基于GPRS与Internet的农村电网管理信息系统

西安交通大学硕士学位论文题目：基于GPRS与Internet的农村电网管理信息系统研究生姓名：专业：计算机科学与技术导师姓名：论文提交日期：西安交通大学摘要Abstract第一章绪论1.1选题背景配电网自动化就是在配电设备和配电管理上的自动化，即在自动化的配电网架上，装配上与其相适应的开断设备，采取与其相配套的自动化管理手段，实现对配电网故障区段的自动定位，迅速隔离，缩小停电范围；配电自动化系统是集计算机系统、通信系统、信息管理系统、控制系统于一体，对配电网络实施监测、控制、管理的系统。随着计算机技术、网络及通信技术的发展，10kV配电网自动化技术作为提高电网供电可靠性和电能质量的主要手段之一，逐渐得到了应用和发展。随着城乡电网的大规模改造，配电网的装备水平不断提高，但是由于配电网点多面广，线路接线复杂且变化频繁，给通信系统的建设带来很大困难。现有的通信手段如有线通信、无线扩频通信、载波通信等由于地理位置、可靠性、稳定性、安全性、经济性等方面的限制均不能很好满足配电自动化系统的要求。因此，通信问题成了目前制约配电自动化向“四遥”发展的瓶颈。1.2配电网自动化对通信系统的要求配电自动化系统需要借助于有效的通信手段，将控制中心（即配调主站）的控制命令准确地传送到为数众多的远方终端，并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心。总体上讲，配电自动化对通信系统的要求体现在以下几个方面：1．通信可靠性。配电自动化的通信系统是在户外安装的，这意味着通信系统要长期经受不利的气候条件和较强的电磁干扰。因此，配电自动化的通信系统必须设计成能够满足在上述恶劣状况下工作的系统。2．满足目前和将来数据传输速率的要求。在选择通信方式时，先估算配电动化系统所需的通信速率，在设计上应留有足够的带宽，以满足今后发展的需求。3．双向通信的要求。配电自动化的大多数功能要求双向通信，设计时必须选择满足其要求的方式。4．通信不受停电的影响。配电网的调度自动化功能和故障区段隔离，及恢复正常区域供电的功能要求，即使在停电的区域通信仍能正常进行。5．建设费用。在配电自动化的通信系统进行预算时，既要恰当的选取合适的通信方式，节省设备造价，还要估算通信系统长期使用和维护的费用。6．易操作与维护。配电自动化的通信系统构成规模往往较大，而且通常采用多种通信方式相结合，因此在设计上，应考虑尽可能地简化通信系统的使用及维护。1.3配电网自动化系统通信技术的国内外现状随着通信技术的发展，目前可选用的通信手段很多。根据所实施的配电网自动化系统的具体情况，国内外各电力公司选用了不同的通信方式，其效果和效益也各不相同。国内上海、石家庄、大连、南京、郑州、邯郸、武汉、广州等供电局都进行了一定规模的建设配电网自动化项目尝试，其通信方式，有的采用配网载波，有的采用一点多址扩频微波，有的采用光纤通信，有的采用电缆通信，有的采用无线数传电台等，但效果并不理想。在国外，日本是配电网自动化发展得比较快的国家，通信方式主要是利用通信电缆和配电线载波来传送配电网自动化信号，而在欧美等国家，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，使用较多的配电线信号传送方式有：音频控制方式、音频电流传送方式和位相脉冲方式。利用专用电话线或CATV有线电视电缆、采用屏蔽双绞线（RS-485）、光纤等也是广泛采用的配电网自动化通信方式，UHF和VHF电台调频广播（FM）和调幅广播（AM）多用来作负荷监控信道，无线扩频和一点多址微波通信大多用于配网自动化的通信主干线。总之，从国内外配电网自动化系统采用的通信方式来看，尚没有一种通信技术可以很好地满足配电系统自动化所有层次的通信需要。中国移动通信公司在2002年5月17日正式在全国推出GPRS（通用分组无线业务）业务，其借助GSM网络可以通过无线上网传输数据信息，并具备了信号覆盖比较理想、网络可靠性较高、业务按数据流量计费、随时在线等特点,将其应用在配电网自动化通信及远程抄表等系统中，在理论上是可行的。1.4配电网自动化系统通信存在的问题1．通信网网络结构比较薄弱。目前电力通信主干网络基本上呈树型与星型结合的复合型网络结构。难以构成电路的迂回，一旦某一线路出现故障，不能有效地通过迂回线路分担故障线路业务；网络管理水平亦不高，管理系统只能通过对电路进行分路监测和简单的控制。2．干线传输容量不足。通信网内主干路容量一般只有34Mb/s,少数为140Mb/s和155Mb/s，而主干电路区段使用情况十分严重，网内主要节点之间话路紧张，极大的制约了宽带新业务的开拓。3．配电变压器数量繁多、分布广、布线困难。配电变压器是配电自动化系统的终端设备，它是将电能直接分配给低压用户的电力终端设备，其运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分。但由于该设备数量非常繁多，线路接线复杂且变化频繁，给通信系统的建设带来很大困难。现有的通信手段如有线通信、无线扩频通信、载波通信等由于地理位置、可靠性等的限制均不能很好满足系统的要求。随着我国配电自动化建设的广泛开展，配电变压器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。1.5课题意义及研究内容论文工作主要基于“农村电网管理信息系统”展开。农村电网管理信息系统（CountrysideElectricNetManagementInformationSystem）以下简称农网信息系统(CENMIS)，是针对广大的农村电网的各种数据信息（运行设备信息、用电户档案数据、实时监控数据、用户计费数据，计量数据、图形属性数据等）进行管理的一个综合性信息管理系统。系统能实现和满足农村电网管理中的各种业务及功能，包括营业计费、故障、配置、监控、报警等。通过本系统从而实现农村电网管理的自动化，效益的最大化，决策的实时化，提高工作效率。本系统管理的范围包括：变电站、10KV高压线路、变压器、0.4KV的低压线路、用户计量等。本文是在实际分析现行配电网自动化通信技术基础上，根据配电网自动化的通信要求，结合当前最新的GPRS通信技术的特点，提出将GPRS通信技术应用在配电网自动化系统中解决通信传输问题的新思路，并进行组综合分析，深入研究，最终将农村电网管理信息系统投入运营。本文主要研究了以下几个具体问题：1．全面分析了配电网自动化对信息通信的需求，特别是对涉及通信系统性能指标的需求进行了深入分析。2．全面分析、比较各种现行配电通信技术的优缺点，适应范围，及存在的问题，提出适应最适应当前农村电网管理系统的通信模式。3．深入研究GPRS的工作原理，研究分析GPRS通信技术用在配电网自动化信息传输所必须解决的可靠性、可用性、安全性、经济性等关键问题，重点解决安全性及有关通信（容量、协议）等问题。4．设计实现基于GPRS及Internet的农村电网管理信息系统的采集终端的硬件结构，将电量采集，数据保存和GPRS通信几大模块集成在一块电路板上，减小了终端的体积，并尽可能减少了终端的成本，以达到适合农村电网管理的目标。5．开发基于浏览器/服务器模式的电网信息管理系统软件，实现配置管理、营销管理、性能管理、安全管理及故障管理五大模块。第二章电网自动化通信方式简介2.1配电网自动化对通信系统的要求配电网自动化对通信系统的要求取决于配电网自动化的规模、复杂程度和预期达到的自动化水平。总体上讲，配电网自动化对通信系统的要求体现在以下几个方面：1．通信的可靠性；2．建设费用；3．满足目前和将来数据传输速率的要求；4．双向通信的要求；5．通信不受停电的影响；6．易操作与维护；7．保证通信的实时性；8．保证信息的安全性；9．隔离公共网上的恶意攻击。2.1.1通信的可靠性配电通信系统负责传输配电网自动化的所有遥测、遥信、遥控及有关管理信息，可靠的信息传输是支撑配电网自动化安全可靠运行的有效保证，因此，信息的可靠传递显得极其重要。配电网自动化的通信系统是在户外安装的。通信系统必须能在恶劣的气候环境下可靠工作。此外，配电网自动化的通信系统将在较强的电磁干扰（EMI）下工作，间隔放电、电晕、谐波干扰、雷电、故障、涌流等电磁干扰，会对通信的可靠性产生很大的影响。2.1.2通信系统的费用由于配电网自动化的通信系统造价很可观，因此，通过恰当地选取通信方式，可以节省大笔的建设费用。