正偉數(shù)字GPRS DTU無線通訊在無功補(bǔ)償控制的應(yīng)用

一、系統(tǒng)概述

由于電力系統(tǒng)測控終端一般都安裝野外環(huán)境中，地點(diǎn)偏遠(yuǎn)，無人值守，設(shè)備必須能夠在特殊的環(huán)境下長期、穩(wěn)定工作。GPRS無功功率補(bǔ)償控制系統(tǒng)，根據(jù)用戶的實(shí)際需求特別研制。控制系統(tǒng)主要由電源模塊、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口、無功補(bǔ)償控制及GPRS 數(shù)傳模塊五大部分組成。只要有一部可以接入Internet的電腦作為服務(wù)器就能實(shí)現(xiàn)對分布各地的無功補(bǔ)償控制器進(jìn)行監(jiān)控，也能實(shí)現(xiàn)移動監(jiān)控。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì), 具有技術(shù)原理先進(jìn)、測量精度高、功能完善、組網(wǎng)靈活、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢。
另外，系統(tǒng)具有自動撥號、斷線重?fù)芄δ堋Ｔ诰W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，具有自動恢復(fù)通訊能力，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，無需人為干預(yù)。在電源抗干擾及散熱等方面也有特殊設(shè)計(jì)，使得終端設(shè)備能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境。

二、需求分析
長期以來, 我國配電網(wǎng)無功匱乏, 網(wǎng)損嚴(yán)重。隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深入, 對節(jié)能降耗提出更高的要求, 低壓無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生, 成為平衡配電網(wǎng)絡(luò)無功、提高電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗的有效措施。對低壓配電系統(tǒng)實(shí)施無功補(bǔ)償十分必要, 合理的無功補(bǔ)償能夠有效維持系統(tǒng)的電壓水平, 提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性, 避免大量無功功率的遠(yuǎn)距離傳輸, 從而降低有功網(wǎng)損, 減少發(fā)電費(fèi)用。
供電系統(tǒng)控制中常需要對現(xiàn)場控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制投切、讀取實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)和接收故障報(bào)警信號等，上位機(jī)和無功補(bǔ)償終端之間通訊的命令和數(shù)據(jù)傳輸具有數(shù)據(jù)量小、定時(shí)或非定時(shí)及實(shí)時(shí)發(fā)送等特點(diǎn)，一方面需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，另一方面也需要下達(dá)各種傳輸、控制指令，即實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)、指令傳輸。數(shù)傳電臺的缺點(diǎn)是受地形、氣候的影響較大，造成系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性較差，無法主動上報(bào)。
GSM短消息方式可以實(shí)現(xiàn)主動上報(bào)；缺點(diǎn)是按條收費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務(wù)器繁忙時(shí)延時(shí)相當(dāng)長。光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入大、擴(kuò)展性差、設(shè)備維護(hù)方面不方便。而GPRS通信則避免了以上問題。由于GSM網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)成熟，覆蓋面又廣，利用移動運(yùn)營商提供的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的一個(gè)重要發(fā)展方向。

三、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
上海正偉GPRS無功功率補(bǔ)償控制系統(tǒng)是基于移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，主要由以下三部分組成：
1.現(xiàn)場無功補(bǔ)償控制器
2.ZWCOM GPRS通訊管理模塊
3.服務(wù)器上位機(jī)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，擴(kuò)展性好，能適應(yīng)多變的監(jiān)控要求。

（1）現(xiàn)場無功補(bǔ)償控制器
終端使用基于DSP的無功補(bǔ)償控制器，控制器安裝在電網(wǎng)現(xiàn)場，對電網(wǎng)的電氣參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)測，同時(shí)記錄、分析并計(jì)算采集數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行電容投切操作，在異常時(shí)主動發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)存儲運(yùn)行數(shù)據(jù)信息。

（2）GPRS通信管理模塊
GPRS通信管理模塊是服務(wù)器與現(xiàn)場控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄海箍刂破鳙@得的電網(wǎng)參數(shù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)傳送到服務(wù)器計(jì)算機(jī)。

（3）服務(wù)器上位機(jī)
服務(wù)器上位機(jī)主要完成對終端傳來的數(shù)據(jù)、報(bào)警信息進(jìn)行處理并對各終端的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，是主要的人機(jī)接口。

