（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs无线通信的配变自动化系统研究.pdf

f - 喜 ，j 摘要 随着电力系统规模的不断扩大，传统的配电变压器终端装置不能 满足配电自动化系统的要求。目前大多数的配变终端，具有监视配网 运行工况，隔离故障区段，用电情况上报配变主站等功能。但是他们 的数据传输多以有线通信方式为主，而有线通信铺线工程大，容易遭 人为损坏；同时当前的电力产品功能单一，增加功能比较复杂，重复 投资现象严重，增加了用户的负担。 针对以上问题，论文设计了基于g p r s 的一种新型智能化、低功 耗、集成化的智能型配变自动化系统方案。配变监测系统主要实现对 线路配变变压器运行状态的监视和动态补偿无功功率，同时对低压用 户进行抄表。三项功能集成化设计，并采用先进的无线通信技术，以 弥补当前配变监测系统的缺陷，提高配变系统的自动化水平，更好地 保证电网系统的正确运行，提高电网质量。 本文主要分析和设计了配变监测终端和g p r s 无线通信模块，用 于电量数据的采集管理、无功功率补偿和远程无线抄表。论文主要内 容分为以下几个部分： 。 ( 1 ) 根据配变监测系统的发展现状，论证了设计基于g p r s 无线 通信的配变自动化系统的必要性，器用配变监测、无功补偿、无线抄 表的集成式设计方案。 。 ( 2 ) 对g p r s 无线通信原理进行研究，并详细分析了配变监测系 统的g p r s 应用，主要包括系统的g p r s 接入、无线数据传输安全性和 实时性等问题。 ( 3 ) 详细介绍了两模块的硬软件设计方案。配变监测终端以d s p 为核心，对用电现场进行电量采集、分析，并根据实时的电网情况， 自动进行快速分相无功补偿。g p r s 无线通信模块则以s i m l 0 0g p r s m o d e m 为核心，连接g p r s 无线网络传输电量数据。两模块用r s 一4 8 5 总线连接，按照主站要求进行数据的组织和传输。配变自动化系统的 设计，实现了配变监测、无功补偿、无线抄表的功能集成。 关键字配电自动化，智能监控，低压无功补偿，集中抄表，g p r s ： a b s t r a c t w i t ht h ee n l a r g e m e n to ft h es c a l eo f p o w e rs y s t e m , t h et r a d i t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tu s e di nd i s t r i b u t i o nr e m o t et e r m i n a ls t a g e c a n tm e e tt h ed e m a n do fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m i th a st h e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：i n s p e c t i n gt h es t a t u so fp o w e rs y s t e ma n d u p l o a d i n gc l a m ；t r a n s m i t t i n gd a t ab yw i r e dc o r r e s p o n d e n c e sm e t h o d ， b u ti tw i l lb es h a t t e r e de a s i l y ；i th a so n l yo n ef u n c t i o n i n s p e c t i n go f p o w e rs y s t e m ，c o m p e n s a t el o wv o l t a g er e a c t i v el o d ea n dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ni ss i n g l e n e s sp r o d u c t t h ep a p e ri n t r o d u c e sak i n do fl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds m a l l s i z ei n t e l l i g e n tm o n i t o rt e r m i n a lw h i c hi sb a s e do nt h eg p r s t h es u p e r v i s i o no fo p e r a t i n gm o d eo fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e ri s c a r r i e do u tb yi t sm o n i t o r i n gt e r m i n a l ， a tt h eg a m et i m e ， i tw i l l c o m p e n s a t el o wv o l t a g er e a c t i v el o d e t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e