（电力系统及其自动化专业论文）基于gprs无线通信技术的配变实时管理系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备，其运行状态是整个配电网 经济运行的重要组成部分。随着我国配电自动化建设的广泛开展。配电变压器管理监 测系统的建设成为配电自动化系统的重要组成部分之一。 针对配变监测系统对数据传输可靠性和实时性的要求，本文通过介绍一种基于移 动g p r s 无线通信的配电变压器监测系统，提出基于g p r s 网络的配变自动化通信解决 方案。 该方案利用g p r s 的i n t e r n e t 接入功能，实现数据的实时采集和传输。利用g p r s 作为桥梁突破普通无线传输的瓶颈，具有传输速率高，数据吞吐量大等优点，实践证 明该系统可满足配电管理系统对数据传输可靠性和实时性的要求，完全符合现代配电 自动化建设的需要。 本文对基于g p r s 通讯技术的配变自动管理监控系统的组成、功能和特点等作了简 要的介绍，重点介绍了配变系统终端设备的开发，详细介绍了终端设备中的实现技术 细节。详细介绍了配变监控终端( t t u ) 的硬件结构和通信协议，以及配变监控主站 软件和数据库的设计。 基于g p r s 通讯技术的实时配变管理系统本身的特点以及在现场运行的情况都表 明，将g p r s 引入到电力系统应用中，是一个非常新的思路，它使得该系统从整体上 说极具研究价值和应用前景。 关键词：配变；实时管理；g p r s 技术 t 。 山东大学硕士学位论文 英文摘要 d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r sf a c et oc u s t o m e r sd i r e c t l y ，i t so p e r a t i o ns t a t e i st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f s a f ee c o n o m i c a lo p e r a t i o no f t h ew h o l e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k w i t ht h ee x t e n s i v ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i c c o n s t r u c t i o no fd i s t r i b u t i o n ，m a n a g i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rh a s t u r n e di n t oo n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h ea u t o m a t e ds y s t e mo ft h e d i s t r i b u t i o n c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r s ， as y s t e m b a s e do ng p r sn e t w o r k si sp u tf o r w a r db yt a k i n gap r a c t i c a lm a n a g i n gs y s t e m o fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e ra sa ne x a m p l e i tu t i l i z e st h ed i r e c tc o n n e c t i o n b e t w e e ng p r sn e t w o r ka n di n t e r n e t ，s e t t i n gas e r v e ri ni n t e r n e t ，w h i c ht a k e s c h a r g eo ft h et r a n s f e ro ft h ec o m m u n i c a t i o no ft h e m a s t e rs t a t i o na n dt h e t e r m i n a lu n i t s t h i sn e ws y s t e m ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yh i g h e rs p e e da n d g r e a td a t at h r o u g h p u t ，w e l ls a t i s f i e st h ed e m a n d sf o rr e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m eo ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rs i m p l yi n t r o d u c e dt h ec o n s t i t u t e s ，f u