基于GPRS通讯技术的新型配变远程监控系统
1前言
配电自动化是电力系统自动化的一个重要方面。配电自动化系统具备两大基本功能：(1)故障处理功能；(2)远方实时监控功能［1］。配变属于配电网的重要组成部分，位于配电自动化的底层，对配变的各种运行参数的实时监控是配电自动化系统的一个重要方面。
本文提出了一种基于GPRS网络的配变远程监控系统的设计方案，解决了配变参数远程传输问题，实现实时数据采集和实时负荷监测的功能。并基于ARM控制器设计了一种先进的配变监测器，为电力部门的专业分析(如负荷预测、线损分析、故障判断、用电质量等)提供实时数据，进而提高了配电网运行的经济性和安全性。当配变发生故障或异常运行时，配变监测器可以迅速地报警，监控中心可以及时地优化处理，保证配电网的正常运行，实现良好的经济效益和社会效益。
2GPRS技术介绍
2.1GPRS的技术优势
GPRS（general packet radio service）通用分组无线业务，是在GSM全球移动通信系统网络之上发展起来的，为用户提供高速的分组数据业务的一种新的网络。GPRS技术是当今GSM网向3G移动数据通信网络过渡的关键技术，与GSM通信相比具有许多新的特点和优点［2，3］。
（1）频谱效率高
在GSM无线系统中，无线信道非常宝贵。GPRS引入了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。同时，GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据。
（2）传输速率高
在理论上，GPRS可以将最多8个时隙组合在一起，给用户提供高达171.2kB/s的带宽，从14.4kB/s到171kB/s，增大了10倍的传输速度，保证了更大数据的传输及更快的因特网接入。
（3）接入时间短
分组交换接入时间缩短为少于1s，能提供快速即时的连接。
（4）支持IP协议和X.25协议
GPRS支持因特网上应用最广泛的IP协议和X.25协议。GSM网络覆盖面广，使GPRS能提供Internet和其它分组网络的全球性无线接入。
（5）网络安全性高
GPRS网络传送数据采用隧道技术。隧道协议将其他协议大数据包重新封装后通过隧道发送传输到特定地址，从而屏蔽私有网络地址。
2.2GPRS应用于配变远程监控系统的可行性
配变数目众多、分布范围广、距离远，传统上依靠人工定期到现场抄读，数据实时性、准确 性和应用性等方面都有很大不足，人工成本也比较高。现代通信技术的飞速发展为满足上述技术要求提供了多种选择。选择合理的通信方式既要考虑数据传输的实时可靠性，又要考虑配变监控系统通信网络构建的经济性。
配变监测管理系统中通信数据主要有两类：一类是周期性的召测数据，如配变定点时刻的运 行数据；另一类是突发性的数据，如配变终端的报警信息。这两类数据规模都不大，每帧数据远小于1kB，GPRS网络的带宽完全可以满足传输要求。同时，为保证越限报警等类突发性数据的实时传输，还要求配变终端时刻在线，GPRS网络信道共享的特点和按流量计费方法从技术上和经济上均可以保证配变监测终端时时在线。
按通信传输介质划分，现代通信技术大致可以分为有线通信方式（如光纤、电缆）和无线通信方式。在配变监控应用场合中，有线通信铺设复杂、维护困难、成本较高［4］；采用GPRS通信技术则可直接利用覆盖全国的中国移动GPRS网络，可以极大节省投资、充分利用现有资源、接入快速、维护简单、环保节能。
因此，在配变远程监控系统中采用GPRS无线通信网络是实现配变参数实时且可靠传输的理想选择。
2.1GPRS的技术优势
GPRS（general packet radio service）通用分组无线业务，是在GSM全球移动通信系统网络之上发展起来的，为用户提供高速的分组数据业务的一种新的网络。GPRS技术是当今GSM网向3G移动数据通信网络过渡的关键技术，与GSM通信相比具有许多新的特点和优点［2，3］。
（1）频谱效率高
在GSM无线系统中，无线信道非常宝贵。GPRS引入了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。同时，GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据。
（2）传输速率高
