基于GPRS通信的配電變壓器監測系統

2019-11-05 02:16:20

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1　引言
　　GPRS（GeneralPacket Radio Service）是通用分組無線業務的簡稱，采用的是基于GSM系統的無線高速數據分組傳輸技術，目前理論傳輸速率為115 kbps。GPRS業務于2002年7月開始在國內移動通信業推出，第一期工程在全國東部16個省的25個城市開通并進入試商用。試商用的GPRS系統能夠提供傳輸速率為30～50 kbps的分組業務。GPRS的出現，很大程度是為多媒體、互聯網通信服務，將從根本上改變原有的GSM的基于話音服務。
　　
　　配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶的電力設備，其運行數據是整個配電網基礎數據的重要組成部分。因此，對其運行參數與狀態進行監測是必要的。本文討論利用GRPS作為通信手段，建立配電變壓器監測系統，并在杭州市電力局城東配變監測系統中得到了實際應用。
　　
　　在配電變壓器監控系統的通信中，可以采用數傳電臺、GSM短消息、光纖接入等方式。數傳電臺的優勢是除了每年的頻點費以外，平時運行無需額外費用；缺點是可靠性、實時性較差，無法主動上報。GSM短消息方式可以實現主動上報；缺點是按條收費，運行費用高，而且在節假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長。光纖通信穩定可靠，但是成本投入大。而GPRS通信則避免了以上問題。
　　
　　2　體系結構
　　GPRS基本原理是，當用戶上傳或下載互聯網數據時，系統不是利用當時承載服務所采用的電路連接，而是利用分組將數據在網絡中傳送，達到多用戶間對網絡資源的共享，同時網絡運營機構還可以最大限度地使用現有GSM設備，避免了GSM設備投資的浪費。另外，數據傳送使用GPRS，而語音傳送使用GSM，使下載資料和通話可以同時進行。為此，它不但可以為GPRS用戶提供GSM移動電話通信的所有功能，更為突出的是為GPRS用戶提供了一種更快捷，更方便，更便宜，更持久的移動上網方式。GPRS目前被認為是移動通信從第二代向第三代過渡的重要一環。
　　
　　配電變壓器綜合治理系統的開發目標是建立一個安全可靠，能提供各種高級服務，并有為應用程序的執行和實施提供較強功能的開放式平臺和運行在該平臺的多個相對獨立的應用子系統組成的系統，成為一個符合配電系統現代化治理要求的，分布式，開放式，模塊化，可擴充的配電變壓器綜合治理系統?；A平臺除提供基本的硬件技術和操作系統內核外，還提供諸如數據庫系統、信息傳遞、人機界面、實時環境應用程序等基礎服務。基于基礎平臺之上的各應用子系統包括：配電變壓器治理，線損治理，自動抄表，VQC功能，諧波數據，購電量治理，數據查詢，自動報表，圖表和與其他系統的接口等。這些子系統之間在開放系統結構（OSA）基礎上實現有機的橫向和縱向集成，形成一個完整的配電變壓器綜合治理信息系統。
　　
　　GPRS配電變壓器監測系統的網絡架構如圖1所示，系統分為四個部分，分別是主站、前置機、GPRS協議轉換器、監測終端設備。主站主要完成人機交互工作；前置機主要負責網絡數據鏈路建立和數據收發的透明中轉；GPRS協議轉換器完成信息的上送與下發；監測終端設備主要完成數字量與模擬量的采集。主站和前置機是點對點連接，前置機和GPRS協議轉換器是點對多連接。通訊方式上，GPRS協議轉換器和前置機采用GPRS無線網絡通訊，人機界面和服務器采用Internet網絡通訊。
　　　基于GPRS通信的配電變壓器監測系統（圖一）

　　GPRS網絡在數據鏈路上相當于無線ip網絡。在網絡上兩臺主機要實現直接通訊（不通過中轉）的必要條件是至少有一臺主機IP地址具有固定性和唯一性。由于GPRS通訊模塊啟動接入網絡時所獲得的是一個隨機的IP地址，即每次啟動獲得的IP地址不同，同時假如將前置機和主站都安裝在具有代理服務器的局域網內，該網絡地址不唯一而且對外不可見，這種情況將無法進行基于連接的網絡通訊。因此必須將前置機從局域網中獨立出來，安裝在一個具有固定IP的機器上，成為一個提供網絡連接和數據收發的中轉服務器。
　　
　　前置機負責維護聯入的每個終端的IP地址和RTU號，當主站向某個終端提出數據請求時，服務器根據RTU號找到對應的終端，將命令下發到該終端，終端響應后再將數據發給前置機，前置機確認該數據來源于終端后，將數據發給主站，即完成了一個應答式的通訊流程。
　　
　　3　監控終端
　　該監測系統在杭州市電力局的應用中，采用了PEJ／S－3系列配變負荷綜合測控儀。該設備可廣泛應用于低壓配電線路中進行多種電氣參數的測量和記錄，并可作為無功補償裝置的投切控制器使用。其主要功能有：
　　
　?。?）測量功能
　　
　　①測量三相電流、電壓、有功功率、有功電量、無功功率、功率因數；
　　
　?、跍y量三相總諧波電流畸變率；
　　
　?、蹨y量電壓合格率。
　　
　?。?）數據記錄和存貯功能
　　
　?、儆涗浐痛尜A每日三相電流、電壓、有功、無功、功率因數；
　　
　?、谟涗浐痛尜A每日三相電流、電壓的最大值和最小值及對應的發生時刻；
　　
　　③記錄和存貯每日三相電量；
　　
　?、苡涗浐痛尜A每日三相無功補償電容器組投入補償時間（單位：分鐘）；
　　
　　⑤記錄和存貯的每日各類數據保留周期可分為45天，75天，120天。越限時，數據自動循環刷新；
　　
　?、抻涗浐痛尜A停電事件記錄。
　　
　　（3）設置、查詢及顯示功能
　　
　?、僦С謨煞N參數設定形式：一種為抄表機設定，一種為面板直接設定；
　　
　　②面板參數設定內容包括：CT變比，起用時間（年、月、日、時、分），預置電容器組投切的無功上、下限，投切裝置的手動、自動切換，電壓門限。
　　
　　4　協議轉換器

