備管理　主要是配電線路和配電變壓器等設(shè)備的管理。


　�。�6）終端錯誤智能識別　終端錯誤分為通訊恢復(fù)，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(fù)荷預(yù)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(yù)測下一階段的負(fù)荷情況。


　�。�8）電容器投切　根據(jù)電壓和功率因數(shù)就地進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時考慮時間因素和投切次數(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。如果終端無調(diào)節(jié)投切功能，系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)方計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)置開關(guān)合閘，開關(guān)分閘。可讀取或設(shè)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(zhuǎn)換為電量的比較，通過設(shè)置比例系數(shù)，來進行警告，比如當(dāng)有功功率產(chǎn)生而電量不動時，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。將其應(yīng)用于配電變壓器的監(jiān)測系統(tǒng)，并取得成功。實踐證明，該體系在非實時監(jiān)控系統(tǒng)中有較強的推廣價值。今后應(yīng)在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯��?shù)據(jù)進行更有效的安全加密方面作進一步研究。



　　參考文獻




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摘自《電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報》