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
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服務的設備與安裝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構成時間電路，以儲存芯片628128構成歷史數(shù)據(jù)保存電路，以X25045構成程序運行監(jiān)視定時器電路，以CPLD EPM7128構成最小系統(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，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)控中心在設計時采用多線程多任務并發(fā)技術。采用兩個循環(huán)的任務線程用于調(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，若有任務，則將任務代號賦給調(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，如果有， 則開始一個新線程以建立連接，連通后執(zhí)行任務并自動斷開連接。
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)服務業(yè)務的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：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)行用戶預設任務。如果是手動連接則等待用戶輸入實時任務，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)在預設任務完成后會自動發(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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