如果通信方式设计得不合适，有可能会产生过高的建设投资，使得所建成的配电网自动化系统的效益难以发挥出来。在对配电网自动化的通信系统进行预算时，不仅要考虑设备的造价，还要估算通信系统长期使用和维护的费用。2.1.3通信速率的要求任何通信系统的带宽都是有限的，带宽越窄，通信速率越低。在建设通信系统时，不仅要满足眼前的通信速率要求，还要考虑到今后发展的需要。一般300bit/s或更低的通信速率就能满足配电网自动化的大部分功能要求，对于诸如负荷控制这样的功能，甚至低于10bit/s的通信速率都能满足要求。从功能的角度，在配电网自动化系统中，进线监视、10kV开闭所、配电变电站监控和馈线自动化（FA）对于通信速率的要求最高，其次是公用配变电巡检和负荷监控系统，远方抄表和计费自动化对于通信速率的要求较低。从配电网自动化系统结构的角度分析，集结了大量数据的主干线对通信速率的要求，要远高于分支线对通信速率的要求。在选择通信方式之前，应当先估算配电网自动化系统所需要的通信速率，应考虑至最坏的情形，并根据需要恰当选取合适的通信方式和通信网络组织形式。此外，在设计上应留有足够的容量，以满足今后发展的需要。2.1.4双向通信能力配电网自动化的大多数功能要求双向通信。例如，较先进的负荷控制系统可以发送伴随着地址的投运或停役命令，从而可以对被控制对象的独立负荷或成组负荷分别进行控制。一般不必将被控负荷的实际运行状况返回控制中心，但是，实时检测负荷控制设备是否正常却是需要的，为了实现这一功能，就必须借助于双向通信。对于故障区段隔离和恢复正常区域供电的功能，则必须要求有双向通信能力的信道。在这种情况下，位于远方的故障探测器（如柱上RTU）必须能向控制中心上报故障信息以便确定故障区段，控制中心必须能够向远方设备发布控制命令，以隔离故障区段和恢复正常区域供电。2.1.5通信不受停电的影响配电网的调度自动化功能和故障区段隔离，及恢复正常区域供电的功能要求，即使在停电的地区通信仍能正常进行。采用电力线作为通信信息传输媒介的通信方式（如配电线载波、脉动控制技术和工频过零技术等）在这个问题上会面临许多困难。必须考虑故障或断线对这几种通信方式的影响。另一个必须考虑的问题是在停电地区的远方通信终端设备（如RTU、智能电度表和负荷控制设备等）的供电问题，应当为它们提供后备电源或其它供电手段（如UPS和蓄电池等）。2.1.6通信系统的使用与维护方便性配电网自动化的通信系统构成规模往往较大，而且通常采用多种通信方式相结合，因此在设计上，应考虑尽可能地简化这一复杂的通信系统的使用与维护。配电网自动化系统的用户大多不是通信与电力技术的专业人员，他们往往不熟悉通信设备。因此有必要对其人员进行深入细致的培训，以提高他们对通信技术的使用和维护技能，在对一种通信手段的经济效益分析时，应将培训费用考虑在内。选择标准的通信设备和通信协议不仅能够提高系统的兼容性，而且为今后的扩展带来方便，也有助于降低使用与维护费用。选择无线通信方式，无须像有线方式对线路进行维护和防护。选择成熟电信运营商的传输设施，既保证质量、又节省成本。2.1.7保证通信的实时性按照配电网自动化的技术规范,对于系统的实时性指标有明确的要求,如重要遥测传送时间<5S,遥控命令响应时间<3S,遥信变位传送时间<3S,事故变化报警响应时间<5S,全系统实时数据更新周期3-10S,因而,要求通信系统必须保证信息传输的实时性以便配电网自动化系统能及时响应有关请求。2.1.8保证信息的安全性配电网通信系统传送的信息是配电网运行的重要数据,这些信息能否安全传达直接关系到配电网络运行的安全性,电网的安全生产是电网企业永恒的主题和第一要务,所以在设计配电网自动化信息传输网络时必须对数据传送的安全性予以足够的重视，同时应采取有效措施隔离外部其他网络的恶意攻击，确保配电自动化信息的安全有效传送，保证电网的连续安全生产。2.2当前常用的几种配电自动化通信方式2.2.1电力线载波通信电力线载波(PowerLineCarrier,PLC)通信是电力系统特有的一种通信方式，在电力通信中应用最为广泛。一、电力线载波通信的特点电力线载波通信以电力线为传输通道，具有可靠性高、投资少、施工期短、设备简单、与电网建设同步、覆盖面与电力系统一致等优点，特别适用于电力系统中的发电厂、变电所和开关站为对象的电力系统调度电话、调度自动化和远动化，以及在被保护的输电线路两端间传输保护和安全自动装置等信息。因此，对于通道数量不多，而需要通信覆盖的厂站数量较多，或采用其它通信方式不便的情况下，可考虑优先采用电力线载波通信。根据所采用电力线的电压等级不同，电力线载波又分为输电线载波(TransmissionLineCarrier,TLC)、配电线载波(DistributionLineCarrier,DLC)和低压配电线载波(LowVoltageDistributionLineCarrier，又称入户线载波)三类。对于输电线载波通信，载波频率一般为10-v300kHz;对于高、中压配电线载波通信，载波频率一般为5-v40kHz;对于低压配电线载波通信，载波频率一般为50-v150kHz。这种频率上的不同是由于配电网络中有大量的变压器、开关旁路电容等元件，采用较低的载波频率可使高频衰耗减小。由于载波通道可靠性高，结合加工设备成本低、易于安装，配电线载波通信系统(DLC)性能价格比很高，被广泛应用于对用户进行的负荷控制和自动抄表系统。配电线载波还有两种变形即脉动控制技术和工频控制技术。脉动控制技术对信息的调制是通过脉动有或无实现的，使用的载波频率低于2kHz(也叫音频控制)，比较接近50Hz工频，因此脉动控制技术在配电网上的传输效率更高。脉动技术主要适用于单相通信的场合。工频控制技术是一种双向通信方式，它利用工频电压过零的时机进行信号调制。与脉动技术相比，工频控制设备更简单，投资更节省而且不存在由于驻波带来的盲点问题。目前被广泛应用于远方自动抄表和零散负荷控制领域。二、电力线载波通信的不足配电线载波通信也存在着一些不足。由于我国配电网的复杂性，载波通信环境恶劣，其中最主要的问题在于噪声和信号衰减，很难保证传输的质量。其次，配电线载波通信系统还须解决故障时通信的问题。配电网故障时，信号必须能够通过打开的断路器。在输电线载波通信系统中，单相故障是可以跨过的，因为没有发生故障的另外两相可给载波通信提供辅助通道，载波信号可以通过相邻相的传输线在离故障点较远处重新祸合到故障相的传输线上。但是对于配电网载波通信系统，由于存在许多只有单相的区段，因此上述过程行不通。虽然通过旁路调谐设备构造桥路，可以使配电线载波信号绕过重合器和开关，但相比于输电网，配电网旁路调谐设备的用量要大的多。2.2.2光纤通信光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统。根据传输信号的形式，可以把光纤通信系统分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统两大类。因为光纤的频带很宽，对传输数字信号十分有利，所以高速率、大容量、长距离的光纤通信系统均为数字光纤通信系统。一、光纤通信的优点与其他通信方式相比，光纤通信具有以下优点:1.由信息理论知道，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，尤其适合高速宽带息的传输；2.由于光纤损耗很低(0.2dB/km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；3.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；4.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；5.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；6.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()，来源非常丰富。二、光纤通信的不足光纤通信仍然存在不足:强度不如金属线，连接比较困难，连接节点造价高，分路与藕合不方便，弯曲半径不宜太小等。光纤通信系统初期投资大，后期维护费用也较高，这是光纤通信在配电系统中不能得到广泛应用的主要原因。