GSM/GPRS通信在配电自动化系统中的应用

摘　要：本文利用GSM和GPRS通信的突出优点，将其分别应用于配电自动化系统，提出了两套切实可行的配电参数远程监控系统的实现方案。

引言
配电网通信有终端节点多而分散、通信距离长、每个终端的数据量小等特点。传统的配电网通信一般都采用光纤、电力线载波，屏蔽双绞线等介质的通信方案。但往往在投资成本、扩容性、维护量等方面或多或少存在缺陷。寻求可以更好的解决这些缺陷的新通信方案一直以来都是电力领域的重要研究方向。本文利用GSM/GPRS通信的突出优点，将其分别应用于配电自动化系统，提出了两套配电参数远程实时监控系统的实现方案。通过实践检验，可作为配电自动化中一个重要的组成部分。

系统结构
图1将GSM与GPRS两套方案都表示出来。监控中心由一个以太网组成。其中数据库服务器上安装Microsoft SQL Server 2000，客户机安装监控中心软件。一台客户机可带多台Modem且并时工作。方案一：监控中心可安装GSM Modem或电话线拨号Modem与安装GSM Modem的监测终端通信。方案二：监控中心可安装GPRS Modem或网卡等支持其他ISP服务的设备与安装GPRS Modem的监测终端通信。

监测终端
监测终端采用广东欧宇公司的EU2506，它由单片机最小系统、GSM/GPRS Modem、电力参数采集模块和温度采集模块等四部分组成。其中，单片机最小系统以89C52为核心，以时钟芯片DS12887构成时间电路，以储存芯片628128构成历史数据保存电路，以X25045构成程序运行监视定时器电路，以CPLD EPM7128构成最小系统接口器件协调控制电路；GSM/GPRS Modem采用Siemens公司的TC35或MC35；电力参数采集模块以80C196单片机为核心；温度采集模块采用ABB公司W2000铂电阻Pt100和TR204-Ex温度变送器。

信息采集内容
常规遥测信息量：在配电自动化系统中，遥测信息以采集电流信息和电压信息为主。本项目对正常状态下配电变压器的三相电压、电流、油槽温度，以及有功、无功、视在功率和功率因数等参数进行监测。当监测终端接到监控中心的问询命令时，即发送遥测量。
遥测信息量与遥控信息量：监测终端具有四路遥测和三路遥控，可以远程监测和控制配电变压器的开关量信息，还可以根据需要组合档位进行有级的遥调。
报警信息量：为及时解决配电变压器的启/停信号报警，三相电流、三相电压和三相油槽温度上下限阀值的越复限报警。
特殊信息量：监测终端的运行参数，可在监控中心方便地查询和下载。

规约制订
设计了问询和数据主动上传两种方式相结合的规约。以Modbus规约为基础，通信帧格式(见表1)：报头用于标识不同版本的规约，监测终端号用于唯一标识监测终端，系统可容纳65536台监测终端。功能码用于标识本通信帧的内容。

