GSM/GPRS 通信在配電自動化系統中的運用

朱思文，金天一

（1.國網江蘇省電力有限公司揚中市供電分公司，江蘇 鎮江 212200；2.國網江蘇省電力有限公司南通市通州區供電分公司，江蘇 南通 226300）

0 引 言

配電網通信包含大量終端節點，且這些終端節點具有分散性，通信距離比較長，各終端產生的數據量比較小。對比以往配電網通信方案，發現制定介質通信方案多為光纖、電力線載波以及屏蔽雙絞線等，在實施中存在投資成本、擴容性和維護量等方面的不足。針對現存問題，廣大從業者提出了新的通信方案，例如在配電自動化系統中應用全球移動通信系統/通用分組無線業務（Global System for Mobile communications/General Packet Radio Service，GSM/GPRS）通信，針對GSM/GPRS 通信分析通信原理和方法，提出配電自動化系統的設計方案，明確GSM/GPRS 通信的應用效果。

1 GSM/GPRS 通信原理

通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）是一種基于全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）系統的無線分組交換技術，可以提供端到端、廣域無線網際互連協議（Internet Protocol，IP）連接服務。GSM 是歐洲電信標準組織（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提出的數字移動通信標準[1]。GSM/GPRS 通信通過系統控制終端發射功率，并在終端加以實現。

通話環節，系統自動為終端分配臨時性的邏輯信道，分別是業務信道（Traffic Channel，TCH）、慢隨路信道（Slow Associated Control Channel，SACCH）。其中，TCH 負責與基站交互業務信息，而SACCH 的作用是功率控制。利用GSM/GPRS 通信進行功率控制，主要目的是由終端定時向基站告知接收信號功率值，當基站接收到功率值數據后，分析終端實際情況，確定終端發射信號強度。此后，根據GSM 規范與終端廠商提出的方法，利用終端控制發射功率，流程圖如圖1 所示。

圖1 終端控制發射功率流程圖

2 基于GSM/GPRS 通信的配電自動化系統結構與設計

2.1 系統結構

分別針對GSM 和GPRS 制定通信方案，配電自動化系統中的監控中心需應用以太網，數據庫服務器需要安裝Microsoft SQL Server，客戶機部位需要安裝監控中心軟件。一般情況下，一臺客戶機能夠同時維持多臺調制解調器（Modem）運行。基于此，提出設計方案如下：監控中心采用安裝GSM Modem、電話線撥號Modem 的方法，并與GSM Modem 監測終端進行通信；監控中心需要安裝GPRS Modem、網卡等網絡業務提供商(Internet Service Provider，ISP）服務設備，需要與GPRS Modem 監測終端實時通信。

2.2 監測終端

配電自動化系統中的監測終端，需要應用深圳市歐宇電氣有限公司研發的EU2506。一是單片機最小系統，運行的關鍵是89C52，時鐘芯片組成時間電路，存儲芯片組成歷史數據，用于存儲電路。CPLDEPM7128 是最小系統接口器件的組成部分，作用是協調、控制電路。二是GSM/GPRS Modem，建議應用西門子公司研發的TC35、MC35。三是電力參數采集模塊，建議選擇80C196 單片機。四是溫度采集模塊，建議應用ABB 公司研發的W2000 鉑電阻Pt100 和TR204-Ex 溫度變送器。

2.3 采集信息

2.3.1 常規遙測信息量

配電自動化系統內部包含大量遙測信息，其中包括電流與電壓數據。本次設計過程中需要在正常狀態下監測各項數據，如配電變壓器三相電壓與電流、油槽溫度、有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數。如果監測終端已經接收到監控中心發出的問詢命令，需要立即傳輸遙測量[2]。

2.3.2 遙測及遙控信息量

監測終端共包含四路遙測、三路遙控，通過遠程監測與控制的方式，實現配電變壓器開關量數據的管理，也可按照需要有級遙調組合擋位。

2.3.3 報警信息量

針對配電變壓器啟/停信號預警現象，建議在設計階段科學設置報警信息量，如三相電流、三相電壓、三相油槽溫度上下限閾值，對其進行越復限報警。

2.3.4 特殊信息量

監測終端在運行過程中需要合理設置參數，可以直接在監控中心查詢、下載相關參數。

2.4 制定規約

制定規約環節，需要采取問詢與數據上傳集合的形式。在Modbus 規約基礎上，根據通信幀格式（見表1）進行統一管理，其中報頭可以識別各標識版本規約，而監測終端號的作用是唯一性地標識監測終端。配電自動化系統中包括大量監測終端，通過功能碼便可獲得標識本通信幀的數據。