n c t i o n sa n ds p e c i a l t i e s o ft h em a n a g i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r t h ea u t o m a t i cs u p e r v i s e a n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do ng p r st e c h n o l o g y t h ee m p h a s e so ft h ep a p e ra r e t h ed e v i c eo ft e r m i n a lu n i t t h eh a r d w a r ed e s i g no fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r t e r m i n a lu n i t ( t t u ) i sd e s c r i b e di nd e t a i l s ，a sw e l la st h ep r o t o c o lb e t w e e n t t ua n dt h em a s t e rs t a t i o n t h ed e s i g no fm a s t e rs t a t i o na n dd a t a b a s ei sa l s o d e s c r i b e d t h el o c a lr u n n i n go u t c o m ea n dp e c u l i a r i t i e so ft h em a n a g i n gs y s t e mo f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rb a s e do ng p r st e c h n o l o g yi sg r e a t l yp e r f e c t i o n a 1 1 o ft h i si se v i d e n c et h a ti t sa d v i s a b l et ou s eg p r si np o w e rs y s t e m t h e r e s e a r c ha b o u ta p p l i c a t i o no fg p r st e c h n o l o g yh a sp r o f o u n dt h e o r e t i ca n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r ：r e a l t i m em a n a g i n ga n dc o n t r o l ；g p r s t e c h n o l o g y 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1引言 在配电网中配电变压器数目众多，安装位置分散，远动化、自动化程度低，而它 又是直接面向用户的电力设备，配电变压器的工作状态直接关系到用户电能质量。当 前提高配变电压器的自动化、远动化水平，加强配变的运行状况的监视，合理分配负 荷等要求已经十分迫切。 配变管理系统自动化是指用现代的计算机、通信、遥测等技术手段和设备对配电 网的节点配电变压器运行进行管理。 配变综合管理系统是配电变压器及下接的各种电力设备为设计对象的综合信息 管理系统。配电变压器是配电网络中的节点，在配电网自动化中具有重要地位”1 。 配变综合管理系统的开发目标是一个安全可靠并且能够提供各种高级服务的、以 及能够为应用实施和执行提供功能强大的开放式平台，同时开发多个运行在该平台之 上的相对独立的应用子系统。 1 2论文主要工作 针对配电变压器监控的量多面广和实时性要求，提出一种维护成本低、性价比较高 的无线g p r s 传输方式配变监控装置的设计方案。 本文对g p r s 网络通信方案的可行性和先进性进行了充分论证。首先简单介绍了 g p r s 网络的相关知识，然后根据配交实时管理系统的要求，利用g p r s 快速及时的 i n t e r n e t 连接，提出g p r s 结合i n t e r n e t 的通信系统的结构。详细介绍了配变监控终 端( t t u ) 的硬件结构和通信协议，以及配变监控主站软件和数据库的设计。 实践证明系统采用的g p r s 通讯技术，使得整个系统具有传统的遥测遥控系统所不 能比拟的优越性，对现有配电网自动化的发展做出一定贡献，成为s c a d a 系统的一个 完善和补充。 山东大学硕士学位论文 第二章配变管理系统概述 2 i配变综合管理系统简介 配变综合管理系统主要由配变管理自动化系统，配变负荷管理系统 t l m ( t r a n s f o r m e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，无功补偿自动控制以及自动抄表系统 ( a u t o m a t i cm e t e r i n gt e r m i n a l ) 四个功能模块组成。 配变综合管理系统包括主站、终端和通信服务器三部分。