基于GPRS縱向通信管控的電量采集終端調試分析

孫國慶，高習斌，滿林坤，祁 寧，薛曉明

(1.國網本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015)

近年來，中小型發電企業技術水平不斷提升，發電量日益增大。發電企業上網電量的精確采集與管理，直接關系到供電公司的服務范圍和電力商業化運營效率。因此，提高對發電廠調度運行的管控能力是實現電網智能化運維的基礎，也是完成“三集五大”體系下集約化市場經營管理的必要前提。

為了進一步優化發電廠站輸出電能數據的遠程自動采集、處理及統計分析等功能，為供電企業提供科學的商業化、精益化、智能化輔助決策依據，安裝調試電量采集終端[1]是部署、優化電能計量方式的關鍵環節，同時也是電力系統自動化運維的重點工作。

1 電量采集終端概述

隨著電網結構優化與電力電子技術的不斷發展，傳統人工抄表模式已不能滿足調控一體化對電能數據及時性、準確性的需求。電能計量系統(Tele-Meter Reading System，TMRS)作為電能傳輸計量與電費整定核算的智能化平臺，能夠有效解決該問題。在TMRS體系中，電量采集終端是配置于廠站端的一種能夠實現電能數據實時采集、中轉存儲、遠端傳送的自動化裝置，其下行采集電能表動態數據，上行將采集信息發送至主站SCADA，是電能計量的重要通信樞紐[2]。

目前國內電量采集終端的生產廠商主要有易迅、東方電子、華瑞杰、中科院計算科學研究所等公司[3]，遼寧本溪地區小型水電站以易迅公司設備為主，為同期線損[4]、母線平衡率[5]的管理提供基礎數據支撐，保障發電機組及電網設備的安全穩定運行。

2 電能計量模型

電能計量模型的硬件部分包括各類電力設備、網絡介質及計算機硬件系統，軟件部分包括電能計量MIS、通信規約等。

2.1 GPRS縱向通信管控系統結構

電能計量系統通信模式由電量主站安全Ⅱ、Ⅲ區及廠站端3部分組成。

主站安全Ⅱ、Ⅲ區設有電量主站SCADA及MIS，由采集服務器、人機工作站、數據庫系統、安全防護設備及網絡輔助硬件組成。廠站端由多功能電能表、計量裝置、電量采集終端及計量二次回路構成，用于完成發電信息統計、數據存儲及上送主站等功能，電能表與終端采用RS485總線拓撲的網絡方式實現數據通信，基于GPRS縱向通信管控的系統結構如圖1所示。

圖1 GPRS縱向通信管控系統結構

主、廠站通過特定專線、無線或移動網絡作為通信介質，實現端對端的數據交互，同時設有正反向隔離、安全防護加密認證裝置對相關數據進行加密處理，確保電能數據的安全、可靠傳輸。

2.2 通信規約

建立物理通道鏈接的數據通信規約分別是IEC60870-5-102和DL/T645規約[6]。

2.2.1 IEC60870-5-102規約

IEC60870-5-102是一種問答式規約[6]，通常應用于電量主站及電量采集終端間的非實時通信，其基于增強性能體系結構[7](EPA)的3層參考模型，包括物理層、數據鏈路層、應用層，并采用ITU-T建議，能使數據保持較高的完整性，數據交互流程如圖2所示。

圖2 IEC60870-5-102規約的數據交互問答流程

2.2.2 DL/T645規約

DL/T645規約[6]是實現多功能電能表與采集終端間下行通信數據交互的協議規范，其采用半雙工通信模式，規范了來自不同生產廠家電能表的通信接口。并通過設置廠站端電能表的各個地址編碼，控制終端采入的數據信息，使終端采集取代人工抄表，一定程度上提高了電能計量效率，同時提升了供/用電管理水平。本文所研究終端采集內容涉及到的規約字信息類型如表1所示。

表1 DL/T645規約字信息類型

其中，狀態字記錄電表運行及故障狀態信息，特征字表示發電機組輸出的有功、無功電能變化情況，模式字為動態存儲電能及負荷狀態，信息字主要保存通信故障記錄。

3 主、廠站端調試分析

3.1 主站配置

主站主要配置電廠信息、TV/TA變比、上網線路、發電機銘牌等參數信息，通過業務間的GPRS通信專網接收來自廠站的電量采集終端發送的電能數據，實時掌握電廠的發電情況，并對相應的采集工況參數進行設置。

3.2 廠站端電量采集終端調試流程

廠站端電量采集終端調試過程分為上行通信和下行通信兩部分，上行通信的建立能夠保證終端采集的數據能夠準確發送至電量主站系統，下行通信則是建立現場多功能電能表與采集終端間的通信鏈路，使終端能夠及時、準確采集到各時刻的電量信息，便于運維人員掌握電站的實時發電情況。

