（电力系统及其自动化专业论文）基于gprs和spi的配变实时监控装置设计.pdf

a b s t r a c t d i s t r i b u t i o nn e t w o r ks c a d a ( i s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i f f o n ) i s v e r yi m p o r t a n ti np o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n ，l o wp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k i sc o n s i s to fl o t so ft r a n s f o r m e r sw h i c ha r eh e r ea n dt h e r ed i s p e r s e d l y o b v i o u s l y ， c o n c e n t r a t i v em a n a g e m e n ti st h ep r e p o n d e r a n tm e t h o dt h a ts e t t i n gas u p e r v i s o r y c e n t e rt oa d m i n i s t r a t ea l lt h er e a l t i m em o n i t o r i n gm a c h i n e w h i c hi si n s t a l l e do n e v e r yt r a n s f o r m e r s u p e r v i s o r yc e n t e rm a n a g e st h ed a t ao fa l lt h er e a l t i m e m o n i t o r i n gm a c h i n e t oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h es u p e r v i s o r yc e n t e ra n dr e a l t i m em o n i t o r i n g m a c h i n e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os e l e c ta p p r o p r i a t ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n a l y z i n gt h ea c t u a l i t yo fs c a d aa n dt h ef e a s i b i l i t yo fo p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) ，t h eg p r sn e t w o r ki ss e l e c t e da st h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l t h es p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) i se m p l o y e dt o e x c h a n g ed a t aa n d i n s y s t e mp r o g r a m m i n g i tw i l lt r a n s m i td a t ae f f e c t i v e l ya n dq u i c k l y ，u s i n gs p i s i m p l i f i e sd e s i g np r o c e s s ，r e d u c e sd e s i g nc o s t w h a t sm o r e ，i ti sc o n v e n i e n tf o r s y s t e me x t e n di nf u t u r e f i r s t l y ，d a t ac o l l e c t i n gm o d u l ec o l l e c t st h r e e p h a s ep o w e rd a t a ，r e a l t i m e m o d u l eg e t sc u r r e n tt i m e ，r e l a ym o d u l eg a i n sr e l a ys t a t u s s e c o n d l y ，t h ed a t a c o l l e c t e di sj u d g e dw e a t h e ro v e rl i m i t ，i fi ti so v e rl i m i t ，m a c h i n es e n d sa l , 1d a t a t o s u p e r v i s o r yc e n t e r t h i r d l y , m a c h i n es e n d sa l l d a t aa ti n t e r v a l s l a s t ，i f s u p e r v i s o r yc e n t e rw a n t st oc o n t r o ls o m