是一个符合配电系统现 代化管理要求的，具有分布式、开放式、可扩充的配变信息综合管理系统。基础平台 除提供基本的硬件技术和操作系统内核这一基本服务外，还包括如人机界面、数据库 管理系统、网络通信等基础服务。基于基础平台之上的应用子系统包括：自动抄表、 电容器投切、电能质量分析、负控管理分析以及其它系统的接口等。这些子系统在开 放系统结构基础上实现有机的横向和纵向的系统集成，从而形成一个完整的配变信息 综合管理系统，为将来并入配电管理系统d m s 作好子系统的接口准备。以模块化的系 统设计思想完善配变管理系统，系统就可以分步实现各个配变管理的功能。 2 2 配变管理系统主要功能 通过客户端后台配电综合管理系统软件，配变管理系统可实现如下功能： 一、配电变压器运行监控 监视以及汇总配电变压器的运行状况，显示及统计异常运行状况，对配变进行基 本运行、电压分析资料、配变基本信息的管理与维护。 实时、自动监测配变的三相电压、三相电流、三相有功( 无功) 功率、功率因数、 频率、有功( 无功) 电量参数数据以及配电变压器油温“1 。采集配变的开关状态，用 不同的颜色表示开关的开闭状态，同时可以对开关进行远方控制操作。同时以上数据 可以通过曲线图或表格等形式表现出来，系统可以直观地了解配变的日负荷情况及相 关的指标参数，并记入数据库供用户以后查询。 配电变压器的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、有功功率、无功功率、 功率因数，以及其它变压器运行出现异常情况时，突出显示这些参数并及时地上发主 茎查兰笪量：堡堡重堡垦墨盟丝翌：墨堂堕翌圭墨查：皇匡整圭堡垫! 堡：皇鎏垄 山东大学硕士学位论文 近上限下限、零序电压电流异常。 二、自动抄表 实时、自动记录计量表的数据，并进行运算、存贮；可以通过g p r s 网络抄收多功 能表的实时数据和冻结数据，包括有功和无功总电能、有功最大需量及其发生时间、 有功峰、平、谷电量，以及三相电压，电流等也可以每月每r 定时自动抄收最小 间隔为1 5 分钟。 表计异常管理，表计停走，表计倒走，表计电量波动异常，可以将异常记录计入 数据库，同时向运行监控人员发出告警信息。 三、 防窃电功能 配变管理终端中配置的高精度a d e 7 7 5 8 电能测量模块，可以实时监测用电端所用 的电能值和功率值，并通过g p r s 网络将监测值送到供电客户端前置机。 前置机将配变管理终端中a d e 7 7 5 8 所提供的数据，进行处理分析，并与多功能电 表抄收的用电客户端电能值和功率值比较。若出现超出正常范围或出现预先设定的异 常运行故障特征，系统则发出窃电行为报警信息，以便及时发现和处理计量故障，制 止窃电行为，可将电能计量损失降低到最低程度“。 防窃电功能，主要有两种方式：一是软件分析方式，系统根据电力用户的历史值 分析是否用电异常。二是电表尾盖保护方式，一但用户私自打开尾盖，采集模块就会 记录打开时间，并向主站报警，也可以本地报警。 四、配变综合管理系统扩展的功能 配变综合管理系统扩展的功能有： 1 电容器无功投切 无功影响到线损与电压质量，是电能质量的一个重要因素。系统按照一定的周期 检测负载的无功、有功，并计算出在当前时刻所需要补偿的无功，按照既定的无功投 切策略，进行无功补偿的电容器的投切，达到优化配电运行的作用。 2 电能质量分析 进行数据分析，通过计算分析实时数据，计算线损、电压可靠性、供电可靠率， 形成电流、电压、功率、电能量历史曲线及用电曲线等。 3 权限管理 严格控制各种操作员的操作权限，确保系统数据的安全、准确。设定操作权限， - - - 。- - - - - - 。1 。- - - 。 一 山东大学硕士学位论文 如用户登录、抄收，档案管理，参数设定、修改等。 2 3配变管理系统通信设计 2 3 1 配网自动化通信的现状与发展 图2 1 配网通信方式示意图 通信系统的建设是本系统的关键之一，系统设计的基本原则为根据用户提出的功 能要求，同时依据现有的通讯资源，灵活运用各种通信手段，建设一个稳定、可靠、 性能价格比较合理的配变管理系统。当前能采用的通信方式有：配电线载波通信、传 统无线通信、微波通信、无线扩频通信、卫星通信、光纤通信、租用公用电话线通信、 架设专线通信、城域以太网通信等。下面就各种通信方式来看一看它们所适用的范围。 一、 配电网载波通信 1 、配电线载波通信的特点 配电线载波通信就是将载波调制的信号附加到现有的电力线上构成的通信系统， 山东大学硕士学位论文 其优点是避免单独的通信介质，可以大大降低占用通道的成本。 载波通信是利用某一载波频率经非通讯线路传递信息的通讯方式，可以分为电力 线载波( p l c ) 、配电线载波( d l c ) 和音频工频载波等几种“。 电力线 图2 2 载波通讯方式示意图 载波通讯方式充分利用电力线资源，无需重新布线，施工方便简单，如图2 2 所 示。但是由于采用动力线作为传播媒体，现今我国电网污染较严重，信息传输误码率 高。影响电力线载波传输质量的因素主要有两个，一个是电力网络的阻抗特性及其衰 减，另一个是噪声的干扰。第一个因素制约着信号的传输距离，第二个因素决定着数据 传输的质量“。 利用低压电力线作为a m r 系统的底层数据通道运行成本低，无疑是非常经济的方 案。