通信机制的设计
 问询式通信：用于查询常规数据。为了最大限度的提高用户操作的灵活度和方便度，采用了手动调度和自动调度结合的灵活方式。监控中心在设计时采用多线程多任务并发技术。采用两个循环的任务线程用于调度，一个线程用于监测是否有到达预定时间的调度任务，若有任务，则将任务代号赋给调度线路下的所有变压器。另一个线程用于循环监测每台变压器是否有调度任务，如果有， 则开始一个新线程以建立连接，连通后执行任务并自动断开连接。
主动上传式通信：用于报警操作，监测终端探测到变压器启/停报警或者电压、电流和温度的上下限越复限报警时，主动连接监控中心，上传报警数据，或者将报警信息通过短消息发送到用户设置的手机号码上。
GSM通信的具体实现
每台GSM Modem都必须插入一张开通带有被叫数据服务业务的SIM卡，监控中心的最小化配置包括一台安装有数据库系统和监控中心软件的PC机，一台兼容Hayes标准AT指令集的GSM Modem。系统支持多台Modem并行工作以保证系统数据的及时传送。
以监控中心与监测终端的一次连接为例，操作流程如图2所示。
(1)初始化：监控中心在进行连接之前，先检测所有GSM Modem的状态,对仍未初始化的Modem进行初始化。一般来说,初始化步骤在打开监控中心软件的同时会完成，但之后可能会中途卸装Modem引起Modem状态变化，而需要重新初始化。初始化AT命令字符串为“AT&D0&S0X0E0V0Q0S0=1S7=30”。
(2)拨号建立连接：搜索空闲的Modem，对其发送拨号命令“ATDT＋检测终端Sim卡号码”，然后系统会直接或间接地通过GSM网络与监测终端握手。握手成功后，建立通信线路，Modem返回31 0D的结果码给监控中心计算机，Modem进入联机状态。由此时起，计算机发送的命令帧将直接传至监测终端的数据帧接收缓冲区；如果握手不成功，Modem返回33 0D以提醒系统重拨。重拨三次不通判为该次拨号失败。
(3)执行任务：监控中心判断本次连接是手动连接还是自动连接，如果是自动连接，即开始执行用户预设任务。如果是手动连接则等待用户输入实时任务，在执行之后又会进入等待状态。
(4)断开连接：如果是自动连接，系统在预设任务完成后会自动发送断开连接命令；如果是手动连接，系统会在线等待用户输入断开连接指令，如果三分钟内没有任何用户指令下达，系统将自动断开连接以节省资源。断开连接时，系统先发送“＋＋＋”命令使Modem从联机状态切换为命令状态，再发送“ATH0”挂断Modem。
GPRS通信的具体实现
监控中心必须拥有一个固定IP，以便监测终端可以在登陆GPRS网络后通过该IP找到监控中心。有两种方式可以实现，一是监控中心向移动公司申请APN服务以获得绑定GPRS网内IP的Sim卡；一是向中国电信申请Internet公网上的固定IP。
GPRS通信支持TCP/IP协议并采用IP包作为数据传输的基本单位，本方案可以采用面向连接的传输控制协议TCP或者无连接的用户数据报协议UDP进行传输。若使用前者，则通信流程与前面提到的GSM流程相似。以下着重介绍后者。UDP特别适合于配电网监测点数据量小且频繁突发的情况。监测终端每隔20分钟会发送IP包向监控中心注册一次，告知其终端IP、UDP端口号、Sim卡标识号和终端模块号，避免因某一方的突然掉线而从此失去联系。另外监测终端每隔几分钟发送一条实时监测数据给监控中心，保证整个系统数据能实时更新。监控中心在下达命令时同样发送UDP包，并预留一定时间等待终端作出响应。经过测试，GPRS偶尔会出现包丢失现象，但在正常的网络状态下，掉包率相当低。尽管如此，为了增强配电监控系统的稳定性与数据安全性，本方案在监控中心方面设计了重发机制，若命令下达后的一定时间内没收到终端的回复，则判为超时并重发该命令。

系统扩展功能和其他应用场合
在获得配电变压器参数数据和报警信息的基础上，可实现如下的扩展功能：报表打印和图形曲线显示，以及供电可靠率、电压合格率、负荷率、负载率和电能损耗等配电自动化的分析功能，并可提供方便直观的操作，为电力MIS系统或调度自动化系统提供数据库共享接口。
该系统除了用于配电变压器参数监控之外，还适合电力台区负荷监测、防剪线、防偷电等应用场合。

结语
本文所构建的系统可以作为配电自动化系统的一个子系统，特别适用于监测点分散分布且布线距离长、难度大的情况。随着移动通信技术的日益发展以及资费的不断下调，该方案的实用价值与经济价值不断提升，已成为高性价比的解决方案。