基于CDMA通信的配電監(jiān)控系統(tǒng)
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摘要：本文提出了一種基于CDMA的配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原理和實現(xiàn)方案，簡要介紹了CDMA技術(shù)的基本知識，描述了CDMA無線傳輸應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控的實現(xiàn)方法。通過實際應(yīng)用，獲得了理想的效果。
一、前言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)的自動化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。中低壓配電網(wǎng)作為輸配電系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，其實現(xiàn)自動化的程度與供用電的質(zhì)量和可靠性密切相關(guān)。為此，本文特對中低壓配電網(wǎng)自動化的必要性及其實現(xiàn)方案作簡單的討論。
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)是整個配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要組成部分。因此，對其運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是必要的。本文討論利用CDMA作為通信手段，建立配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)。
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(diǎn)費(fèi)以外，平時運(yùn)行無需額外費(fèi)用；缺點(diǎn)是受地形、氣候的影響較大，造成系統(tǒng)的可靠性、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(diǎn)是按條收費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)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，但是施工成本投入大、擴(kuò)展性差、設(shè)備維護(hù)方面不方便。而CDMA通信則避免了以上問題。
碼分多址CDMA是一種新無線數(shù)據(jù)傳數(shù)業(yè)務(wù)，目的是給用戶提供高速無線IP或X.25服務(wù)。
CDMA理論帶寬可達(dá)171.2Kbit/s，實際應(yīng)用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。CDMA采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用。CDMA允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。CDMA永遠(yuǎn)在線，按流量計費(fèi)，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點(diǎn)多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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(qiáng)功能的開放式平臺和運(yùn)行在該平臺的多個相對獨(dú)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(kuò)充的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)?；A(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(jī)界面、實時環(huán)境應(yīng)用程序等基礎(chǔ)服務(wù)?；诨A(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(jī)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)。
CDMA配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示，系統(tǒng)分為四個部分，分別是監(jiān)控中心主站、網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器、CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控終端設(shè)備。主站主要完成人機(jī)交互工作；網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器主要負(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)；CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端完成信息的上送與下發(fā)；監(jiān)控終端設(shè)備主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。
本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器可采用ADSL、LAN等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP或者公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)，出于安全性考慮，監(jiān)控中心主站在局域網(wǎng)中，不直接連在INTERNET網(wǎng)上，通過網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器來負(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)。
CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端上電后，它會根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址或者是域名來主動訪問網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器，通過代理服務(wù)器和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路。監(jiān) 控中心主站本身維護(hù)接入的每個終端的IP地址和ID號，當(dāng)主站要向某個監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù)IP地址和ID號來找到對應(yīng)的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應(yīng)后通過GRPS數(shù)據(jù)傳輸終端把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器端口，通過端口影射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個應(yīng)答式的通訊流程。
以上方式是通過Internet實現(xiàn)的，這樣用戶的實現(xiàn)成本比較低。如需要高可靠性數(shù)據(jù)傳輸。中國聯(lián)通為這種應(yīng)用提供了直接接入CDMA網(wǎng)絡(luò)的方式。監(jiān)控中心主站通過專線方式直接接入CDMA聯(lián)通基站，并獲得一個固定的IP地址。監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)無需路由到Internet網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測點(diǎn)DTU也采用固定IP地址的SIM卡。采用這種方式組成點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)具有實時性好、安全性高的特點(diǎn)，但接入費(fèi)用相對較高。
三、監(jiān)控終端
該監(jiān)測系統(tǒng)采用的配電綜合監(jiān)測儀是根據(jù)電力需求側(cè)管理技術(shù)要求和配變負(fù)荷監(jiān)測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、制造的一種高科技產(chǎn)品。它采用高精度數(shù)字采樣處理技術(shù)，集數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、通訊等多功能于一體，并可通過后臺軟件將儲存記錄的數(shù)據(jù)以圖表或報表的形式顯示、打印和分析。其科技領(lǐng)先，功能強(qiáng)大、可靠性高，可廣泛應(yīng)用于配電自動化系統(tǒng)的監(jiān)測。其主要功能有：
基本測量參數(shù)：
三相電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、四象限電能、環(huán)境溫度等九類，三十多個參數(shù)。
技術(shù)參數(shù)：
1）額定技術(shù)參數(shù)
額定電壓 Un： 100V
額定電流 In： 5A
額定頻率 Fn： 50Hz
2）測量準(zhǔn)確度
電壓/電流/頻率： 0.2級
功率因數(shù)/有功功率/無功功率： 0.5級
有功電量/無功電量： 1.0級
3）內(nèi)置閃存容量
存儲容量：1024k字節(jié)，可實現(xiàn)連續(xù)84日用電數(shù)據(jù)記錄（每15分鐘記錄一次）
4）精度
電壓/電流/頻率： 0.2級
功率因數(shù)/有功功率/無功功率： 0.5級
有功電量/無功電量： 1.0級
5）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定
裝置的CT、PT變比
數(shù)據(jù)存儲間隔
系統(tǒng)時鐘
LCD對比度
過壓參數(shù)
欠壓參數(shù)
過流參數(shù)
四、CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端
CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端實現(xiàn)監(jiān)控中心主站與監(jiān)控終端的通訊。本系統(tǒng)中采用SARO6530P CDMA DTU。該DTU功能與特點(diǎn)如下：
A、功能
標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令界面,方便程序設(shè)計；
TCP/IP Internet 內(nèi)嵌的協(xié)議棧，輕松互連；
RS232接口方式，更加簡便的通訊方式；
可通過串口升級程序。
B、性能
使用低功耗高性能的CPU 做處理器，16位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，128KBSRAM，512KBFLASH，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)；
支持全透明及幀格式數(shù)據(jù)傳輸；
支持TCP、IP、PPP、ICMP、UDP、TELNET、HTTP 協(xié)議棧；
一個符合ISO7816-3IC 卡標(biāo)準(zhǔn)的UIM 卡座，支持符合GSM11.11 和GSM11.10，規(guī)范UIM 卡；
簡化的接口設(shè)計，使用通用的232 接口和簡單的AT 命令交互界面；
供了更方便的電源接口，即可使用外掛電源。又可從串口直接取電；
整機(jī)功耗小于3W；
完善了CDMA 網(wǎng)絡(luò)中所出現(xiàn)的假撥號，掉線自動重啟，遠(yuǎn)程喚醒等功能；
支持遠(yuǎn)程控制及動態(tài)域名解析；
同時更具嵌入式系統(tǒng)要求，可提供內(nèi)置式模塊（不帶外殼，可通過插針與嵌入式直接系統(tǒng)相連）。
同時還有軟硬件雙重看門狗，在DTU不能正常工作時，能夠自動斷電復(fù)位。
五、監(jiān)控中心主站
主站系統(tǒng)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)行的基本信息，又為功能擴(kuò)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(yù)比較差的用戶，通過系統(tǒng)對它進(jìn)行先購電后供電，并在使用電量達(dá)到某些比例時進(jìn)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(jìn)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。可設(shè)置開關(guān)合閘，開關(guān)分閘?？勺x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(jìn)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。
六、結(jié)論
實現(xiàn)我國中低壓配電網(wǎng)自動化，是提高供電質(zhì)量、用電可靠性和提高電力企業(yè)自身水平的需要,CDMA作為一種新的通訊手段，應(yīng)用在配電自動化中有很多優(yōu)點(diǎn), 基于CDMA通信的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)是一個比較有應(yīng)用前景的實現(xiàn)方案。
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