在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上，再经过功率放大后通过耦 合电路耦合到电力线上。信号频带一般为5 0 - 1 0 0 k h z ，峰峰值电压不超过l o v ，因此不 会对电力线路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合电路 将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。 低压电力线载波通信网的系统结构同r s - 4 8 5 系统结构，采用总线结构。在同一变压 器区域下，一个集中器采集若干个采集器或电度表的数据，构成一个总线型网“。8 1 。 2 、载波通信的不足 利用低压电力线作为传输信道还存在许多问题。 首先，电力线上的干扰非常大，特别是在用户线路上例如：用户家用电器、开 关电源等产生的高次谐波，各种用电设备的通断产生的瞬时脉冲干扰，各种大功率丌 关器件的开关产生的宽频谱的驻波干扰等等“”因此，如何抑制干扰，提高通信的可 靠性是首要考虑的 其次，不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷情况 9 山东大学硕士学位论文 都会对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响。 载波通信中信号传输过程受配电线路完整性影响较大，经过打开的开关需要额外 的设备，线路故障接地短路时信号衰减严重 1 1 1 目前，载波通信技术尚不完善，通信 的可靠性、实时性不理想。但输电线载波技术现已成为较成熟的技术，有可以避免维 护单独的信道的优点。因此配电线载波技术有其较强的生命力，在其它相关技术的推 动下，可以获得令人满意的通信效果。 二、扩频无线通信 1 、扩频无线通信特点 对于给定的频率资源，需要采取适当的扩频多址技术，使得有限的资源能传输更 大容量的信息。 多址技术主要解决多个终端如何高效率地共享给定频谱资源的问题。常规的多址 方式有三种：频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 。利用扩频技 术在一定的频带内，能够避免频率资源紧张的问题t 1 2 t , 目前公用的移动通信网采用这 一技术，可以维持较大数量的通道并行使用。 电力线扩频通信是近年来在扩频通信领域中研究的一个重要课题。配电线载波受 噪声和电磁干扰，传输质量差。利用扩频通信的抗干扰能力强的特点，可在配电线这 种高频特性比较恶劣的通道环境中进行数据传输。 2 、扩频无线通信的缺点 无线扩频通信系统比较适合于构成l o k v 开闭所、小区变或用于集结分散测控对象 的区域工作站对配电控制中心间的数据通信“”。鉴于成本方面的原因，与为数众多的 分散测控点通信，不便于采用无线扩频方式来实现。 其缺点是受天气影响严重，雨天时信号相对于晴天衰减严重。无线电扩频对无线 收发器要求较高，设备投资较大，但随着通信技术的进步，该项设备的使用成本正在 不断降低。 三、光纤通信 光纤通信是7 0 年代发展起来的通信方式，采用光纤进行数据通信的主要优点是： 通信容量大、不受电磁场干扰、信号衰减少、保密性好、线路轻便抗腐蚀。由于光纤 通信设备投资较高，使得其还未在配电管理系统中的到广泛放入应用。 1 、光纤通信的特点 山东大学硕士学位论文 mm m 光纤是一种适合光传播的、损耗小、可弯曲的玻璃丝多根光纤同加强芯、保护 材料组合在一起，就构成了光缆。以光作为通信信号使得光纤通信的容量大，中继距 离长，传输速率高，不受雷电、开关操作的影响，抗电磁等干扰能力强，近年来获得 巨大的发展和广泛的应用。 由信息理论可知，载波频率越高，通信容量越大。对光纤通信而言，载波为光波， 频率很高，可供利用的频带很宽，通信容量大，尤其适合高速宽带信息的传输；由于 光纤损耗很低( 0 2 d b k m 的量级) ，加上采用中继技术，传输距离大大增加。这对于 长途干线通信、海底光缆通信十分有利；光纤抗电磁干扰能力很强，不怕雷击和其他 工业设备的电磁干扰，传输可靠性好。光纤系统也没有发生电火花的危险，因此在一 些要求防爆的场合使用光纤通信是十分安全的；光纤内传输的光信号几乎不会向外辐 射，因此很难被窃听，保密性好；在运用频带内，光纤对每一频率成分的损耗几乎是 一样的，因此在中继站和接收端只需采取简单的均衡措施就可以，设备相对简单：光 缆尺寸小，重量轻，便于敷设和架设；另外，光纤的原材料是石英( s ，0 2 ) ，来源非常 丰富m “1 。 2 、光纤通信的不足 光纤通信具有很多优点。如频带宽、传输速率高、传输距离远，以及高抗干扰性 等特点，非常适合上层通信网的要求。但是光纤本身难以实现t 形连接，不能实现总 线结构( 除非采用光纤环网技术) ，因此不太适合于星型连接。且前星型连接节点造价 高。安装费用也比较高。 四、租用公用电话网 图2 3 租用电话网的通讯体系结构 通过敷设专用通讯线路( 专线) 或使用本地邮电网实现配电网通信的一种通信方 式。其中比较常用的有租用电话线方式，就是将市话网或电话专线作为信息传输的媒 介，其基本思想是发送端用m o d e m 将基带信号( 即数据) 调制成频带信号，通过电话 山东大学硕士学位论文 线路传输后。再由接收端i i o d e m 将频带信号解调还原成基带信号。