表1 通信幀格式

2.5 制定通信機制

2.5.1 問詢式通信

制定通信機制環節，采取問詢式通信可以查詢一些常規數據。為保證用戶操作的便捷性，在系統設計環節采用手動與自動調度組合的方法。監控中心設計過程中，設計人員應用多線程多任務并發技術，在2 個循環任務線程之間做好調度工作。一個線程負責調度任務時間的檢測，在有任務的情況下獲取任務代號，將其提供給調度線路中的變壓器[3]；另一個線程的功能是循環監測所有變壓器的調度任務執行情況，若確定有調度任務，則需要重新開始新線程，構建連接，待連接之后開始執行任務，后續再自動斷開連接。

2.5.2 主動上傳式通信

配電自動化系統的設計中采用主動上傳式通信，更有利于預警操作。監測終端負責探測，發現變壓器啟/停報警，或是電壓、電流、溫度上下限越復限報警信號，需要主動與監控中心對接，將報警數據上傳，也可以向用戶發送報警信息。

3 GSM 通信應用

各臺GSM Modem務必插入用戶識別卡（Subscriber Identity Module，SIM），且該SIM 卡需要有被叫數據服務業務。監控中心最小化配置由數據庫系統、監控中心軟件個人計算機（Personal Computer，PC）設備、GSM Modem 組成。配電自動化系統需要具備兼容性，可以同時兼容多臺Modem 運行，確保系統數據傳輸的及時性。

針對監控中心、監測終端之間的一次連接，具體分析如下。

第一，初始化。連接監控中心前，必須對GSM Modem 運行狀態進行檢查。對于仍然沒有初始化的Modem，應立即進行初始化處理。初始化可以直接在監控中心軟件中輸入初始化AT 命令字符串，即“AT&D0&S0X0E0V0Q0S0=1S7=30”完成操作。

第二，構建連接。設計人員搜索閑置的Modem，向其發出“ATDT+檢測終端SIM 卡號碼”的命令，利用GSM 網絡和監測終端連接即握手。待握手完成構建通信線路，隨后Modem 向監控中心計算機反饋310D 結果碼，使Modem 切換到聯機狀態[4]。

第三，任務實施與執行。監控中心負責判斷手動連接或自動連接，若確定為自動連接，則可以執行此次用戶預設的任務，若為手動連接，則需要在用戶輸入完成實時任務后予以執行。

第四，連接斷開。經過判斷后，如果為自動連接，那么配電自動化系統預設任務結束之后，將會以自動的形式發布斷開連接命令。若采用手動連接形式，系統則會在線等待，接收用戶輸入的斷開連接指令后，按指令完成任務。3 min 內系統仍未接收到用戶指令，系統便會自動斷開連接。

4 GPRS 通信應用

設計階段的GPRS 通信支持傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），數據傳輸單位應用到IP 包，以連接為對象，傳輸內容為傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）和無連接用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）。對于TCP，通信流程和GSM 流程相似度很高，因此以UDP 為對象進行闡述。UDP 較適合用于配電網監測點數據量比較小且發生頻率較高的情況[5]。監測終端間隔20 min 發送IP 包，在監控中心完成一次注冊，向其傳輸關鍵信息，如終端IP、UDP 端口號、SIM 卡標識號以及終端模塊號等，以免其中一方掉線導致失聯。此外，監測終端間隔若干分鐘，向監控中心傳輸實時監測數據，確保系統數據的實時性。當監控中心發布命令與指令，也會采取發送UDP 包的方法預留出相應的時間，待終端做出響應。設計階段反復測試，發現GPRS 會出現少量包丟失的問題，網絡狀態正常時掉包率非常低。為進一步保證配電監控系統可靠、儲存數據安全，對監控中心設計了重發機制，即在下達指令之后的一段時間以內，仍然沒有接收終端反饋的信息，即可判定為超時，且重發指令。

5 配電自動化系統設計效果

此次采用GSM/GPRS通信，設計配電自動化系統，基于已有的配電變壓器參數、報警信息，經過實踐與分析發現系統能夠實現如下功能：一是支持打印報表，顯示圖形曲線、供電可靠率、電壓合格率以及負荷率等信息；二是配電自動化系統中可以完成配電自動化分析，使工作人員操作更加直觀；三是電力管理信息系統（Management Information System，MIS）系統、調度自動化系統與本系統對接，可以獲得數據庫共享接口；四是配電自動化系統不僅可以自動監控配電變壓器參數，也可以應用在電力臺區負荷監測、防剪線以及防偷電等其他領域，在實現配電自動化的基礎上，推動電力行業的自動化、智能化建設。

6 結 論

GSM/GPRS 通信在配電自動化系統中應用，相比傳統配電系統不僅提高了自動化水平，而且能夠支持高質量通信。工作人員在設計系統時需要立足于GSM 與GPRS 通信方案實現配電自動化，為我國電力行業的進一步升級夯實基礎。