er e l a y , i tw i l lc o m m a n dm a c h i n et o e x e c u t et u r n i n go no rt u r n i n go f fr e l a yb a s e do ns u p e r v i s o r yc e n t e rc o m m a n d t oc o m p l e t et h ep r o c e s s ，f i r s t l yd e s i g n i n gt h ew h o l eh a r d w a r e ：i n c l u d i n g d a t a c o l l e c t i n g ，r e a l t i m ec l o c k ，r e l a y - c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，m c u ( m i e r o c o n t r o lu n i t ) m o d u l e i na d d i t i o ni n s y s t e mp r o g r a m m e r ( i s p ) i sd e s i g n e d i ti s i n t r o d u c e dh o wt od o w n l o a dp r o g r a mw i t hi s p s e c o n d l y ，a n a l y z i n gs o f t w a r e d e m a n d ，t h em a i np r o g r a m ，i n t e r r u p tp r o g r a m ，a t t 7 0 2 2r e s e t ，d a t ac o l l e c t i n g ， r e l a y c o n t r o l ，a b n o r m a l d a t aa l a r m i n g ，d a t as e n d i n gp r o g r a mi sr e s p e c t i v e l y d e s i g n e d l a s t l y , a t t 7 0 2 2i sa a j u s t e db ys o f t w a r e k e yw o r d sg p r s ；s p i ；s c a d a ：r e a l - t i m em o r t i t o r in g ：d is t r ib u t io r t t r a r t s f o r m e r 亘妻銮望查堂堕主堡塞皇兰垡迨窒 笺! 要 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电力系统的安全、经济、可靠运行得益于二次系统的监控与保护。现 代电力系统的发展，使得电力系统各个领域更加依赖于计算机的信息收集与 处理，其安全、经济和可靠的运行也更加依赖于计算机的数据收集和处理能 力。现代电力系统的一大进步主要体现在二次系统的不断改革，其步伐几乎 与信息领域中的各种技术进步同步，电力系统的二次系统的组成结构、硬件 实现以及软件处理方法都在不断发展。 变电站是电力系统输配电的重要环节。长期以来，变电站二次系统所处 理的信息流程由两大闭合系统组成。第一闭合系统中，变电站一次系统的信 息通过传感器变换后传至继电保护装置和自动装置，经过处理后直接作用于 变电站的一次系统，即对一次系统进行操作或调节：第二个闭合系统中，变 电站一次系统的信息和其它信息，经过传感元件( 如测量仪表或信号装置) 变换成运行人员的感官所能接受的信息形式或上传至远方调度系统，经过人 的大脑分析或高级计算机软件分析、处理后，再作用于一次系统。通常，第 二个闭合信息处理系统称为监控系统。 计算机技术的发展使得变电站的所有信息处理工作，无论是由继电器保 护或自动装置完成的，还是由运行人员来完成的，都可以由计算机或微处理 器来承担。近年来，人们也进一步认识到在传统的两套信息处理系统中，信 息的采集环节均各自配置，并且监控系统的要求与发展也出现多样性。这样 一来，变电站对某一设备或线路的检测具有多套信息采集环节，而这些数据 采集的资源是不能共享的，造成资源的极大浪费。而且这些数据采集环节通 常是通过一次传感设备相互耦合的，不能确保系统的安全与可靠性。为了实 现数据和资源的共享，提高变电站自动化系统的整体效益，也就是导致变电 站综合自动化概念的出现。所谓变电站综合自动化，就是广泛采用微机保护 和微机远动技术，分别采集变电站的模拟景、脉冲量开关状态量及一些非电 量信号，经过功能的重新组合，按照预定的程序要求实现变电站监视、测量、 协调和控制自动化的集合体和全过程。变电站的综合自动化能够大大的提高 整个电网运行的安全性和经济效益。 变电站自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。国 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 外在八十年代已有分散式变电站自动化系统问世，以西门子( s i e m e n s ) 公司 为例，该公司第一套全分散式变电站自动化系统l s a 6 7 8 早在1 9 8 5 年就在德 国汉诺威投入运行，至1 9 9 3 年初已有3 0 0 多套系统在德国以及欧洲的各种电 压登记变电站运行。