显然m o d e m 的性价 比直接影响整个系统的成本和数据传输的可靠性。使用电话交换网的通信系统结构如 图2 ，3 所示。 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有 效的方案。利用电话网通信，只需在数据集中器和管理中心主机各加装调制解调器 ( m o d e m ) 即可，其通信速率可达2 、4 k b p s 。9 、6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。主机对集中器的 呼叫可以通过拨号由交换机自动完成，也可以租用专线，但费用较高。租用电话线方 式进行数据通信时，线路续接( 包括呼叫应答等) 时间较长，通常需几秒到几十秒。 这一方面使得管理中心无法对用户实时监控；另一方面当集中器数目较多时，租用电 话线路多，其租用费用也很可观，不适合大容量系统“”。 五、城域以太网通信 城域以太网通信按计算机局域网通信技术的有线方式通信，随着城市宽带通信网 络的建设与发展，城域以太网通信正在逐步步入大众生活，大容量的数据通信可以采 用这种方式“”。设计具有以太网接口的配变管理终端是新形势下对配电管理系统通信 的要求。 配电网的通讯与输电网通讯差异很大。在输电网中由于终端节点数量有限，并且 通道距离长，同时对通信速率和可靠性要求高，因此都是采用专用通道点对点或共线 通信，而很少使用广播通信方式。相比较，配电网中由于终端节点数量极大，而通道 距离相对较短，对通信速率要求不高。 2 3 2 配变通信方式小结 通讯在配变监控系统中占据着相当重要的地位，它承载着监控中心与终端设备之 间的数据传输、命令发布等任务。随着通讯技术的发展，配变通信系统中的通讯方式 也变得多样化起来。 一、配电自动化的常用通信方式 在配电通信系统中，应该根据系统现有的资源，综合比较分不同层次采用不同的 通信方式，以满足数据传输的可靠性目标及经济合理地实现这一目标。 1 2 山东大学硕士学位论文 通信载体 通信方式传输媒介主要应用 配电线3 5 k v 变电站到县级电网 利用高压配电线 载波综合自动化控制中心 配电线 低压载波低压配电线 低压用户抄表 利用远方抄表、远方维护、 拨号电话 公用电话网 公网t t u 到配电子站间通信 架设现场总线屏蔽双绞线f t u 、t t u 与配电子站 电缆 r s - 4 8 5屏蔽双绞线及设备内部通信 配电子站到配电控制中心、变电站到自 s d h 、p d h 光缆动化控制中心、3 5 k v 变电站到县级电网 光纤综合自动化控制中心 配电开闭所到配电控制中心、配电子站 光m o d e m光缆 到配电控制中心、f t u 、t t u 与配电子站 配电开闭所到配电控制中心、 无线扩频自由空问 配电子站到配电控制中心 无线 u h f 电台自由空间f t u 、t t u 与配电子站问 通道 3 5 k v 变电站到县级电网综合自动化控制 多址微波自由空间 中心、配电子站到配电控制中心 表2 1 配电常用通信方式比较 二、通讯方式的选择 配变管理系统采用何种通信方式，不仅要考虑数据传输的可靠性、工程实施的可 行性、系统兼容性及可扩展性，同时还应使该系统具有投资少、见效快、应用范围广 泛等特点。而且各种通信方式各有特色，各有其相适应的环境和存在条件而现在情 况复杂，单一的通讯形式难以满足要求，所以往往多种通讯方式结合使用。 本文介绍的配变实时管理系统采用了6 p r s 通讯技术中的数据业务，既解决了传 统无线通讯方式数据传输可靠性差、费用高等缺陷，又充分发挥了无线通信的优势， 有相当好的应用前景。 山东大学硕士学位论文 第三章6 p r s 技术及其应用 3 1 g p r s 技术解析 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，是一种 基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接。通俗的讲， g p r s 是一种高速数据处理的通信技术，以分组传送”的形式实现无线高速通信。随着 无线通讯技术的发展，g p r s 技术在数据传输领域的应用日益广泛。利用通用分组无线 业务( g p r s ) 可以较圆满地解决电力系统的通信问题。 3 i 1g p r s 发展背景与现状 g p r s 是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接可以提供高速数据处理服务。由于g s m 数据传输在空中接口的速率低( 9 6 k b s ) ， 电路交换方式进行数据传输不能充分利用无线资源，增加了g s m 的网络负担而不能满 足市场对分组数据移动通信业务的需求，于是便选择了g p r s ，它更适合于大多数的数 据业务，如移动办公室、i n t e r n e t 接入等。在传输速率、无线资源管理、计费等方面， g p r s 更显出其数据业务的优越性。 电路交换、报文交换和分组交换是通信网的三大交换技术。对于数据通信业务， 电路交换技术突出的缺点是不够灵活，频率资源浪费严重。分组交换方式采用长度一 定、结构统一的数据分组作为数据传输的基本单位。每个分组头( h e a d e r ) 都带有地 址、序号、校验码等信息，用于检错纠错、排队、选路等处理。