随着光纤技术的发展，性能价格比的不断提高，这种情况会逐渐改变。由于配电网络的分支众多，分布复杂，对于配电网上的分支通道，通信速率通常低于1000bit/s，而且光纤不便于复用和复接，使光纤通信失去了其经济优势，发挥不了极高通信率的优势。因此在配电自动化系统中，光纤通信更适合作为通信主干线。2.2.3电话线通信电话线通信是利用MODEM或者数字音频转换芯片将数字脉冲信号转换为0.3～3.4kHz的话带信号，然后通过电话线进行数据传输的一种通信方式。利用电话线传输数据可分为租用电话专线和公用拨号电话两种方式。电话线已被电力公司广泛应用于SCADA和继电保护中，长期的实践证明它是一种成熟的通信方式。单从技术角度看，利用电话线通信是很适合于配电网自动化系统的，利用电话线通信可以达到较高的波特率，而且容易实现双向通信。但是电话线专线的租用费用往往较高，并且电力公司无法完全掌握电话线通信的维护以确保其可靠运行。这些缺点降低了在配电网自动化中使用电话线通信的积极性。此外，还有许多电话线未能覆盖到的区域，为这些区域额外架设专线的费用也是较高的。采用电话线传输数据利用了电话网的现有资源，因此具有简单、投资少和使用方便等优点。但是这种方式存在以下不足：1．传输速率受限，一般在2400bit/s以内；2．有的街区从市容角度考虑不允许架线横跨马路，这使得架设电话线困难重重；3．电力公司无法完全掌握电话线的维护以确保其可靠运行；4．电话线难以覆盖到许多区域；5．传输差错率高，误码率往往高达10-3-10-5；6．传输距离受限制，因为对于长距离传输，由于经多段转接，群延时大，信号畸变严重，为此必须对线路采取均衡措施；7．拨号电话的接续时间长且有时接不通。2.2.4GSM网络通信GSM(GlobalSystemforMobileCommunication)网络通信就是我们通常所说的基于时分交换的无线移动系统中的第二代通信系统，它以提供话音业务为主。近年来，GSM发展逐步成熟，网络覆盖面广，通信质量好，具有传输速度快、运行费用相对低廉、适应性强等优点。GSM系统是以连接ISDN网，向用户提供ISDN业务为目标的，它所支持的业务种类包括：1．基本电信业务。包括电话、紧急呼叫、传真、语音信箱等，可以与PSTN,ISDN等互通。2．数据传输业务。包括300bps和1200bps异步双工数据电路，1200bps,2400bps,4800bp和9600bps同步双工数据电路等，并可以与PSTN、ISDN、PDN等互通。3．补充业务。如三方通话、电话会议、呼叫转移等。以GSM为代表的第二代移动通信技术仍然主要以通话为主，数据传输速率低，最高传输速度为9.6kbps，并且这种数据业务的应用采用电路方式，会造成系统资源和用户计费的不合理。2.2.5GPRS网络通信随着技术发展和社会进步，人类已进入一个“互连”的时代，Internet带给人们的不只是信息量的增加，更是一种思想的变革，它推动着各种业务的互连和技术的革新。移动业务在带给人们移动方便性的同时，也产生了更大的信息量传送需求，从而对第二代系统的网络结构和应用模式提出了挑战，2.5G移动通信技术GPRS应运而生。GPRS基于TDMA方式的GSM系统实现，是在GSM网络和技术上发展起来的系统，它充分利用了GSM系统的无线结构，通过进一步在GSM网络中增加数据设备提供高速数据应用，从而保证采用GSM系统的运营商实现从2G到2.5G系统的平滑过渡，实现从电路方式业务到分组方式业务的转变。GPRS是GSMPhase2十阶段引入的内容之一。它在无线侧新增PCU作为分组接入和控制单元，在网络侧新增SGSN实施用户接入管理，并采用其他分组支持单元（如GGSN,DNS等设备），将电路交换系统和数据交换系统合二为一，通过系统中分组域与电路域的相互作用，实现系统资源的有效利用，拓展系统功能和业务支持，可同时使用进一步为第三代移动通信系统的发展提供了技术和设备保障oGPRS可同时使用8个时隙进行数据接收和发送工作，将数据传输速率提高到100kbps以上（理论上最高速率可达172kbps），它的按数据流量收费标准使它在无线数据传输领域获得了迅猛的发展。GPRS业务一经推出，很快得到了广泛的应用，在多个领域如车辆定位和管理系统，车辆调度系统，路灯照明管理系统，电力的自动抄表和设备监测系统，企业的移动办公等都开发出了别具特色的应用系统。2.2.6第三代移动通信技术（CDMA展望）GPRS系统作为移动数据应用的初级阶段，采用了GSM系统的频率和系统资源。GSM系统频带有限，受频率复用方式和调制技术影响，其系统容量和服务质量受到很大限制。基于GSM技术的GPRS提供的数据理论速率最高达172kbps。作为未来移动通信的第三代系统，采用新的频段和不同的频率复用方式，可以支持2Mbps高速数据业务的传送，为支持多媒体和高速数据业务提供了保证。做为第三代移动通信的代表，CDMA(CodeDivisionMuitipleAccess，码分多址)采用了扩频技术，抗干扰能力强，数据传输保密性好，数据传输速率更高，可以满足包括语音、数据及动态图像在内的丰富多彩的多媒体信息传输。CDMA可以提供准确的时钟，为用户省去了时钟同步的工作。而且CDMA可以提供较为准确的定位功能，这对于配电设备故障定位和检修提供了极大的便利。随着CDMA网络的完善和应用范围的扩大，基于该项技术的通信系统必将有更广阔的应用前景。2.3几种通信方式的比较及结论总之，从国内外配电网自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好地满足于配电网自动化系统所有层次的信息传输需要。在配网自动化工程中，选用的通信方式是否经济实用是决定配网自动化成败的关键。上述介绍的几种通信方式都是基于自建专用通信系统的方式，均存在工程投资大，且维护工作量大等问题。能否转变任何电力通信业务均依靠自建专网来满足需求的思想观念？是否所有的电力通信业务，而且不管其业务量大小，都一定建专用通信网来满足呢？正是由于这种传统观念的束缚，由于缺乏对当今新型完善、可靠的公用通信网的深入研究和了解，最终导致大量的电力通信工程投资沉淀和闲置、乃至浪费。当前，已形成电力公司不断追求利润最大化，不断降低运营成本，不断讲求投资效益的大环境。同时，公用通信网经过多年的发展和完善，网络规模、网络质量和容量，都得到巨大的改善，网络可靠性、运维管理水平极大地提高。此外，由于网络是规模经济，公用通信网的单位宽带的成本比专用电力通信网低得多，这一些因素为利用公网解决电力通信问题提出了要求或提供了可能。如果深入研究分析和设计安全体系、可靠性等问题，并找到与网络工程投资合理的平衡点，大部分电力通信业务完全可以借助公用电信网络平台来满足。配电网自动化信息量并不大，而且点多，如果搭建专用通信网络平台来传送，投资将是巨大的，而且维护工作量大，这将严重影响配电网自动化系统工程的投资效益和经济指标，制约配电网自动化的发展，而利用公用移动通信GPRS构筑一个专用配电网自动化信息传输平台，具有投资少、维护简单、可靠性高、安装简便、速率较高，可以实现任何地点的信号覆盖，极好地满足配电网自动化的通信要求。第三章GPRS技术原理及应用3.1GPRS概述GPRS是在现有GSM网络的基础上叠加了一个新的网络，通过在新的网络上增加一些硬件设备并同时对原有网络进行软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，它是第二代移动通信技术向第三代移动通信技术演进的中介技术。GPRS通信技术仅在实际传送和接收数据时才占用无线资源，在一个小区内，多个用户可以共享一条无线信道，同时进行通信，大大提高了信道的利用率。另外GPRS还有“永远在线”(即用户可随时与网络保持联系)，和按流量收费的特点。GPRS通信之所以具有这些特点是因为它采用了分组交换的方式。3.1.1电路交换和分组交换技术电路交换技术是应用最为广泛的一种通信方式，它的最基本特点是通话前必须为通话双方分配一条固定带宽的通信电路，通话期间，这部分带宽由通话双方独享，不能再被别的用户使用。电路交换技术可以保证为用户提供足够的带宽，从而确保低时延、高可靠的实时通信服务质量(QoS)。其缺点是网络带宽利用率不高，无论用户是否处于讲话状态，分配的电路都将始终被占用。