我国的变电站自动化工作起步较晚，大约从九十年代开 始，初始阶段主要研制和生产集中式的变电站自动化系统，九十年代中期开 始研制分散式变电站自动化系统，与国外先进水平相比，大约有十年的差距。 许多高校、科研单位、制造厂家以及规划设计、基建和运行部门在学习和借 鉴国外先进技术的同时，正结合我国的实际情况共同努力继续开发更加符合 我国国情的变电站综合自动化系统。可以预计，今后其发展和推广的速度会 越来越快，与国外的差距也会逐步缩小。 在变电站自动化系统的具体实施过程中，由于受现有的专业分工和管理 体制的影响而有不同的实施方法：一种主张站内监控以远动远方终端( r t u ) 为数据采集和控制的基础，相应的设备也是以电网调度自动化为基础，保护 相对独立；另种则主张站内监控以保护( 微机保护) 为数据采集和控制的基 础，将保护与控制、测量结合在一起，国内已有这一类产品。尽管后者正在 成为种发展趋势和共识，但是，无论是何种实施方法研制合适的监控装嚣 是实现变电站综合自动化的一个重要环节，本文根据变电站自动化系统的发 展趋势来研制其监控装置。 1 2 变电站自动化系统的实施模式及发展策略 为了能更好的设计与研制变压器监控装置以适应我国变电站自动化技术 发展步伐，有必要阐述和探讨一下变电站自动化的设计原则、工作模式和发 展策略。 1 2 1 设计原则 1 变电站自动化系统作为电网调度自动化的一个子系统，应服从电网调 度自动化的总体设计，其配置、功能包括设备的布置应满足电网安全、优质、 经济运行以及信息分层传输、资源共享的原则。 2 分散式系统的功能配置宜采用下放的原则，凡可以在间隔层完成的功 能如保护、备用电源自投、电压控制等，毋须通过网络和上位机完成。 3 按我国的实际情况，即使目前无人职守变电站，也应该有一个现场维 护、调试和应急处理的问题，因此设计时应考虑远方与就地控制操作并存的 模式。以远方为主，就地为辅，并应从设计、制造上保证同一时间只允许一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 种控制方式有效。 4 站内自动化及无人值班站的接入系统设计应从技术上保证站内自动化 系统的硬件接口满足国际标准。系统的支撑软件符合i s o 开放系统规定，系 统的各类数据、通信规约以及网络协议的定义、格式、编程、地址等与相应 的电网调度自动化系统保持一致，以适应电力工业信息化的发展要求。 5 要积极而慎重的推行保护、测量、控制一体化设计，确保保护功能的 相对独立性和动作可靠性。分布式系统的s o e 分辨率通过保护单元来实现。 保护、测量、控制原则上可合用电压互感器( p t ) ，对电费计量，功率因数等 有精度要求的量可以接电流互感器( c t ) ，供监测用的量可以合用保护c t 。 6 变电站自动化系统设计中应优先采用交流采样技术，减轻c t ( t a ) ， p t ( t v ) 的负载，提高测量精度。 7 目前无论国内还是国外的分散式变电站自动化系统各部件之间的联系 大都采用串行口通信方式( r s 2 3 2 c ，r s 4 8 5 ，r s 4 2 2 总线等) 。装置各个部件 的连接采用s p i 接口与r s 2 3 2 串口结合的方式，方便系统扩展。 8 ，采用g p r s 网作为通信介质，组网便捷、可靠性高、运营费用低。 1 2 2 变电站自动化系统模式 1 传统模式 这种模式就是目前国内应用最普遍的远方终端装置( r t u ) j j l 3p 当地监控 系统，冉配上变送器、遥信转接、遥控执行、u p s 等屏柜。当采用交流采样 r t u 时，可省去变送器屏柜。站内保护装置的信息可通过遥信输入回路f 即 硬件方法) 进入r t u ，亦可通过串行口按约定的规约通信( 即软件方法) 进入 r t u 。该模式保留了r t u 的功能和二次回路设计。 2 老站改造模式 采用r s 4 8 5 星型结构，构成分布式的r t u 。其特点是不增加屏柜位置， 毋须改动原有的二次回路，适用于老站改造。 3 集中配屏模式 这种模式目前在国内新建变电站中应用的最多，并已取得了较成熟的运 行经验，大部分厂家的产品均属此类，其中应用较多的有d i s a 3 型、b j 1 型、i e s 、x w j k 一1 0 0 0 a 等。该模式与传统模式相比，最大的区别在于将r t u 的遥控、信号、测量、电能计费、通信等功能分别组屏，而由1 个或2 个总 控制单元通过串行通信口( r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 ) 与各功能单元( 屏柜) 以 及微机保护、故障录波、上位机等通信。其特点是将控制、保护两大功能作 亘童奎望盔兰堡主塑窒圭兰焦鲨壅 笺! 耍 为一个整体来考虑。 4 全分散式 该模式主要特点是以一次主设备如开关、变压器、母线等为安装单位， 将控制，i o 、闭锁、保护等单元分散，就地安装在一次主设备( 屏柜) 上。 站控单元( 在主控室内) 通过串行口与各一次设备屏柜( 在现场) 相连，并与上 位机和远方调度中心通信。具体实施又分为两种模式，一种是保护相对独立， 控制和测量合：一种是保护、控制和测量合一。 5 局部分散式 此模式综合了集中式与分散式的系统结构，而控制和保护仍集中配屏。 通常将集中配屏安装在分散的设备小间内。设备小间在一次设备附近，根据 变电站的电压等级和规模可设数个小间，就近管理，节省电缆。 