GSM/GPRS通信在配電自動化系統(tǒng)中的應用

摘　要：本文利用GSM和GPRS通信的突出優(yōu)點，將其分別應用于配電自動化系統(tǒng)，提出了兩套切實可行的配電參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：GSM/GPRS；配電自動化；UDP；串口通訊；監(jiān)控系統(tǒng)

引言
配電網(wǎng)通信有終端節(jié)點多而分散、通信距離長、每個終端的數(shù)據(jù)量小等特點。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)通信一般都采用光纖、電力線載波，屏蔽雙絞線等介質(zhì)的通信方案。但往往在投資成本、擴容性、維護量等方面或多或少存在缺陷。尋求可以更好的解決這些缺陷的新通信方案一直以來都是電力領(lǐng)域的重要研究方向。本文利用GSM/GPRS通信的突出優(yōu)點，將其分別應用于配電自動化系統(tǒng)，提出了兩套配電參數(shù)遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。通過實踐檢驗，可作為配電自動化中一個重要的組成部分。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1將GSM與GPRS兩套方案都表示出來。監(jiān)控中心由一個以太網(wǎng)組成。其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上安裝Microsoft SQL Server 2000，客戶機安裝監(jiān)控中心軟件。一臺客戶機可帶多臺Modem且并時工作。方案一：監(jiān)控中心可安裝GSM Modem或電話線撥號Modem與安裝GSM Modem的監(jiān)測終端通信。方案二：監(jiān)控中心可安裝GPRS Modem或網(wǎng)卡等支持其他ISP服務(wù)的設(shè)備與安裝GPRS Modem的監(jiān)測終端通信。

監(jiān)測終端
監(jiān)測終端采用廣東歐宇公司的EU2506，它由單片機最小系統(tǒng)、GSM/GPRS Modem、電力參數(shù)采集模塊和溫度采集模塊等四部分組成。其中，單片機最小系統(tǒng)以89C52為核心，以時鐘芯片DS12887構(gòu)成時間電路，以儲存芯片628128構(gòu)成歷史數(shù)據(jù)保存電路，以X25045構(gòu)成程序運行監(jiān)視定時器電路，以CPLD EPM7128構(gòu)成最小系統(tǒng)接口器件協(xié)調(diào)控制電路；GSM/GPRS Modem采用Siemens公司的TC35或MC35；電力參數(shù)采集模塊以80C196單片機為核心；溫度采集模塊采用ABB公司W(wǎng)2000鉑電阻Pt100和TR204-Ex溫度變送器。

信息采集內(nèi)容
常規(guī)遙測信息量：在配電自動化系統(tǒng)中，遙測信息以采集電流信息和電壓信息為主。本項目對正常狀態(tài)下配電變壓器的三相電壓、電流、油槽溫度，以及有功、無功、視在功率和功率因數(shù)等參數(shù)進行監(jiān)測。當監(jiān)測終端接到監(jiān)控中心的問詢命令時，即發(fā)送遙測量。
遙測信息量與遙控信息量：監(jiān)測終端具有四路遙測和三路遙控，可以遠程監(jiān)測和控制配電變壓器的開關(guān)量信息，還可以根據(jù)需要組合檔位進行有級的遙調(diào)。
報警信息量：為及時解決配電變壓器的啟/停信號報警，三相電流、三相電壓和三相油槽溫度上下限閥值的越復限報警。
特殊信息量：監(jiān)測終端的運行參數(shù)，可在監(jiān)控中心方便地查詢和下載。

規(guī)約制訂
設(shè)計了問詢和數(shù)據(jù)主動上傳兩種方式相結(jié)合的規(guī)約。以Modbus規(guī)約為基礎(chǔ)，通信幀格式(見表1)：報頭用于標識不同版本的規(guī)約，監(jiān)測終端號用于唯一標識監(jiān)測終端，系統(tǒng)可容納65536臺監(jiān)測終端。功能碼用于標識本通信幀的內(nèi)容。

