基于GPRS通訊技術的新型配變遠程監控系統
1前言
配電自動化是電力系統自動化的一個重要方面。配電自動化系統具備兩大基本功能：(1)故障處理功能；(2)遠方實時監控功能［1］。配變屬于配電網的重要組成部分，位于配電自動化的底層，對配變的各種運行參數的實時監控是配電自動化系統的一個重要方面。
本文提出了一種基于GPRS網絡的配變遠程監控系統的設計方案，解決了配變參數遠程傳輸問題，實現實時數據采集和實時負荷監測的功能。并基于ARM控制器設計了一種先進的配變監測器，為電力部門的專業分析(如負荷預測、線損分析、故障判斷、用電質量等)提供實時數據，進而提高了配電網運行的經濟性和安全性。當配變發生故障或異常運行時，配變監測器可以迅速地報警，監控中心可以及時地優化處理，保證配電網的正常運行，實現良好的經濟效益和社會效益。
2GPRS技術介紹
2.1GPRS的技術優勢
GPRS（general packet radio service）通用分組無線業務，是在GSM全球移動通信系統網絡之上發展起來的，為用戶提供高速的分組數據業務的一種新的網絡。GPRS技術是當今GSM網向3G移動數據通信網絡過渡的關鍵技術，與GSM通信相比具有許多新的特點和優點［2，3］。
（1）頻譜效率高
在GSM無線系統中，無線信道非常寶貴。GPRS引入了分組交換的傳輸模式，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。同時，GPRS用戶的計費以通信的數據量為主要依據。
（2）傳輸速率高
在理論上，GPRS可以將最多8個時隙組合在一起，給用戶提供高達171.2kB/s的帶寬，從14.4kB/s到171kB/s，增大了10倍的傳輸速度，保證了更大數據的傳輸及更快的因特網接入。
（3）接入時間短
分組交換接入時間縮短為少于1s，能提供快速即時的連接。
（4）支持IP協議和X.25協議
GPRS支持因特網上應用最廣泛的IP協議和X.25協議。GSM網絡覆蓋面廣，使GPRS能提供Internet和其它分組網絡的全球性無線接入。
（5）網絡安全性高
GPRS網絡傳送數據采用隧道技術。隧道協議將其他協議大數據包重新封裝后通過隧道發送傳輸到特定地址，從而屏蔽私有網絡地址。
2.2GPRS應用于配變遠程監控系統的可行性
配變數目眾多、分布范圍廣、距離遠，傳統上依靠人工定期到現場抄讀，數據實時性、準確 性和應用性等方面都有很大不足，人工成本也比較高。現代通信技術的飛速發展為滿足上述技術要求提供了多種選擇。選擇合理的通信方式既要考慮數據傳輸的實時可靠性，又要考慮配變監控系統通信網絡構建的經濟性。
配變監測管理系統中通信數據主要有兩類：一類是周期性的召測數據，如配變定點時刻的運 行數據；另一類是突發性的數據，如配變終端的報警信息。這兩類數據規模都不大，每幀數據遠小于1kB，GPRS網絡的帶寬完全可以滿足傳輸要求。同時，為保證越限報警等類突發性數據的實時傳輸，還要求配變終端時刻在線，GPRS網絡信道共享的特點和按流量計費方法從技術上和經濟上均可以保證配變監測終端時時在線。
按通信傳輸介質劃分，現代通信技術大致可以分為有線通信方式（如光纖、電纜）和無線通信方式。在配變監控應用場合中，有線通信鋪設復雜、維護困難、成本較高［4］；采用GPRS通信技術則可直接利用覆蓋全國的中國移動GPRS網絡，可以極大節省投資、充分利用現有資源、接入快速、維護簡單、環保節能。
因此，在配變遠程監控系統中采用GPRS無線通信網絡是實現配變參數實時且可靠傳輸的理想選擇。
2.1GPRS的技術優勢
