6、GPRS通信在配电网自动化系统中的应用分析与研究.doc

全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集 配电网自动化技术GPRS通信技术在配电网自动化系统中的应用分析与研究陶文伟1徐铭1秦建光1牛文楠1余涛1梁洪浩1张建良2（1深圳供电局广东深圳518000；2北京映翰通网络技术有限公司中国北京100000）摘要: 通信技术是配电网自动化系统的关键技术之一，本文通过分析配电网自动化系统对通信系统的要求，并结合深圳供电局福田区配网自动化试点项目的实际建设经验，对GPRS通信技术应用于配电网自动化系统中的组网方案、运行情况、存在的问题及解决方案进行深入分析、探讨。约1200个站点的规模化试点成果表明， GPRS通信技术虽然在配电网自动化系统的应用中暴露出一些问题，但通过应用恰当的技术方案解决后仍不失为配电网自动化系统信息传输的理想方案。关键词：GPRS；配电网自动化；组网方案；无线DDN1引言配电网自动化是电力系统现代化发展的必然趋势，目标是实现配网线路故障的快速定位、隔离和恢复供电，提高配网运行管理水平，提高用户供电可靠性。配电网自动化系统中，可靠稳定的通信系统是关键环节之一，通信方式的选择至关重要。随着通信技术的发展，目前配网自动化系统可选择的通信手段很多，主要有光纤通信、配网载波、一点多址扩频微波、GPRS无线通信、无线数传电台等，从国外配电网自动化系统的实施经验来看，尚没有一种通信技术可以很好地满足配电自动化所有层次的需求，而是普遍根据当地实际情况采用多种通信技术相结合的综合通信系统，如日本由于无线电通信频段大部分都被电台占用而很难得到保证，在配电自动化系统中，基本不采用无线电通信，光纤也只在一部分地方使用，主要利用通信电缆和配电线路来传送信号；而在欧美等国，却广泛采用无线寻呼通信网络和有线通信相结合的方式。目前，在国内配电网自动化主要采用光纤、GPRS和配网载波三种通信方式。随着GPRS技术1发展的日渐成熟，GPRS网络以其覆盖范围广、投资小、实施快、维护方便等优点，较好地满足了配电网自动化系统的通信需求，成为配电网自动化通信技术的一个发展趋势。目前我国一些地区对基于GPRS的配网自动化项目进行了一些试点工作2-5，但应用规模一般较小，公开成果不多。本文结合GPRS在深圳供电局福田区配电网自动化试点项目中的规模化应用成果，对GPRS通信技术应用于配电网自动化系统中的组网方案、运行情况、存在的问题及解决方案进行深入分析、探讨。试点经验表明，虽然GPRS通信技术在配电网自动化系统中的应用暴露出一些问题，但通过应用合理的技术方案加以解决后，GPRS通信技术可以较好地满足配电网自动化系统的通信要求，其应用前景广阔。2配电网自动化及通信系统2.1配电网自动化系统简介配电网自动化是综合应用现代电子技术、通信技术、计算机技术、网络技术和图形技术与配电设备相结合，将配电系统在正常和事故情况下的监测、保护、控制和供电企业的工作管理有机融合在一起的综合性先进技术6,7。随着计算机网络技术、多媒体技术和信息集成技术的发展和应用，配电网自动化中的实时数据和历史数据库与配电管理系统及AM/FM/GIS系统相结合，进行信息集成，构成完整的自动化系统。2.2配电网自动化对通信系统的要求通信系统是配电网自动化系统中的重要组成部分。配电网自动化系统要通过可靠的通信手段，将控制中心（主站）的控制命令下发到各执行机构或远方终端，同时将远方监控单元（RTU、DTU、TTU、FTU等）所采集的各种信息上传至控制中心（主站）。通信系统的好坏很大程度上决定了配电网自动化系统的优劣，直接影响到配电网自动化系统的应用效果。 为满足配电网自动化的要求，通信系统必须满足以下要求： (1) 通信的可靠性。要长期经受恶劣环境的考验；且会受到较强的电磁干扰或噪音干扰；(2) 通信不受停电影响。 (3) 满足目前和将来数据传输速率的要求。(4) 通信的实时性。配网自动化系统是一个实时监控系统，必须满足实时性要求。 (5) 通信的双向性。在配网自动化系统中，不仅有数据的上传，还有控制命令的下发。因此，通信系统必须具有双向通信能力。 (6) 保证信息的安全性，应隔离公共网上的恶意攻击。(7) 通信系统的建设费用、系统的可扩充性、使用和维护的方便性。目前，配网自动化系统多采用光纤通信的方式。光纤通信完全满足配网自动化系统对通信的可靠性、实时性、双向性等方面的要求，但光纤通信的建设费用较高，建设周期长，实施困难，系统的可扩充性、维护的方便性也较差。