基于GPRS的客戶用電在線監(jiān)測系統(tǒng)
俞 旭
江蘇省南通供電公司
摘 要：通過對GPRS通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的分析，對照用電情況在線監(jiān)測對通信網(wǎng)絡(luò)的要求，提出了用電在線監(jiān)測系統(tǒng)利用GPRS進(jìn)行組網(wǎng)的方案，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式，總結(jié)了該方案明顯優(yōu)點(diǎn)。
一、?引言
隨著電力工業(yè)企業(yè)改革不斷深入，電力作為商品，既要供需實(shí)現(xiàn)動態(tài)平衡，又要保證供電和用戶各方面利益的均衡。對于大量非居民用戶（低壓動力用戶，部分專用變用戶），目前還缺少必要的技術(shù)控制手段，為進(jìn)一步規(guī)范用電秩序，減少竊電給電力企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失，同時解決準(zhǔn)時抄表的問題，減少擾民行為，提高優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平，有必要采取行之有效的技術(shù)手段對上述用戶、專變用戶及公用配變進(jìn)行用電狀況監(jiān)測和控制。隨時掌握、控制這部分用戶的負(fù)荷的變動情況，掌握用電監(jiān)察工作的主動權(quán)。
但實(shí)現(xiàn)用電實(shí)時跟蹤的關(guān)鍵是通訊問題，數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備的監(jiān)控如果沒有可靠的通訊手段作保證只能是空談。過去利用載波、市話網(wǎng)絡(luò)、無線、微波和光纜等通信手段研制開發(fā)的自動抄表系統(tǒng),由于存在系統(tǒng)投資大、運(yùn)行成本高、工程量大、數(shù)據(jù)傳輸速度慢及時效性差、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作量大等缺點(diǎn),難以推廣應(yīng)用，而采用公用微波通信方式的電力負(fù)荷管理系統(tǒng),也存在投入成本高,運(yùn)行維護(hù)工作量大等缺陷。隨著通用分組無線業(yè)務(wù)(ＧＰＲＳ)技術(shù)的成熟和應(yīng)用,為用電情況在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建提供了便捷、高效和全新的數(shù)據(jù)信息傳輸通道。ＧＰＲＳ具有高速傳輸、實(shí)時在線和按流量收費(fèi)等特點(diǎn),深受廣大用戶的青睞,已在一些領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
二、用電情況在線監(jiān)測對通信網(wǎng)絡(luò)的要求
根據(jù)用電業(yè)務(wù)管理需求分析，客戶用電狀況監(jiān)測對通信網(wǎng)絡(luò)有如下要求：
1)?信號覆蓋率——須監(jiān)控的專變及大用戶的設(shè)備布點(diǎn)分散、量大面廣，通信網(wǎng)絡(luò)必須能夠覆蓋整個地區(qū)，通信信號能夠覆蓋所有這些監(jiān)控點(diǎn)，這是衡量通信方案是否成功的關(guān)鍵因素。
2)?通信實(shí)時性——電力監(jiān)控系統(tǒng)嚴(yán)格要求業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)必須能夠進(jìn)行實(shí)時的交互傳送。
3)?通信可靠性——通信網(wǎng)絡(luò)必須滿足業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定可靠的傳輸，不會因?yàn)橥饨绲母蓴_而產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的丟失，如強(qiáng)電信號的干擾、及其它信號源的干擾等。
4)?數(shù)據(jù)安全性——通信網(wǎng)絡(luò)必須能夠保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制信息通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)陌踩裕粫艿綈阂夤舳鴮?dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不能順利進(jìn)行，或產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。甚至數(shù)據(jù)被惡意篡改，造成直接經(jīng)濟(jì)損失，以及人為惡意操作，造成停電破壞等事故的發(fā)生。