在理论上，GPRS可以将最多8个时隙组合在一起，给用户提供高达171.2kB/s的带宽，从14.4kB/s到171kB/s，增大了10倍的传输速度，保证了更大数据的传输及更快的因特网接入。
（3）接入时间短
分组交换接入时间缩短为少于1s，能提供快速即时的连接。
（4）支持IP协议和X.25协议
GPRS支持因特网上应用最广泛的IP协议和X.25协议。GSM网络覆盖面广，使GPRS能提供Internet和其它分组网络的全球性无线接入。
（5）网络安全性高
GPRS网络传送数据采用隧道技术。隧道协议将其他协议大数据包重新封装后通过隧道发送传输到特定地址，从而屏蔽私有网络地址。
2.2GPRS应用于配变远程监控系统的可行性
配变数目众多、分布范围广、距离远，传统上依靠人工定期到现场抄读，数据实时性、准确 性和应用性等方面都有很大不足，人工成本也比较高。现代通信技术的飞速发展为满足上述技术要求提供了多种选择。选择合理的通信方式既要考虑数据传输的实时可靠性，又要考虑配变监控系统通信网络构建的经济性。
配变监测管理系统中通信数据主要有两类：一类是周期性的召测数据，如配变定点时刻的运 行数据；另一类是突发性的数据，如配变终端的报警信息。这两类数据规模都不大，每帧数据远小于1kB，GPRS网络的带宽完全可以满足传输要求。同时，为保证越限报警等类突发性数据的实时传输，还要求配变终端时刻在线，GPRS网络信道共享的特点和按流量计费方法从技术上和经济上均可以保证配变监测终端时时在线。
按通信传输介质划分，现代通信技术大致可以分为有线通信方式（如光纤、电缆）和无线通信方式。在配变监控应用场合中，有线通信铺设复杂、维护困难、成本较高［4］；采用GPRS通信技术则可直接利用覆盖全国的中国移动GPRS网络，可以极大节省投资、充分利用现有资源、接入快速、维护简单、环保节能。
因此，在配变远程监控系统中采用GPRS无线通信网络是实现配变参数实时且可靠传输的理想选择。
3配变远程监控系统的方案设计
3.1配变远程监控系统的组成及VPN接入方式
配变远程监控系统主要由配变监测器、公共GPRS网络、移动部门通信终端、电力系统内部通信中心服务器（监控中心）、电力系统内部客户端等组成。其系统结构的框图如图1所示。
3.1配变远程监控系统的组成及VPN接入方式
配变远程监控系统主要由配变监测器、公共GPRS网络、移动部门通信终端、电力系统内部通信中心服务器（监控中心）、电力系统内部客户端等组成。其系统结构的框图如图1所示。
配变监测器主要是对配变的各种实时参数进行采集和处理，并可以按照监控中心的指令进行一定的保护操作。公共GPRS网络、移动部门通信终端、电力系统内部通信中心服务器组成了整个系统上行和下行数据的通信通道。电力系统内部客户端主要功能有：登录查询配变的实时参数、分析电网的负荷和修改配变参数等功能。考虑到电力部门行业的特殊性，接入监控中心的数据必须是安全可靠的，同时要能快速的传输采集的数据，以满足数据的实时性。直接向移动部门租用专线可以满足电力系统的以上要求，但是这会需要大笔的费用，同时电力部门网络的可扩展性也会大大降低。因此，综合考虑以上因素，在监控中心采用虚拟数据专用网络VPN（virtual private network）从GPRS网络接入数据。VPN是采用隧道技术以及加密、身份认证等方法，在公共网络上构建企业网络的技术。VPN采用公共网络传输企业数据。通过实施隧道交换，可以区别用户身份，从而采用不同的传送优先级进行任务处理，用公用网络中的高速部分来处理企业的数据。VPN是一种可靠且经济的数据接入方式，可以满足应用于电力系统的要求。
3.2基于B/S结构的配变监控中心内部网络实现及优点
本配变监控中心内部网络结构基于B/S结构，在整个网络采用TCP/IP协议。其结构如图2所示。
3.2基于B/S结构的配变监控中心内部网络实现及优点
本配变监控中心内部网络结构基于B/S结构，在整个网络采用TCP/IP协议。其结构如图2所示。
B/S结构即Browser/Server（浏览器/服务器）结构是一种在传统C/S结构上做了很大改进的新型结构，其最显著的特点是一部分事务逻辑在前端实现，主要事务逻辑在服务器端实现，用户界面完全通过Web浏览器实现，形成所谓的“数据库服务器/WW W应用服务器/Web浏览器”三层结构。
配变监控中心内部网络是电力企业利用现有的内部网络硬件、软件和服务器建立的电力企业 内部专用网络，用户端采用标准的Web浏览器，无需另外重新开发软件。本网络归配变监控中心使用，对用户有严格的权限控制，能够实时反映配变的运行参数，监控中心内部用户除了查询数据库之外，根据不同的权限范围还可以增加、修改和删除数据库的内容。基于B/S结构的配变监控中心内部网络与以往的配变监控网络相比具有以下优点：