sa n d d e s i g n st h e e l e c t r i c p o w e rm o n i t o rt e r m i n a l a n dg p r sw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm o d u l e t h e yu s e df o re l e c t r i cd a t am a n a g e m e n ta n d t r a n s m i s s i o nb yt h eg p r sw i r e l e s sc h a n n e l ，t h ec o m p e n s a t i o nl o w v o l t a g er e a c t i v el o d ea n d l o w v o l t a g e c a r r i e rc o n c e n t r a t e di m p l e m e n t t h i sp a p e rw a sd i v i d e di n t os e v e r a lm a i np a r t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，t h ep o w e rm o n i t o r s y s t e mb a s e do ng p r sn e t w o r kw a ss e l e c t e d ( 2 ) r e s e a r c h i n gt h eg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e ， a n d a n a l y z i n gt h eg p r sa p p l i c a t i o no ft h ep o w e rm o n i t o rs y s t e m i tm a i n i n c l u d e st h eg p r sc o n n e c t i o no fw i r e l e s sr e a d i n gs y s t e m 、t h es e c u r i t y a n dr e a lt i m ep r o b l e m so f w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o na n ds oo i l ( 3 ) d e t a i l e di n t r o d u c e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g np r o j e c to f t w o m o d u l e s t h ep o w e rs y s t e mm o n i t o ra n dm a n a g et e r m i n a lb a s e do nd s p ， t oc a r r yo nc o l l e c t i n ge l e c t r i cd a t aa n dc o m p e n s a t el o wv o l t a g er e a c t i v e l o d e 。t h eg p r sw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l eb a s e do ns i m l 0 0g p r s m o d e m 。t ot r a n s m i te l e c t r i cd a t a t w om o d u l e sw e r ec o n n e c t e dw i t h r s - 4 8 5 ， a c c o r d i n gt ot h em a i ns t a t i o nr e q u e s t s ， a n dc a r r yo nt h e o r g a n i z a t i o na n d t r a n s m i s s i o no f t h ee l e c t r i cd a t a k e yw o r d sp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n ， i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g ， ，1 _ 讳 c o m p e n s a t i o nl o wv o l t a g er e a c t i v e s y s t e m ， g p r s i n l o d e ，w i r e l e s sm e t e rr e a d i n g 皇 ：。 鲁yfir 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：毖日妇：丝墅年 月堡日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 蔷；雳螽兰一j。：j，j；荔瓢 ：，氧孰一黔一海瓢；。