基于GPRS通信的配电变压器监测系统

GPRS（GeneralPacket Radio Service）是通用分组无线业务的简称，采用的是基于GSM系统的无线高速数据分组传输技术，目前理论传输速率为115 kbps。GPRS业务于2002年7月开始在国内移动通信业推出，第一期工程在全国东部16个省的25个城市开通并进入试商用。试商用的GPRS系统能够提供传输速率为30～50 kbps的分组业务。GPRS的出现，很大程度是为多媒体、互联网通信服务，将从根本上改变原有的GSM的基于话音服务。 　　配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分。因此，对其运行参数与状态进行监测是必要的。本文讨论利用北京鼎升力创公司生产的GRPS DTU作为通信手段，建立配电变压器监测系统。 　　在配电变压器监控系统的通信中，可以采用数传电台、GSM短消息、光纤接入等方式。数传电台的优势是除了每年的频点费以外，平时运行无需额外费用；缺点是可靠性、实时性较差，无法主动上报。GSM短消息方式可以实现主动上报；缺点是按条收费，运行费用高，而且在节假日短消息中心服务器繁忙时延时相当长。光纤通信稳定可靠，但是成本投入大。而GPRS通信则避免了以上问题。 　　2　体系结构 　　GPRS基本原理是，当用户上传或下载互联网数据时，系统不是利用当时承载服务所采用的电路连接，而是利用分组将数据在网络中传送，达到多用户间对网络资源的共享，同时网络运营机构还可以最大限度地使用现有GSM设备，避免了GSM设备投资的浪费。另外，数据传送使用GPRS，而语音传送使用GSM，使下载资料和通话可以同时进行。为此，它不但可以为GPRS用户提供GSM移动电话通信的所有功能，更为突出的是为GPRS用户提供了一种更快捷，更方便，更便宜，更持久的移动上网方式。GPRS目前被认为是移动通信从第二代向第三代过渡的重要一环。 　　配电变压器综合管理系统的开发目标是建立一个安全可靠，能提供各种高级服务，并有为应用程序的执行和实施提供较强功能的开放式平台和运行在该平台的多个相对独立的应用子系统组成的系统，成为一个符合配电系统现代化管理要求的，分布式，开放式，模块化，可扩充的配电变压器综合管理系统。基础平台除提供基本的硬件技术和操作系统内核外，还提供诸如数据库系统、信息传递、人机界面、实时环境应用程序等基础服务。基于基础平台之上的各应用子系统包括：配电变压器管理，线损管理，自动抄表，VQC功能，谐波数据，购电量管理，数据查询，自动报表，图表和与其他系统的接口等。这些子系统之间在开放系统结构（OSA）基础上实现有机的横向和纵向集成，形成一个完整的配电变压器综合管理信息系统。 　　GPRS配电变压器监测系统的网络架构如图1所示，系统分为四个部分，分别是主站、前置机、GPRS协议转换器、监测终端设备。主站主要完成人机交互工作；前置机主要负责网络数据链路建立和数据收发的透明中转；GPRS协议转换器完成信息的上送与下发；监测终端设备主要完成数字量与模拟量的采集。主站和前置机是点对点连接，前置机和GPRS协议转换器是点对多连接。通讯方式上，GPRS协议转换器和前置机采用GPRS无线网络通讯，人机界面和服务器采用Internet网络通讯。 　　GPRS网络在数据链路上相当于无线IP网络。在网络上两台主机要实现直接通讯（不通过中转）的必要条件是至少有一台主机IP地址具有固定性和唯一性。由于GPRS通讯模块启动接入网络时所获得的是一个随机的IP地址，即每次启动获得的IP地址不同，同时如果将前置机和主站都安装在具有代理服务器的局域网内，该网络地址不唯一而且对外不可见，这种情况将无法进行基于连接的网络通讯。因此必须将前置机从局域网中独立出来，安装在一个具有固定IP的机器上，成为一个提供网络连接和数据收发的中转服务器。 　　前置机负责维护联入的每个终端的IP地址和RTU号，当主站向某个终端提出数据请求时，服务器根据RTU号找到对应的终端，将命令下发到该终端，终端响应后再将数据发给前置机，前置机确认该数据来源于终端后，将数据发给主站，即完成了一个应答式的通讯流程。 　　3　监控终端 　　该监测系统在应用中可以采用由北京鼎升力创技术有限公司生产的R-8205综合电量采集仪表进行各种电参数的采集。该仪表已广泛应用于低压配电线路中进行多种电气参数的测量和记录，并可作为无功补偿装置的投切控制器使用。