5)?通信持續(xù)性——基于電力供應(yīng)和電力生產(chǎn)的重要性和監(jiān)控系統(tǒng)本身的特性，要求通信網(wǎng)絡(luò)必須能夠滿足一天24小時連續(xù)不間斷傳送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的需求。
6)?信道資源冗余性——通信網(wǎng)絡(luò)必須保證能夠滿足向電力公司各監(jiān)控點(diǎn)提供足夠的信道和帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，避免因?yàn)楦鞣N意外情況而使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無法正常傳輸。
7)?網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)充性——由于電力公司業(yè)務(wù)的不斷增長，監(jiān)控點(diǎn)數(shù)目的不斷增多，通信系統(tǒng)需能夠適應(yīng)這些業(yè)務(wù)方面的不斷擴(kuò)展。
三、 GPRS通信網(wǎng)絡(luò)特性
GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS的分組交換技術(shù)，具有“實(shí)時在線”、“按量計費(fèi)”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”等優(yōu)點(diǎn)。
3.1. GPRS通信網(wǎng)資源狀況
1)?GPRS系統(tǒng)覆蓋——由于GPRS網(wǎng)絡(luò)是在原GSM網(wǎng)新開通的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此，GPRS在整個地區(qū)范圍內(nèi)同樣實(shí)現(xiàn)了無縫覆蓋。完全可以滿足電力營銷中對配變專變用戶用電監(jiān)測和負(fù)荷監(jiān)測控制的應(yīng)用需求。
2)?GPRS通信保障——GPRS分組數(shù)據(jù)技術(shù)是中國移動公司通信骨干網(wǎng)的有機(jī)組成部分，而且，隨著業(yè)務(wù)量的不斷增長，GPRS數(shù)據(jù)專用信道還將不斷增加。
3)?GPRS通信帶寬和實(shí)時性——GPRS號稱最高傳輸速率為171.2Kbps，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40-100Kbps，信道實(shí)測結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸速率為50kbps。
表1 GPRS、Modem、和LAN通信的比較
GPRS
Modem
LAN
Bandwidth
115kbit/s
50kbit/s
10Mbit/s
Delay(ms)
100
100
1
表2 GPRS、Modem和LAN的典型性能
GPRS
Modem
LAN
Bandwidth
50kbit/s
30kbit/s
8Mbit/s
Delay(ms)
200
150
5
表1給出了理想狀態(tài)下GPRS、Modem和LAN的通信性能。表2的各項性能參數(shù)是從大量的模擬測試中得出的結(jié)果。比較而言，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，LAN的性能通常接近于它的理想狀態(tài)，而由于GPRS的性能受許多環(huán)境因素的影響，例如小區(qū)的用戶數(shù)，應(yīng)用的類型以及可用的網(wǎng)絡(luò)資等，所以GPRS的性能很難達(dá)到理想的情況。
4)?GPRS通信安全保障——GPRS網(wǎng)絡(luò)是按照電信級要求進(jìn)行管理的，SGSN的眾多功能中的一項重要功能就是“身份驗(yàn)證，加密和差錯校驗(yàn)”，可見網(wǎng)絡(luò)本身的安全是可以信賴的。用戶接入網(wǎng)這一層，GPRS網(wǎng)絡(luò)提供有互聯(lián)網(wǎng)直接接入和專線VPN接入兩種方式，供用戶選擇。
3.2. GPRS與常用通信系統(tǒng)的對比
光纖
無線電臺
寬帶以太網(wǎng)
中壓
載波
PSTN
公話網(wǎng)
GPRS信道
網(wǎng)絡(luò)建設(shè)
☆
☆☆☆
☆
☆☆
☆☆☆
☆☆☆☆☆
工程實(shí)施
☆
☆☆
☆
☆☆
☆☆☆
☆☆☆☆☆
運(yùn)行維護(hù)
☆☆☆
☆☆
☆☆☆
☆
☆☆☆☆
☆☆☆☆☆
通信速度
☆☆☆☆☆
☆☆
☆☆☆☆
☆
☆☆
☆☆
安全可靠性
☆☆☆☆☆
☆☆☆
☆☆☆
☆☆
☆☆
☆☆☆☆
通訊實(shí)時性
☆☆☆☆☆
☆☆☆
☆☆☆☆
☆☆☆
☆☆☆
☆☆☆
一次性投資
☆
☆☆☆
☆☆
☆☆☆
☆☆☆☆
☆☆☆☆☆
使用費(fèi)用