蓉毋鹭；4 ”_70$，4 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着国民经济的发展和人们物质文化生活水平的不断提高，对电力需求越来 越大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性的 要求越来越高。为了提供更加安全、经济、可靠和高质量的电力，传统的技术和 管理手段已无法适应新的形势，配变自动化就是为了这一目的而提出来的。配变 自动化是近几年迅速发展的一个新兴技术和领域，它通过将现代计算机技术和通 信技术应用与配变网的监视和控制，大大提高了配变网运行的可靠性和效率，提 高电能的供应质量，降低劳动强度和充分利用现有设备的能力，从而为用户和电 力公司均带来可观的效益。 作为电力系统现代化的一种必然趋势，配变自动化系统在正常情况下通过监 视配网运行工况，及时隔离故障区段，恢复非故障区域用户的供电，减少停电时 间和停电面积；合理控制用电负荷，从而提高设备利用率；自动抄表计费，保证 抄表计费的及时和准确，提高了企业的经济效益和工作效率，为用户提供自动化 的用电信息服务。配变自动化系统在人力尽量介入的情况完成大量的重复性工 作，有助于使配变网的潜力得以最大限度的利用，并确保提供给用户的电能质量 满足要求。因此，无论是用户还是电力公司，都可以从配变自动化系统中得到收 益。 针对某一具体的地区，其配网在地理环境、范围和规模、管理模式、用户性 质上都有其特殊性，使得对供电容量、供电质量和可靠性的要求千差万别，因此， 配变自动化所要完成的关键工作之一就是分析本地区配网所需要的潜在功能，充 分利用各种己成熟的技术，以确定在技术和经济上可行的实现方案，从而构建本 地区配变自动化系统的最佳模式。 1 1 配电自动化系统概述 论文在这里简单地介绍配电自动化系统的基本功能和结构。 1 1 。1 概念和术语 根据一般的提法和建议，对所涉及到的若干相关概念加以简要定义“1 。 ( 1 ) 配网( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 通常把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络 称为配变。配网由架空线或电缆配变线路、配电所或柱上降压变压器直接接入用 硕七学位论文第一审绪论 户所构成。配网传输的功率和距离一般不大，且深入城市中心和居民密集点。配 网属性的千差万别决定了该地区配变自动化系统所应采用的最佳结构和模式。 ( 2 ) 配电管理系统( d m s ，d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，通常把从变电、配电到用电的监视、控制和管理的综合自动化系统成为配电 管理系统。一般认为，d m s 和能量管理系统( e m s ) 在电力系统中处于同一层次。 ( 3 ) 配电自动化系统( d a s ，d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) 通常把对配网上的设备进行远方实时监控、协调及控制的集成系统称为配电 自动化系统。 ( 4 ) 需方管理( d s m ，d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 电力的供需双方对用电市场进行管理，以达到提高供电可靠性，减少能源消 耗及供需双方的费用支出的目的。d s m 的内容包括远程抄表、计费自动化和负荷 监控、管理等两个方面。 ( 5 ) 远程抄表与计费自动化( a m r ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 通过各种通信手段读到远方用户的电表数据，并将其传到控制中心，自动生 成电费报表和曲线等。论文将对远程自动抄表系统作进一步的阐述。 1 1 2 基本功能和结构 ( 1 ) d 惦在电力系统中的地位 电力系统中，一般认为d m s 和e m s 处于同一层次，其不同之处在于：e m s 管理 发电，而d m s 管理负荷。目前，两者之间的分界尚没有公认的标准。 ( 2 ) d a s 和d s m 之间的涵盖关系 d a s 和d s m 之间的涵盖关系如图i - - i 所示。图中可以看到所要实现的自动远程 抄表和电力计费系统在整个d m s 中的位置。 r 配电s c “d a 系统 、 皇i 赢懒统 十 y口；， ， ， ， 。ttf ， 一 硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) d a s 中与远程自动抄表及电力计费相关的功能 d s 系统分五个管理子过程：信息管理子过程、可靠性管理子过程、经济性 管理子过程、电压管理子过程和负荷管理子过程。这些子过程当中，大多数都有 对远程自动抄表和电力计费相关的各种功能，如分时信息记录、远程抄表、数据 可靠性校验、负荷观测、峰值用户量记录、电能计费、窃电监测等功能。 1 2 课题的研究背景及其发展现状 目前我国电力工业的发展速度，已由过去主要取决于投资规模逐步转变为由 市场需求来决定，电力市场也将逐步由卖方市场向买方市场转变。以往我国发电 和配变投资的比例为1 ：0 2 ，大大落后于先进国家l ：0 6 o 7 的投资比例， 这种状况今后会得到改善。9 0 年代以来，国内电力系统的3 5 k v 变电站逐步实现 了四遥功能，但配电网管理系统( d m s ) ，则是近年来才起步的。 