　　GPRS協議轉換器實現控制主站與終端子站的通訊。圖2為GPRS協議轉換器構成圖。三個通信端口分別為：第一個RS232口是信號接入口，直接接終端設備；第2個RS232口接GPRS模塊；第三個RS232口為調試端口，與計算機連接進行調試。3個RS232口的波特率可自行設置。
　　　基于GPRS通信的配電變壓器監測系統（圖二）

　　GPRS協議轉換器可通過編程設置其工作方式。主要實現兩種工作方式：
　　
　?。?）透明轉發實現數據的透明轉發，將RS232口收到的數據直接通過GPRS無線網絡發送；
　　
　　（2）IEC 870－5－101規約的轉發　發送端將RS232口傳來的數據依據101規約的格式進行解釋和校驗，假如不是101規約格式，則不再發送。
　　
　　該轉換器主程序運行在一個嵌入式處理器中。程序運行時不斷監測兩個串口，假如終端有數據，則通過GPRS端透明轉發出去，反之亦然。處理器啟動時自動連接主站服務器，連接成功后主動上送一條包括本機IP地址和RTU號的報文。程序運行過程還實現了看門狗程序，當程序處在不明狀態時處理器便會重新啟動，程序重新置位。
　　
　　5　前置機與主站
　　主站系統如圖3。最里面層為操作系統及系統軟件。第二層為系統支持軟件層，包括數據庫系統、電力系統模型、數據采集和傳輸。電力系統模型主要指電力系統設備對象化及網絡拓撲；數據庫系統分運行庫、基礎庫、標準庫和歷史庫四部分；數據采集和傳輸就是將各種數據從不同的終端根據各種通訊協議采集過來，但并不進行處理，再通過網絡分發給需要這些數據的系統。第三層為基礎應用層，將采集過來的數據經過各種處理，通過GUI界面顯示給用戶。第四層為高級應用層，它所產生的數據主要是供電力系統進一步治理和決策用。
　　基于GPRS通信的配電變壓器監測系統（圖三）

　　上位軟件主要完成以下功能：
　　
　?。?）配電變壓器SCADA系統　變壓器運行監控，變壓器異常情況監控，數據的分析、處理和存盤，RTU的參數設置及狀態顯示。既能獲得配電網運行的基本信息，又為功能擴充提供很好的基礎。
　　
　?。?）自動抄表系統　根據設定的時間自動抄錄配電變壓器和用戶的電度數。并具有電表異常告警，跟蹤抄表記錄和操作記錄等輔助功能。
　　
　?。?）用戶購電量治理　對于信譽比較差的用戶，通過系統對它進行先購電后供電，并在使用電量達到某些比例時進行警告。
　　
　?。?）線損治理　主要是臺區線損治理和線路線損治理。
　　
　　（5）配電設備治理　主要是配電線路和配電變壓器等設備的治理。
　　
　?。?）終端錯誤智能識別　終端錯誤分為通訊恢復，通訊中斷（某一終端連續三次召測不到），終端無線錯誤（一天連續十次召測不到），無線中斷（連續有三十個終端召測不到）。
　　
　?。?）負荷猜測　通過計算主站和分站所有臺區的總有功功率總加值來初步猜測下一階段的負荷情況。
　　
　?。?）電容器投切　根據電壓和功率因數就地進行調節，調節時考慮時間因素和投切次數。在就地調節失靈的情況下能夠遠方監視和遠方控制。假如終端無調節投切功能，系統能夠遠方計算后控制電容器投切。
　　
　?。?）終端操作　可以遠方讀取或者設置終端的參數，如變壓器的整定參數等?？稍O置開關合閘，開關分閘?？勺x取或設置VQC參數。
　　
　?。?0）與營銷系統數據庫的接口　能方便地為營銷系統提供數據源。
　　
　?。?1）采集諧波數據　通過系統能夠采集用戶的各次諧波含量。
　　
　?。?2）用戶竊電治理　增加用戶電量與功率轉換為電量的比較，通過設置比例系數，來進行警告，比如當有功功率產生而電量不動時，則產生警告。
　　
　　6　結論
　　GPRS作為一種新的通訊手段，有很多優點。將其應用于配電變壓器的監測系統，并取得成功。實踐證實，該體系在非實時監控系統中有較強的推廣價值。今后應在提高數據傳輸的可靠性和對數據進行更有效的安全加密方面作進一步研究。

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