其主要功能有： 　　（1）测量功能 　　①测量三相电流、电压、有功功率、有功电量、无功功率、功率因数； 　　②测量三相总谐波电流畸变率； 　　③测量电压合格率。 　　（2）数据记录和存贮功能 　　①记录和存贮每日三相电流、电压、有功、无功、功率因数； 　　②记录和存贮每日三相电流、电压的最大值和最小值及对应的发生时刻； 　　③记录和存贮每日三相电量； 　　④记录和存贮每日三相无功补偿电容器组投入补偿时间（单位：分钟）； 　　⑤记录和存贮的每日各类数据保留周期可分为45天，75天，120天。越限时，数据自动循环刷新； 　　⑥记录和存贮停电事件记录。 　　（3）设置、查询及显示功能 　　①支持两种参数设定形式：一种为抄表机设定，一种为面板直接设定； 　　②面板参数设定内容包括：CT变比，起用时间（年、月、日、时、分），预置电容器组投切的无功上、下限，投切装置的手动、自动切换，电压门限。 　　4　协议转换器 　　GPRS协议转换器实现控制主站与终端子站的通讯。图2为GPRS协议转换器构成图。三个通信端口分别为：第一个RS232口是信号接入口，直接接终端设备；第2个RS232口接GPRS模块；第三个RS232口为调试端口，与计算机连接进行调试。3个RS232口的波特率可自行设置。 GPRS协议转换器可通过编程设置其工作方式。主要实现两种工作方式： 　　（1）透明转发实现数据的透明转发，将RS232口收到的数据直接通过GPRS无线网络发送； 　　（2）IEC 870－5－101规约的转发　发送端将RS232口传来的数据依据101规约的格式进行解释和校验，假如不是101规约格式，则不再发送。 　　该转换器主程序运行在一个嵌入式处理器中。程序运行时不断监测两个串口，如果终端有数据，则通过GPRS端透明转发出去，反之亦然。处理器启动时自动连接主站服务器，连接成功后主动上送一条包括本机IP地址和RTU号的报文。程序运行过程还实现了看门狗程序，当程序处在不明状态时处理器便会重新启动，程序重新置位。 　　5　前置机与主站 　　主站系统如图3。最里面层为操作系统及系统软件。第二层为系统支持软件层，包括数据库系统、电力系统模型、数据采集和传输。电力系统模型主要指电力系统设备对象化及网络拓扑；数据库系统分运行库、基础库、标准库和历史库四部分；数据采集和传输就是将各种数据从不同的终端根据各种通讯协议采集过来，但并不进行处理，再通过网络分发给需要这些数据的系统。第三层为基础应用层，将采集过来的数据经过各种处理，通过GUI界面显示给用户。第四层为高级应用层，它所产生的数据主要是供电力系统进一步管理和决策用。 上位软件主要完成以下功能： 　　（1）配电变压器SCADA系统　变压器运行监控，变压器异常情况监控，数据的分析、处理和存盘，RTU的参数设置及状态显示。既能获得配电网运行的基本信息，又为功能扩充提供很好的基础。 　　（2）自动抄表系统　根据设定的时间自动抄录配电变压器和用户的电度数。并具有电表异常告警，跟踪抄表记录和操作记录等辅助功能。 　　（3）用户购电量管理　对于信誉比较差的用户，通过系统对它进行先购电后供电，并在使用电量达到某些比例时进行警告。 　　（4）线损管理　主要是台区线损管理和线路线损管理。 　　（5）配电设备管理　主要是配电线路和配电变压器等设备的管理。 　　（6）终端错误智能识别　终端错误分为通讯恢复，通讯中断（某一终端连续三次召测不到），终端无线错误（一天连续十次召测不到），无线中断（连续有三十个终端召测不到）。 　　（7）负荷预测　通过计算主站和分站所有台区的总有功功率总加值来初步预测下一阶段的负荷情况。 　　（8）电容器投切　根据电压和功率因数就地进行调节，调节时考虑时间因素和投切次数。在就地调节失灵的情况下能够远方监视和远方控制。如果终端无调节投切功能，系统能够远方计算后控制电容器投切。 　　（9）终端操作　可以远方读取或者设置终端的参数，如变压器的整定参数等。可设置开关合闸，开关分闸。可读取或设置VQC参数。 　　（10）与营销系统数据库的接口　能方便地为营销系统提供数据源。 　　（11）采集谐波数据　通过系统能够采集用户的各次谐波含量。 　　（12）用户窃电管理　增加用户电量与功率转换为电量的比较，通过设置比例系数，来进行警告，比如当有功功率产生而电量不动时，则产生警告。 　　6　结论 　　GPRS作为一种新的通讯手段，有很多优点。将其应用于配电变压器的监测系统，并取得成功。实践证明，该体系在非实时监控系统中有较强的推广价值。今后应在提高数据传输的可靠性和对数据进行更有效的安全加密方面作进一步研究。