GPRS（general packet radio service）通用分組無線業務，是在GSM全球移動通信系統網絡之上發展起來的，為用戶提供高速的分組數據業務的一種新的網絡。GPRS技術是當今GSM網向3G移動數據通信網絡過渡的關鍵技術，與GSM通信相比具有許多新的特點和優點［2，3］。
（1）頻譜效率高
在GSM無線系統中，無線信道非常寶貴。GPRS引入了分組交換的傳輸模式，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。同時，GPRS用戶的計費以通信的數據量為主要依據。
（2）傳輸速率高
在理論上，GPRS可以將最多8個時隙組合在一起，給用戶提供高達171.2kB/s的帶寬，從14.4kB/s到171kB/s，增大了10倍的傳輸速度，保證了更大數據的傳輸及更快的因特網接入。
（3）接入時間短
分組交換接入時間縮短為少于1s，能提供快速即時的連接。
（4）支持IP協議和X.25協議
GPRS支持因特網上應用最廣泛的IP協議和X.25協議。GSM網絡覆蓋面廣，使GPRS能提供Internet和其它分組網絡的全球性無線接入。
（5）網絡安全性高
GPRS網絡傳送數據采用隧道技術。隧道協議將其他協議大數據包重新封裝后通過隧道發送傳輸到特定地址，從而屏蔽私有網絡地址。
2.2GPRS應用于配變遠程監控系統的可行性
配變數目眾多、分布范圍廣、距離遠，傳統上依靠人工定期到現場抄讀，數據實時性、準確 性和應用性等方面都有很大不足，人工成本也比較高。現代通信技術的飛速發展為滿足上述技術要求提供了多種選擇。選擇合理的通信方式既要考慮數據傳輸的實時可靠性，又要考慮配變監控系統通信網絡構建的經濟性。
配變監測管理系統中通信數據主要有兩類：一類是周期性的召測數據，如配變定點時刻的運 行數據；另一類是突發性的數據，如配變終端的報警信息。這兩類數據規模都不大，每幀數據遠小于1kB，GPRS網絡的帶寬完全可以滿足傳輸要求。同時，為保證越限報警等類突發性數據的實時傳輸，還要求配變終端時刻在線，GPRS網絡信道共享的特點和按流量計費方法從技術上和經濟上均可以保證配變監測終端時時在線。
按通信傳輸介質劃分，現代通信技術大致可以分為有線通信方式（如光纖、電纜）和無線通信方式。在配變監控應用場合中，有線通信鋪設復雜、維護困難、成本較高［4］；采用GPRS通信技術則可直接利用覆蓋全國的中國移動GPRS網絡，可以極大節省投資、充分利用現有資源、接入快速、維護簡單、環保節能。
因此，在配變遠程監控系統中采用GPRS無線通信網絡是實現配變參數實時且可靠傳輸的理想選擇。
3配變遠程監控系統的方案設計
3.1配變遠程監控系統的組成及VPN接入方式
配變遠程監控系統主要由配變監測器、公共GPRS網絡、移動部門通信終端、電力系統內部通信中心服務器（監控中心）、電力系統內部客戶端等組成。其系統結構的框圖如圖1所示。
3.1配變遠程監控系統的組成及VPN接入方式
配變遠程監控系統主要由配變監測器、公共GPRS網絡、移動部門通信終端、電力系統內部通信中心服務器（監控中心）、電力系統內部客戶端等組成。其系統結構的框圖如圖1所示。
配變監測器主要是對配變的各種實時參數進行采集和處理，并可以按照監控中心的指令進行一定的保護操作。公共GPRS網絡、移動部門通信終端、電力系統內部通信中心服務器組成了整個系統上行和下行數據的通信通道。電力系統內部客戶端主要功能有：登錄查詢配變的實時參數、分析電網的負荷和修改配變參數等功能。考慮到電力部門行業的特殊性，接入監控中心的數據必須是安全可靠的，同時要能快速的傳輸采集的數據，以滿足數據的實時性。直接向移動部門租用專線可以滿足電力系統的以上要求，但是這會需要大筆的費用，同時電力部門網絡的可擴展性也會大大降低。因此，綜合考慮以上因素，在監控中心采用虛擬數據專用網絡VPN（virtual private network）從GPRS網絡接入數據。VPN是采用隧道技術以及加密、身份認證等方法，在公共網絡上構建企業網絡的技術。VPN采用公共網絡傳輸企業數據。通過實施隧道交換，可以區別用戶身份，從而采用不同的傳送優先級進行任務處理，用公用網絡中的高速部分來處理企業的數據。VPN是一種可靠且經濟的數據接入方式，可以滿足應用于電力系統的要求。