从目i j i 设备制造水平的角度看，国内不少企业已经成功的研制出能够满足配 变自动化要求的产品，这些产品包括可靠的柱上真空开关、重合器、馈线开关远 程式终端( f t u ) 、变压器测控单元( t t u ) ，开闭所、小区变远程终端( d t u ) 、配变 网地理信息系统( g i s ) 、负荷监控系统、配变管理信息计算机网络、智能式电度 表及远方抄表计算机系统，以及各种数据传输设备( d c e ) 等。这些产品有：东方 电子公司的新产品d f 5 1 1 1 重合器控制器及配变自动化产品d f 9 0 0 0 系列；许继公 司配变终端设备f d r 故障搜查器、r t u 一体型远方终端、s r t u 单体型远方终端、 w p z d - i i o 型馈线终端单元、w p z d - 1 2 0 开闭所配变终端、w p z d - 1 3 0 配变监测远方 终端、w p z d - 1 4 0 环网柜配变终端；四方华能公司c s d a 配变系列终端产品：c a d i o i 馈线自动化终端、c s f l 0 2 综合测控终端、c s f l 0 3 变压器监控装置、c s f l 0 6 馈线 自动化装置、c s f l 0 7 低压测控单元、c s f l 0 9 测控终端、c s e 2 0 0 通信处理机、c s e 9 0 1 规约转换盒、c s e 9 0 2l o n w o r k s 接口盒、c s m o d 调制解调器、l c l 0 0 电感耦合器、 c c l 0 0 电容耦合装置、s d cn d l c 载波通信单元、c s s i o i 抄表集中器、c s m o i 抄表 采集器。 但从应用的角度看，由于配电自动化存在其本身的特点，如容量大、故障记 录信息及定值远传、远方抄表等，传统的通信规约不能够很好的满足使用要求， 因此给实现配电自动化又带来了困难。另一方面，由于配电网和输电网自身特点 不同，输电网自动化许多成熟技术仅可借鉴，并不能直接使用。还有存在资金不 足的问题。种种原因导致我国目前配变网的自动化水平不高。 在配电网质量方面，随着电网容量的扩增，用户家用电器感性负载的不断增 加，使得城市配变网公用变低压侧功率因数较低。以长沙市为例，统计表明，城 网的公用变压器低压侧功率因数均在0 6 0 7 之间。过低的功率因数导致公用 硕十学位论文第一章绪论 变低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。用电高峰期，用户末端 电压远远低于国家标准，而用电低谷期，术端电压又远远超过国家标准，不仅电 能浪费十分严重，而且影响用电设备的使用寿命。因此，在公用变低压侧进行无 功功率补偿已成为目前提高供电水平、降低无功损耗急需解决的问题。 配电网要从无功不足达到无功平衡，最后具备无功储备能力，任务十分艰巨。 电网无功状况是衡量电能质量的一个重要指标。随着电力系统的发展，尤其是数 字电力系统( d p s ) 概念的提出，对调度管理决策的科学性、电能质量和负荷的监 视提出了更高要求。最优调度、指令效果反馈、负荷预估、远程抄表等问题的解 决都必然要求对电网中、低压端的电能质量和负荷情况进行监视。理想的无功补 偿器应该能实时跟踪电网运行状态，进行信息交流，寻求最佳补偿量，为电力系 统c i m s 打下基础。 国外，电网是否安装户外无功补偿已成为衡量配电网性能的主要指标之一。 如在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率己达8 6 4 。国外无功补偿 装置的安装都是基于全电网的无功平衡和最优效率，一般包括电网重要节点补偿 和设备就地补偿两种。补偿系统都采用先进的微电脑控制，自动化程度很高。但 未见有电网参数遥测监视和无功自动补偿一体化系统的报道。 国内，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。户外型 无功自动补偿系统的研究有了一定的发展，已有一些科研单位和公司推出了相应 产品。目前主要存在问题是控制规律简单、抗干扰能力差，由于户外工作环境相 对恶劣，装置的可靠性和控制精度难以满足现场运行的要求，不具备通讯功能， 不能实现全电网的无功优化，不能对电能质量进行在线监视，此外还存在着采用 有触点的继电器进行电容器投切控制时产生的电网波动大，无功功率补偿产品的 工作寿命低的缺点，难以满足现代化电力系统“绿色”环保的需要。 国外在9 0 年代初，自动抄表就有了实际应用。据美国电世界1 9 9 4 年l o 月号摘要报道，在1 9 9 4 年初，北美地区装设了3 1 4 0 6 3 块具有自动抄表功率的电能 表，其中g e o r g i a 电力公司在1 9 9 3 年内已经装设了5 0 0 0 0 个车载无线电自动抄表单 元；b o s t o n e d i s o n 公司已经装设了1 7 0 0 0 个固定式和车载无线自动抄表单元：加 拿大的q u e b e c 水电局也已经安装了6 4 0 0 0 个自动抄表单元。 目前，美国、加拿大、西欧和日本等一些发达国家，许多地区都广泛采用抄 表系统代替原来的人工抄表。美国自动抄表的技术和设备，已形成一种新兴的产 业，由十几家著名的厂商组成了行业协会，即“自动读表协会”( t h ea u t o m a t i c m e t e rr e a d i n ga s s o c i a t i o n ) ，旨在进一步发展和推广a i f 【r 技术。