此外，分组交换采用 存储转发机制，每个节点接收到来自其他节点的分组后，先将其暂存在缓冲区内，然 后根据分组头中的地址信息选择下一步应将该分组转发到哪个节点。同一物理链路在 不同时刻可以传送不同的通信会话的数据，也就是对物理链路可以进行统计复用，而 不是电路交换方式中的链路独占n ”。 分组交换方式在通信之前不需要对通信双方分配一条独占的链路，可根据用户需 要以及网络能够提供的带宽，为用户动态分配网络资源，从而极大地提高了网络带宽 的利用率；由于存储转发机制可以根据网络的实际状态动态选择路由，这样即使某些 节点或节点间的链路发生故障，数据仍能绕道到达目的地，从而提高了通信的可靠性。 1 4 山东大学硕士学位论文 因此，分组交换方式是数据通信的理想选择。 随着i n t e r n e t 的发展，人们看到了数据通信的巨大潜力。移动通信与i n t e r n e t 的结合已经成为移动通信的发展趋势第三代移动通信的核心网也将采用分组交换方 式。g p r s 核心网采用基于分组交换模式的i p 技术来传送不同速率的数据及信令。 g p r s 是g s mp h a s e2 + 阶段规定实现的内容之一，它的目标是提供高达1 0 0 k b s 以 上速率的分组数据业务j i g 。不少人认为。g p r s 网络建成后g s m 网络将会被淘汰，这 是错误的理解。其实，g p r s 只是一项移动通信技术，将它应用于g s m 网络，只是对现 有的g s m 网络的一个升级而已也就是说g p r s 是对目前g s m 网络的补充。它不会取 代目前g s m 网络支持的c s d ( 电路交换数据) 和s m s ( 短消息) 等数据业务。g p r s 是 g s m 向3 g 系统演进的重要一环，它既考虑了向第三代系统的过渡，同时又兼顾了现有 的第二代系统，是第二代g s m 系统过渡到第三代w c d m a 系统的必经之路，所以g p r s 也被称为“2 5 代技术”。 3 1 2 g p r s 网络结构n 8 1 9 2 仉2 h2 2 1 g p r s 网络结构是建立在g s m 网络结构的基础之上，其在g s m 网络的基站子系统 ( b s s ) 和网络子系统( n s s ) 中引入几个关键性的功能模块或新设备，且对g s m 的相 关设备进行相应的软硬件升级，就可以构成g p r s 网络。图3 1 是g p r s 的网络结构一 图3 1g p r s 网络结构模型 从总体上说g p r s 网是由移动台、基站子系统、交换子系统、管理子系统四部分组 成，其中移动台、基站子系统和交换子系统协同工作为用户提供业务服务；管理子系一 山东大学硕士学位论文 统完成整个g p r s 网络的管理工作。 一、g p r s 移动台( m s ) g p r s 移动台( m s ) 按其功能的不同可分为a 、b 、c 三类：a 类可同时使用g p r s 业务和g s m 电路型业务进行工作；b 类可附着在g p r s 和g s m 电路型业务上，但二者不 能同时工作；c 类只能附着在g p r s 业务或g s m 电路型业务上。移动用户只能使用g p r s 移动台接入g p r s 网使用g p r s 业务。 二、g p r s 基站子系统 g p r s 的基站子系统是通过在g s m 网的基站子系统( b s s ) 上增加分组控制单元( p c u ， p a c k e tc o n t r o lu n i t ) 来实现的。p c u 负责在b t s 和s g s n 之间传送分组数据。因为 g p r s 采用的是与g s m 相同的无线接口，所以不需要改动g s m 网中基站无线设备的硬件。 但是，由于g s m 网中的b s c 设备采用的是电路交换方式，不支持g p r s 的分组数据业 务和相关信令，所以需要增加相应硬件设备p c u ，将b s c 的分组数据业务和相关信令 分离出来。通过在g s m 网中基站子系统增加p c u 设备，g p r s 的基站子系统可将g p r s 移动台发出的分组数据传送到g p r s 交换子系统中。 三、g p r s 交换子系统 g p r s 交换子系统由通过i p 网连接的各个g s n 节点以及h l r ( 归属位置数据库) 构成，g p r s 交换子系统亦称为g p r s 核心网。 1 g s n 节点( g p r s 支持节点) g s n ( g p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 支持节点) 是g p r s 的网络节点，是添加到g s m 的n s s 中的新设备。g s n 节点中的网元包括s g s n 、g g s n 、d n s 、c g 、l i c 、n t p 服务器 和b g 。根据完成功能的不同，1 个g s n 节点包括上述部分网元或所有网元，单个g s n 节点中的网元通过局域网相连。 2 s g s n ( 服务g p r s 支持节点) s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) 即服务g p r s 支持节点，是g p r s 用户按入 交换子系统的接入点，主要负责g p r s 用户的接入控制，与h l r 协同工作，执行g p r s 用户的附着、位置更新等移动性管理，以及对g p r s 用户的计费等。 