l - 2 3 发展策略 从信息流的角度看，保护( 包括故障录波等) 和控制、测量的信息源都是 来自现场c t ( t a ) 、p t ( t v ) 二次侧输出，只是要求不同而已。保护主要采 集一次设备的故障异常状态信息，要求c t ( t a ) 、p t ( t v ) 测量范围较宽， 通常按1 0 倍额定值考虑，但测量精度要求较低，误差在3 以上。而控制和 测量主要采集运行状态信息，要求c t ( t a ) 、p t ( t v ) 测量范围较窄，通常 在测量额定值附近波动，对测量精度有一定要求，测量误差要求在1 以内。 总控( m c u ) 单元直接接受来自上位机的控制输出命令，经过必要的校核 后可直接动作全保护电路，省去了遥控输出、遥控执行等环节，简化了设备， 提高了可靠性。从无人值班角度来讲，不仅要求简化一次主接线和主设备， 同时也要求简化二次回路和设备，因此尽量将保护和控制、测量一体化有利 于简化设备和减少日常维护工作量。 对数量较多的低压系统配电站，由于接线简单，对保护相对要求较低， 为简化设备节省投资，建议由r t u 来完成线路保护及双母线切换等保护功 能。为此需在r t u 软件中增加保护运行判断功能，如备用电源自投功能，可 通过对相应母线段失压和相关开关状态信号的逻辑判断来实现。 1 3 本文的主要工作 考虑到a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机具有低成本、低功耗和功能强大等特点，适应 变电站综合自动化的发展趋势，研制将控制与测量结合在起的配变实时监 控装置。 亘蜜窒望查堂巫主堡窒生兰焦迨塞 蔓! 夏 本文主要工作有： 1 介绍g p r s 的特点，比较以往的配变监控通信方式分析了g p r s 的可行 性，说明了系统的组网方式。 2 完成以一片a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机和三相电能计量芯片a t t 7 0 2 2 为核心 的配变实时监控装置的硬件设计。装置采集三相电力参数，4 路开关量，每 l o 分钟向监控中心上传一次参数并随时判断参数是否正常，如果出现异常立 即向监控中心发送报警信息，同时随时接收监控中心的控制命令，可以控制 4 路开关量。 3 为配变实时监控装置设计相应的软件，能够完成采集、控制、故障报 警与在线精度修正等功能。 4 与以往的g p r s 配变监控系统相比，采用了s p i 接口实现在线编程与 数据同步通信。设计制作了s p i 在线编程器并利用a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机s p i 接 口的在线编程功能将程序写入，免去了购买昂贵的编程器与仿真器。 5 调试程序，并修正配变实时监控装置的精确度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章通用分组无线业务g p r s 2 1g p r s 简介 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 - - g p r s ) 网络是叠加 在数字公用陆地移动通信网g s m 网络之上，为g s m 网络用户提供高速的 分组数据业务的一种新的网络。它充分利用现有的无线网络资源，为g s m 用户提供诸如i n t e r n e t 等数据通信网络的一种无线接入方案。它是g s m 阶 段2 加( p h a s e2 + ) 定义的新业务。g p r s 是移动通信技术与互联网技术的 完美结晶，它以分组交换的模式向用户提供高达1 7 1 2 k b s 的数据传输速率， 为移动数据业务提供了良好的平台。这个平台为电力系统以及其他应用提供 了经济、安全、可靠、方便地通信手段。 2 1 1g p r s 原理 图2 一l 是g p r s 系统的原理图 6 0 1 。 m s 。s g s n 一一g p r s 业务支持节点；p c u 一一分组控制单元； g g s n 一一g p r s 网关支持节点；p d n 一一分组数据网 图2 1g p r s 系统原理图 g p r s 是一个以分组为基础的系统，它具有与其它分组数据系统一样的 特性，特别适合突发性分组数据的传输。由于使用了分组交换，在无线接口 上可以按需分配信道资源( 统计时分复用) ，一方面每个用户可以根据需要同 时使用多个信道( 最多8 个) ；而另一方面，同一信道可以同时多个用户共享。 g p r s 理论上可以提供9 0 5 17 1 2 k b s 的数据传输速率。 g p r s 采用与g s m 相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相 同的无线调制标准、相同的调频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此，在 g s m 系统上构成g p r s 时，g s m 系统中绝大部分部件都不需要作硬件改动， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 只需要作软件升级。 构成g p r s 系统的方法是：a 在g s m 系统中引入3 个主要组件，分别是 s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、p c u ( 分组控制单元) 、g g s n ( g p r s 网关 支持节点) 、s g s n ，g g s n 有时又合称为g s n ( g p r s 支持节点) ；b 耐g s m 系统中的相关部件进行软件升级。 