3.2基于B/S結構的配變監控中心內部網絡實現及優點
本配變監控中心內部網絡結構基于B/S結構，在整個網絡采用TCP/IP協議。其結構如圖2所示。
3.2基于B/S結構的配變監控中心內部網絡實現及優點
本配變監控中心內部網絡結構基于B/S結構，在整個網絡采用TCP/IP協議。其結構如圖2所示。
B/S結構即Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構是一種在傳統C/S結構上做了很大改進的新型結構，其最顯著的特點是一部分事務邏輯在前端實現，主要事務邏輯在服務器端實現，用戶界面完全通過Web瀏覽器實現，形成所謂的“數據庫服務器/WW W應用服務器/Web瀏覽器”三層結構。
配變監控中心內部網絡是電力企業利用現有的內部網絡硬件、軟件和服務器建立的電力企業 內部專用網絡，用戶端采用標準的Web瀏覽器，無需另外重新開發軟件。本網絡歸配變監控中心使用，對用戶有嚴格的權限控制，能夠實時反映配變的運行參數，監控中心內部用戶除了查詢數據庫之外，根據不同的權限范圍還可以增加、修改和刪除數據庫的內容。基于B/S結構的配變監控中心內部網絡與以往的配變監控網絡相比具有以下優點：
（1）用戶使用統一的Browser軟件，用Web瀏覽器即可獲得復雜專用軟件才能實現的強大功能（獲得配變各種參數和監視配變運行的狀態），這不僅節約了系統開發成本，還有利于監控中心軟件的體系結構的合并；
（2）B/S模式提供了一個統一的客戶端，使網絡應用不再與具體的客戶環境相關，無需再關心客戶端的維護，維護工作基本上集中于服務器端，大大提高了系統維護的效率；
（3）通過設置防火墻與Internet連接，大大提高了監控中心內部網絡的安全性；
（4）TCP/IP、HTTP的標準性使采用B/S結構的配變遠程監控系統可以直接接入In ternet，具有良好的擴展性。
配變監控中心內部網絡是電力企業利用現有的內部網絡硬件、軟件和服務器建立的電力企業 內部專用網絡，用戶端采用標準的Web瀏覽器，無需另外重新開發軟件。本網絡歸配變監控中心使用，對用戶有嚴格的權限控制，能夠實時反映配變的運行參數，監控中心內部用戶除了查詢數據庫之外，根據不同的權限范圍還可以增加、修改和刪除數據庫的內容。基于B/S結構的配變監控中心內部網絡與以往的配變監控網絡相比具有以下優點：
（1）用戶使用統一的Browser軟件，用Web瀏覽器即可獲得復雜專用軟件才能實現的強大功能（獲得配變各種參數和監視配變運行的狀態），這不僅節約了系統開發成本，還有利于監控中心軟件的體系結構的合并；
（2）B/S模式提供了一個統一的客戶端，使網絡應用不再與具體的客戶環境相關，無需再關心客戶端的維護，維護工作基本上集中于服務器端，大大提高了系統維護的效率；
（3）通過設置防火墻與Internet連接，大大提高了監控中心內部網絡的安全性；
（4）TCP/IP、HTTP的標準性使采用B/S結構的配變遠程監控系統可以直接接入In ternet，具有良好的擴展性。
4配變監測器的設計
4.1配變監測器的硬件設計