2．?dāng)?shù)據(jù)傳輸流程
具體的數(shù)據(jù)傳輸流程為：
* GPRS終端通過串行接口從客戶系統(tǒng)中取出用戶數(shù)據(jù)；
* 處理后以GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到GSM基站；
* 分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRS IP骨干網(wǎng)
PC機(jī)服務(wù)器以撥號方式接入Internet，即PC機(jī)為移動GPRS內(nèi)部網(wǎng)分配的動態(tài)IP地址，則分組數(shù)據(jù)先發(fā)送到目的SGSN，再經(jīng)GSM基站發(fā)送到與PC機(jī)相連的GPRS終端；若PC機(jī)以專線接入因特網(wǎng)具有固定IP地址，則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到Internet公共網(wǎng)絡(luò)。由于數(shù)據(jù)通過Internet公網(wǎng)傳輸，為了保證數(shù)據(jù)的安全性，可以申請移動公司為接入用戶建立VPDN（Virtual Private Dial-up Network）即虛擬撥號專網(wǎng)。其專用的網(wǎng)絡(luò)加密和通信協(xié)議，可以在公共網(wǎng)絡(luò)上建立安全的虛擬專網(wǎng)，遠(yuǎn)程用戶可以通過虛擬的加密通道與服務(wù)器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接，而公共網(wǎng)絡(luò)上的用戶則無法穿過虛擬通過訪問服務(wù)器。在基于GPRS網(wǎng)上承載VPDN不受地點(diǎn)限制，只需具有一臺PC機(jī)服務(wù)器和GPRS終端即可，具有安全、方便、靈活的特點(diǎn)。
3．系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖


四.為何選用GPRS通訊模塊
1．上海正偉ZWCOM GPRS DTU 特點(diǎn)
通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS 是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新無線數(shù)據(jù)傳數(shù)業(yè)務(wù)，目的是給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務(wù)。 GPRS理論帶寬可達(dá)171.2Kbit/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源被有效的利用。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。GPRS永遠(yuǎn)在線，按流量計(jì)費(fèi)，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點(diǎn)多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。
GPRS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，永遠(yuǎn)在線且按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本。上海正偉GPRS DTU為用戶提供高速的無線DDN 通信系統(tǒng)，透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，與數(shù)據(jù)中心一起提供透明數(shù)據(jù)傳輸通道，組成用戶專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

（一）基本特點(diǎn)：
使用方便、靈活、可靠
支持雙頻GSM/GPRS
符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線
實(shí)時(shí)時(shí)鐘
支持A5/1&A5/5加密算法

增強(qiáng)功能
透明數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換
支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)
短消息數(shù)據(jù)備用通道(選項(xiàng))
支持動態(tài)數(shù)據(jù)中心域名和IP地址(V2.61以后軟件版本)
STK卡特殊功能配置
支持TTL/RS-232/485或以太網(wǎng)接口

支持音頻接口，方便維護(hù)操作
系統(tǒng)配置和維護(hù)接口
通過Xmodem協(xié)議進(jìn)行軟件升級
支持空中軟件升級和遠(yuǎn)程維護(hù)(選項(xiàng))
自診斷與告警輸出
抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求
防潮設(shè)計(jì)，適合室外應(yīng)用

（二）傳輸效率
1） 用戶數(shù)據(jù)傳輸效率(用戶數(shù)據(jù)占網(wǎng)絡(luò)層總數(shù)據(jù)的比例)：
DTU 支持不同組網(wǎng)方式，不同的數(shù)據(jù)包長度，這時(shí)有不同的傳輸效率。下面假設(shè)在DTU 當(dāng)前最長所能支持的最大用戶數(shù)據(jù)包長的情況下，即1024 字節(jié)包長。
i. 僅支持DTU 主動發(fā)起到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸：最大傳輸效率(w) = 97.3%
ii. 支持雙向主動互傳：最大傳輸效率(w) = 95.9%

2） 傳輸時(shí)延(從發(fā)送到接收數(shù)據(jù)之間的時(shí)間)：
不同的數(shù)據(jù)包長度，傳輸?shù)臅r(shí)延不同。根據(jù)目前移動的網(wǎng)絡(luò)狀況，一般一個(gè)包長為100 到200字節(jié)之間的數(shù)據(jù)包可以在1 秒內(nèi)互傳完畢。大于200 字節(jié)的數(shù)據(jù)包平均在1 秒到3 秒之間可以互傳完畢。

