GSM/GPRS通信在配電自動化系統中的應用

2020-11-30 電子產品世界

摘　要：本文利用GSM和GPRS通信的突出優點，將其分別應用於配電自動化系統，提出了兩套切實可行的配電參數遠程監控系統的實現方案。
關鍵詞：GSM/GPRS；配電自動化；UDP；串口通訊；監控系統

引言
配電網通信有終端節點多而分散、通信距離長、每個終端的數據量小等特點。傳統的配電網通信一般都採用光纖、電力線載波，屏蔽雙絞線等介質的通信方案。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通信的突出優點，將其分別應用於配電自動化系統，提出了兩套配電參數遠程實時監控系統的實現方案。通過實踐檢驗，可作為配電自動化中一個重要的組成部分。

系統結構
圖1將GSM與GPRS兩套方案都表示出來。監控中心由一個乙太網組成。其中資料庫伺服器上安裝Microsoft SQL Server 2000，客戶機安裝監控中心軟體。一臺客戶機可帶多臺Modem且並時工作。方案一：監控中心可安裝GSM Modem或電話線撥號Modem與安裝GSM Modem的監測終端通信。方案二：監控中心可安裝GPRS Modem或網卡等支持其他ISP服務的設備與安裝GPRS Modem的監測終端通信。

監測終端
監測終端採用廣東歐宇公司的EU2506，它由單片機最小系統、GSM/GPRS Modem、電力參數採集模塊和溫度採集模塊等四部分組成。其中，單片機最小系統以89C52為核心，以時鐘晶片DS12887構成時間電路，以儲存晶片628128構成歷史數據保存電路，以X25045構成程序運行監視定時器電路，以CPLD EPM7128構成最小系統接口器件協調控制電路；GSM/GPRS Modem採用Siemens公司的TC35或MC35；電力參數採集模塊以80C196單片機為核心；溫度採集模塊採用ABB公司W2000鉑電阻Pt100和TR204-Ex溫度變送器。

信息採集內容
常規遙測信息量：在配電自動化系統中，遙測信息以採集電流信息和電壓信息為主。本項目對正常狀態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等參數進行監測。當監測終端接到監控中心的問詢命令時，即發送遙測量。
遙測信息量與遙控信息量：監測終端具有四路遙測和三路遙控，可以遠程監測和控制配電變壓器的開關量信息，還可以根據需要組合檔位進行有級的遙調。
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：監測終端的運行參數，可在監控中心方便地查詢和下載。

規約制訂
設計了問詢和數據主動上傳兩種方式相結合的規約。以Modbus規約為基礎，通信幀格式(見表1)：報頭用於標識不同版本的規約，監測終端號用於唯一標識監測終端，系統可容納65536臺監測終端。功能碼用於標識本通信幀的內容。

通信機制的設計
 問詢式通信：用於查詢常規數據。為了最大限度的提高用戶操作的靈活度和方便度，採用了手動調度和自動調度結合的靈活方式。監控中心在設計時採用多線程多任務並發技術。採用兩個循環的任務線程用於調度，一個線程用於監測是否有到達預定時間的調度任務，若有任務，則將任務代號賦給調度線路下的所有變壓器。另一個線程用於循環監測每臺變壓器是否有調度任務，如果有， 則開始一個新線程以建立連接，連通後執行任務並自動斷開連接。
主動上傳式通信：用於報警操作，監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，主動連接監控中心，上傳報警數據，或者將報警信息通過短消息發送到用戶設置的手機號碼上。
GSM通信的具體實現
每臺GSM Modem都必須插入一張開通帶有被叫數據服務業務的SIM卡，監控中心的最小化配置包括一臺安裝有資料庫系統和監控中心軟體的PC機，一臺兼容Hayes標準AT指令集的GSM Modem。系統支持多臺Modem並行工作以保證系統數據的及時傳送。
以監控中心與監測終端的一次連接為例，操作流程如圖2所示。
(1)初始化：監控中心在進行連接之前，先檢測所有GSM Modem的狀態,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控中心軟體的同時會完成，但之後可能會中途卸裝Modem引起Modem狀態變化，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：搜索空閒的Modem，對其發送撥號命令「ATDT＋檢測終端Sim卡號碼」，然後系統會直接或間接地通過GSM網絡與監測終端握手。握手成功後，建立通信線路，Modem返回31 0D的結果碼給監控中心計算機，Modem進入聯機狀態。由此時起，計算機發送的命令幀將直接傳至監測終端的數據幀接收緩衝區；如果握手不成功，Modem返回33 0D以提醒系統重撥。重撥三次不通判為該次撥號失敗。
(3)執行任務：監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，在執行之後又會進入等待狀態。
(4)斷開連接：如果是自動連接，系統在預設任務完成後會自動發送斷開連接命令；如果是手動連接，系統會在線等待用戶輸入斷開連接指令，如果三分鐘內沒有任何用戶指令下達，系統將自動斷開連接以節省資源。斷開連接時，系統先發送「＋＋＋」命令使Modem從聯機狀態切換為命令狀態，再發送「ATH0」掛斷Modem。
GPRS通信的具體實現
監控中心必須擁有一個固定IP，以便監測終端可以在登陸GPRS網絡後通過該IP找到監控中心。有兩種方式可以實現，一是監控中心向移動公司申請APN服務以獲得綁定GPRS網內IP的Sim卡；一是向中國電信申請Internet公網上的固定IP。
GPRS通信支持TCP/IP協議並採用IP包作為數據傳輸的基本單位，本方案可以採用面向連接的傳輸控制協議TCP或者無連接的用戶數據報協議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。以下著重介紹後者。UDP特別適合於配電網監測點數據量小且頻繁突發的情況。監測終端每隔20分鐘會發送IP包向監控中心註冊一次，告知其終端IP、UDP埠號、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繫。另外監測終端每隔幾分鐘發送一條實時監測數據給監控中心，保證整個系統數據能實時更新。監控中心在下達命令時同樣發送UDP包，並預留一定時間等待終端作出響應。經過測試，GPRS偶爾會出現包丟失現象，但在正常的網絡狀態下，掉包率相當低。儘管如此，為了增強配電監控系統的穩定性與數據安全性，本方案在監控中心方面設計了重發機制，若命令下達後的一定時間內沒收到終端的回覆，則判為超時並重發該命令。

系統擴展功能和其他應用場合
在獲得配電變壓器參數數據和報警信息的基礎上，可實現如下的擴展功能：報表列印和圖形曲線顯示，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，並可提供方便直觀的操作，為電力MIS系統或調度自動化系統提供資料庫共享接口。
該系統除了用於配電變壓器參數監控之外，還適合電力臺區負荷監測、防剪線、防偷電等應用場合。

結語
本文所構建的系統可以作為配電自動化系統的一個子系統，特別適用於監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展以及資費的不斷下調，該方案的實用價值與經濟價值不斷提升，已成為高性價比的解決方案。■

參考文獻
1 陳堅，孫志月. Modem通信編程技術. 西安電子科技大學出版社. 1998
2 李華,李學雲. 現代移動通信新技術－GPRS系統. 華南理工大學出版社. 2001
3 趙長奎. GSM數字移動通信應用系統. 國防工業出版社. 2001

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