g p r s 系统在无线资源分配上采用动态信道分配方式，仅在有效数据通 信时占有信道资源，因此可以长时间保持在线，又没有占用信道，可以大大 提高资源利用率。当一侧消息含有大量的数据时，它可以被分成多个分组， 不同的分组可以通过不同的信道发送，这些分组都到达目的地以后，它们被 重新组合起来，恢复成原有消息。 g p r s 的分组数据功能并不对g s m 系统支持的电路交换服务产生影响， g s m 和g p r s 可以共处一网并互不影响。 现有的g s m 移动台m s ，不能直接在g p r s 中使用，需要按照g p r s 定 义的标准进行改造( 包括硬件改造和软件改造) ，才可以应用于g p r s 系统。 g p r s 系统定义了三类m s ：a 类、b 类和c 类。a 类可以同时工作于g p r s 和g s m ；b 类可以自动的在g p r s 和g s m 两者之间切换工作；c 类只能手 动的在g p r s 和g s m 两者之间切换工作。因为将来的g s m 和g p r s 将是共 处一网的，所以m s 的发展也将是g p r s 和g s m 兼容的。 2 1 2g p r s 系统结构 g p r s 的系统结构如图2 2 所示1 6 0 1 大致分为4 个部分：移动台m s 、 基站子系统b s s 、电路交换子系统c s s 和分组交换子系统p s s 。其中p s s ( 包 含s g s n 和g g s n ) 和p c u 是新引进的，c s s 则是g s m 原来有的。s g s n 和g g s n 可以放置在同个物理位置，也可以放置在不同的物理位置，当它 们放置在同一物理位置时，可以集成为一个设备，统称g s n ( g p r s 支持节 点) ；p c u 可以是独立设备，也可以和b s c 集成在起，成为b s c 的一部分。 m s 由m t ( m o b i l et e r m i n a l ，移动终端) 和t e ( t e r m i n a le q u i p m e n t ， 终端设备) 组成。m t 一方面通过空中接口与b t s 连接，另一方面与t e 相 连；它可以是一台g s m 移动手机，但它必须装有g p r s 的功能软件，同时 能提供与t e 的连接接口；m t 既作为g s m 的一个用户，同时也建立一个到 s g s n 的链接。t e 是用户工作的计算机终端，用于收发和处理数据，典型地， t e 可以是一台手提电脑。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 r 困， 电路交换话务和信令匿羹盈 信令圜囊圈 分组交换话务和信令 = g p r s 新组件 需要软件升级的g s m 组件 g s m 网络组件 图2 - 2 g p r s 系统结构 m s 既可以是两个物理实体，也可以集成为一个物理实体。为了使g s m 的m s 能用于g p r s ，必须对g s m 的m s 进行硬件改造和软件升级，使它升 级为g p r s 所定义的三种m s 中的一种。 构成一个g p r s 系统，除了需要引入新部件s g s n 、g g s n 和p c u 以 外，还必须对原g s m 系统的相关部件进行软件升级，这些部件包括： 夺b t s 夺b s c 夺m s c v l r 夺h l r g r ( g r 即为g p r s 寄存器1 夺b g 夺s o g 夺o m c 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 2 1 3g p r s 系统的性能 g s m 发展到现在，已经成为全球最大的移动通信系统，能基本满足当前 移动通信中话音通信的需求。但是，g s m 系统存在固有的问题：a 容量不 足和频普利用率不高，造成频率资源的浪费；b 只能提供9 6 k b s 的数据传 输速率，对高速传输无能为力，无法满足目益增长的对多媒体移动通信( 特 别是无线因特网接入) 的巨大社会需求。 g p r s 系统的引入，很大程度上解决了g s m 系统存在的问题。g p r s 系 统具有以下的性能特点： 1 基于分组交换，具有其它分组数据系统一样的高效特性，能够高效的 利用现有的网络资源，提高频率利用率。 g p r s 系统是在现有的g s m 系统的基础上，通过硬件和软件的更新升级 来实现，因此可以保护g s m 系统的投资，并可以利用现有的网络资源和无 线网络覆盖，提供分组数据服务。 在无线接口，g p r s 采用与g s m 相同的物理信道，定义了新的用于分组 数据传输的逻辑信道。信道分配采用动态方式，仅仅在有数据通信时才分配 信道。因此，g p r s 一方面可以利用现有的g s m 无线覆盖，另一方面可以利 用空闲的话音信道传送数据业务，提高无线资源的利用率。 2 支持中、高速数据传输，可以提供9 0 5 1 7 1 2 k b s 的数据传输速度。 g p r s 采用与g s m 不同的信道编码方案，它定义了c s 一1 ( 9 0 5 k b s ) 、 c s 一2 ( 1 3 4 k b s ) 、c s 一3 ( 1 5 6 k b s ) 、c s 一4 ( 2 1 4 k b l s ) 四种编码方案，可 以根据不同的信道传输质量选择不同的信道编码方案；同时，g p r s 支持多 个时隙合并传输( 最多8 时隙) 。