3.2.1 上行通信

上行通信主要構建采集終端與主站系統間的通信鏈路，當終端采集到電能數據后，通過GPRS發射天線傳送至移動通信網絡，經由專用數據通道傳輸到主站端，由SCADA服務器采集并處理接收到的數據，并將數據上傳至電量主站系統。

建立上行通信鏈路時，技術關鍵是要準確配置終端及主站的相關通信參數，檢查終端IP、網關及子網掩碼是否正確配置，綁定各終端IP及其對應的主機MAC地址，避免通信鏈路被其他終端所占用，提高通信信道的利用率。

3.2.2 下行通信

發電站一次設備輸出的電能量由多功能電能表采集、存儲，記錄內容包括有功電能、無功電能、發電總量等。多功能電能表樣式較多，生產廠商主要有威勝、林英[2]等，電能表通常置于發電機及一次設備側，遇到如雷雨等惡劣天氣時，運維人員抄表時具有一定危險性。

為了實現采集終端與電能表的信息同步，保證電能數據無損傳輸，廠站端采用RS485雙絞電纜作為通信總線，采集電能表輸出的正、負兩路電量信號，并分別傳入終端的接收端口，其直流控制電壓保持在-4 V～+4 V間。由于通信速率與通信距離或線纜阻抗呈負相關關系，因此為了保證信號傳輸質量，在連接終端與表計時要盡量縮短線纜長度。

下行通信的設備安裝調試流程如下。

a. 參數配置。收集并整理電能表、發電機組、變壓器、上網線路等參數信息。

b. 設備接線。檢查端口，連接設備、電能表節點間的信號線、電源線、傳輸天線。

c. 通道檢驗。由RJ45網線連接調試PC與采集終端，命令提示符下ping終端IP，檢查網絡通道是否連通，確保PC已進入終端調試狀態；然后在采集調試命令窗口下ping主站IP，當響應時間小于1 000 ms時，判定終端到主站的通信鏈路達到傳輸速率要求。

d. 數據采集。將電站信息、上網線路、電能表等模型參數經PC錄入采集終端，采集規約無特殊規定時選擇DL/T645或64507，并設置數據采集時間間隔，等待PC現場采集到電能表數據。

e. 上送主站。由于電量數據是非實時的，現場PC采集到電能表數據后，主站會經過一段固定時間間隔(約為15 min)后接收到采集終端上送的電量數據，調試完畢。

3.3 數據采集與故障維護

為了便于調試下行通信采集過程，可在PC調試系統中將現場電量采集時間間隔設置為1 min，如規約及表地址等參數配置正確，則等待1 min左右即可在采樣系統中成功采集到多功能電能表的有功、無功電能數據。下行通信調試完畢后，將PC調試系統的采集時間間隔調整為5 min，方便電量主站形成數據報表，進一步等待主站端采集到電量數據即可完成電能量采集與上送的全過程。由于電能量數據為非實時參數，第1次調試成功后，廠站端從采集到發送并處理，然后主站端接收到電量數據的時間延遲約為10 min，此過程并不影響變電站電量信息的監視與報送。

由于發電站運行現場環境復雜，在電量采集終端安裝及調試完成后，可能出現的幾類故障及解決對策如下。

a. 設備停機，處于離線模式。由于設備長期處于待機實時采集數據的狀態，現場停電或電源接觸不良等情況時有發生。若設備離線，可以在廠站端重啟設備電源，初始化后設置運行模式，同時主站對處于離線模式的設備進行軟件重置，重新投運即可。

b. 上行通信故障，無法連接主站或發送數據。上行通信故障原因可能為信號發送模塊電路板接觸不良，此時應擰緊信號發射天線接口或打開機箱加固信號發射模塊，另一種故障情況可能是SIM卡欠費導致，及時查詢、補充SIM卡余額即可。

c. 下行通信故障，終端無法采集電量數據。下行通信故障原因可能為電能表或數據傳送通道故障。電能表故障時應及時聯系廠家進行更換，避免無法準備采集發電情況，造成電站經濟損失。數據傳送通道故障一般為RS485通信線纜或接口接觸不良，應檢測線纜、通信接口、插頭是否存在斷裂現象，找出故障點并及時更換即可。

4 結束語

廠站端電量采集終端的安裝與調試是電力系統自動化運維人員必備的技能，只有掌握電能計量系統的結構模型及相關通信規約，才能提高對廠站端設備的維護能力，及時準確地發現、處理設備在運行中出現的各類故障和異常。本文詳細闡述電能計量系統的物理結構模型，歸納通信鏈路運維及管控的IEC60870-5-102、DL/T645規約，詳細提出主廠站電量設備與系統的配置步驟和技術方案，對電量終端設備的現場安裝、運維工作具有一定參考意義，同時為分析終端的通信管控故障、遠端設備維護提供理論支持。