配變監測器硬件采用了性能優越的雙CPU結構，利用ARM控制器和DSP處理器組成了典型的雙機系統。ARM控制器為中心處理器，配合配變參數采集模塊和GPRS Mode m通信模塊，通過GPRS網絡，利用VPN方式接入監控中心，將配變的實時參數（如三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電量、現場環境溫度等）傳送到監控中心供分析處理，并接收監控中心下發召測指令，從而實現實時監測的功能。配變監測器的硬件總體框圖如圖3所示。
4.1配變監測器的硬件設計
配變監測器硬件采用了性能優越的雙CPU結構，利用ARM控制器和DSP處理器組成了典型的雙機系統。ARM控制器為中心處理器，配合配變參數采集模塊和GPRS Mode m通信模塊，通過GPRS網絡，利用VPN方式接入監控中心，將配變的實時參數（如三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電量、現場環境溫度等）傳送到監控中心供分析處理，并接收監控中心下發召測指令，從而實現實時監測的功能。配變監測器的硬件總體框圖如圖3所示。
（1）主處理模塊
a.主處理器采用的S3C44B0X芯片是三星公司生產的基于32位的ARM7系列的AR M7TDMI內核的SOC，它是目前應用很廣的嵌入式RISC處理器。ARM是Advanc ed RISC（reduced instruction set computer）Machines的簡稱。ARM技術是近年來十分流行的一項技術，ARM芯片高性能與靈活性相統一，靈活的微控制器與DSP的數據處理能力相結合，提供擴充的增強的固定長的16/32位的雙指令集［5］。S3C44B0X集成片上資源有：8 kB緩存的2.5V靜態ARM7TCMICPU核；擴展內存控制器；帶有1個專用DMA通道的LCD控制器；2個DMA通道，1個帶外部請求引腳的DMA通道；1個I2C總線 控制器；5個PWM定時器及1個內部定時器；看門狗定時器；71個通用I/O口，8個外部中斷源；8個10位ADC。
b.閃速存儲器和EPROM類似，可用電擦寫，使用方便而且壽命很長，系統中選用的是1M x 16 bit的Flash SST39VF160。
c.2片4M x 16 bit的SDRAM組成4M x 32 bit的memory，本系統中采用32位總線。
d.1片電源芯片TPS767D301和1片復位芯片IMP811。
（2）GPRS通信模塊
GPRS通信模塊用的是SIEMENS TC45。蜂窩通信引擎TC45是Siemens在2004年推出的新一代GSM通信模塊。TC45模塊功能框圖如圖4所示，從功能分析主要由5部分組成［6］：GSM控制器(GSM controller)，GSM射頻部分(GSM RF Tra nsceiver，RF power amplifier，RF frontend Antenna connector)；電源ASIC(Appli cation Speciffic Intergrated Circuit)；Flash；SRAM及應用接口(Application interface)。
TC45模塊的主要特性和技術指標：①支持雙重波段EGSM900，GSM1800；②采用GPRS分時復用的Class 8的標準，支持語音、數據、短消息和傳真服務，適應GSM Phase2/2+標準；③內置TCP/IP協議棧；④支持JAVA編程；⑤單電源使 用；⑥低功耗，處于睡眠狀態時僅3.0mA電流；⑦自動波特率1 200~230 400bps，支持三種語音編碼的傳送速率；⑧支持兩種規程協議PAP(口令鑒定規程協議和CHAP (口令同步交換鑒別規程協議)，一般適合PPP連接使用。在本系統中選用此通信模塊，其內置TCP/IP協議棧可以不對GPRS模塊編寫通信協議軟件，大大降低了軟件工作量，而且其操作簡便可以加快開發進度。