因此g p r s 可提供9 0 5k b s ( c s 一1 1 时隙) 至1 7 1 2 k b s ( c s 一4 8 时隙) 的数据传输速率。 3g p r s 网络接入速度快、提供了与现有数据网的无缝链接。 g p r s 网本身就是一个分组型数据网，支持t c p i p 、x 2 5 协议，无需经 过p s t n 等网络的转接，直接与分组数据网( i p 网或者x 2 5 网) 互通，连 接速度仅仅几秒，快于电路型数据业务。 4g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计 费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 g p r s 对数据传输设置有不同的服务质量参数，包括优先级、延时、吞 吐量，用户和运营商之间可以就这三个质量指标进行协商，以选择合适的服 务质量等级。g p r s 业务根据传输延时和优先级分为四类q o s 品质，有三类 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 旦亟 预先规定了平均延时和9 5 延时，第四类未规定，见表2 1 。 表2 1g p r s 的q o s 品质 1 2 8 字节 1 0 2 4 字节 类别 平均延时 9 5 平均延时9 5 1 ( p r e d i c t i v e ) 0 5 s1 52 s7 s 2 ( p r e d i c t i v e ) 5 s2 5 s1 5 s 7 5 s 3 ( p r e d i c t i v e ) 5 0 s2 5 0 s7 5 s3 7 5 s 4 ( b e s te f f o r t )没有规定 g p r s 可以根据应用的类型、网络质量以及网络资源的实际情况，灵活 选择服务质量参数为用户提供服务，使g p r s 不仅支持频繁的、数据量小的 突发型数据业务，而且支持数据量大的业务，应用非常广泛。 5g p r s 核心网络层采用i p 技术，底层可以使用多种传输技术( 帧中继、 a t m 等) ，很方便的实现与高速发展的i p 网络( i n t e r n e t i n t r a n e t 网) 无缝连 接。 2 1 4g p r s 系统提供的业务 g p r s 能够提供两个m s 之间或者m s 与g p r s 终端和外部p d n 终端之 间的数据传送能力，它提供两种业务： 夺点到点( p o i n tt op o i n t ) 夺点到多点( p o i n tt om u t i l p o i n t ) 点到点业务包括三种：点到点无连接业务、点到点连接业务、点到点短 信息业务。第一种是数据类的业务，是为了支持非交互型的突发应用。这种 业务提供单个用户到单个目的用户之间的独立分组传送。第二种业务提供用 户之间的逻辑联系。 点到多点业务也包括三种：点到多点组播业务、点到多点群呼业务和i p 组播业务。支持向多个用户传送同一个信息，到多个用户的数据由一个业务 请求发起。 g p r s 可以根据用户的要求，灵活的提供9 0 5 k b s 至1 7 1 2 k b s 的数据传 输速率，因此具有较强的承载能力，可以承载所有点到点和点到多点业务： 夺短信息业务。可以覆盖目前g s m 基于电路交换的短信息服务，并提 供比它更快、内容更多的短信息服务 令信息查询。包括短信息点播以及股票、天气情况、交通信息查询 夺虚拟专用网m v p n 西南交通大学硕士研究生学位论文塑旦! 夏 夺移动i n t e r n e t i n t r a n e t 接入( 包括w e b 浏览、e m a i l 、f t p 等) ，实现 移动互联网和移动办公室 夺信息发布 夺视频点播 夺网络游戏 利用g p r s 较强的承载能力，结合无线应用协议( w a p ) ，可以逐步开 发更丰富、更便捷、更个性化的移动信息业务。其解决方案如图2 - 3 所示。 ：氍 圜衫 w a p 代理 图2 3g p r s + w a p 业务解决方案 2 2g p r s 在电网自动化系统中的应用 电网自动化系统必不可少的组成部分是通信系统，通信系统是中心站实 现对实时监控装置的数据采集、传输和控制的必要手段。 2 2 1 实时监控装置的特点 由监控装置监测和控制配电系统中大量的变压器比如柱上变压器、箱式 变压器等。这些设备有如下特点： i 变压器数量大。在低压配电网的每一个配电交压器上面安装一个实时 监控装置，拿一个县来说，变压器就要有成百上千台。 2 布局分散。这些变压器广泛的分布于各个角落，所以采取的通信方式 应该具有覆盖范围广的特点。 3 每次传输的数据流量不大。每次传输只需要将变压器的一些电力参数 和开关量信息传给中心站，使系统完成基本的管理、分析等功能，一般每次 传输的数据只有几十个字节。所以采用的通信方式最好按照流量收费，才能 使运营费用低廉。 4 数据传输频繁，突发性强。数据每1 0 分钟向中心站发送一次，一天 就是1 4 4 次，当变压器发生故障时，立即向中一心站报警。这就需要通信时通 信链路能够迅速连接。 5 要求通信实时性高。在可靠性要求较高的场合如铁路沿线的变压器故 亘塑奎望查兰堡主堑室生兰堡迨壅 蔓! ! 