国外在建立一 个上万户，甚至几十万户的a m r 系统是按系统工程方法加以设计安装和投运，尤 4 醇 ； ； 硕七学位论文第一章绪论 其在大规模推广安装的前期，制订了严格的评价标准和方法，从而使得投资得到 最有效的利用，开发的a m r 系统可靠稳定。 我国电力远程抄表系统，目前大多数采用有线通信技术和电力载波通信技 术。有线通信技术作为传统方法，以其稳定性高而占有优势。但有线通信铺线工 程大，容易遭人为损坏；同时对己建成的居民楼，再在墙壁表面拉线，居民难以 承受。电力载波通信技术利用现有交流电源作为通信线路，省了铺线工程。但电 力线的主要功能是电力传输，所以电力线的设计不可能兼顾数据通信的技术要 求，对数据传输有许多限制。电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成 为不太理想的通信媒介，给在电力线上实现信息的可靠传输带来极大的困难。 配变监测、无功补偿、远程抄表的产品已有很多，但它们大多数功能单一。 想在他们当中添加其中一项功能都比较复杂。例如无功补偿装置，大多只是单纯 的投切电容器控制，要完成电网无功监测任务，需增加电能表，配备通信模块， 既增加了设备投资，又加大了体积。 1 3 课题来源及研究意义 本课题“基于g p r s 无线通信的配变自动化系统”是珠海鸿瑞软件公司委托 中南大学信息科学与工程学院自动化系开发的，属横向研究课题。 本课题研究的意义： ( 1 ) 实现低压分相无功补偿，有效提高电网供电水平，降低无功的损耗。低 压配变监测与无功补偿设备用于配变网0 4 k v 侧运行参数的测量、分析和统计， 以及无功功率自动补偿。低压配变监测是提高低压配变管理水平和改善低压配变 质量的基础，无功补偿则可以降低低压电网的电能损耗、提高低压电网设备的利 用率，并在一定程度上改善低压电网的电压质量。在注重电网经济效益和电能质 量的低压电网建设和改造工程中，配变监测和无功补偿越来越得到重视和运用。 ( 2 ) 目| j i 我国配变监测系统数据传输多以有线通信方式和电力载波方式为 主，随着无线网络的发展，基于g s m 网络，以s m s 为载体的自动抄表系统也发展 起来。但这些方式都有各自的缺陷。论文提出了一种新的，基于通用分组无线业 务g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 无线上网技术的数据传输方案。g p r s 是基于g s m 系统的无线分组交换技术。1 ，在许多方面具有显著优势：1 ) 可充分利 用现有资源，方便、快速、低建设成本地为用户数据终端部署远程接入网络。2 ) 4 数据传输率可达5 7 6 k b s ，最高达1 1 5 k b s 1 7 0 k b s ，下一代g p r s 业务的速率 可达3 8 4 k b s 。3 ) 接入时间短，平均为2 秒，可快速建立连接。4 ) 提供实时在线 功能，用户始终处于连线和在线状态。而且g p r s 计费采用比较合理的按流量计 费方式，对于配变监测这种通信量大的系统，采用包月方式，g p r s 通信费用非 硕士学位论文 第一章绪论 常低廉。 ( 3 ) 配变监测、无功补偿、远程无线抄表三项功能集成化设计。这种功能集 成式的配变自动化系统弥补了过去系统功能单一、不好扩展的特点，这正是区别 与目前普通的单项配变监测、无功补偿、集中无线抄表技术的优势所在。 6 硕七学位论文第二章系统的总体结构设计 第二章系统的总体结构设计 基于g p r s 无线通信的配变自动化系统，是将终端电力数据采集后，通过现 代传输通讯技术送到远端管理部门进行数据处理，并根据电力参数进行无功功 率自动补偿的系统。由系统主站设定时间或临时抄收数据，对各项用电指标进 行分类、查询和统计。 、 2 1 系统的总体结构 电力系统的配变监测管理主要包括基于g p r s 的配变监测系统和配变主站 管理系统两部分。配变监测系统实现电量数据采集，并通过g p r s 无线通信与主 站管理系统连接，将电量数据上传到主站，从而完成电力数据的管理工作，并 实现无功补偿。图2 - - 1 为配变监测和管理系统的组成框图。 管理层 用户层 一 图2 1 低压配变监测管理系统的组成 根据其结构组成，可以归纳各个组成部分。 ( 1 ) 低压配变监测系统终端。主要包括数据采集、电能质量管理、低压无 功补偿、实现实时定时的电量采集、数据的统计分析、与g p r s 模块通信传输数 据等功能。 ( 2 ) g p r s 无线通信模块。用来实现低压配变监测系统终端与连接在 i n t e r n e t 上的主机之间的g p r s 通信。而联系两模块的纽带就是r s 一4 8 5 的通讯 协议。 以上两部分构成了配变监测系统子站。 测 监统变系配理压管 低 硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 ( 3 ) 配变监测管理主站。这是配变监测系统的管理中心，由计算机、不问 断电源、打印机、标准工业机柜构成，是主控方实现管理的平台。在这里，管 理人员可以通过计算机随时观察到各用户的电力数据，并可显示。打印各种所 需的数据报表，该系统在专用的检测系统软件支持下，实现和子站的双向通讯 以及和上级主站的联系 ， 2 2 系统的主要功能 论文主要阐述配变监测终端和g p r s 无线通讯模块所组成的无线自动抄表 子站系统。