a.主處理器采用的S3C44B0X芯片是三星公司生產的基于32位的ARM7系列的AR M7TDMI內核的SOC，它是目前應用很廣的嵌入式RISC處理器。ARM是Advanc ed RISC（reduced instruction set computer）Machines的簡稱。ARM技術是近年來十分流行的一項技術，ARM芯片高性能與靈活性相統一，靈活的微控制器與DSP的數據處理能力相結合，提供擴充的增強的固定長的16/32位的雙指令集［5］。S3C44B0X集成片上資源有：8 kB緩存的2.5V靜態ARM7TCMICPU核；擴展內存控制器；帶有1個專用DMA通道的LCD控制器；2個DMA通道，1個帶外部請求引腳的DMA通道；1個I2C總線 控制器；5個PWM定時器及1個內部定時器；看門狗定時器；71個通用I/O口，8個外部中斷源；8個10位ADC。
b.閃速存儲器和EPROM類似，可用電擦寫，使用方便而且壽命很長，系統中選用的是1M x 16 bit的Flash SST39VF160。
c.2片4M x 16 bit的SDRAM組成4M x 32 bit的memory，本系統中采用32位總線。
d.1片電源芯片TPS767D301和1片復位芯片IMP811。
（2）GPRS通信模塊
GPRS通信模塊用的是SIEMENS TC45。蜂窩通信引擎TC45是Siemens在2004年推出的新一代GSM通信模塊。TC45模塊功能框圖如圖4所示，從功能分析主要由5部分組成［6］：GSM控制器(GSM controller)，GSM射頻部分(GSM RF Tra nsceiver，RF power amplifier，RF frontend Antenna connector)；電源ASIC(Appli cation Speciffic Intergrated Circuit)；Flash；SRAM及應用接口(Application interface)。
TC45模塊的主要特性和技術指標：①支持雙重波段EGSM900，GSM1800；②采用GPRS分時復用的Class 8的標準，支持語音、數據、短消息和傳真服務，適應GSM Phase2/2+標準；③內置TCP/IP協議棧；④支持JAVA編程；⑤單電源使 用；⑥低功耗，處于睡眠狀態時僅3.0mA電流；⑦自動波特率1 200~230 400bps，支持三種語音編碼的傳送速率；⑧支持兩種規程協議PAP(口令鑒定規程協議和CHAP (口令同步交換鑒別規程協議)，一般適合PPP連接使用。在本系統中選用此通信模塊，其內置TCP/IP協議棧可以不對GPRS模塊編寫通信協議軟件，大大降低了軟件工作量，而且其操作簡便可以加快開發進度。
（3）數據采集模塊
配變監測器中的數據采集模塊由電壓電流高精度采樣器、高速高精度模數轉換器、高速數據處理器、實時時鐘和數據接口設備組成。其功能方框圖如圖5所示。
數據采集模塊以高速數據處理器ADSP2183為核心，主要完成對配變運行時各實時參數的采集，實時監視配變的運行狀況。
本模塊針對從現場經互感器及傳感器過來的信號進行濾波、放大、采樣/保持、A/D轉換等處理，其中數據采樣轉換時間為10μs，轉換精度為12位，保證了系統對配變運行數據的實時和高精度的要求。
配變監測器中的數據采集模塊由電壓電流高精度采樣器、高速高精度模數轉換器、高速數據處理器、實時時鐘和數據接口設備組成。其功能方框圖如圖5所示。
數據采集模塊以高速數據處理器ADSP2183為核心，主要完成對配變運行時各實時參數的采集，實時監視配變的運行狀況。
