基于GPRS通信的配變監(jiān)測系統(tǒng)
摘要：針對配變監(jiān)測對數據傳輸可靠性和實時性的要求，本文提出并設計了一種基于GPRS通信的配變監(jiān)測系統(tǒng)。詳細闡述了該系統(tǒng)的結構和通信原理,介紹了采集終端、配變監(jiān)測系統(tǒng)軟件的功能和特點。運行經驗和實踐表明該系統(tǒng)具有傳輸速率快，可靠性高，實時性強和運行費用低的優(yōu)點。
關鍵詞：GPRS配電變壓器 監(jiān)測系統(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備，其運行數據是整個配電網基礎數據的重要組成部分。因此，對其運行參數與狀態(tài)進行監(jiān)測是必要的。但是由于配電變壓器分布點多、位置雜亂，建立一個實時性強、可靠性高、投資省的通信網絡困難非常大，并已成為配變監(jiān)測進行大面積推廣的主要障礙。
在配變監(jiān)測中，可以采用數傳電臺、GSM短消息、光纖等通信方式。其中無線通信對于分布范圍廣、布局分散的配變監(jiān)測是一種較好的通信方式。數傳電臺的優(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、實時性差，無法主動上報。GSM短消息方式可以實現主動上報；缺點是按條收費，運行費用高，而且在節(jié)假日短消息服務中心服務器繁忙時延時相當長。光纖運行穩(wěn)定可靠，但是成本投入大。而GPRS通信則避免了上述問題。
本文提出了一種基于?GPRS無線網絡和Internet接入功能，以GPRS無線網絡和Internet為通信系統(tǒng)，構建為星型網絡的配變監(jiān)測系統(tǒng)。
1 GPRS及其相關技術 [1]
GPRS是移動通信技術中介于數字通信和分組型移動業(yè)務之間的一種技術，目前通過升級全球移動通信系統(tǒng)（GSM）網絡實現，即在GSM網絡結構中添加3種新的網絡節(jié)點（分組控制單元PCU、GPRS業(yè)務支持節(jié)點（SGSN）和GPRS網關支持節(jié)點（GGSN））以及對GSM的相關部件進行升級來實現。GPRS采用時分多址（TDMA）方式傳輸話音，采用分組方式傳輸數據。
GPRS是按GSM標準定義的封包交換協議，可以快速接入數據網絡。主要優(yōu)點如下：
a.?傳輸速率高。通過同時使用8個時隙，GPRS網絡數據傳輸速率最高理論值可達到171.2kbit/s，而且通過不同的編碼方式，支持不同速率的傳輸，是對有限寬帶的高效利用，完全滿足配電變壓器監(jiān)測的通信速率要求。
b.?永遠在線，可以實時傳輸數據。GPRS在終端與網絡之間實現了“永遠在線”的連接，即使沒有數據傳送，移動終端仍一直在與網絡保持聯接，再次進行數據傳送時不需要重新連接，而網絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用，從而保證了信息交換的實時性。
c.?按流量計費。GPRS營運商能夠以傳輸的數據量而不是連接時間為基準來計費，接入網絡但沒有數據傳輸數是不收費的，這使系統(tǒng)運行費用大大降低。用戶可以根據實際需要控制數流據量，從而控制運行費用。
綜上所述，GPRS在數據通信領域獨有的技術優(yōu)勢使得它有廣泛的應用前景，成為配變監(jiān)測較為理想的通信方式。
2?基于GPRS的配變監(jiān)測系統(tǒng)
該系統(tǒng)由數據采集模塊、GPRS網絡數據傳輸部分、互聯網傳輸部分和配變監(jiān)測管理軟件四部分組成。在該系統(tǒng)中，終端設備通過GPRS無線網絡連接到Internet，與客戶端前置機（具有上網功能）進行通信。考慮到更高的帶寬、更高的流量，以及工業(yè)控制超時重發(fā)等協議的支持，數據以UDP報文發(fā)送給監(jiān)測中心。該系統(tǒng)結構如圖1所示：
由于通過 GPRS 模塊，數據采集模塊可以直接訪問互聯網，所以在配變監(jiān)測中心并不需要購置 GPRS 模塊。配變監(jiān)測中心只需要通過寬帶、ISDN 或 ADSL 上網即可，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)測中心至少要配置1到8個 GSM 模塊連接到主機的串行接口上)。具體的通信鏈路是數據采集模塊把配變的數據和運行狀態(tài)檢測出來，通過串口連接到 GPRS 模塊上，然后將數據打成IP包，再通過 GPRS 空中接口接入到 GPRS 網絡，經 GPRS 網關和路由器接到配變監(jiān)測中心。
對于比較大的工程、配變較多的時候，配變監(jiān)測中心最好使用寬帶接入，使用固定IP，并且可以配置UNIX主機或微軟的Windows服務器，使其滿足同時多個配變的監(jiān)測要求。
但是通過Internet會對企業(yè)的安全性帶來一定的風險，這時可以考慮使用虛擬專用網(VPN)技術建立企業(yè)網，并在中國移動申請接入點(APN)，使GPRS網傳出的數據直接發(fā)送至VPN而不通過Internet。這樣可以保護企業(yè)數據不被破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時使用VPN，GPRS中端可以直接使用企業(yè)內部IP，也節(jié)省了Internet的IP資源。