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(header)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。正常通话情况下，大约只有40%的时间为有声期(即电路实际被使用的时间)，其余时间电路均被空占着，没有被用来传送信息。这对频率资源是一种极大的浪费，这一问题对数据通信来说尤为严重，因为数据通信和话音通信相比，有着完全不同的特性和要求。3.1.2数据通信的特点首先，数据通信具有很强的突发性。这表现在短时间内会集中产生大量的信息，而很长一段时间内，又会根本没有任何信息需要传送。突发性可定量描述为峰值比特率和平均比特率之比，对于一般的数据传输，突发性可高达50；文件检索和传送的突发性也可达20。这样如果采用电路交换方式，按峰值速率分配电路带宽，会造成资源的严重浪费，若按平均速率分配带宽，则在数据突发传送时，则会造成大量数据丢失。其次，数据通信中，数据终端的形式多种多样，各种终端对传输速率的要求相差很大(如电动机的速率可能只有十几个字节每秒，而多媒体视频终端的速率可能会达到上百兆每秒)，电路交换只能定义有限的几种标准带宽的电路，很难用有限类型的电路将不同类型和速率的数据终端有效的连接起来。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。因此，分组交换方式是数据通信的理想选择。3.2GPRS网络结构GPRS系统通过在原有的GSM系统中引入分组数据单元来提供无线系统上的数据业务。作为承载网络，GPRS系统本身采用IP网络结构，并对用户分配独立地址（如IP地址）将用户作为独立的数据用户。从而实现了从网络到移动用户端到端的数据应用。为了实现数据承载，GPRS系统引入了几种新的网络单元，如PCU,SGSN,GGSN,以及其他辅助进行数据业务管理和应用的单元，如DNS和DHCP服务器、网络时间协议(NTP)、计费网关(GG)等。图3-1GPRS系统结构图GPRS系统中新引入的网络单元可分为无线部分和数据部分两大类。其中，PCU属于无线管理部分，SGSN属于无线管理和数据管理公用部分，GGSN则完全属于数据管理部分。其他一些辅助单元虽然在GPRS系统中未给出定义，但在数据网络中必不可少，因而也是GPRS网络的一部分，如域名解析服务器（DNS）、动态地址分配服务器(DHCP)、网络时间协议(NTP)服务器、认证与鉴权服务器Radius等。3.2.1分组数据处理单元PCUPCU与BSC协同作用，提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射、数据包的拆封、数据包的确认、无线数据信道的分配等。PCU可作为模块单元插入BSC中，或者作为独立与BSC的单元存在，它与BSC之间的接口方式规范未给出定义。PCU与SGSN之间Gb接口采用帧中继协议。PCU具有Gb管理的功能。3.2.2GPRS服务支持节点SGSNSGSN进行用户数据管理、安全性管理、位置管理以及接入控制等。SGSN通过Gn接口提供与网关服务节点GGSN或其他SGSN的连接，进行数据包与外部网络的传送或路由区的更新:通过Gr接口提供与HLR的连接，提供用户数据的存取和鉴权管理;通过Gs接口提供与MSC的连接，进行话音与数据业务的协同工作。SGSN控制建立和管理附着用户的相关信息数据库(即MMContext)，以及就绪Ready状态下用户的相关PDP信息(PDPContext)。在无线侧SGSN与PCU连接，进行PCU和小区管理，通过Gb接口上的逻辑信道采用虚电路进行到MS的分组数据传送，并提供数据流的流量控制。在用户附着阶段，SGSN通过接口与HLR建立信令连接，提取用户信息，参与鉴权与加密过程，并存储用户相关数据，形成用户数据库；在用户激活PDP阶段，SGSN负责进行用户APN的选择和控制，并通过与DNS的协同工作得到APN所属GGSN的地址，然后在与相关GGSN进行，QoS协商的基础上建立连接，获得用户动态地址，从而形成用户的PDP相关数据:在用户就绪状态，SGSN控制路由区的更新：在数据传送过程中，SGSN负责数据包的压缩、封装、分段重组，以及相关逻辑链路的建立、释放和负荷分担工作。在Gs接口存在的情况下，SGSN将负责与MSC的寻呼控制协调和处理，执行经由SGSN本身的LA/RA联合更新、IMS工附着/去附着等功能。SGSN还完成相关的S-CDR与M-CDR等计费信息的收集和传送。3.2.3GPRS网关支持节点GGSNGGSN负责GPRS网络与外部数据网的连接，提供GPRS与外部数据网之间的传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。GGSN起到路由器的作用，它与其他相关网络单元如DNS，DHCP，Radius等设备协同实现数据业务的接入和传送等功能。GGSN与SGSN之间的接口为Gn接口，采用GTP协议类型；GGSN与外部数据网之间的接口为Gi接口，采用IP协议类型。对于网络发起的数据单元传送业务，GGSN需要通过Gc接口到HLR查询用户相关信息；对于计费信息的传送工作，GGSN通过Ga接口完成。3.2.4域名解析服务器DNSDNS协议用以提供域名解析功能，负责进行网络域名与IP地址之间的映射和转换。DNS服务器包含主机名与其对应的IP地址数据库，进行主机名和IP地址之间的相互转换，以提高网络操作的方便性。在GPRS系统中，APN主要用以进行网络接入标识，如在中国移动的网络中定义了cmnet和cmwap两类APN，cmnet主要用于进行Internet连接和E-mail收取，而cmwap则主要用于浏览WAP网页。用户申请不同种类业务接入时，系统需要根据APN名cmnet.mnc000.mcc460.gprs和cmwap.mnc000.mcc460.gprs通过DNS解析以得到不同的接入路径并分配不同的地址。另外，由于GPRS系统中较多的采用了IP和网络技术，系统中网元之间的通信和管理也可能用到DNS。3.2.5动态地址分配服务器（DHCP服务器）GPRS系统采用动态地址池对接入网络的移动用户进行动态地址的分配和管理，以提供用户地址空间的有效利用，DHCP协议用以完成这种功能。不同APN或企业网可采用不同的地址段，DHCP服务器根据APN信息进行地址段的分配管理，从而保证了地址使用的灵活性和高效性。3.2.6网络时间协议服务器（NTP服务器）NTP用以提供网络的统一时钟，保证数据流的同步。3.3GRPS的特点3.3.1速率GPRS提供4种类型的编码方式，即CS1到CS4。由于采用不同的编码方式时，数据块中所包含的数据位不同，从而形成不同的编码速率，CS1到CS4的理论速率分别为9.05,13.4,15.6和21.4kbps(如表2-1所示)。由于编码过程中所增加的校验位数不同，各种编码方式的抗干扰能力也有所差别。CS1编码方式采用的数据校验位较多，数据传送速率最低，抗干扰能力最强；CS1到CS4编码方式采用的数据校验位依次减少，传送速率依次增加，抗干扰能力依次降低，对无线环境的要求依次增强。通过最多同时使用8个时隙，当采用CS4的编码方式时，GPRS可获得的最大数据传输速率为171.2kbps，这是当前固定电信网络速度(56kbpsModem)的三倍，GSM网络中电路交换业务速度(CSD，9.6kbps)的十几倍。表3-1GPRS数据编码方案3.3.2立即性GPRS的用户一开机，就始终附着在GPRS网络上，每次使用时只需一个激活的过程，一般只需要2-3秒的时间马上就能登录至互联网，而固定拨号方式接入互联网需要拨号、验证用户名密码、登录服务器等过程，大约需要10--15秒的时间。3.3.3频谱效率分组交换意味着GPRS只有当用户真正发送和接收数据的时候才会占用无线资源。而不是在某一固定时间内把无线信道专门分配给某一个移动用户，可用的无线资源可以同时被若干个用户共享。宝贵的无线资源的有效使用意味着大量的潜在用户可以共享相同的带宽，使得一个小区能支持更多的用户。当然，实际中所能支持的用户数量要取决于应用的类型以及数据传输量的大小。由于GPRS具有很高的频谱效率，不必建立只有在高峰时期使用的空闲容量，因此GPRS可以让运营商以动态灵活的方式最大限度地使用网络资源。在GPRS网络中，话音业务仍然使用电路交换方式，而将原先由电路交换数据承载的业务转移到分组交换的方式上，以提高对无线信道的利用率。