配电线损在线监测系统通信方式的研究

作者：赵东艳 赵羡龙

欢迎访问e展厅 展厅 6 配电输电设备展厅 电力电缆, 电气控制柜, 配电箱, 电抗器, 断路器, ... 摘要：本文介绍了嵌入式IP、通用分组无线业务（GPRS）技术在配电线损在线监测系统中的应用，并从硬件平台和软件实现方面阐述了相关的技术及实现方法。强调了在现场多种通信方式综合使用的优点，为电力企业提供了更多、更实际的解决方案。 关键词：通信方式、通用分组无线业务（GPRS）、嵌入式IP、配电线损在线监测系统 一、 引言 配电线损在线监测系统是一个集电能量及相关数据采集、传送和应用于一体的计算机信息系统。采集信息主要包括1）、实时数据：电压、电流、功率、功率因数、电量、报警值等，其中报警值一旦发生，可立即从采集终端主动上报给系统主站；2）历史数据：对处理过的实时数据的备份及其它一些统计数据（如最大、最小值、累计值等）、历史事件记录、计算数据（如负荷不平衡率、电压合格率等），此类数据量大，保存时间长，可靠性要求高；3）、管理数据：数据采集终端信息、厂站信息、通道信息、表计信息等，此类数据稳定，容量不大，易于管理。对于众多数据的传送，选择可靠、稳定、容量大、实时在线的通信方式是系统实现的先决条件。 随着现代通信技术的发展，网络技术特别是基于TCP/IP通信协议的因特网技术得到了广泛的应用和普及。IP网络数据传输通道容量大、传输速率高、可靠性高，实时性高，因而是配电网数据传送的优选通道。 二、 配电线损在线监测系统结构 配电线损在线监测系统主要采集各个配电变电站的表计信息。配电变电站的通信条件是各种各样的，有的已经建好工业以太网，可直接利用以太网与主站进行网络数据传输；有的与主站间具备非对称数字用户环路（ADSL），可利用宽带接入与主站进行网络数据传输；有的与主站间没有通信线路连接，但变电站处于移动网络覆盖范围之内，可利用通用分组无线业务（GPRS，General Packet Radio Service）技术，以无线方式与主站进行网络数据传输；有些老的变电站与主站之间的通信依靠无线数传电台，为了节约成本，在对速率没有特殊要求的情况下，可利用数传电台直接与主站进行数据通信；对于数据量不大、实时性要求不强的变电站还可利用已有电话线路进行数据通信。配电线损在线监测系统的硬件、软件设计应综合考虑各种现场情况，适应多种通信方式。数据采集终端模块化设计，具备支持电话、GSM、GPRS、ADSL、无线数传电台、工业以太网等多种通信模块，可根据现场应用情况，直接配备一种或多种通信模块；主站软件设计采用多任务管理器，可同时以不同的通信方式与多个数据采集终端进行数据交换。系统通信结构框图如图1 三、 嵌入式IP技术在采集终端中的应用 传统的网络数据通信主要是基于PC机或工作站的软硬件环境，依赖于内嵌在操作系统（如Windows NT、Windwos2000、UNIX等）中的网络协议等，多任务、多通道通信也依赖于操作系统的多任务管理。在配电线损在线监测系统主站端采用这种方式就能解决问题。而对于数据采集终端，为降低硬件成本，采用的是8位微控制器，要实现基于IP的网络数据传输、多通道数据通信，就需将IP通信协议及其它网络通信协议固化在微控制器内。要解决这一问题我们采用嵌入式模块来实现。所谓嵌入式模块就是将应用程序开发与硬件集成在一起，模块上有微处理器和各种外围芯片，应用程序部分固化在Flash中，工作方式类似于BIOS。嵌入式系统在嵌入式微处理器、外围硬件设备以及特定的应用程序支持下响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地进行，具有独立性、及时性、交互性、可靠性的特点。在数据采集终端硬件设计中选用嵌入式的核心模块，此模块提供6个串口和一个10Mbps以太网口，选择4个串口作为下行通道，可采集多种规约的三相智能表或计量模块数据，选择另外两个串口和一个以太网口作为上行通道，可接入IEC102、DL/T645规约。为了兼容电话、GSM、GPRS、ADSL、无线数传电台、工业以太网等多种通信方式，采集终端内置MODEM模块，方便不同条件的现场使用。固化在Flash中的应用程序除了具备数据采集、计算处理的功能外，运用嵌入式系统的编程思想可完成高效的实时多任务调度、中断管理、实时的系统资源利用以及实时的任务间通信，同时为了完成网络通信，将网络协议族（TCP/IP）也内嵌在应用程序中，方便实现IP方式的数据通信。 四、 GPRS技术在配电线损在线监测系统中的应用 网络数据传输是适合配电线损在线监测系统的数据传输通道，在已建成工业以太网或已具备其它网络条件的变电站上进行网络数据传输是非常方便的，但对于未有网络硬件基础的变电站，如何进行可靠、实时在线的数据传输一直以来都是一个技术难点。随着中国移动、中国联通在全国大面积范围内铺设基站，几乎神州大地的各个角落都被覆盖在移动网络范围之内，而分组无限业务（GPRS）的产生为以无线方式进行网络数据传输提供了可靠的解决方案。