☆☆☆☆☆
☆☆☆☆☆
☆☆
☆☆☆☆
☆
☆☆☆☆
維護(hù)費(fèi)用
☆☆☆
☆☆
☆☆☆
☆
☆☆☆☆
☆☆☆☆☆
適用范圍
城域、變電所
農(nóng)村
公網(wǎng)
地下室、山區(qū)
地下室等無信號場所
分散的配電
配變
通過與幾種常用通訊系統(tǒng)的比較可以看出，對于布點(diǎn)分散，面廣量大的系統(tǒng)，采用GPRS通訊方式構(gòu)建系統(tǒng)是更經(jīng)濟(jì)有效的模式，它的通訊速率比較低，但是已經(jīng)完全能滿足系統(tǒng)要求，但是它的建網(wǎng)、實(shí)施、使用、維護(hù)等費(fèi)用都是更為經(jīng)濟(jì)的。因此，選擇GPRS通訊方式構(gòu)建用電在線監(jiān)測系統(tǒng)。
四、基于GPRS的用電在線監(jiān)測系統(tǒng)方案
4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成
基于GPRS通信網(wǎng)平臺的客戶用電狀況在線監(jiān)測系統(tǒng)是集現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和電力遙測遙控技術(shù)為一體的綜合性實(shí)時信息采集與分析處理系統(tǒng)，它以公網(wǎng)的GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)為載體，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主站和現(xiàn)場終端之間的實(shí)時在線通訊，可集成電力系統(tǒng)中用電監(jiān)測的眾多系統(tǒng)，全面實(shí)施系統(tǒng)的全自動化運(yùn)行。
系統(tǒng)主要組成
1）?前置單元：按任務(wù)表采集表計數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)主臺的控制命令。
2）?GPRS通信信道：數(shù)據(jù)無線傳輸通道。
3）?通訊服務(wù)器：通過VPN專線與移動局端相聯(lián)。
4）?主站系統(tǒng)：系統(tǒng)運(yùn)行及事務(wù)處理。
5）?防火墻、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。
4.2 GPRS通信接入方式及傳輸形式
供電公司要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸需要建立一個通道，供電公司與移動公司相聯(lián)有兩種方式，即Internet方式和專線方式。
4.2.1 Internet方式
Internet方式通過Internet網(wǎng)站公網(wǎng)IP與GPRS網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)接，GPRS終端通電后登陸Internet網(wǎng)站公網(wǎng)IP，再通過Internet網(wǎng)與供電局交換數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流程如下：
多功能電表
控制器
GPRS
終端
GPRS網(wǎng)絡(luò)
Internet
網(wǎng)絡(luò)
數(shù)據(jù)中心服務(wù)器
局域網(wǎng)
工作站
4.2.2 VPN專線方式
多功能電表
控制器
GPRS
終端
GPRS
網(wǎng)絡(luò)
數(shù)據(jù)中心服務(wù)器
局域網(wǎng)
工作站
專線方式采用VPN專線直接將供電公司局域網(wǎng)與移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，跳過Internetn層，GPRS終端通電后直接登陸到供電局所分配的IP地址，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)構(gòu)如下：
基于數(shù)據(jù)安全考慮，必須在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器增加網(wǎng)關(guān)、防火墻，并且以VPN方式接入。
4.3?前置單元
前置單元主要由GPRS數(shù)據(jù)通信終端、多功能電表或配變監(jiān)測儀、防竊電裝置、控制器等組成，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測等功能：各種數(shù)據(jù)采集和記錄、異常情況自動報警、定期上傳數(shù)據(jù)、接受主臺呼叫。
前置單元還預(yù)留了各種擴(kuò)展接口：485總線接口，RS232串行接口，紅外接口，還有開關(guān)量輸入輸出接口，模擬量輸入接口。
4.4?主臺系統(tǒng)及軟件
4.4.1主臺系統(tǒng)組成
