正偉數字GPRS DTU無線通訊在無功補償控制的應用

一、系統概述

由于電力系統測控終端一般都安裝野外環境中，地點偏遠，無人值守，設備必須能夠在特殊的環境下長期、穩定工作。GPRS無功功率補償控制系統，根據用戶的實際需求特別研制。控制系統主要由電源模塊、數據采集、人機接口、無功補償控制及GPRS 數傳模塊五大部分組成。只要有一部可以接入Internet的電腦作為服務器就能實現對分布各地的無功補償控制器進行監控，也能實現移動監控。系統采用模塊化設計, 具有技術原理先進、測量精度高、功能完善、組網靈活、可靠性高、可擴展性強、成本低等優勢。
另外，系統具有自動撥號、斷線重撥功能。在網絡狀態不穩定時，具有自動恢復通訊能力，保證系統穩定工作，無需人為干預。在電源抗干擾及散熱等方面也有特殊設計，使得終端設備能適應惡劣工作環境。

二、需求分析
長期以來, 我國配電網無功匱乏, 網損嚴重。隨著我國可持續發展戰略的不斷深入, 對節能降耗提出更高的要求, 低壓無功補償技術應運而生, 成為平衡配電網絡無功、提高電壓質量、降低網絡損耗的有效措施。對低壓配電系統實施無功補償十分必要, 合理的無功補償能夠有效維持系統的電壓水平, 提高系統電壓穩定性, 避免大量無功功率的遠距離傳輸, 從而降低有功網損, 減少發電費用。
供電系統控制中常需要對現場控制器進行遠程控制投切、讀取實時、歷史數據和接收故障報警信號等，上位機和無功補償終端之間通訊的命令和數據傳輸具有數據量小、定時或非定時及實時發送等特點，一方面需實現數據的上傳，另一方面也需要下達各種傳輸、控制指令，即實現雙向的數據、指令傳輸。數傳電臺的缺點是受地形、氣候的影響較大，造成系統的可靠性、實時性較差，無法主動上報。
GSM短消息方式可以實現主動上報；缺點是按條收費，運行費用高，而且在節假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長。光纖通信穩定可靠，但是施工成本投入大、擴展性差、設備維護方面不方便。而GPRS通信則避免了以上問題。由于GSM網絡的通信技術成熟，覆蓋面又廣，利用移動運營商提供的無線網絡實現配電網數據采集和監控，是電力系統現代化的一個重要發展方向。

三、系統的結構與原理

1．系統結構
上海正偉GPRS無功功率補償控制系統是基于移動的GPRS網絡，主要由以下三部分組成：
1.現場無功補償控制器
2.ZWCOM GPRS通訊管理模塊
3.服務器上位機
系統結構簡潔明了，擴展性好，能適應多變的監控要求。

（1）現場無功補償控制器
終端使用基于DSP的無功補償控制器，控制器安裝在電網現場，對電網的電氣參數進行采集監測，同時記錄、分析并計算采集數據，自動進行電容投切操作，在異常時主動發出報警信息，同時存儲運行數據信息。

（2）GPRS通信管理模塊
GPRS通信管理模塊是服務器與現場控制器之間的數據傳輸的橋梁，它使控制器獲得的電網參數通過GPRS網絡能夠及時傳送到服務器計算機。

（3）服務器上位機
服務器上位機主要完成對終端傳來的數據、報警信息進行處理并對各終端的歷史數據進行管理，是主要的人機接口。

2．數據傳輸流程
具體的數據傳輸流程為：
* GPRS終端通過串行接口從客戶系統中取出用戶數據；
* 處理后以GPRS分組數據的形式發送到GSM基站；
* 分組數據經SGSN封裝后，發送到GPRS IP骨干網
PC機服務器以撥號方式接入Internet，即PC機為移動GPRS內部網分配的動態IP地址，則分組數據先發送到目的SGSN，再經GSM基站發送到與PC機相連的GPRS終端；若PC機以專線接入因特網具有固定IP地址，則將分組數據包經GGSN進行協議轉換后，發送到Internet公共網絡。由于數據通過Internet公網傳輸，為了保證數據的安全性，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。其專用的網絡加密和通信協議，可以在公共網絡上建立安全的虛擬專網，遠程用戶可以通過虛擬的加密通道與服務器內部網絡連接，而公共網絡上的用戶則無法穿過虛擬通過訪問服務器。在基于GPRS網上承載VPDN不受地點限制，只需具有一臺PC機服務器和GPRS終端即可，具有安全、方便、靈活的特點。
3．系統網絡拓撲結構示意圖