夏 障报警、隔离与恢复供电，要求能够及时处理才能保证铁路的可靠运营。 2 2 2 采用g p r s 通信可行性分析 国内目前配变监控系统采用的通信方式有电信电缆、电话拨号“”。、电 力载波、无线通信、光纤、g s m 等，比较常用的有电力载波、无线通信、光 纤等，下面分析它们的特点“，。 电力线载波通信：电力载波( p l c - p o v c e rl i n ec o m m u n i c a t i o i l ) 技术是电 力系统特有的基本通讯方式，电力载波是指利用现有的电力线( 高压、中压、 低压等输配电线路) ，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。 由于使用电力线作为载波信号的传输介质，因此具有信息传输路由合理、可同 时复用远动信号等特点，是不需要线路投资的有线通信方式“1 ，但是数字载 波通信需要购置集中器。电力线载波方式过去较多的应用于高压输电网“” “1 ，低压电力载波技术发展于9 0 年代末“1 ，多用于电力系统自动化管理”1 ”。电力载波技术由于配电网结构复杂，干扰噪声显著，使得信号衰 减较大，通信的可靠性难以得到保证。数字电力载波通信提高了可靠性，但 是技术复杂。 无线数据通信：无线数据通信技术较电力载波技术成熟，国外自动抄表 系统中无线通信占主导地位。它多应用于自动抄表13 1 、故障定位“、负荷 控制“”等。无线数据通信中，微波通信设备投资太大，不适合于配电网的 多点通信：扩频通信具有抗干扰能力强、误码率低、发射功率小等特点，适 用于如变电所与调度中心等长距离通信，但用于配电网时，由于通信环境不 理想，而且环绕能力羞，信号的接收会受到波传输的影响，效果不佳；普通 电台无线电通信的可靠性不高，不适用于多山地区和高建筑物密集的地区， 而且超出一定范围后，需要建立中继站，所以在配电系统中也没有大量普及。 光纤通信“7 ”1 12 0 1 ：光纤通信的优点是容量大、抗电磁干扰能力 强、敷设方便，缺点是敷设光纤和购置光端机的次性投入和维护费用高。 因此，在配电系统中，光纤一般只作为主干线路的通信方式，还需要有其他 通信方式作为补充。 g s m 短消息服务“2 “州12 4 1 1 基于g s m 短消息服务的配变监控系统在现 场已投入使用( 如兰州铁路局12 5 1 、西安供电局n ”、山东胜利油田“7 1 等) ， 试验结果表明，系统具有可靠性高、组网便捷、运营费用低等特点，满足配 变监测通信多样化的要求。缺点是节假日等短信息高峰时段通信实时性难以 把握，对于有较高实时性要求的系统来说有一定的局限性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 和这些方法比较，g p r s 具有覆盖面广、按流量收费、基于i p 协议可以 访问整个i n t e r n e t 、永远在线、传输速率较高、易于维护和扩展、连接速度快、 费用低廉、可靠性高、适合不定期和长时期数据传输的特点。它能够弥补g s m 在实时性上面的不足，不必承担光纤通信的高昂价格。综上所述，g p r s 作 为监控装置的通信方式是目前很好的选择。 2 3h 7 1 1 8g p r sd t u 深圳宏电公司的h 7 1 18g p r sd t u ( g p r s 数据终端单元) 可以为用户 提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。具有t t l 电 平及r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口，高性能、工业级、外置式，适用于环境恶劣的各 种工业躲控、交通管理、气象等应用。利用g p r s 网络平台实现数据信息的 透明传输。 2 3 1 工作原理 h 7 1l8g p r sd t u 是基于移动通信网络，针对工业监控、交通管理、金 融等行业的数据通信的应用开发的郇。与数据中心的接口设备一起提供透 明数据传输通道，组成用户专用数据网络。h 7 1 】8g p r sd t u 原理框图见2 4 。 配置接 j r $ 2 3 2 - 4 8 5 图2 - 4h 7 1 1 8g p r sd t u 原理吲 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 2 3 2g p r sd t u 的特点 基本特点： 夺采用m o t o r o l a 公司高性能工业级o p r s 模块 夺使用方便、灵活、可靠 夺支持双频g s m g p r s 夺符合e t s ig s mp h a s e2 + 标准 夺数据终端永远在线 夺实时时钟 夺支持a 5 1 & a 5 5 3 n 密算法 增强功能： 夺透明数据传输与协议转换 夺支持虚拟数据专用网 夺短消息数据备用通道( 选项) 冷支持动态数据中心域名和i p 地址( v 2 5 以后软件版本1 夺s t k 卡特殊功能配置 冷支持r s - 2 3 2 4 2 2 4 8 5 或以太网接口 夺支持音频接口，方便维护操作 夺系统配置和维护接口 夺通过x m o d e m 协议进行软件升级 夺支持空中软件升级和远程维护( 选项) 夺自诊断与告警输出 夺抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求 冷采用先进电源技术，供电电源适应范围宽，提高设备的稳定性 夺选配防潮外壳，适合室外应用 2 3 3g p r sd t u 组网方式 g p r sd t u 在不同应用场合其组网方式也不同，几种常用的组网方案包 括点对点数据传输、点对多点数据传输和多点网络传输。 