本模塊針對從現場經互感器及傳感器過來的信號進行濾波、放大、采樣/保持、A/D轉換等處理，其中數據采樣轉換時間為10μs，轉換精度為12位，保證了系統對配變運行數據的實時和高精度的要求。
4.2基于GPRS的配變遠程監控系統在電力系統中應用的優勢
（1）可靠性高
配變遠程監控系統的可靠性包括現場配變運行可靠和實時數據傳輸可靠。配變監測器的硬件 設計中采用了看門狗（WATCHDOG）設計，對主CPU和電源狀態進行監測，從而保證程序正常運行，不會跑飛導致系統崩潰。
配變監測器通過GPRS網絡和配變監測中心進行通信，而在接入Internet時采用的是VPN接入方式。VPN的安全性主要體現在：①網絡接入層安全；②終端的合法性安全；③數據在GPRS網絡中傳輸安全；④防火墻過濾和嚴格的認證管理提供安全保障；⑤在業務數據傳輸之前對自身的應用層加密，可以確保安全。這種多層的安全保障保證了傳送到配變監控中心的實時數據是可靠的，符合電力系統安全可靠的要求。
（2）數據吞吐量大
通過GPRS網絡，配變監控中心可以采集各個配變的各種實時數據（包括正常或者異常運行），通過實時分析，可以對配變的異常作出實時的處理。而且不必要擔心數據傳輸過程中會發生堵塞。
（3）經濟性高
現在GPRS網絡建設已經很完善，覆蓋范圍越來越廣。利用本文中設計的配變監測器，可以在中國移動GPRS網絡上構造配變監控系統，即使在偏遠地區構建配變遠程監控系統也是很可行的。這是最大限度節約投資的方案。在監控系統運行過程中，由于GPRS網絡按流量計費，比較其他的數據采集系統，運行費用低廉。
（1）可靠性高
配變遠程監控系統的可靠性包括現場配變運行可靠和實時數據傳輸可靠。配變監測器的硬件 設計中采用了看門狗（WATCHDOG）設計，對主CPU和電源狀態進行監測，從而保證程序正常運行，不會跑飛導致系統崩潰。
配變監測器通過GPRS網絡和配變監測中心進行通信，而在接入Internet時采用的是VPN接入方式。VPN的安全性主要體現在：①網絡接入層安全；②終端的合法性安全；③數據在GPRS網絡中傳輸安全；④防火墻過濾和嚴格的認證管理提供安全保障；⑤在業務數據傳輸之前對自身的應用層加密，可以確保安全。這種多層的安全保障保證了傳送到配變監控中心的實時數據是可靠的，符合電力系統安全可靠的要求。
（2）數據吞吐量大
通過GPRS網絡，配變監控中心可以采集各個配變的各種實時數據（包括正常或者異常運行），通過實時分析，可以對配變的異常作出實時的處理。而且不必要擔心數據傳輸過程中會發生堵塞。
（3）經濟性高
現在GPRS網絡建設已經很完善，覆蓋范圍越來越廣。利用本文中設計的配變監測器，可以在中國移動GPRS網絡上構造配變監控系統，即使在偏遠地區構建配變遠程監控系統也是很可行的。這是最大限度節約投資的方案。在監控系統運行過程中，由于GPRS網絡按流量計費，比較其他的數據采集系統，運行費用低廉。
5結語
配電變壓器通過裝設配變監測器，構建基于GPRS網絡的配變遠程監控系統，使配電網中的關鍵設備得到實時監控，符合新型遠程監控系統的發展趨勢。通過配變監測器在供電公司的安裝運行表明，本文中設計的配變遠程監控系統為配電自動化提供了一個理想的方案，它對配電系統電壓穩定、經濟運行和保證供電質量等方面具有重要意義。
配電變壓器通過裝設配變監測器，構建基于GPRS網絡的配變遠程監控系統，使配電網中的關鍵設備得到實時監控，符合新型遠程監控系統的發展趨勢。通過配變監測器在供電公司的安裝運行表明，本文中設計的配變遠程監控系統為配電自動化提供了一個理想的方案，它對配電系統電壓穩定、經濟運行和保證供電質量等方面具有重要意義。
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