基于GPRS通信的配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
摘要：針對(duì)配變監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性的要求，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于GPRS通信的配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和通信原理,介紹了采集終端、配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的功能和特點(diǎn)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐表明該系統(tǒng)具有傳輸速率快，可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)和運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：GPRS配電變壓器 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
The?monitoring?system for Distribution Transformer Based on GPRS communication
Abstract :?Considering the characteristics of distribution transformers, a?monitoringsystem for distribution transformer based on GPRS communication?is put forward. It is explained the systematic structure and communication principle in detail, introduced the function and characteristic of the data collection terminal and the systems soft ware. Operation experience and practice indicate that it is characteristic by higher speed , reliable communication, real time performance and low expense.
Key words:?GPRS distribution transformer?monitoringsystem
0?引言
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(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)線網(wǎng)絡(luò)和Internet接入功能，以GPRS無(wú)線網(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) [1]
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，完全滿足配電變壓器監(jiān)測(cè)的通信速率要求。
b.?永遠(yuǎn)在線，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”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)線網(wǎng)絡(luò)連接到Internet，與客戶端前置機(jī)（具有上網(wǎng)功能）進(jìn)行通信。考慮到更高的帶寬、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：
由于通過(guò) GPRS 模塊，數(shù)據(jù)采集模塊可以直接訪問(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。基于GPRS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)。GPRS數(shù)據(jù)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.1 GPRS?無(wú)線數(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?H7118?GPRS?模塊，其核心來(lái)自WAVECOM公司。H7118?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、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參量自動(dòng)繪制出其趨勢(shì)曲線，直觀的反映出各配電變壓器的運(yùn)行情況，曲線可以任意放大、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)查詢功能。操作員可以設(shè)置不同的查詢條件從數(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)表可按照用戶要求定制，直接進(jìn)行預(yù)覽、打印。
圖3是監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的部分軟件界面：
4.2?系統(tǒng)主要特點(diǎn)
- ?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)備的異常現(xiàn)象，并做出相應(yīng)的處理。
- ?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。
- ?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。
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