随着GPRS无线通信技术的发展，为配网自动化的通信系统提供了新的解决方案。3GPRS通信技术简介GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线业务是在现有第二代移动通信GSM系统基础上引入了分组控制单元(PCU，Packet Control Unit)、服务支持节点(SGSN，Serving GPRS Support Note)和GPRS网关支持节点(GGSN，Gateway GPRS Support Node)等新部件而构成的无线数据传输系统，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务8,9。GPRS允许用户在端到端分组传送模式下发送和接收数据，使用无需电路交换的网络资源。GPRS提供了一种高效、可靠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，同时也适用偶尔的大数据量传输。GPRS技术采用分组交换方式,提供了灵活的差错控制和流量控制，在端到端的高层进行，减少了中间网络低层环节不必要的开销，并在网络部分环节上增加控制，提高了安全性。通过设置服务质量（QoS）等级等手段，GPRS可有效地控制和分配时延、带宽等性能，非常适用于数据应用。GPRS通信技术在传输速率，信号覆盖范围等方面有突出的优势，比较适合远程电能抄表、远程变压器监控、远程仪表监控等领域的通信要求。相比传统的拨号MODEM、载波通信、GSM短信等通信方式，GPRS通信的主要特点为：传输速率高、覆盖较好、资源利用率高，计费方式灵活、防雷击、维护方便、简化配电自动化系统的网络结构。4GPRS在配电网自动化系统中的应用分析4.1用于配电网自动化系统的GPRS组网方案移动运营商提供了普通业务和无线DDN（Digital Data Network）专网业务两种GPRS业务模式10，前者主要针对个人应用，后者是专为企业应用提供的无线专线业务。在配电网自动化系统中通常使用无线DDN专网业务，图1给出了其组网方案。图1基于GPRS的配电网自动化系统组网方案示意图配电网自动化系统的远方监控单元（RTU、DTU、TTU、FTU等）通过GPRS通信终端连接到移动运营商内部GPRS网络，再通过移动运营商与配电网自动化主站系统之间的有线专线连接到主站系统；GPRS通信终端使用了专用的接入点名称（APN，Access Point Name）连接到GPRS网络，在通过身份认证后获得无线DDN网络的私有IP地址，与主站系统构成了一个广域的虚拟专用TCP/IP网络，从而提供了远方监控单元与主站系统的双向通信链路，可实现实时的远程参数设置、数据采集与分析、远程控制等操作。详细的无线DDN专网接入流程在下一节中给出。 4.2GPRS通信终端的接入流程及安全性GPRS通信终端接入无线DDN专网的流程为：(1) 终端发出GPRS登录请求，请求中包括由移动公司为GPRS专网系统专门分配的专网APN；(2) SGSN网元根据请求中的APN向DNS服务器发出查询请求，找到与企业服务器平台连接的GGSN网元，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN；(3) GGSN网元将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）送至Radius认证服务器进行身份认证；(4) Radius认证服务器校验手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求，向DHCP服务器请求分配用户地址；(5) Radius身份认证通过后，由Radius认证服务器向GGSN网元发送携带用户地址的确认信息；(6) 终端从GGSN网元获得确认信息，得到用户地址（私有IP），完成接入流程。由上述接入流程可知，只有经过身份认证（要求有SIM卡，知道APN等信息）的GPRS通信终端才能接入无线DDN专网，且运营商内部网络的设计可保证无线DDN专网与Internet网络完全隔离，运营商与主站系统之间采用的也是安全的专线连接。