（三）穩(wěn)定性
1） 有效率：發(fā)送成功數(shù)據(jù)占總發(fā)送數(shù)據(jù)比例
根據(jù)目前在北京、石家莊使用的結(jié)果來看，在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，一般數(shù)據(jù)包的成功率都在97%以上。
2） 穩(wěn)定性綜合參數(shù)：有效率x 傳輸效率
網(wǎng)絡(luò)有效帶寬和最大傳輸單元(MTU)之間存在著極其重要的關(guān)系，一般MTU 增大到200 字節(jié)以上不會明顯增加帶寬，但會增大平均延遲，測試結(jié)果表明MTU 的最優(yōu)大小是200 字節(jié)左右。
3） 斷線自動連接
自動檢測網(wǎng)絡(luò)連接狀況
設(shè)備自診斷、自恢復(fù)
4）配置方便性
菜單式配置(超級終端，無需專用軟件)
維護(hù)軟件配置
5）結(jié)構(gòu)
內(nèi)部連接可靠性： 內(nèi)部連接機(jī)械連接包含GPRS 模塊與PCB 之間、SIM 卡固定連接
產(chǎn)品尺寸： 110x56x15mm
安裝方便： 外殼螺絲固定
防震： 接插件少，具良好抗震性能
6）環(huán)境參數(shù)
溫度： -20～55℃
相對濕度： 95%(無凝結(jié))



2.GPRS DTU 通信模式與其它幾種常用數(shù)據(jù)通信方式比較

從GPRS DTU與有線、無線數(shù)據(jù)通信的對比可以看出，在分散數(shù)據(jù)采集中，利用GPRS DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是性能價(jià)格比最高的一種模式。
（1）與光纖和有線專線相比，建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用都很低，并且?guī)缀踅诿饩S護(hù)，因?yàn)镚PRS網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)完全有中國移動來完成，企業(yè)不需支付任何費(fèi)用，完全享受中國移動技術(shù)進(jìn)步帶來的效率；

（2）在分散數(shù)據(jù)采集中，要求對各采集子站實(shí)時(shí)檢測，有線撥號是做不到的。對多個(gè)子站輪回召測，周期太長，沒有實(shí)時(shí)性可比；

（3）與各種無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄蜗啾龋珿PRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、維護(hù)成本低。超短波無線通信受通信體制和傳輸方式的制約，傳輸距離受限制；在開闊地一般20W的電臺有效通信距離約20KM，如果在城市高大建筑成群，通信距離大大縮短；

（4）使用超短波通訊電臺，不僅要向當(dāng)?shù)厣暾堫l點(diǎn)，而且每年要向無委會交納一定的占頻費(fèi) ；超短波通信的維護(hù)量相當(dāng)大，建設(shè)要求苛刻，不僅要考慮周圍建筑的影響，而且避雷措施不當(dāng)容易引起電臺和連接設(shè)備的損壞；

（5）如果采用短信息方式，每個(gè)采集子站如果按照間隔為5分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)，一次1角錢概算，運(yùn)行費(fèi)用為：12 * 0.1 *24 * 30 = 864 元

通過以上客觀分析，我們可以看出，無論從建設(shè)周期、建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，還是系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和技術(shù)的先進(jìn)性而言，GPRS DTU在分散的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)越性，我們認(rèn)為，在分布范圍較廣，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，實(shí)時(shí)性要求較高的場合，只有GPRS DTU比較合適。當(dāng)然其它數(shù)據(jù)通訊方式不是一無是處，他們?nèi)杂懈髯缘牡膽?yīng)用領(lǐng)域，在GPRS DTU沒有推出之前，也是比較優(yōu)秀的，只是新的數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和新的產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控后，必將對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集帶來新的革命。

五 、 結(jié)束語

采用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊比其它專線或射頻通訊方式有不可比擬的優(yōu)越性，該通信系統(tǒng)具有連接方便、擴(kuò)充性好、成本低、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)。在電力系統(tǒng)電網(wǎng)自動化管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控中使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通過Internet傳輸數(shù)據(jù)，將會具有很好的應(yīng)用前景。