3.3.4GPRS的计费GPRS技术是一种面向非连接的技术，用户只有在真正收发数据时才需要保持与网络的连接，因此大大提高了无线资源的利用率。用户可以一直在线，按照用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，用户即使挂在网上，也是不收费的，这一特点非常适合电力系统数据传输的特点，因此在配电网的数据传输领域得到了很好的应用。3.4GPRS通信技术的应用GPRS能够提供两个MS之间或MS与GPRS终端或外部PDN终端之间的数据传送能力。它能提供两类业务：·点到点（PointTOPoint）·点到多点PointToMultipoint）点到点业务包括三种：点到点无连接业务、点到点连接业务和点到点短信息业务。第一种是数据类的业务，是为了支持非交互型的突发应用，它们建立在ISO8473制定的无连接网络协议（CLNP）或RFC791规定的IP网络协议基础之上。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。第二种提供用户之间的逻辑联系，支持基于X.25或ISO8348制定的面向连接网络协议（CONP）的突发事务处理或交互型应用。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IP组播业务。支持向多个用户传送一个消息，到多个用户的数据由一个业务请求发起。GPRS系统可以根据用户的需要，灵活地提供9．05一171.2kb/s的数据传输速率，因此它具有较强的承载能力，可以承载所有点到点(PTP）和点到多点（PTM）业务：1.短信息服务。可覆盖目前GSM基于电路交换的短信息服务，并提供比它速度更快、内容更多的短信息服务。2.信息查询，包括短信息点播以及股票、天气信息、交通信息查询等。3.虚拟专用网MVPN。4.移动Internet/Intranet接入（包括Web浏览、E-mail、FTP等），实现移动互联网和移动办公室。5.信息发布。6.视频点播。7.网络游戏。3.5GPRS应用于配电网自动化通信的可行性分析中国移动GPRS是在现有GSM网络上开通的一种新型分组数据传输技术，相对于原来传统的电力通信方式，GPRS具有“永远在线”“快速登录”、“按量计费”、“自如切换”、“高速传送”、“安全可靠”等优点。GPRS作为移动通信第二代（2G）向第三代（3G）的过渡技术，是使用最广泛的能够解决移动通信与IP结合的技术方案，它可以充分利用现有GSM网络，使运营商在GSM业务范围上开展更多的移动分组数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA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极其相似，因此现有的基站子系统（BSS）从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS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。电力配电网地域分布广，监控点众多，其配电网自动化管理系统要求配备价格相对低廉，实时性较好的信息接入和传输系统，和有线及其它无线通信系统相比，基于GPRS的无线接入系统应用在配电网自动化具有很显著的优势。下面将从可用性，可靠性、安全性、经济性等四个方面分析GPRS应用在配电网自动化信息传输系统的可行性。3.5.1可用性分析1.网络覆盖面广由于配电网自动化的监测点分布甚广，位于城乡的大街小巷，要求通信系统信号能通达每一角落的自动化终端监测点，而GPRS网络是在GSM系统上承载、建设的，可以充分利用原有的GSM网络资源。中国移动GSM网络经过十多年的建设完善，目前网络信号已覆盖十分广泛，而电力公司与移动通信公司的目标客户基本一致，即主要针对城乡居民及企业。因而，电力公司配电网自动化终端的监测点完全能得到中国移动通信公司GPRS网络的覆盖。2.通信速率及双向通信能力GPRS和GSM一样，采用TDMA（时分多址）多址方式，一个TDMA帧分8个时隙，每个时隙对应一个无线物理信道。在GSM传输方式中，每个正在进行通信的用户必须独占一个时隙，而且只能占用一个时隙。而在GPRS中，8个时隙中的每一个都可以被多个用户共享，而且每个用户最多可以占用全部8条信道进行数据传输。由于GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的物理信道。在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道，以组建VPN（虚拟专网）。GPRS在理论上通信速率可达到171.2kbit/s，在实际应用中，中国移动能保证提供33.6kbps的下行速率，13kbps的上行速率，这样高的数据传输速率完全能满足配电网自动化所要求的信息传输要求。同时，GSM移动通信系统本身就是双向通信系统，因而GPRS网络完全可以支持数据的双向传输。3.接入响应时间GPRS核心网本身是一个分组型数据网，支持IP协议，数据终端一上电开机就能够附着到GPRS网络上，即已经与GPRS网络建立联系，附着时间一般为3-5秒，GPRS可以在其有效覆盖范围内实现即时收发数据，一旦有需求就可以立即发送或接收数据信息，不需要拨号建立连接。数据终端可随时与网络保持联系，在没有数据传送时，释放无线资源，给其他用户使用，这时，网络与数据终端之间仍保持一种虚（逻辑）连接，当数据终端又需要传送数据时，立即在1～3秒内激活，向网络请求无线资源下载（上传）信息，响应速度很快，实现“永远在线，实时在线”，完全满足配电网自动化所要求的15-20S响应及数据传送时间。4.寻址GPRS网络为分组数据交换网，支持TCP/IP及X.25协议，GPRS网络一般使用内部的IP地址空间，使其内部的IP地址对外部网络是不可见的，这样一来，GPRS网在IP地址资源不足的情况下仍可为为数众多的配电网自动化终端灵活分配内部IP地址，大大方便系统寻址，同时可组建VPN（虚拟专网），可提供终端与子站、主站之间数据的透明传输，便于各种通信规约的实现。5.GPRS服务类别及服务质量(QoS)GPRS可根据应用的类型和网络资源的实际情况、网络质量，灵活选择服务质量参数，支持四种QoS，能实现话音资源和数据资源的动态分配，能从低速到高速实现数据传输。GPRS除能提供点对点、点对多点数据传输业务外，还能提供VPN业务。QoS的定义是：“决定用户对一项服务的满意度的服务性能的集合。”服务性能参数是决定QoS的关键，其中最重要的三个性能参数为：·传输速率；·准确性；·可靠性；GPRS点到点服务在正常网络运营环境中的QoS描述包括以下参数：·服务优先级；·可靠性；·延迟；·用户数据吞吐量。这些参数可由GPRS用户和GPRS运营商协商决定，也可设置为缺省值，缺省值为网络所能提供的服务能力的最小值。3.5.2可靠性分析1.网络核心设备中国移动通信公司是国内最大的GSM移动通信业务运营商，其网络核心设备全部按电信级企业标准配备，设备全部为性能优良、成熟、先进的进口设备，采用双机热备份，且拥有充足的备品备件。2.基站设备同样采用技术成熟、先进的进口通信设备，具有充足的容量，完善的安全防范结构，严密的监控手段，可靠的主、备用通信电源系统，充足的备件。3.传输系统实现双光纤/微波路由保护，大部分建成SDH光纤自愈环，准备充分的应急电路调度方案。4.监控中心及运维队伍监控中心24小时有人监控，确保网络运行安全可靠，同时，配备24小时快速响应维护队伍，形成完善的网络运维体系。5.纠错机制GPRS采用GMSK调制方式，采用了ARQ检错重发等技术，确保数据的可靠传送。在信道FEC（前向纠错编码）上：GPRS采用卷积编码，推荐四种编码方式；CS-1~CS-4，通过采用不同的纠错比特数适应不同传输信道质量要求。CS-1和CS-2编码纠错能力比较强，适用于传输信道质量比较差的电路，CS-3和CS-4（无纠错）编码纠错能力差，适用传输信道质量好的电路使用，可以提供较高的“净数据传输速率”。上述几方面措施足以保证配电网自动化数据在GPRS网络上可靠传送。3.5.3安全性分析无线网络没有固定网络安全，这是因为任何人都可以在不影响运营商设备的同时，侦听和发射无线电波。