因此，无线DDN专网是一种较为安全的虚拟专网，它具有以下特点：(1) 数据通信不经过Internet网络，通信数据非常安全；(2) 数据直接接入网络，经过的网络环节很少，可提高可靠性，降低传输时延；(3) 只有通过严格身份认证的授权终端才能访问无线DDN专网内的其它终端和主站系统；(4) Internet网络主机不可访问无线DDN专网内的GPRS通信终端和主站系统，因此，GPRS通信终端不会受到外界攻击，GPRS通信终端非常安全；(5) GPRS通信终端可以访问无线DDN专网内的资源，提高了应用的灵活度。4.3GPRS通信终端的类型GPRS通信终端的主要作用是对远方监控单元的数据进行封包以适应GPRS网络传输，并对数据实施必要的协议转换。根据接口和功能的不同，GPRS通信终端大致可分为GPRS数传终端（DTU）和GPRS路由器（Router）两大类，表1给出了两者之间的主要区别。表1GPRS通信终端GPRS数传终端GPRS路由器数据接口串口（RS232/RS485/RS422等）以太网口通信规约IEC101IEC104技术原理上电后自动接入GPRS专网，并通过TCP/UDP协议主动连接到预设的通信服务器地址（IP和端口），转发（同时进行必要的协议转换）远方监控单元与通信服务器之间的IEC101数据上电后自动接入GPRS专网，等待通信服务器连接远方监控单元的连接请求，对通信服务器和远方监控单元的IEC104数据进行路由转发和地址转换（NAT）处理设备功能GPRS专网接入；GPRS链路检测与维持；与通信服务器的TCP/UDP连接的检测与维持；串口数据封包解包、协议转换等GPRS专网接入；GPRS链路检测与维持；路由转发；防火墙；地址转换；端口映射；网管、远程升级等应用范围连接具有串行接口的远方监控终端连接具有以太网接口的远方监控终端实际应用时，应根据远方监控单元的接口选择恰当的GPRS通信终端。5GPRS通信在配电网自动化系统中的应用案例与分析根据规划，自2008年10月开始，深圳供电局福田区开始采用上述GPRS通信技术建设配电网自动化系统，2009年7月系统初步建设完成。系统中综合应用了光纤通信、载波通信和GPRS通信三种通信技术，其中应用GPRS通信的站点约74%，共约1200个站点，覆盖地区超过78平方公里。在系统建设过程中，采用GPRS通信的站点投入小、建设速度快，充分体现了其优势，但在建设初期，GPRS通信也暴露出在线率低、故障率高等问题。通过现场抽样排查和技术分析，我们定位了引发故障的原因并提出了相应的解决措施和技术规范，加以改进后最终取得了良好的实施效果，在线率上升到90%以上，本章中我们将给出详细的故障分析及技术建议。4.1GPRS通信故障问题及分析据统计，深圳供电局福田区配电网自动化系统建设初期GPRS站点的在线率不足60，详细的排查表明主要原因是GPRS通信故障，而终端故障的主要原因分别为SIM卡损坏、GPRS信号弱和GPRS假连接，详细情况由表2给出。表2GPRS通信故障情况及分析SIM卡损坏GPRS信号弱GPRS假连接现象SIM卡无法使用GPRS通信终端无法拨号上网，或频繁掉线GPRS通信终端看似在线，数据通信失败占比70%15%15%分析将损坏的卡抽样送至西门子公司采用COMPRION公司（ORGA）IT3 MOVE SIM专业测试工具进行测试，测试结果表明，损坏的SIM卡I/O工作正常，但无法给出GSM规范要求的正常协议响应，判定为SIM卡内部文件系统被破坏。现场信号测试表明，此类站点所在位置无GPRS信号，或者很弱、不稳定。现场测试表明，GPRS通信终端看似在线，实际上GPRS链路已经中断，且无法自主恢复，需要人工干预。原因普通SIM卡无法满足恶劣的电力环境。配电站点环境往往存在很强的电磁干扰，且高温、潮湿，在这种环境下普通SIM卡的读写寿命下降，易于损坏；普通SIM卡对写操作的保护不够，写操作时异常中断容易引起数据丢失。早期由于GPRS信号弱、GPRS通信终端参数设置不合理等因素导致GPRS通信终端频繁重拨（每次重拨时需要读写SIM卡），加速了SIM卡的损坏。深圳城区的配电站点很多在地下负一层，甚至地下负二层，GPRS信号的覆盖强度不够或者根本无信号覆盖。由于GPRS网络有可能出现异常掉线的情况，GPRS通信终端一般采用流量监测或ICMP探测的方法来检测GPRS链路的状态，在掉线时应自动恢复。一些GPRS通信终端的链路检测机制存在缺陷，导致GPRS掉线后无法自主恢复。解决措施更换为电力专用的工业级SIM卡，提高SIM卡的技术指标。部分站点采用高增益天线，部分站点由移动运营商做信号增强。为GPRS通信终端设置合理的通信参数，改进链路检测的算法，选用通过认证的通信终端产品。