它们需要完成系统的全部功能，如数据采集、数据显示、数据传输、 防窃电、日统计及异常处理等功能。， 一一， 2 2 1 低压配变监测系统终端的功能 ( 1 ) 数据采集：采用每周波2 4 点交流采样技术，提高了遥测精度，实现多 次谐波的计算分析。对每条电力线路可采集以下数据：有功功率( p ) 、无功功率 ( q ) 、电压( v ) 、电流( i ) 、工频频率( f ) 、功率因数( c o s y ) ，相位，谐波等。 ( 2 ) 数据显示：4 个触摸键，1 1 2 8 6 4 液晶显示板组成最简便的当地显示， 可显示实时时钟、实时遥测、实时相位、实时遥信、实时有功电度量、实时无 功电度量、通讯状态、内存等。 ( 3 ) 数据传输：通过r s 一4 8 5 与g p r s 无线通讯模块通信；通信协议遵守中华 人民共和国电力行业标准d l t 6 4 5 - - 1 9 9 7 多功能电能表通信规约。主动：定时 上报有关数据( 默认每日零点电量，但可以设置) 、异常报警信息；被动：接受召 测( 即时数据或历史数据) 、设置等命令。 ( 4 ) 数据存储：存储两个抄表周期电量( 月末或抄表日零点数据) ，正向电量 有功一总、尖、峰、谷、平、需量；无功感性无功( i ) 、容性无功( i v ) ；反向 电量有功一总、尖、峰、谷、平、需量；无功一感性无功( i i i ) 、容性无功( i i ) ； 每日一点的电度量、最大需量及发生时间电度量、统计数据，最大保存2 个月； 具有掉电保护功能，采用f l a s h 保存运行参数及历史数据，掉电不丢失。 ( 5 ) 开关量采集的遥信功能：最大可以采集4 路开关量，可包括断路器位置， 计量箱门状态等，记录变位动作时间及顺序。 。( 6 ) 遥控功能：实现2 路的低压配变监测系统终端遥控跳闸。具有控制、 跳闸功能的终端，在终端上有显示屏，显示定值，控制对象、执行结果等。主 站可对终端编组进行群组遥控或单个终端遥控。跳闸信号有防误动措施。 ( 7 ) 设置功能：对于使用“短信”通信方式的终端，终端不接受主站的远程 设置电能表的命令，对于使用其他通信方式的终端，终端只接受主站的远程设置 电能表时钟的命令( 其他项目不能远方设置) ；支持对终端的远程设置和升级( 按 12薯fl囊卜 t l 缸f 硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 权限规定) 。 ( 8 ) 无功补偿：根据现场电力数据情况，自动对电网进行无功补偿。 2 2 26 p r s 无线通讯模块的功能 ( 1 ) 数据传输：通过r s 一4 8 5 与g p r s 无线通讯模块通信；通信协议遵守中 华人民共和国电力行业标准d l t 6 4 5 一1 9 9 7 多功能电能表通信规约；通过g s m 短信及g p r s 无线通讯方式实现与主站系统的通讯，完成电量数据向主站的传输 和接收主站指令的功能。 ( 2 ) 数据处理：g p r s 传输的数据是t c p i p 数据包，这就需要把低压配变 监测系统终端传到g p r s 模块的数据进行t c p i p 协议的处理，才能在g p r s 无线 通讯网络上传输，把数据上传到主站系统。 ( 3 ) 无线通讯：g p r s 无线通讯网络，时时在线，随时响应主站的请求，完 成数据的传送和接收；断电再恢复通电后，能自动寻找主站并能主动登陆主站。 2 3 系统的总体设计原则 该系统本着安全、准确、可靠、先进、智能、实用、经济、合理的原则进 行设计，在设计过程中应该把握以下系统设计原则0 1 ； 1 准确性， 。 。 系统在数据采集、传输( 数据通道) 、存储及计算( 包括终端和主站) 、使用( 用 户工作站) 等环节上均应采取相应措施确保数据的准确性。具体包括： ( 1 ) 测量值准确。要求计算机得到数据与终端窗口值之间误差在一个给定 的范围内。误差来源：采集终端，传输( 终端与g p r s 模块数据通道、g p r s 模块 与主站数据通道) ，存储及计算( 终端，主站) ，使用( 用户工作站) 。 ( 2 ) 数据时标准确。电能量数据是一个过程量，所有数据都附带时标，系 统需要一段时间的电量走码( 增量、变化量) ，数掘附带的时标必须非常准确。 另外系统一些平衡运算，包括主备核表的相互校验是种动态平衡，若时标不同 步，平衡会发生较大偏差要求所有数据时标都与一个标准时钟一致，误差在 指定范围内，在准时性达到要求同时，同步性也达到要求。 ( 3 ) 量纲准确性。作为物理测量，应该包括数字和量纲两部分，如果量纲 错误，也会造成数据错误。要求系统全部采用i s o 标准量纲来存储、计算、应 用数据。如所有电量数据单位全部采用统一的k w h 表示，最小分辨率为l w h 。 2 可靠性 可靠性是系统的基本要求。在实际使用要求系统具有抗恶工作环境的能力， 无故障工作时间长。具体包括以下几个方面： ( 1 ) 系统的可靠性设计 q 硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 ( 2 ) 结构坚固，不易损坏 ( 3 ) 电路的硬件及可靠性 ， ，。 ( 4 ) 软件的抗干扰和可靠性设计 、 ( 5 ) 系统故障的自保护、自检、自诊断设计。 ( 6 ) 元器件与参数合理选择，老化筛选和部件、整体测试 系统的数据作为电能量计量的依据，也必须具有高度的连续性和完整性， 任何情况下所有计量点的电能量数据都不能丢失，万一发生丢失也必须有弥补 的手段。系统要采用时问和空间冗余；软件要冗余设计，通讯失败要进行重试。 系统可靠性关键不要求l o o 无间隙的连续运行，但必须能尽快的故障定位和 尽短的维修时间，保证故障处理时间内不造成数据丢失，不影响定时结算关帐 等系统使用。 3 实用性 实用性是至关重要的，实用性是个综合性概念，它包括了产品的设计开发、 生产销售和应用现场等诸多环节。对于一个民用产品实用性是首先必须考虑， 否则设计得最好也没有市场。主要有： ( 1 ) 系统生产的可行性，要求装配调试，检测方便。 ( 2 ) 系统销售的可行性，要求性价比高，比国内、外同行有竞争力。 ( 3 ) 系统应用的可行性，要求能适应现场各种工作条件，可靠性高，使用 操作简单，维护方便。 4 智能性 i一 智能化是配变监测系统最大的特色之一，由于采用微机系统，使系统具有 数据处理逻辑判断和信息存储的功能。在设计时，要选择性能先进、满足功能 要求的c p u 和足够容量的存储器，并提供良好的硬件环境，这样智能化才有了 基础。 智能配变监测系统之所以能智能地处理问题，主要是软件的功劳。因此智 能性原则必须充分发挥软件的作用，在设计中尽量采用软件来代替硬件完成一 些功能，特别是数据采集过程的控制，故障的检测报警等。在设计中还从软件 的角度，利用数据处理能力，数据存储能力、逻辑判断能力等特长去开发一些 新功能。 “ 一 智能表现之一就是自我管理能力，能自己检测和控制自己，使系统能在操 作人员尽可能少的干预下运行，在设计中应注重这一点。 5 安全性 系统的数据安全性必须得到保证。必须确保数据采集和处理中的原始电能 量数据库不被修改或删除。因此系统的数据采集和处理应相对独立，任何二次 l o 专l； ；，li； p 硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 开发均应不得修改原始数据库。终端需要有相应的保护措施，防止用户非法篡 改用电数据。对于主站和g p r s 模块的通讯，也需要有必要的安全保证。 6 开发性 应采用符合国际标准、工业标准的设备及接口，提供一个开发的应用平台 和开发环境，提供接入非主站系统制造厂的厂站端设备和硬件、软件接口，允 许用不同厂商产品互相替代，这种替代包括整个系统和组成部件。同时也需考 虑可能的功能扩展，为系统功能进一步完善提供便利的接口。 。 7 可发展性 系统除应具有电能量数据的远方采集、统计和处理以及各类报表的生产和 管理等基本功能外，还应可以根据其体情况进行二次应用开发，以满足电网商 业化运行不断深化的要求。确保系统易于与电力局内部用电营销系统、e m s 系 统、m i s 系统等相关系统进行数据交换，易于与省局、与相关地区局、与所辖 县市局和所辖电厂的相关系统进行数据交换，易于电网规模扩展和软件高级功 能扩展。 2 4 本章小结 本章提出了低压配变自动化系统的总体设计方案，主要包括低压配变监测 系统模块和g p r s 无线通信模块两部分。配变监测模块检测低压电网情况，并对 电网数据进行分析，进行无功补偿。电网数据通过g p r s 无线通信模块上传到配 变主站。 o 硕十学位论文第三章g p r s 无线通信的基本原理和应用 第三章g p r s 无线通信的基本原理和应用 近年来，随着i n t e r n e t 的普及，i n t e r n e t 上的数据业务急剧猛增。另一方 面，在移动通信领域，g s m 的全球用户数还在逐年增加，3 g 系统的研发就已在紧 锣密鼓地进行中，实现全球无缝漫游的宽带无线通信已经指日可待。在人们对移 动性和各种数据应用业务不断提出需求的同时，推动了移动数据通信技术的向前 发展。i n t e r n e t 与移动通信的结合已经成为当前最热点的研究课题之一。总起 来说，无线数据通信就是用户在任意固定地点，通过无线数据终端与其它数据终 端交换数据、传递文件、提取资料，以及访问数据库的过程。 p 3 1g p r s 技术特点 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称哪， 是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组 形式的数据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的 突发结构、同样的调频规则以及同样的t d m a 帧结构。这种新的分组数据信道与 当前的电路交换的话音业务信道及其相似，因此现有的摹站子系统( b s s ) 从一开 始就可以全面的提供g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和 接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成 本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传 输，也适用于偶尔的大数据量传输。 