为了改进这种状况，使网络可以防止欺骗性接入，保证用户传输的信息的保密性，GSM中定义了许多安全保证措施，GPRS继承并采纳了这些措施：1.移动终端鉴别防止未注册的用户接入。GPRS继承了GSM的移动终端鉴别方法，采用A3算法，利用Ki密钥和一个随机数（RAND）在鉴权中心和SIM卡中生成加密响应（SRES），来确认SIM卡的有效性。2.接入控制根据运营商和用户事先协商好的条件，决定一个用户是否只能在指定区域内使用GPRS服务，享受一定级别的QoS。3.用户识别号（IMSI）的保密性为了防止第三方知道用户的用户识别号，GSM中通过使用TMSI来实现用户识别号的保密性。GPRS中也采用了同样的方法，在无线传输路径中，用PTMSI（分组-TMSI）代替IMSI，使得IMSI不必在不安全的无线传输路径中进行传输，从而保护了IMSI的安全。4.用户信息加密对用户在无线路径中传输的信息进行加密，防止第三方偷听。注：和GSM一样，GPRS中所有的安全功能几乎都涉及SIM卡，GPRS手机使用的SIM卡和GSM手机的SIM卡相同，用户要直接在GPRS手机中使用原有GSM手机的SIM卡。SIM卡在GSM网络中可提供的安全保密功能如下：1.用户个人身份号码（PIN，PersonalIdentityNumber）PIN用于控制对SIM卡的使用，只有输入正确的PIN码，移动台设备才能对SIM卡进行读取以及写入操作，才可以接入网络。每次呼叫结束或正常关机时，所有临时数据都将从移动台设备写入SIM卡中。2.鉴权过程鉴权过程用于在GSM网络和SIM卡之间，验证用户身份的合法性。鉴权过程一般在用户位置登记和发起入网呼叫时启动，防止非法用户越权使用，并可根据移动台设备情况关掉有故障的移动台，跟踪被盗移动台的位置，并阻断其使用。3.加密主要用于无线接口，对用户数据进行加密处理。4.使用临时移动用户识别号码（TMSI）当一个具有IMSI号码的移动台申请接入时网络指定一个TMSI给该用户，用于无线寻呼。TMSI与IMSI之间没有固定不变的对应关系，保证了IMSI作为注册用户的特征号码之一不会轻易泄漏。GSM所有的安全功能都和SIM卡有关，实际上鉴权的主体是SIM卡而不是用户（或移动台设备）。而且SIM的设计使它很难被复制或伪造，可为网络和用户提供可靠的安全保障。总之，为了保证配电网自动化系统数据信息的安全，不能只依赖于GPRS网络自身的安全机制，而应该使用多层次，多技术相结合的保密方式。即在应用层、网络层、传输层和物理层上进行全方位的数据保护综合并合理地使用GSM、GPRS、IP等多种层次上的安全协议，保证信息在传输过程中的安全。3.5.4经济性分析由于GPRS采用分组交换技术，网络可按流量计费，这对于信息量较小的数据传输业务具有显著的经济效益。现时中国移动通信公司的个人使用GPRS资费如表3-1：表3-1对于电力集团大批量使用，资费可进一步优惠。现举如下实例进一步说明GPRS的经济性：假设：某变电站两段母线并联运行，共有100台线路开关，100台配变，每台配变有1000只用户电表。数据字节按10位计算（1Byte=10bits），电能表数据：3个字节；开关数据：2个字节；配变数据：30个字节。抄表频数要求，抄电能表为每天一次，抄开关数据为每分钟1次，抄配变数据为每15分钟1次。以下具体计算数据的传输速率及每月的数据传输量。1．数据的传输速率数据传输速率的估计公式：波特率=设备数×字节数×比特数/时间，则：抄表波特率=100（配变）×1000（电表）×3×10bits/（24×3600s）=35bits/s抄开关波特率=100（开关）×2×10bits/（60s）=35bits/s抄配变波特率=100（配变）×30×10bits/（15×60s）=40bits/s总数据传输速率=35bits/s+35bits/s+40bits/s=110bits/s由上可见，对于实现配电监控自动化，数据传输的速率要求并不高。但综合考虑在故障处理时的速率要求，必须提供高速、稳定的传输手段。根据配电网自动化的要求，无论其系统采用面保护还是其它方式，控制中心下达隔离故障、恢复供电指令需要至少19.2kbits/s的传输速率。面GPRS网络无线下载的速率静态测试已经高于这一要求，达到20kbits/s以上。2．每月的数据传输量单表数据量=3×10bits×30=900bits/月单开关数据量=2×10bits×60×24×30=864000bits=844kb/月单配变数据量=30×10bits×60/15×24×30=864000bits=844kb/月系统每个点总数据量=1（配变）×1000（电表）×3×10bits×30+1（开关）×2×10bits×60×24×30+1（配变）×30×10bits×60/15×24×30=2.5Mb/月采用GPRS技术的投资：（按100个监测点计算）100×2000元/台=20万元每月运行及使用费：(20+（2.5-1）×10元/M)X100=3500元此外，用于配电网自动化监测的GPRS数据终端费用也仅在2000元/台，初始投资较小。如果采用配电载波通信，每个监测点（含户外加工设备、载波数据终端等）约需10000元，100个监测点的投资：100X10000元/点=100万元每月对100个点的载波通信系统进行运行维护和管理的费用约为2～3万元。比较光纤、一点多址扩频、电缆、800MHz数传电台、配电载波等通信方式，GPRS通信系统首期投资及运维费用低得多，可以为电力公司节约大量的费用及人力，进一步提高企业的经济效益。第四章基于GPRS及Internet的农村电网管理信息系统的硬件开发4.1系统总体设计原则基于GPRS的用电现场管理系统应具备一般监控系统的功能和特点，也就是数据的准确性、完整性，系统的可靠性、稳定性和安全性等。除此之外，本文的设计使其具有一些区别于一般系统的更高的要求，所有的设计原则核心如下：1．保证系统高可靠性、数据的高准确性、完整性和实时性。体现在系统总体设计中，就是避免硬件结构过于复杂，并且应配置自恢复和自检测电路；软件要冗余设计，失败要进行重试。2．保证系统的易扩展性。体现在系统总体设计中必须整体考虑、统一规划、统一设计，易于实现电网规模扩展和软硬件高级功能扩展。3．保证系统的安全性。体现在系统总体设计中就是设置系统各级访问权限，防止非法用户的侵入；对流经公网的数据采用加密算法等。4．另外，系统还具有故障分析、定位等功能。4.2系统总体结构系统可分为主站和终端两部分。本系统主站采用浏览器/服务器模式，即一个服务器可以支持多个客户端同时使用。客户端的要求仅仅是安装了IE5.5及以上的浏览器，系统所有的操作都可以在客户端完成，所以具有良好的使用方便性和可扩展性。服务器由数据库、通信程序和数据处理程序组成。数据的接收下发和解释处理都在服务器端完成，所有过程对客户端浏览器都是透明的。系统结构图如图4-1所示。终端部分采用自主设计的软硬件系统，以SST89E58RD2芯片为核心，通过电表采集用电数据，通过外部E2PROM保存采集到的用电数据，通过RS232口连接GPRS模块，实现与主站的双向通信，上传电量数据，并接受来自主站的参数设置，数据采集命令。Internet电力局网络GPRSGPRSGPRSGPRS台区或表箱台区或表箱台区或表箱台区或表箱图4-1农村电网管理信息系统结构图4.3终端的功能设计与硬件结构农村电网管理信息系统终端是直接面向用电管理和监控的自动化设备，主要应用在10/0.4KV的农村配电网中。从用电管理的角度出发，该终端应该具备以下三项主要功能：1.提供与不同规格的电表之间的接口，并能够从各种电表中采集到高精度的电量数据。2.对采集到的电量数据进行定期保存。3.通过GPRS模块与主站通信，上传电量数据，并接受来自主站的参数设置，数据采集命令。终端的硬件结构如图4-2所示：MCUGPRS模块外部存储芯片E2PROM多功能电表图4-2终端硬件结构图4.4微处理器MCU微处理器MCU是该终端的核心部分。我们在这里采用的是美国SST公司生产的SST89E58RD2芯片。图4-2SST89E58RD2芯片SST89E58RD2芯片是美国SST公司推出的高可靠、小扇区结构的Flash单片机，带有IAP（在应用可编程）和ISP（在系统可编程）功能，不占用用户资源，通过串行口即可在系统仿真和编程，无须专用仿真开发设备，5V工作电压，低价格，在市场竞争中站有较强的优势。SST89E58RD2芯片主要功能特性如下：