（1）用户使用统一的Browser软件，用Web浏览器即可获得复杂专用软件才能实现的强大功能（获得配变各种参数和监视配变运行的状态），这不仅节约了系统开发成本，还有利于监控中心软件的体系结构的合并；
（2）B/S模式提供了一个统一的客户端，使网络应用不再与具体的客户环境相关，无需再关心客户端的维护，维护工作基本上集中于服务器端，大大提高了系统维护的效率；
（3）通过设置防火墙与Internet连接，大大提高了监控中心内部网络的安全性；
（4）TCP/IP、HTTP的标准性使采用B/S结构的配变远程监控系统可以直接接入In ternet，具有良好的扩展性。
配变监控中心内部网络是电力企业利用现有的内部网络硬件、软件和服务器建立的电力企业 内部专用网络，用户端采用标准的Web浏览器，无需另外重新开发软件。本网络归配变监控中心使用，对用户有严格的权限控制，能够实时反映配变的运行参数，监控中心内部用户除了查询数据库之外，根据不同的权限范围还可以增加、修改和删除数据库的内容。基于B/S结构的配变监控中心内部网络与以往的配变监控网络相比具有以下优点：
（1）用户使用统一的Browser软件，用Web浏览器即可获得复杂专用软件才能实现的强大功能（获得配变各种参数和监视配变运行的状态），这不仅节约了系统开发成本，还有利于监控中心软件的体系结构的合并；
（2）B/S模式提供了一个统一的客户端，使网络应用不再与具体的客户环境相关，无需再关心客户端的维护，维护工作基本上集中于服务器端，大大提高了系统维护的效率；
（3）通过设置防火墙与Internet连接，大大提高了监控中心内部网络的安全性；
（4）TCP/IP、HTTP的标准性使采用B/S结构的配变远程监控系统可以直接接入In ternet，具有良好的扩展性。
4配变监测器的设计
4.1配变监测器的硬件设计
配变监测器硬件采用了性能优越的双CPU结构，利用ARM控制器和DSP处理器组成了典型的双机系统。ARM控制器为中心处理器，配合配变参数采集模块和GPRS Mode m通信模块，通过GPRS网络，利用VPN方式接入监控中心，将配变的实时参数（如三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电量、现场环境温度等）传送到监控中心供分析处理，并接收监控中心下发召测指令，从而实现实时监测的功能。配变监测器的硬件总体框图如图3所示。
4.1配变监测器的硬件设计
配变监测器硬件采用了性能优越的双CPU结构，利用ARM控制器和DSP处理器组成了典型的双机系统。ARM控制器为中心处理器，配合配变参数采集模块和GPRS Mode m通信模块，通过GPRS网络，利用VPN方式接入监控中心，将配变的实时参数（如三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电量、现场环境温度等）传送到监控中心供分析处理，并接收监控中心下发召测指令，从而实现实时监测的功能。配变监测器的硬件总体框图如图3所示。
（1）主处理模块
a.主处理器采用的S3C44B0X芯片是三星公司生产的基于32位的ARM7系列的AR M7TDMI内核的SOC，它是目前应用很广的嵌入式RISC处理器。ARM是Advanc ed RISC（reduced instruction set computer）Machines的简称。ARM技术是近年来十分流行的一项技术，ARM芯片高性能与灵活性相统一，灵活的微控制器与DSP的数据处理能力相结合，提供扩充的增强的固定长的16/32位的双指令集［5］。S3C44B0X集成片上资源有：8 kB缓存的2.5V静态ARM7TCMICPU核；扩展内存控制器；带有1个专用DMA通道的LCD控制器；2个DMA通道，1个带外部请求引脚的DMA通道；1个I2C总线 控制器；5个PWM定时器及1个内部定时器；看门狗定时器；71个通用I/O口，8个外部中断源；8个10位ADC。
b.闪速存储器和EPROM类似，可用电擦写，使用方便而且寿命很长，系统中选用的是1M x 16 bit的Flash SST39VF160。
c.2片4M x 16 bit的SDRAM组成4M x 32 bit的memory，本系统中采用32位总线。