l 点对点数据传输，满足两点之间数据传输。见图2 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 匦习臣亟丑、 应用业务数据 移动网传输数据( 应用业务数据+ 控制数据) 图2 5 点对点数据传输 2 中心点对多点数据传输，满足中心对多点数据传输。见图2 6 。 区丑回7 延h 习 用户数据业务中心 一 应用业务数据 - 移动网传输数据( 应用业务数据+ 控制数据) 图2 6 中也，点对多点数据传输 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 3 多点网络传输，满足多点对多点之间的数据传输。见图2 7 。 砸蔓 一 应用业务数据 - - 移动网传输数据( 应用业务数据+ 控制数据) 图2 7 多点网络传输 2 4 基于g p r s 的系统组网与数据通信 典型的中心对多点的应用系统组网方案见图2 - 8 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 图2 - 8 中心对多点组网方案 本系统的设计就采用点对多点数据传输，采用中心对多点的组网方案。使用 t c p i p 协议通信。 2 4 1t c p i p 协议 在网络的各种传输协议中，t c p i p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e t p r o t o c o l ，传输控制协议网际协议) 是目前最为成熟可靠、应用最广的协议。 t c p i p 协议能够让各种各样的计算机都可以在个共同的网络环境中运行。 经过几十年的研究和应用，t c p i p 己充分显示出它强大的连网能力与各种应 用环境的适应能力。i n t e r n e t 已成为用t c p i p 协议连接世界各国、各部门、 各机构计算机网络的最大的国际互联网。t c p i p 协议已被各界公认为异种计 算机、异种网络彼此通令的重要协议，也是目前最为可行的协议，现在已成 为事实上的国际标准和工业标准。 t c p i p 的o s i 参考模型分5 层，物理层、数据链路层、网络层、传输层 和应用层，如图2 - 9 所示。物理层和数据链路层涉及到在通信信道上传输的 原始比特流，它实现传输数据所需要的机械、电气、功能性及过程等手段 提供检错、纠错、同步等措施，使之对网络层显现一条无错线路：并且进行 流量调控。网络层检查网络拓扑，以决定传输报文的最佳路由，执行数据转 发。主要协议有i p 、i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，互联网控制报 文协议) 、i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，互联网组管理协议) 、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议) 、r a r p ( r e v e r s ea d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c o l ，反向地址解析协议) 等。传输层的基本功能是提供端到 端的通信。传输层从应用层接收数据必要时把它分成较小的单元，传递给网 络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。主要协议有t c p ，和u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议1 。应用层负责处理特定的应用程序细节， 主要协议有h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) 、f t p ( f i l e t r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传输协议) 和t e l n e t ( 远程登陆) 等。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 提供应用程序网络接口 建立端到端连接 寻址和路由选择 物理介质访问 二进制数据流传输 图2 9 t c p i p 协议栈 2 4 2 传输层协议 t c p 是一种面向连接的协议，也就是通信的发起节点在每次发起通信时 在传输层都必须与通信接收方事先建立“握手”连接，之后才能发送。u d p 是一种无连接的协议，也就是通信的发起节点在发起通信时在传输层不需要 与通信接收方事先建立“握手”连接，而是直接发送。 面向连接具有可靠性和稳定性高的特点，但是由于需要建立连接，撤除 连接，以及维护连接，因此需要花费一定的代价。对于t c p 而言，建立连接 就需实现3 次握手，撤除连接也需要3 次交互过程，同时对于控制和维护连 接，协议栈要维护大量的信息和需要一系列的算法控制通信的顺利进行。面 向无连接具有即时通信的特点，不需要建立和撤除连接，效率高、实时性好： 但反过来，它的可靠性不高，对于介质不好的网络，其数据丢失率较高。 u d p 的优势在于它的高效率。在实践中，u d p 往往面向交易型应用，一 西南