·大容量内部数据RAM，1kB字节RAM，支持汇编和C语言，RTOS应用更方便。

·在应用可编程（IAP）和在系统可编程（ISP），可实现远程生机，无需编程器。

·非易失性数据存储（内部扩展4k/8kEEPROM），可省掉如I2CEEPROM（AT24C01等）芯片及外围元件。

·双数据指针（DPTR）结构，寻址、查表极为便利。

·9个中断源，4级中断优先级，三个大电流驱动引脚（可直接驱动LED）。

·双倍速，6时钟模式，编程时可选择，缺省为12时钟模式。

·可编程计数器阵列（PCA，PWM），5通道，兼容P89C51RD2。

·增强通用异不通信总线UART，支持地址自动识别和帧数据错误检测。

·看门狗定时器（WDT）。

·工作电压5V，低功耗，时钟频率为0-40MHz。

·掉电检测功能，在电压3.85V-4.15V即产供销复位，默认为低压复位，亦可设置为低压中断。

·优良的电磁兼容性能，全兼容8051系列单片机。4.5外部存储芯片E2PROM4.5.1概述传统的数据存储方法均是通过总线型非易失数据存储器来保存采集的数据。随着单片机技术的不断发展及各种非总线型单片机的不断涌现，采用非总线型单片机并配合大容量串行E2PROM构成的数据存储系统，将是一种非常好的数据存储方法。该方法一方面可提高系统的可靠性，另一方面又可降低系统成本。AT24C512是ATMEL公司新近推出的具有I2C总线容量达512Kbit（64K×8）的E2PROM，该芯片的主要特性如下：存储容量为65536byte；与100kHz、400kHz、1MHzI2C总线兼容；100000次编程/擦写周期；单电源、读写电压为1.8V～5.5V；ESD保护电压>4kV；数据可保存40年；写保护功能，当WP为高电平时，进入写保护状态；CMOS低功耗技术，最大写入电流为3mA；128byte页写入缓存器；自动定时的写周期；具有8引脚DIP及20引脚SOIC封装等多种封装形式。4.5.2引脚排列及功能AT24C512的DIP型封装及20引脚的SOIC型封装的引脚排列如图4-2所示，各个引脚的功能如下：SCL：串行时钟该引脚为一输入引脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。SDA：串行数据/地址双向串行数据/地址引脚，用于器件所有数据的发送或接收。SDA是1个开漏输出引脚，可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线接。WP：写保护当引脚WP连接到VCC时，所有存储数据变为写保护。当引脚WP接VSS时，则允许器件进行正常读写操作。A0，A1：器件地址输入这两个引脚为硬件连线或者不连接，通过连接VCC或VSS的组合可使单总线最多寻址4个AT24C512，当这些引脚没有连接时其默认值为0。

图4-3

AT24C512引脚排列图4.5.3器件功能描述AT24C512是具有I2C总线的存储芯片，因此该器件必须严格遵守I2C总线传输协议。I2C总线简单的硬件接口是以复杂的时序及软件编程为代价的，下面首先对该器件的时序进行描述。1．起停信号时钟线保持高电平期间，数据线电平从高到低的跳变代为I2C总线的起始信号。时钟线保持高电平期间，数据线电平从低到高的跳变代为I2C总线的停止信号。2．器件寻址主器件通过发送1个起始信号启动发送过程，然后发送它所需要寻址的从器件地址，8位从器件地址的高5位固定为10100，接下来的2位（A0，A1）为器件的地址位，因此最多可以将4个AT24C512连接到同一总线上使存储容量扩展至256Kbyte。注意，这两位必须与A0和A1两引脚的输入状态相对应，从器件地址的最低位为读写控制位，“1”表示对从器件进行读操作，“0”表示对从器件进行写操作，在主器件发送起始信号和从器件发送地址字节后，AT24C512监测总线并当其地址与发送的从地址相符时发出1个应答信号（通过SDA线），AT24C512再根据读写控制位（R/W）的状态进行读写操作，从器件地址字节内容如表1所示。表4-1从器件地址内容3．应答信号I2C总线传送数据时，每成功传送1个字节，接收器都必须产生1个应答信号，应答的器件在第9个时钟周期将SDA线拉低表示其已收到1个8位数据。AT24C512在接收到起始信号和从器件地址之后产生应答信号，如果器件已选择了写操作，则在每接收1个8位字节之后1个应答信号。当该器件工作于读模式时，在发送1个8位数据后释放SDA线并监测1个应答信号，一旦接收到应答信号，则继续发送数据，若主器件没有发送应答信号，器件停止传送数据并等待1个停止信号。掌握了AT24C512的操作时序后再配合一定的地址/数据信息就可完成该器件的读写操作。4．写操作写操作可分为字节写和页写两种写入方式。通常E2PROM的写入占用一定的写入时间，但AT24C512内部设有128字节的页写缓存，使得操作该器件如同操作SRAM一样方便，页面缓存使得两种写入方式的操作过程相同，区别仅在于写入数据字节的多少。下面以字节写入为例介绍写操作过程。在字节写操作模式下，主器件首先给从器件发送起始信号和从器件地址信息，在从器件送回应答信号后，主器件在发送两字节的16位地址信息写入到AT24C512地址指针，主器件在收到从器件的应答信号后，再发送1个字节的数据到被寻址的存储单元，从器件在此应答，并在主器件产生停止信号后开始内部数据擦写，在内部擦写过程中，从器件不再应答主器件的任何请求，字节写入操作时序如图4-3所示。