通信機制的設(shè)計
 問詢式通信：用于查詢常規(guī)數(shù)據(jù)。為了最大限度的提高用戶操作的靈活度和方便度，采用了手動調(diào)度和自動調(diào)度結(jié)合的靈活方式。監(jiān)控中心在設(shè)計時采用多線程多任務(wù)并發(fā)技術(shù)。采用兩個循環(huán)的任務(wù)線程用于調(diào)度，一個線程用于監(jiān)測是否有到達預定時間的調(diào)度任務(wù)，若有任務(wù)，則將任務(wù)代號賦給調(diào)度線路下的所有變壓器。另一個線程用于循環(huán)監(jiān)測每臺變壓器是否有調(diào)度任務(wù)，如果有， 則開始一個新線程以建立連接，連通后執(zhí)行任務(wù)并自動斷開連接。
主動上傳式通信：用于報警操作，監(jiān)測終端探測到變壓器啟/停報警或者電壓、電流和溫度的上下限越復限報警時，主動連接監(jiān)控中心，上傳報警數(shù)據(jù)，或者將報警信息通過短消息發(fā)送到用戶設(shè)置的手機號碼上。
GSM通信的具體實現(xiàn)
每臺GSM Modem都必須插入一張開通帶有被叫數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)的SIM卡，監(jiān)控中心的最小化配置包括一臺安裝有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和監(jiān)控中心軟件的PC機，一臺兼容Hayes標準AT指令集的GSM Modem。系統(tǒng)支持多臺Modem并行工作以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的及時傳送。
以監(jiān)控中心與監(jiān)測終端的一次連接為例，操作流程如圖2所示。
(1)初始化：監(jiān)控中心在進行連接之前，先檢測所有GSM Modem的狀態(tài),對仍未初始化的Modem進行初始化。一般來說,初始化步驟在打開監(jiān)控中心軟件的同時會完成，但之后可能會中途卸裝Modem引起Modem狀態(tài)變化，而需要重新初始化。初始化AT命令字符串為“AT&D0&S0X0E0V0Q0S0=1S7=30”。
(2)撥號建立連接：搜索空閑的Modem，對其發(fā)送撥號命令“ATDT＋檢測終端Sim卡號碼”，然后系統(tǒng)會直接或間接地通過GSM網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測終端握手。握手成功后，建立通信線路，Modem返回31 0D的結(jié)果碼給監(jiān)控中心計算機，Modem進入聯(lián)機狀態(tài)。由此時起，計算機發(fā)送的命令幀將直接傳至監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)幀接收緩沖區(qū)；如果握手不成功，Modem返回33 0D以提醒系統(tǒng)重撥。重撥三次不通判為該次撥號失敗。
(3)執(zhí)行任務(wù)：監(jiān)控中心判斷本次連接是手動連接還是自動連接，如果是自動連接，即開始執(zhí)行用戶預設(shè)任務(wù)。如果是手動連接則等待用戶輸入實時任務(wù)，在執(zhí)行之后又會進入等待狀態(tài)。
(4)斷開連接：如果是自動連接，系統(tǒng)在預設(shè)任務(wù)完成后會自動發(fā)送斷開連接命令；如果是手動連接，系統(tǒng)會在線等待用戶輸入斷開連接指令，如果三分鐘內(nèi)沒有任何用戶指令下達，系統(tǒng)將自動斷開連接以節(jié)省資源。斷開連接時，系統(tǒng)先發(fā)送“＋＋＋”命令使Modem從聯(lián)機狀態(tài)切換為命令狀態(tài)，再發(fā)送“ATH0”掛斷Modem。
GPRS通信的具體實現(xiàn)
監(jiān)控中心必須擁有一個固定IP，以便監(jiān)測終端可以在登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)后通過該IP找到監(jiān)控中心。有兩種方式可以實現(xiàn)，一是監(jiān)控中心向移動公司申請APN服務(wù)以獲得綁定GPRS網(wǎng)內(nèi)IP的Sim卡；一是向中國電信申請Internet公網(wǎng)上的固定IP。
GPRS通信支持TCP/IP協(xié)議并采用IP包作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝?，本方案可以采用面向連接的傳輸控制協(xié)議TCP或者無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP進行傳輸。若使用前者，則通信流程與前面提到的GSM流程相似。以下著重介紹后者。UDP特別適合于配電網(wǎng)監(jiān)測點數(shù)據(jù)量小且頻繁突發(fā)的情況。監(jiān)測終端每隔20分鐘會發(fā)送IP包向監(jiān)控中心注冊一次，告知其終端IP、UDP端口號、Sim卡標識號和終端模塊號，避免因某一方的突然掉線而從此失去聯(lián)系。另外監(jiān)測終端每隔幾分鐘發(fā)送一條實時監(jiān)測數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心，保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)能實時更新。監(jiān)控中心在下達命令時同樣發(fā)送UDP包，并預留一定時間等待終端作出響應。經(jīng)過測試，GPRS偶爾會出現(xiàn)包丟失現(xiàn)象，但在正常的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，掉包率相當?shù)?。盡管如此，為了增強配電監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)安全性，本方案在監(jiān)控中心方面設(shè)計了重發(fā)機制，若命令下達后的一定時間內(nèi)沒收到終端的回復，則判為超時并重發(fā)該命令。

系統(tǒng)擴展功能和其他應用場合
在獲得配電變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)和報警信息的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)如下的擴展功能：報表打印和圖形曲線顯示，以及供電可靠率、電壓合格率、負荷率、負載率和電能損耗等配電自動化的分析功能，并可提供方便直觀的操作，為電力MIS系統(tǒng)或調(diào)度自動化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫共享接口。
該系統(tǒng)除了用于配電變壓器參數(shù)監(jiān)控之外，還適合電力臺區(qū)負荷監(jiān)測、防剪線、防偷電等應用場合。

結(jié)語
本文所構(gòu)建的系統(tǒng)可以作為配電自動化系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，特別適用于監(jiān)測點分散分布且布線距離長、難度大的情況。隨著移動通信技術(shù)的日益發(fā)展以及資費的不斷下調(diào)，該方案的實用價值與經(jīng)濟價值不斷提升，已成為高性價比的解決方案?！?/P>

參考文獻
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