主臺系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、防火墻、系統(tǒng)軟件、局域網(wǎng)上工作站等組成
4.5?系統(tǒng)主要功能
4.5.1定制抄表任務(wù)，無人值守自動抄收
為適應(yīng)供電公司分線分臺片線損管理考核方法，用戶按需求定制需抄項目和時間的任務(wù)表后，終端按定制的任務(wù)表去抄讀表計的數(shù)據(jù)后，定時自動存儲上傳。避免了傳統(tǒng)繁瑣的抄表方式。
4.5.2電量電壓電流等參數(shù)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測；
多功能電表等采集記錄的各相用電量、最大用電需量、有功功率、無功功率、功率因素、以及電流電壓等參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時抄收，或根據(jù)業(yè)務(wù)需要、用戶類別等情況制定不同的時間間隔進(jìn)行定時抄收。抄收的數(shù)值包括總、峰、谷、平數(shù)值，為用電營業(yè)提供服務(wù)。
4.5.3?用電曲線分析及電壓電流曲線分析
根據(jù)業(yè)務(wù)需要確定部分參數(shù)如用戶用電量、電流電壓等，利用定時或?qū)崟r抄收的數(shù)據(jù)，按年月日時間軸繪制成特定的曲線或圖表，以便進(jìn)行用電分析，也可以用來對供電質(zhì)量、合格率、增長趨勢、變化規(guī)律等進(jìn)行統(tǒng)計和分析。
4.5.4?負(fù)荷監(jiān)測、負(fù)荷曲線，越限報警、記錄；
利用定時或?qū)崟r監(jiān)測抄收的數(shù)據(jù)，繪制成特定的負(fù)荷曲線或圖表，以便進(jìn)行負(fù)荷增長趨勢、變化規(guī)律等的統(tǒng)計和分析，為加強(qiáng)電力營銷管理、安全生產(chǎn)和建設(shè)計劃提供有效依據(jù)。當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)超限時，系統(tǒng)自動報警并上傳數(shù)據(jù)，以便能迅速采取有效措施，確保用戶正常用電，避免事故或損失的發(fā)生。
4.5.5線損分析
基于完整、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行線損計算，為決策、分析提供依據(jù)。用于線損計算的數(shù)據(jù)，主要是凍結(jié)電量數(shù)據(jù)。
4.5.6防竊電功能
利用傳感器技術(shù)在表箱上安裝防竊電裝置，當(dāng)表箱開啟時，系統(tǒng)記錄下每一次表箱開啟、關(guān)閉的時間，以監(jiān)管表箱開啟、關(guān)閉狀態(tài)，達(dá)到防竊電的功能。通過對用戶狀況的監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)行跟蹤，以從根本上防止竊電現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展惡化，有效降低損失。
4.5.7安全機(jī)制
系統(tǒng)采用多重安全保障措施，采用VPN專線接入、安裝防火墻、嵌入安全加密算法、操作員加密登錄、用戶操作權(quán)限管理等。以確保整個系統(tǒng)在安全可靠的狀態(tài)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.5.8權(quán)限管理
對使用本系統(tǒng)的用戶操作員進(jìn)行權(quán)限管理，任何操作員只能對指定范圍的數(shù)據(jù)，進(jìn)行授權(quán)操作。
4.5.9?其他主要功能
1、采用具有實(shí)時在線通信特性的GPRS作為通信網(wǎng)的客戶用電狀況在線監(jiān)測系統(tǒng)，出現(xiàn)異常情況或故障時，能夠自動報警并將有關(guān)信息實(shí)時主動上報至主臺，從而及時跟蹤配電負(fù)荷、油溫、異常用電行為等，為電力部門安全生產(chǎn)提供技術(shù)手段，最大限度的減少線路上故障。
2、可以實(shí)現(xiàn)查詢當(dāng)天抄表數(shù)據(jù)、歷史抄表數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)以及終端定制的任務(wù)表，還可以按地址、用戶號、終端設(shè)備號等條件進(jìn)行查詢。
3、對于表計的時鐘、變比、電壓電流限值、設(shè)備編號等參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定，遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程軟件升級，提高工作效率。