图4-4字节写入操作时序图5．读操作读操作分为立即读、随机读和连续读。立即读是在最后操作字节的地址上加1进行读取，而连续读则是在立即读和随机读起动后主器件通过应答信号响应完成多个数据的读取，在主器件发出停止信号后结束读取过程。下面以随机读为例介绍读操作过程。随机读操作允许主器件对存储器的任意字节进行读操作。操作过程为主器件首先发送起始信号，从器件地址和欲读取字节的地址执行1个伪写操作，此时R/W位应置0，在AT24C512应答后，主器件重新发送起始信号和从器件地址，此时R/W位应置1，AT24C512响应并发送应答信号，然后输出所要求的1个8位字节数据。主器件不发送应答信号，但产生1个停止信号。字节读操作时序如图3所示。4.6GPRS通信模块图4-6MC35GPRS模块MC35/MC35I是西门子公司的第一款GPRS模块，它具有TC35的全部功能并且很容易集成。该GPRS模块接收速率可以达到86.20kbps,发送速率可以达到21.5kbps.当然最大的数据吞吐量还依赖于GPRS网络的支持。像TC35一样MC35也支持GSM900和GSM1800双频网络。它为远程测量和监控提供了一个理想的解决方案。GPRS模块——Siemens公司的MC35i，对外提供了40针的接口，其中有9个脚为232标准脚，并且无须电平转换可直接与GP32相连，本系统只用了其中数据口TXD和RXD与GP32的SCI口相连，进行全双工通信。MC35i上电后，首先要把IGT引脚至少拉低100ms,来启动MC35i无线模块。GSM基带处理器是MC35的核心部件，用来处理串口发送的AT指令，本系统主要使用AT命令初始化MC35无线模块，和拨号连接GPRS网关。MC35支持2种操作模式[2]：一种是电路交换数据模式CSD，支持语音、数据、SMS和FAX业务；一种是分组交换模式GPRS，采用多时隙，支持CS1-CS4编码。两者最大的区别是，GPRS传输数据时不需要再拨号。该无线终端在软件实现上使用分组交换模式GPRS实现数据传输，同时在硬件设计上保留电路交换数据模式。1．MC35/MC35IGPRS模块技术特点体积小、重量轻采用GPRS分时复用的Class8的标准低功耗支持数据、语音、短消息和传真SIM应用工具包AT命令集控制R&TTE认证、GCF认证SMS：MT/MO/CB/PDU模式音频：最高速率，升级最高速率和半速率便于集成2．MC35/MC35IGPRS模块电气特性支持电压范围：3.3至4.4V电流消耗：3.0mA（睡眠）10.0mA（闲置）300mA(通话，最高2.0A)100μA（掉电）3．MC35/MC35IGPRS模块输出功率2W-class4，forEGSM9001W-class1，forGSM18004．MC35/MC35IGPRS模块机械特性尺寸：54.5x36x6.75mm重量；17g环境温度：–20°Cto+55°C（GSM11.10标准）数据特征：CSD最大达到14.4kbps、USSD、不透明模式译码方式；CS1,2,3,4GPRS：最大85.6kbps端对端协议栈5．MC35/MC35IGPRS模块接口40脚连接电源接口SIM3V接口标准RS232双向接口模拟语音接口50欧姆天线连接器4.7多功能电表普通电表码盘所显示读数的变化量与电表圆盘转动的圈数成正比例，例如1200转/度。那么我们只要获取电表圆盘转动的圈数，就意味着知道了电表记录的用电度数。对于用户电表，电管部门是不允许我们在电表内部去作改动的，只能在电表外部感知表盘转动的圈数。如何获取圆盘转动的圈数，是电表数字化转换的关键。具体办法是采用红外收发管感知表盘侧面对红外线的反射，利用表盘侧面的黑线对红外线吸收的特性，将圆盘的转动转变为光脉冲信号，圆盘每转动一圈就会产生一个光脉冲，再将光脉冲转变成脉冲电信号，由单片机对电脉冲信号进行计数，从而得到表盘转动的圈数，对应着电表所记录的用电度数。虽然这里单片机对电表圆盘转动的计数值与电表码盘的显示值并不一致，但是两者的变化值是完全一致的。由于在一段时间内用户的用电量是一个相对数据(两次抄表数据的差值)，所以采用这种办法获取电表数据可以保证对用户用电量计算的正确性。根据需要，电表码盘的读数与系统所抄录的数据可以在计算机中得到统一，这就要求系统前端安装的同时，人工抄录电表的读数，并将该读数输入计算机的数据库中进行保存。另外，单片机对电表的计数初值全部为零，这样电表读数的变化与单片机计数的变化达到了初始同步。这里所说的电表数据事实上是表盘转动的圈数，每个用户电表数据由三个八位二进制数进行表示。由于前端红外接收管感受表盘反射的红外信号较弱，输出的电信号需要经过一级放大电路，放大到一定的幅度，然后通过脉冲整形电路，去掉脉冲信号边缘的抖动，把弱脉冲信号转变为规则的矩形脉冲，以确保圆盘转动的圈数与单片机的计数严格对应。每个单片机负责记录十六个用户电表数据，这样大大降低了系统前端成本。十六路脉冲信号通过两片245总线收发器，接到单片机的八位数据总线上，同时十六路脉冲信号经过“或非”处理以后形成计数中断信号INTO，在中断服务子程序中，通过控制总线收发器，分别读入十六路脉冲对应的两个八位数据，如果某位为“1"，说明对应电表有脉冲到来，则对该电表对应的数据单元进行计数操作(加1)，同时对该路对应的触发器清零，以等待下一个脉冲的到来，也避免了单片机对同一脉冲信号的重复计数。电表圆盘转动的快慢，与实际用户的用电情况紧密相关，由于用户的用电情况是未知的，因此电表表盘转动速度是无法预测的。但是其转速的变化范围是有限的。那么系统前端对电表圆盘转动圈数的计数设计要适应电表的这种实际情况。如果表盘转动过慢，在黑线边缘，红外接收管输出信号变化缓慢，抖动明显，为避免产生多余的计数脉冲，采用施密特触发器进行脉冲整形。如果表盘转速过快，黑线对应的接收信号的宽度较窄，把黑线对应的信号作为有效脉冲进行计数时，由于单片机计数要处理十六路信号，需要一段时间，有可能丢失对窄脉冲的计数操作。因此把圆盘上没有黑线的地方对应的信号作为计数的有效信号，这样用于计数的信号相对较宽，单片机有着足够的处理时间，不会出现丢失脉冲计数的现象。为了更加清楚地进行说明，图4-7画出了各点对应的信号波形图。图4-7各点信号波形图4.8其他芯片除了以上主要功能芯片外，终端还包括有MCU与GPRS模块连接的RS232串行模块MAX32等。第五章基于GPRS及Internet的农村电网管理信息系统的软件开发5.1终端的软件开发环境不同于一般形式的软件编程，嵌入式系统编程建立在特定的硬件平台上，势必要求其编程语言具备较强的硬件直接操作能力。无疑，汇编语言具备这样的特质。但是，归因于汇编语言开发过程的复杂性，它并不是嵌入式系统开发的一般选择。而与之相比，C语言--一种"高级的低级"语言，则成为嵌入式系统开发的最佳选择。C语言作为一种通用的高级语言，大幅度提高了嵌入式系统工程师的工作效率，使之能够充分发挥出嵌入式处理器日益提高的性能，缩短产品进入市场时间。另外C语言便于移植和修改，使产品的升级和继承更迅速。更重要的是采用C语言编写的程序易于在不同的开