3 g g s n ( 网关g p r s 支持节点) g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 即网关g p r s 支持节点，是g p r s 网与外部 数据网互连的边界节点，主要起网关作用。对于外网而言，g g s n 相当于一个路由器， 1 6 山东大学硕士学位论文 负责存储已经获得的g p r s 业务的用户路由信息。同时它还完成g p r s 网与外网之白j 的 协议转换，以保证m s 与外网之间分组数据的顺利传送另外，它还具有地址分配、 计费和防火墙的功能。 4 d n s ( 域名服务器) d n s 将s g s n 提交的a p n ( 接入点名) 解析为相应的g g s n 的i p 地址，并返回给$ g s n ， s g s n 根据d n s 提供的g g s n 的i p 地址建立至相应的g g s n 的连接。因此，g p r s 网中的 d n s 的任务是为s g s n 提供路由信息，告诉s g s n 应通过哪一个g g s n 接入外部数掘网。 在m s 进行s g s n 问路由区更新时，d n s 还可将新s g s n 提供的原s g s n 的逻辑名解析为 原s g s n 的i p 地址，并返回给新s g s n 。 5 c g ( 计费网关) c g 是一个计费系统，负责采集s g s n 和g g s n 产生的详细计费信息，完成计费话单 的检错、纠错，并完成计费信息格式的转换，然后以标准格式送至运营公司。g p r s 用 户的1 次业务使用有可能占用很长时间，在此期间将产生多个计费信息，c g 应完成对 于1 个用户1 次使用业务的多个计费信息的合并。 6 n t p 服务器 n t p 服务器为g p r s 网内所有的s g s n 和g g s n 提供时间同步信号，时问同步主要是 为了解决异地s g s n 和g g s n 所产生的计费信息的一致性问题，保证s g s n 和g g s n 对于 每次呼叫产生的计费信息中的起、止时间完全一致。 7 b g ( 边界网关) b g 用于不同g p r s 运营公司之间的互联，当g p r s 用户在漫游至另一个运营公司的 g p r s 网时，有可能会出现这两个运营公司的s g s n 和g g s n 之间以及s g s n 和s g s n 之l 日j 的通信，此时则需要通过两个运营公司的b g 之间的互联来完成。 8 l i g ( 合法监听网关) l i g 负责收集g p r s 用户的相关信息，传送给监听机构。l i g 是可选设备 9 h l r a u c ( 归属位置寄存器鉴权中心) g p r s 用户的所有签约信息均存放在g p r s 网的h l r a u c 中一般情况下g p r s 网的 h l r a u c 与g s m 的合设，即升级现有g s m 网的h l r a u c 。g s m 网的h l r a u c 的任务是完 成对g s m 用户的鉴权，并提供被叫g s m 用户的位置信息和路由信息：g p r s 用户主动发 起对外部数据网的访问时，g p r s 网的h l r a u c 的任务则只是对g p r s 用户进行鉴权； 山东大学硕士学位论文 只有在外部数据网主动访问g p r s 用户时，g p r s 网的h l r a u c 才提供用户的位置信息 和路由信息。 四、g p r s 管理子系统 g p r s 管理子系统与6 p r s 的无线子系统和交换子系统设备相连，完成对整个g p r s 系统 设备的管理。 3 2基于g p r s 通信的配变管理系统的实现 3 2 1 利用g p r s 技术的配变管理系统的通信实现 本文提出一种以g p r s 无线网络和i n t e r n e t 为通信通道的配变管理通信系统模 型。 在该系统中，配变管理终端设备利用g p r s 的i n t e r n e t 接入功能，通过g p r s 无 线网络连接到i n t e r n e t ，与客户端前置机进行通信。配电变压器的g p r s 无线通信有 以下两种方式： ( 1 ) g p r s 终端设备通过g p r s 网接入i n t e r n e t 。 ( 2 ) t t u 后台经g p r s 终端模块与g p r s 通信中心服务器建立虚拟连接。 由于g p r s 网络与互联网都是基于i p 协议的，且互相连接的，所以只要客户端可以通 过任意方式上网，配变监测数据就可以通过g p r s 网络透明的传送到客户端。本系统 采用了在i n t e r n e t 上设置一个服务器( 有固定网址) 作为通信中心，通过i n t e r n e t 建立虚拟连接的技术，负责中转客户端前置机与终端设备之间的通信，模型如图3 5 所示。 图3 5g p r s 通信系统模型 山东大学硕士学位论文 系统充分利用g p r s 的实时连通特性，加强了系统的实时性，由于连接是虚拟的， 经过通讯中心时采用了独特的加密压缩算法，减少了系统的通汛流量，并且使得系统 的安全可靠性得到了强有力的保障。 