4、配備實(shí)時時鐘，記錄年月日時分秒。主站時間可以用GPS系統(tǒng)授予標(biāo)準(zhǔn)時間，終端時間可以由主站設(shè)定，以確保整個系統(tǒng)時鐘的一致性，特別是在分時電價實(shí)施以后，此功能尤為重要。
5、系統(tǒng)提供設(shè)備管理功能，管理通訊終端、表計等設(shè)備，包括增加刪除設(shè)備，數(shù)據(jù)庫的管理。也可以通過GPRS通道進(jìn)行終端參數(shù)的設(shè)置和維護(hù)等。
五、 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
基于GPRS通信平臺的客戶用電狀況在線監(jiān)測與電能量遙測系統(tǒng)的建立，相對于傳統(tǒng)各系統(tǒng)具有以下各方面特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：
1)?建設(shè)方便快捷——由于借助中國移動強(qiáng)大的、覆蓋面廣的現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)，電力部門只需安裝GPRS通信采集終端、及相關(guān)監(jiān)測儀器儀表、主站等即可。建設(shè)周期短，即裝即用，方便快捷。
2)?建設(shè)投資低——由于借助中國移動現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，電力部門通道建設(shè)上只需安裝GPRS通信采集終端，無需其它通信投資。
3)?運(yùn)行費(fèi)用低——GPRS網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行采用實(shí)時在線，按流量收費(fèi)方式，同時對應(yīng)用較大的企業(yè)給予優(yōu)惠，因此費(fèi)用相對較低，通道維護(hù)無須維護(hù)，不產(chǎn)生費(fèi)用。
4)?維護(hù)費(fèi)用低——電力部門的系統(tǒng)維護(hù)工作主要分為終端設(shè)備維護(hù)、主站系統(tǒng)維護(hù)兩部分，GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊器內(nèi)置于終端設(shè)備中，使用方便，日常維護(hù)簡單，維護(hù)量較小，且費(fèi)用極低。
5)?覆蓋面廣——充分利用現(xiàn)有的GPRS，實(shí)現(xiàn)了無縫覆蓋，所以，GPRS網(wǎng)絡(luò)特別適用面廣分散的配電配變監(jiān)測和專變用戶用電狀況監(jiān)測。
6)?安全性——除GPRS通過專用路由器及VPN方式接入電力公司網(wǎng)絡(luò)外，系統(tǒng)還采用多重安全保障措施，如網(wǎng)關(guān)、放火墻、嵌入安全加密算法、操作員加密登錄、用戶操作權(quán)限管理等。
7)?可靠性——GPRS使用動態(tài)糾錯編碼的技術(shù)，稱為“永遠(yuǎn)在線”的移動技術(shù)，終端在正常情況下，一般不會有無故掉線的現(xiàn)象。
8)?實(shí)時性——GPRS網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備實(shí)時在線，數(shù)據(jù)的采集、控制具有實(shí)時性，網(wǎng)絡(luò)傳送一包數(shù)據(jù)時延不超過1500ms，充分滿足電力系統(tǒng)中部分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時性要求。
9)?兼容性——系統(tǒng)很強(qiáng)的兼容性，能夠接入多種形式的配變監(jiān)測儀、多功能電表，兼容多種通信協(xié)議。
10)?管理方便——GPRS網(wǎng)絡(luò)中各監(jiān)測點(diǎn)可以使用移動分司MPS定位功能，管理中心可以有效確認(rèn)各監(jiān)控點(diǎn)所處位置，可以和電力GIS系統(tǒng)充分整合，管理方便。
六、 結(jié)束語
電力的發(fā)展對通信提出了更高的要求，而通信技術(shù)的發(fā)展又為開展各種新業(yè)務(wù)提供了技術(shù)保障。適當(dāng)合理利用電信運(yùn)營商提供的一些服務(wù)，作為電力通信的補(bǔ)充也是必要的。本文提出的用電在線監(jiān)測系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)了電能表遠(yuǎn)程抄收及在線監(jiān)測，也可與低壓載波技術(shù)相結(jié)合用于普通居民用電管理。
作者簡介：
俞旭（1969- ），男，江蘇南通人，高級工程師，從事計算機(jī)軟件開發(fā)及應(yīng)用工作。
電子郵箱：yuxu_nt@jsepc.com.cn?，ntyuxu@163.com
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