d.1片电源芯片TPS767D301和1片复位芯片IMP811。
（2）GPRS通信模块
GPRS通信模块用的是SIEMENS TC45。蜂窝通信引擎TC45是Siemens在2004年推出的新一代GSM通信模块。TC45模块功能框图如图4所示，从功能分析主要由5部分组成［6］：GSM控制器(GSM controller)，GSM射频部分(GSM RF Tra nsceiver，RF power amplifier，RF frontend Antenna connector)；电源ASIC(Appli cation Speciffic Intergrated Circuit)；Flash；SRAM及应用接口(Application interface)。
TC45模块的主要特性和技术指标：①支持双重波段EGSM900，GSM1800；②采用GPRS分时复用的Class 8的标准，支持语音、数据、短消息和传真服务，适应GSM Phase2/2+标准；③内置TCP/IP协议栈；④支持JAVA编程；⑤单电源使 用；⑥低功耗，处于睡眠状态时仅3.0mA电流；⑦自动波特率1 200~230 400bps，支持三种语音编码的传送速率；⑧支持两种规程协议PAP(口令鉴定规程协议和CHAP (口令同步交换鉴别规程协议)，一般适合PPP连接使用。在本系统中选用此通信模块，其内置TCP/IP协议栈可以不对GPRS模块编写通信协议软件，大大降低了软件工作量，而且其操作简便可以加快开发进度。
a.主处理器采用的S3C44B0X芯片是三星公司生产的基于32位的ARM7系列的AR M7TDMI内核的SOC，它是目前应用很广的嵌入式RISC处理器。ARM是Advanc ed RISC（reduced instruction set computer）Machines的简称。ARM技术是近年来十分流行的一项技术，ARM芯片高性能与灵活性相统一，灵活的微控制器与DSP的数据处理能力相结合，提供扩充的增强的固定长的16/32位的双指令集［5］。S3C44B0X集成片上资源有：8 kB缓存的2.5V静态ARM7TCMICPU核；扩展内存控制器；带有1个专用DMA通道的LCD控制器；2个DMA通道，1个带外部请求引脚的DMA通道；1个I2C总线 控制器；5个PWM定时器及1个内部定时器；看门狗定时器；71个通用I/O口，8个外部中断源；8个10位ADC。
b.闪速存储器和EPROM类似，可用电擦写，使用方便而且寿命很长，系统中选用的是1M x 16 bit的Flash SST39VF160。
c.2片4M x 16 bit的SDRAM组成4M x 32 bit的memory，本系统中采用32位总线。
d.1片电源芯片TPS767D301和1片复位芯片IMP811。
（2）GPRS通信模块
GPRS通信模块用的是SIEMENS TC45。蜂窝通信引擎TC45是Siemens在2004年推出的新一代GSM通信模块。TC45模块功能框图如图4所示，从功能分析主要由5部分组成［6］：GSM控制器(GSM controller)，GSM射频部分(GSM RF Tra nsceiver，RF power amplifier，RF frontend Antenna connector)；电源ASIC(Appli cation Speciffic Intergrated Circuit)；Flash；SRAM及应用接口(Application interface)。
TC45模块的主要特性和技术指标：①支持双重波段EGSM900，GSM1800；②采用GPRS分时复用的Class 8的标准，支持语音、数据、短消息和传真服务，适应GSM Phase2/2+标准；③内置TCP/IP协议栈；④支持JAVA编程；⑤单电源使 用；⑥低功耗，处于睡眠状态时仅3.0mA电流；⑦自动波特率1 200~230 400bps，支持三种语音编码的传送速率；⑧支持两种规程协议PAP(口令鉴定规程协议和CHAP (口令同步交换鉴别规程协议)，一般适合PPP连接使用。在本系统中选用此通信模块，其内置TCP/IP协议栈可以不对GPRS模块编写通信协议软件，大大降低了软件工作量，而且其操作简便可以加快开发进度。
（3）数据采集模块
配变监测器中的数据采集模块由电压电流高精度采样器、高速高精度模数转换器、高速数据处理器、实时时钟和数据接口设备组成。其功能方框图如图5所示。