g p r s 业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据 实时传输中有不可比拟的优势，特别适合与频发小数据量的实时传输，因而g p r s 业务在某些行业上有特殊的应用，比如：运输业、g p s 汽车定位；金融、证券和 商业；无线p o s 、无线a t m 、流动银行等；遥测、遥感、遥控，如气象、水文系 统、手机数据；城市公用事业实时监控维护系统，如水、电、气以及热水系统、 污水管网等的实时监控和维护。目前，我国移动推出的g p r s 上网业务，用户可 以根据自己的需要，以月租、包月等多种形式进一步降低g p r s 通信费用。 应用在远程自动抄表系统中，g p r s 具备一些特点：( 1 ) 覆盖范围广：g p r s 依 托于g s m 网络提供服务。中国移动的g s m 网络是覆盖范围最广的网络之一，特别 是发达地区少有盲点，一般来讲电力网所到之处肯定在g s m 的覆盖之内，这种特 点能够满足集中抄表特别是居民集抄这种分散程度很大的监控系统的要求。( 2 ) 投入不高：随着移动的快速发展，g p r s 终端的价格在很短的时间之内已经降到 了可以接受的水平，相对于铺设有线监控网络，成本不高。( 3 ) 永远在线：不像 n厂l 。 硕士学位论文第三章g p r s 无线通信的基本原理和戌用 传统拨号上网，断线后需要重新拨号。g p r s 客户随时都与网络保持联系，即使 没有数据传送时，客户仍然在晚上与网络之间保持连接。( 4 ) 快速登录：连接时 间很快，每次登录互联网，只需要一个激活过程，一般仅需1 到3 秒。( 5 ) 高速 传输：由于g p r s 网络采取先进的分组交换技术，数据传输最高理论值可达 1 7 1 2 k b s 。( 6 ) 按量收费：g p r s 网络按照客户接收和发送数据包的数量来收取 费用，没有数据流量的传递时，客户即使在线，也不收费。 g p r s 技术使得配变监测系统利用i n t e r n e t 实现远距离、宽范围的数据传输 和管理成为可能。 3 26 p r s 工作原理 g p r s 工作时，是通过路由管理来进行寻址和建立数据连接的，而g p r s 的路 由管理表现在以下3 个方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据 的路由建立；以及移动终端处于漫游时数据路由的建立。 对于第一种情况，当移动终端产生了一个p d u ( 分组数据单元) ，这个p d u 经 过s n d c 层处理，称为s n d c 数据单元。然后经过l l c 层处理为l l c 数据单元，通 过空中接口送到g s m 网络中移动终端所处的s g s n 。s g s n 把数据送到g g s n 。g g s n 把收到的消息进行解析处理，转换为可在公用数据网中传送的格式( 如p s p d n 的 p 叫) ，最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的安全， 可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。 在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动终端时，首先通过数 据网的标准协议建立数据网和g g s n 之间的路由。数据网用户发出的数据单元( 如 p s p d n 中的p d u ) ，通过建立好的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。而g g s n 再把p d u 送给移动终端所在的s g s n 上g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元，再经过l l c 层处 理为l l c 帧单元，最终通过空中接口送给移动终端。 第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。这种情 况下的数据传送必须要经过归属地的g g s n ，然后送到移动用户a 。 3 36 p r s 协议栈 g p r s 传输平台由分层的协议组构成，用于用户信息和其它相关信息( 如流程 控制、错误检测、错误修正等) 的传输g p r s 协议栈具体分层如图3 一l 所示。 移动台m s 通过无线接口u m 接入g p r s 基站b s s 。g b 接口把b s s 同s g s n 连接起来， 以进行信令信息和用户数据的交换，g b 接口能使多用户复用同一物理资源。资 源在用户活动时( 当数据发送或接收时) 分配给用户，而在活动结束时会马上被收 回并重新分配。s g s n 通过g b 接口，为移动台提供业务。通过g b 接口，g p r s 传 硕士学位论文第三章g p r s 无线通信的草本原理和应用 输平台不依赖于底层的无线通信平台而独立存在，这样做，系统能很方便地从 g p r s 平台升级到3 g 平台。 、 这里简要介绍协议栈中一些比较重要的协议。 ( 1 ) g t p ：g p r s 隧道协议，规范g p r s 主干网的支持节点之间的用户数据和 网络控制信号的传输，所有的分组数据报的协议数据单元都会被g t p 封装。 ” l u ri u ， 呻u p ppp妒 、迅1 缈 唧g i p s i d c pg ” 1 21 2 u cu c l e 啪 i d p ，i i 甲 l 匿8 曾 m fb s s g p 舻p