采用表2给出的措施后，基本解决了GPRS通信故障的问题，在线率上升至90%以上，其余不在线的站点主要是现场无信号或信号微弱的站点，有待下一步通过信号增强等方式进行改进。4.2提高GPRS通信可靠性的措施及建议根据深圳供电局福田区配电网自动化系统的建设经验，GPRS通信终端在经过技术改进后已经比较成熟，可以支持大规模的组网应用，但同时也应注意采取必要的技术措施和技术规范，避免出现大规模的问题，影响配电网自动化系统的实用性和可靠性。具体来说，建议采用以下措施：(1) 采用工业级SIM卡。采用电力专用的工业级SIM卡，可以大大提高SIM卡工作的可靠性，保证GPRS通信的稳定。根据项目经验，电力专用工业级SIM卡应满足以下要求：表3电力专用工业级SIM卡的技术要求技术项技术要求工作温度-40+85储存温度-40+100工作/储存湿度10% 90%（25无凝结）使用寿命正常工作时间：10年（正常使用条件）数据保存时间：10年（极端温、湿度条件）读次数无限次擦写次数擦写次数：50万次（25）工作电压3V/1.8V 10%静电防护接触放电 4KV基材材质耐高温：工作和储存的最高温度条件下卡不变形耐低温：工作和储存的最低温度条件下卡不脆化异常保护任何时刻异常掉电时不应损坏卡其它抗X光、紫外线：符合ISO10373规范防震动：符合JESD22-B103规范(2) 根据GPRS通信终端对信号强度的要求，对无GPRS信号或信号微弱的站点进行信号增强。信号增强的方法包括采用高增益天线（例如平面偶极子全向天线、八木定向天线等）、增建微型直放站等。(3) 选用可靠的链路检测机制，设置合理的通信参数。单纯的ICMP检测机制要求周期性地发送探测报文以检测链路状态，在站点规模很大时将给探测服务器带来很大的压力，容易引起误判，同时还会增加数据流量，应尽量避免采用。推荐采用基于流量监测、辅以ICMP探测的链路检测机制，可以很好地解决这一问题。(4) 选用可靠的GPRS通信终端。配电网自动化站点的电磁环境复杂，使用条件苛刻，目前市场上的GPRS通信终端型号很多，技术、质量良莠不齐，建议选用专为电力行业设计的GPRS通信终端产品。用于配电网自动化系统的GPRS通信终端产品一般应满足表4所列技术指标，并在受到所列强电磁干扰时仍能正常工作。表4用于配电网自动化系统的GPRS通信终端应满足的技术要求12,13技术项技术要求工作温度-25 +70储存温度-40 +85工作/储存湿度10% 95%（25无凝结）电快速瞬变脉冲群抗扰度电源共模2kV，通信线耦合1kV浪涌抗扰度电源回路差模1kV，共模2kV振荡波抗扰度1MHz，电源回路差模1.25kV，共模2.5kV射频电磁场辐射抗扰度80MHz 1000MHz，10V/m，水平和垂直方向工频磁场抗扰度400A/m水平和垂直方向静电放电抗扰度接触放电6kV，空气放电8kV绝缘电阻不小于10M（DC500V）绝缘强度能够承受额定频率50Hz、有效值1kV，历时1min的交流试验电压值，无击穿、无闪络(5) 选用具有远程网管功能的GPRS通信终端产品。由于配电网自动化系统中远方监控单元的站点位置分散、数量大，现场维护非常困难，当需要调整通信参数或修正通信终端的软件缺陷时，要求能够通过GPRS网络实施远程配置和远程升级。具体的工程实践中，应综合运用上述措施，以保证系统的可靠性。5结语本文通过对配电网自动化系统对通信系统的要求进行深入分析，提出了一种基于GPRS通信技术的配电网自动化系统组网方案，并在深圳供电局福田区配网自动化试点项目中进行了约1200个站点的较大规模建设和验证；本文对试点过程中暴露出的GPRS在线率低和假连接等问题进行了深入的研究分析，提出了解决问题、提高可靠性的措施，改进结果表明将GPRS通信技术应用于配电网自动化系统进行信息传送是完全可行的。试点结果表明，GPRS通信技术是一种技术经济指标优良的配电网自动化通信解决方案，将有助于改变以往电力行业配电网设备安装位置分散、监控难度大、通信维护成本高的状况，推动和加快配电网自动化工作的开展，节约企业运营成本、提升企业信息化管理水平，未来的应用前景将越来越广阔。参考文献：1 吕捷. GPRS技术. 北京邮电大学出版社. 2001.2 李惠宇，罗小莉，于盛林. 一种基于GPRS的配电自动化系统方案.电力系统自动化，2003,27(24) :6365，77. Li Huiyu，Luo Xidoli，Yu Shenglin. A GPRS