總之，可以根據實際需要，靈活地選擇配變監(jiān)測中心的構建方式。基于GPRS通信的配變監(jiān)測系統(tǒng)組成方案能夠解決配變監(jiān)測的信道“瓶頸”，避免重復建設通訊網絡，有效地提供準確可靠的配變參數；同時通過監(jiān)測配變的負荷和電能計量情況，可以防止竊電行為發(fā)生。
3?系統(tǒng)終端硬件設計
終端硬件部分主要由數據采集模塊和 GPRS 模塊組成。微控制器采集到配變的運行數據和狀態(tài)信息之后，通過互聯網把數據發(fā)送到監(jiān)測中心。另外，當監(jiān)測中心向它要數據時，及時上報數據。GPRS數據采集模塊硬件結構如圖2所示。
3.1 GPRS?無線數傳模塊
目前GPRS模塊一般是指帶有GPRS上網功能的GSM模塊，該系統(tǒng)所采用的?H7118?GPRS?模塊，其核心來自WAVECOM公司。H7118?GPRS數傳模塊支持雙頻GSM/GPRS，A5/1&A5/5加密算法；內置自動網絡連接和協議處理模塊，無需后臺計算機支持；抗干擾設計，具有自診斷與告警輸出，適合電磁環(huán)境惡劣的應用需求；提供RS232接口，使用簡單、方便，為用戶的數據設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CRYSTAL公司推出的帶有串行口的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片，可以測量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、能量、電流有效值和電壓有效值，并具有片內看門狗定時器WDT(Watch Dog Timer)與內部電源監(jiān)視器。CS5460A不僅具有較高的可靠性和精度，而且電路結構簡單，目前已在電力參數測量裝置中有廣泛的應用。
3.3 看門狗定時器
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)，結構簡單，功能豐富，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和準確度。
4?配變監(jiān)測系統(tǒng)軟件
監(jiān)測軟件采用通用編程工具開發(fā)，靈活性好、針對性強，可以對采集來的現場數據和實時數據進行分析、處理、保存、入庫，制作輸出報表、繪制各種曲線、從而實現整個系統(tǒng)的遠程監(jiān)測。界面友好、操作簡單方便，真正實現了高效率和辦公自動化。系統(tǒng)的網絡數據庫使網絡化管理變得簡單易行。該系統(tǒng)可以實現如下功能：
a.?數據監(jiān)測功能。自動接收和處理配電變壓器綜合參數測量與計量裝置發(fā)送過來的三相電壓、三相電流、每相的有功功率，三相的總有功功率、三相的總無功功率、功率因數、線路的三相總累計電量等數據，并把其存入網絡數據庫中。
b.?顯示功能。系統(tǒng)可以針對某一配電變壓器的某一同類參量自動繪制出其趨勢曲線，直觀的反映出各配電變壓器的運行情況，曲線可以任意放大、縮小和拖動。
c.?報警功能。在配電變壓器運行時，當某一電參量超出其設定范圍，系統(tǒng)會自動報警，并把其故障內容存入數據庫。報警方式為窗口提示報警和短消息報警。窗口提示報警是當檢測到故障后，系統(tǒng)自動彈出故障窗口，只有在人工手動干預下方可解除。而短消息報警，則是在故障時，以短消息的方式把故障內容發(fā)送到主要負責人的手機上。
d.?數據庫查詢功能。操作員可以設置不同的查詢條件從數據庫中獲得各種歷史數據，顯示這一時刻的某一配電變壓器的運行參數。數據庫可方便的維護，數據庫采用SQL Server 網絡數據庫，可對各種數據進行分析，并可在權限范圍內實現局域網或遠程數據共享。
e.?統(tǒng)計報表功能。系統(tǒng)可以針對某一配電變壓器自動做出日報表、月報表、年度報表等匯總統(tǒng)計，報表可按照用戶要求定制，直接進行預覽、打印。
圖3是監(jiān)測管理系統(tǒng)的部分軟件界面：
4.2?系統(tǒng)主要特點
- ?實時通信。通過GPRS網絡，管理中心可以實時接收數據，通過數據分析，可以及時發(fā)現終端設備的異常現象，并做出相應的處理。
- ?適用范圍廣。由于GSM網絡覆蓋范圍廣，開通GPRS業(yè)務的地區(qū)越來越多，上網方便，基于GPRS的數據采集系統(tǒng)在各種地理條件惡劣的地區(qū)也可以開通。
- ?運行費用低。GPRS按流量計費，對配變監(jiān)測系統(tǒng)而言，運行費用非常低，用戶還可以根據自己的實際情況，自主選擇按流量計費或包月制計費。
5．結論
本文所論述的基于GPRS通信的配變監(jiān)測系統(tǒng)，解決了配變監(jiān)測的信道“瓶頸”。該系統(tǒng)已經得到了實際應用，大大降低了系統(tǒng)運行成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻：
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