数据采集模块以高速数据处理器ADSP2183为核心，主要完成对配变运行时各实时参数的采集，实时监视配变的运行状况。
本模块针对从现场经互感器及传感器过来的信号进行滤波、放大、采样/保持、A/D转换等处理，其中数据采样转换时间为10μs，转换精度为12位，保证了系统对配变运行数据的实时和高精度的要求。
配变监测器中的数据采集模块由电压电流高精度采样器、高速高精度模数转换器、高速数据处理器、实时时钟和数据接口设备组成。其功能方框图如图5所示。
数据采集模块以高速数据处理器ADSP2183为核心，主要完成对配变运行时各实时参数的采集，实时监视配变的运行状况。
本模块针对从现场经互感器及传感器过来的信号进行滤波、放大、采样/保持、A/D转换等处理，其中数据采样转换时间为10μs，转换精度为12位，保证了系统对配变运行数据的实时和高精度的要求。
4.2基于GPRS的配变远程监控系统在电力系统中应用的优势
（1）可靠性高
配变远程监控系统的可靠性包括现场配变运行可靠和实时数据传输可靠。配变监测器的硬件 设计中采用了看门狗（WATCHDOG）设计，对主CPU和电源状态进行监测，从而保证程序正常运行，不会跑飞导致系统崩溃。
配变监测器通过GPRS网络和配变监测中心进行通信，而在接入Internet时采用的是VPN接入方式。VPN的安全性主要体现在：①网络接入层安全；②终端的合法性安全；③数据在GPRS网络中传输安全；④防火墙过滤和严格的认证管理提供安全保障；⑤在业务数据传输之前对自身的应用层加密，可以确保安全。这种多层的安全保障保证了传送到配变监控中心的实时数据是可靠的，符合电力系统安全可靠的要求。
（2）数据吞吐量大
通过GPRS网络，配变监控中心可以采集各个配变的各种实时数据（包括正常或者异常运行），通过实时分析，可以对配变的异常作出实时的处理。而且不必要担心数据传输过程中会发生堵塞。
（3）经济性高
现在GPRS网络建设已经很完善，覆盖范围越来越广。利用本文中设计的配变监测器，可以在中国移动GPRS网络上构造配变监控系统，即使在偏远地区构建配变远程监控系统也是很可行的。这是最大限度节约投资的方案。在监控系统运行过程中，由于GPRS网络按流量计费，比较其他的数据采集系统，运行费用低廉。
（1）可靠性高
配变远程监控系统的可靠性包括现场配变运行可靠和实时数据传输可靠。配变监测器的硬件 设计中采用了看门狗（WATCHDOG）设计，对主CPU和电源状态进行监测，从而保证程序正常运行，不会跑飞导致系统崩溃。
配变监测器通过GPRS网络和配变监测中心进行通信，而在接入Internet时采用的是VPN接入方式。VPN的安全性主要体现在：①网络接入层安全；②终端的合法性安全；③数据在GPRS网络中传输安全；④防火墙过滤和严格的认证管理提供安全保障；⑤在业务数据传输之前对自身的应用层加密，可以确保安全。这种多层的安全保障保证了传送到配变监控中心的实时数据是可靠的，符合电力系统安全可靠的要求。
（2）数据吞吐量大
通过GPRS网络，配变监控中心可以采集各个配变的各种实时数据（包括正常或者异常运行），通过实时分析，可以对配变的异常作出实时的处理。而且不必要担心数据传输过程中会发生堵塞。
（3）经济性高
现在GPRS网络建设已经很完善，覆盖范围越来越广。利用本文中设计的配变监测器，可以在中国移动GPRS网络上构造配变监控系统，即使在偏远地区构建配变远程监控系统也是很可行的。这是最大限度节约投资的方案。在监控系统运行过程中，由于GPRS网络按流量计费，比较其他的数据采集系统，运行费用低廉。
5结语
配电变压器通过装设配变监测器，构建基于GPRS网络的配变远程监控系统，使配电网中的关键设备得到实时监控，符合新型远程监控系统的发展趋势。通过配变监测器在供电公司的安装运行表明，本文中设计的配变远程监控系统为配电自动化提供了一个理想的方案，它对配电系统电压稳定、经济运行和保证供电质量等方面具有重要意义。
配电变压器通过装设配变监测器，构建基于GPRS网络的配变远程监控系统，使配电网中的关键设备得到实时监控，符合新型远程监控系统的发展趋势。通过配变监测器在供电公司的安装运行表明，本文中设计的配变远程监控系统为配电自动化提供了一个理想的方案，它对配电系统电压稳定、经济运行和保证供电质量等方面具有重要意义。
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