GPRS是通用分组无线业务的英文简称，是GSM Phase 2+阶段引入的一种基于分组的数据业务，它能够实现从空中接口到外部网络之间的分组数据传输，GPRS可以接入基于TCP/IP的外部网络和X.25网络。GPRS的主要特点是：GPRS向用户提供从9kbps到多于171.2kbps的接入速率。更为有效地利用无线资源可动态地向单个用户分配位于同一载频上的1到8个时隙。无线接口资源可根据业务流量和运营者的选择在语音和数据业务之间共享。GPRS支持上行和下行的非对称传输，更为有效地实现和IP网络的互通。GPRS从协议结构上提供了和IP网络、X.25网络的互通功能。GPRS能向用户提供Internet所提供的一切功能，GPRS对于Internet的其它组成部分来说，只是一个普通的子网。用户在拥有一个电话号码的同时将拥有一个固定的或动态分配的IP地址。GPRS用户的建立时间更短，而且GPRS是以业务流量作为收费标准。综上所述GPRS的主要优点是：1）瞬间上网——GPRS的用户一开机，就始终附着在GPRS网络上，每次使用时只需一个激活过程，一般只需2～3秒的时间就能登录至网络上；2）永远在线——GPRS由于使用了“分组”技术，只要用户的GPRS MODEM处于开机状态，就随时与移动GPRS网络保持联系；3）快速传输——采用分组交换技术，无线网络的传输速率可达到56kbps—114kbps；4）按量计费——GPRS技术是一种面向非连接的技术，用户只有在真正收发数据时才需要保持与网络的连接，因此大大提高了无线资源的利用率，用户总是在线且按流量计费，迅速降低了服务成本；5）自由切换——GPRS具有数据传输与话音传输可同时进行或切换进行的优势。 配电线损在线监测系统在不方便建立电力系统专用通道的地方采用GPRS进行无线方式的网络数据传输是非常适合的。GPRS快速的传输速率可满足系统数据采集量大的要求；GPRS的实时在线可满足系统对实时数据、报警数据的及时传送；GPRS的按流量计费可大大节省系统的运行成本，为系统的实际应用提供了可能；GPRS的自由切换在处理系统主站与终端均未有固定IP地址时起了重大的作用，一旦终端处的GPRS MODEM获得动态IP地址，立刻以GSM短消息的方式通知给系统主站，然后自动从GSM短消息状态切换到GPRS数据传输状态。GPRS在配电线损在线监测系统的具体应用中有两种模式：1）系统主站具备固定的IP地址——系统主站建立DDN专线或专用服务器或以其它方式具备固定IP地址，将IP地址设置到采集终端设备中，采集终端处的GPRS模块设置为上电后自动连接GPRS网络，连接上网络后将获得一动态IP地址，并自动将获得的IP地址以透明方式向预先设定的主站IP地址处请求建立连接，当主站对建立连接回复响应后，主站与终端便建立了透明的数据网络传输通道，就可进行数据传送。此外采集终端还应具备自动检测功能，不断检测GPRS模块是否连接在网络上，一旦发生掉线，GPRS模块能马上联网，重新获得一动态IP地址并发送到主站处，从而保证系统通信实时在线；2）系统主站只有动态分配的IP地址——系统主站以宽带ADSL或无线GPRS MODEM或其它方式以不透明方式上网可获得一动态IP地址，采集终端处的GPRS模块设置为上电后自动连接GPRS网络，连接上网络后将获得一动态IP地址，GPRS模块先切换到GSM短消息状态，以短消息的方式将获得的动态IP地址发送给系统主站，然后再自动切换到数据传输状态，系统主站连接上GPRS网络后首先通过短消息的方式查询下端各个数据采集终端的GPRS模块的IP地址，并可将此IP地址存贮，再向各个已知IP地址的数据采集终端发送连接确认命令和主站的动态IP地址，从而与采集终端建立透明的网络数据传输通道，可进行数据传输。一旦主站发生网络掉线，主站需再次上网，并将重新获得的主站动态IP地址发送给下端各个采集终端，同样当下端某个GPRS模块掉线后，也应马上重新上网，并将重新获得的动态IP地址以短消息的方式发送给系统主站，来保证系统的通信连接实时在线。 五、 结束语 本文主要阐述了嵌入式IP技术、通用分组无线业务（GPRS）技术在配电线损在线监测系统中应用的优点及具体应用方案，强调了一个良好的系统必须具备灵活性、适用性，对于不同的现场需因地制宜地配置最适合的通信方案，建立可靠、快速、稳定、经济的通信信道，从根本意义上提高系统监测管理水平，有效降低系统运行维护费用，为广大电力用户提供切实可行的解决方案。 作者简介： 赵东艳 中国电力科学研究院通信与信息技术公司工程师，主要从事配电系统自动化方面的软件开发工作。 赵羡龙 中国电力科学研究院通信与信息技术公司工程师，主要从事配电系统自动化方面的硬件开发工作。 田世明 中国电力科学研究院通信与信息技术公司高级工程师，开发部经理，主要从事配电系统自动化方面的研究工作。 通信地址：北京市清河小营东路15号 中国电力科学研究院 通信与信息技术公司 邮政编码：100085 电子邮件：doriszhao@vip.sina.com (end)

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