3 2 2g p r s 技术在配变通信中的工作原理 系统由三部分组成：配变管理终端子系统，g p r s 通信中心服务器，和客户端前置 机 一、配变管理终端子系统由电能采集模块、单片机、g p r s 通信模块等组成，完成环 境数据的采集、处理和传输。g p r s 模块以g p r s 通信中心为传输通道，实现和远程前 置机的实时通信。g p r s 模块上电后拥有了一个动态i p 地址，主动向服务器发出连接 申请，服务器为其建立一条s o c k e t 连接伽。 二、g p r s 通信中心作为g p r s 模块终端和客户端前置机的服务器。g p r s 通信中心通 过软件可以实现存储并转发g p r s 模块终端和客户端前置机双方的数掘：通信中心服 务器的网络端设置专用防火墙，保证系统的数据安全；并具有通道检测功能，通信失 败时断开当前连接，等待g p r s 终端和客户端前置机重新申请连接。 三、客户端前置机登陆i n t e r n e t ，向g p r s 服务器申请连接，服务器为客户端建立 s o c k e t 连接协1 。通过与g p r s 服务器的s o c k e t 连接，前置机与终端设备进行实时通 信，对远端发送的数据进行分析和处理，也可对配变监控终端设备下发参数和命令， 由其完成相应动作。客户端功能由后台软件实现。 该系统的功能主要有实时监测配电变压器的运行参数，包括三相电压、三相电流、 三相有功( 无功) 功率、功率因数、频率、有功( 无功) 电量以及配电变压器油温等。 以上数据可以通过曲线图或表格等形式表现出来，可以直观地了解配变的日负荷情况 及相关的指标参数，并记入数据库供用户以后查询。同时当配电变压器出现故障时， 如断相或三相不平衡，故障可以及时迅速地主动上发主站，由主站随时向用户提示报 警。 3 3配变管理系统总体设计 系统构架以系统主站局域网为中心，在充分考虑主站系统和网络安全的基础上， 山东大学硕士学位论文 利用m i s 网、公用网设霞远程工作站，同时通过m i s 网实现和供电局其他部门人员及 耜姜秦缔的辨 f i ：其享。 电力营销系 呼叫中心 其他系统 图3 6 配变管理系统示意图 系统可分为主站、终端和通信服务器三部分。装在各个配电变压器低压侧的配变 监控终端一方面采集配变低压侧的电压、电流、功率、配变温度、压力等运行数据， 另一方面通过通信服务器与安装在供电局的系统主站进行通信，将现场数据送到主 站。主站可以对现场的数据进行分析，对现场设备进行参数设置和发出操作命令；通 信服务器则负责中转终端与主站的通信。如图3 6 所示。 终端部分即t t u 采用自主设计的软硬件系统，以u p s d 系列单片机为核心，扩展 4 8 5 口与电子式多功能表通信：扩展2 3 2 口与g p r s 模块通信；扩展红外口与掌上电脑 无线通信：通过g p r s 模块实现与主站的双向通信，上传电量和开关状态等数据，并 接收来自主站的参数设置、数据采集等命令。 完整的主站系统由前置机、数据库服务器、系统维护工作站、路由器、网络交换 机、防火墙、g p s 时钟、。w e b 服务器，打印机等设备组成。由于完整的主站考虑因素 较多，成本比较高，在保证系统安全和可靠的前提下，主站系统可稍作简化，由中心 工作站和数据库服务器组成。中一l l , i 作站负责与终端通信和数据的采集和处理，数据 库服务器则负责数据存储和转发。最简单的主站系统是中心工作站和数据库服务器合 二为一。主站系统采用客户月艮务器模式，主站软件基于w i n d o w s2 0 0 0 操作系统，在 c + + b u i l d e r 环境下开发。 2 0 山东大学硕士学位论文 第四章配变管理终端的设计 4 1 配变管理终端主要功能设计 配变综合管理系统终端是实现系统的基础，整个系统是否能达到设计的性能要 求，关键在于配变综合管理终端的功能是否能够完全可靠地实现。 配变综合管理系统终端应具有以下功能： 一、常规四遥功能“1 遥测功能。实时检测配变出线的三相电压、电流、有功功率、无功功率、零序电 压、零序电流，功率因数、三相电压最大最小值及发生时间、三相电流最大最小值及 发生时间、有功功率最大最小值及发生时间、无功功率最大最小值及发生时间、零序 电压最大最小值及发生时间、零序电流最大最小值及发生时间、功率因数最大最小值 及发生时间，并向控制中心传送。 遥信功能。实时检测遥信量输入，并向控制中心传送。 遥控功能。控制中心可远方控制终端的继电器输出节点的开闭，对用户拖欠电费 等特殊情况时可以实现出线开关的远方分合。 可根据需要，实现遥调功能。 二、远方集中抄表 终端可以抄表电度表的电量数据，也可以直接抄收三相电度表的电量数据，这些 动作都需要终端有与各种表计设备通信的接口。终端与下级设备距离一般为几米到几 百米，可以应用各种局域通信技术，常规有r s - - 4 8 5 通信、c a n 通信、以太网通信等。 三、 防窃电 可对几十种异常用电现象进行监测与通告。提供计量箱门异常开启；示度电能下 降；电压缺相；电流越上限；电流反极性；c t 短路、开路；电表读数飞走：电表读数 停走；电能表编程时间改变：电能表时段、费率改变；抄表日改变；脉冲常数改变； 电能表时钟异