四.為何選用GPRS通訊模塊
1．上海正偉ZWCOM GPRS DTU 特點
通用分組無線業務GPRS 是在現有GSM系統上發展出來的一種新無線數據傳數業務，目的是給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務。 GPRS理論帶寬可達171.2Kbit/s，實際應用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數據傳輸等應用。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。GPRS永遠在線，按流量計費，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。
GPRS 技術實現數據分組發送和接收，永遠在線且按流量計費，迅速降低了服務成本。上海正偉GPRS DTU為用戶提供高速的無線DDN 通信系統，透明數據傳輸的虛擬專用數據通信網絡，與數據中心一起提供透明數據傳輸通道，組成用戶專用數據網絡。

（一）基本特點：
使用方便、靈活、可靠
支持雙頻GSM/GPRS
符合ETSI GSM Phase 2+標準
數據終端永遠在線
實時時鐘
支持A5/1&A5/5加密算法

增強功能
透明數據傳輸與協議轉換
支持虛擬數據專用網
短消息數據備用通道(選項)
支持動態數據中心域名和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或以太網接口

支持音頻接口，方便維護操作
系統配置和維護接口
通過Xmodem協議進行軟件升級
支持空中軟件升級和遠程維護(選項)
自診斷與告警輸出
抗干擾設計，適合電磁環境惡劣的應用需求
防潮設計，適合室外應用

（二）傳輸效率
1） 用戶數據傳輸效率(用戶數據占網絡層總數據的比例)：
DTU 支持不同組網方式，不同的數據包長度，這時有不同的傳輸效率。下面假設在DTU 當前最長所能支持的最大用戶數據包長的情況下，即1024 字節包長。
i. 僅支持DTU 主動發起到數據中心的數據傳輸：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） 傳輸時延(從發送到接收數據之間的時間)：
不同的數據包長度，傳輸的時延不同。根據目前移動的網絡狀況，一般一個包長為100 到200字節之間的數據包可以在1 秒內互傳完畢。大于200 字節的數據包平均在1 秒到3 秒之間可以互傳完畢。

（三）穩定性
1） 有效率：發送成功數據占總發送數據比例
根據目前在北京、石家莊使用的結果來看，在網絡正常的情況下，一般數據包的成功率都在97%以上。
2） 穩定性綜合參數：有效率x 傳輸效率
網絡有效帶寬和最大傳輸單元(MTU)之間存在著極其重要的關系，一般MTU 增大到200 字節以上不會明顯增加帶寬，但會增大平均延遲，測試結果表明MTU 的最優大小是200 字節左右。
3） 斷線自動連接
自動檢測網絡連接狀況
設備自診斷、自恢復
4）配置方便性
菜單式配置(超級終端，無需專用軟件)
維護軟件配置
5）結構
內部連接可靠性： 內部連接機械連接包含GPRS 模塊與PCB 之間、SIM 卡固定連接
產品尺寸： 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）環境參數
溫度： -20～55℃
相對濕度： 95%(無凝結)



2.GPRS DTU 通信模式與其它幾種常用數據通信方式比較

從GPRS DTU與有線、無線數據通信的對比可以看出，在分散數據采集中，利用GPRS DTU進行數據采集是性能價格比最高的一種模式。
（1）與光纖和有線專線相比，建設費用、運行費用和維護費用都很低，并且幾乎近于免維護，因為GPRS網絡的維護完全有中國移動來完成，企業不需支付任何費用，完全享受中國移動技術進步帶來的效率；

（2）在分散數據采集中，要求對各采集子站實時檢測，有線撥號是做不到的。對多個子站輪回召測，周期太長，沒有實時性可比；

（3）與各種無線數據傳輸的手段相比，GPRS網絡覆蓋范圍大、維護成本低。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，不僅要向當地申請頻點，而且每年要向無委會交納一定的占頻費 ；超短波通信的維護量相當大，建設要求苛刻，不僅要考慮周圍建筑的影響，而且避雷措施不當容易引起電臺和連接設備的損壞；

（5）如果采用短信息方式，每個采集子站如果按照間隔為5分鐘發送一次數據，一次1角錢概算，運行費用為：12 * 0.1 *24 * 30 = 864 元

通過以上客觀分析，我們可以看出，無論從建設周期、建設費用和運行費用，還是系統的可靠性、穩定性和技術的先進性而言，GPRS DTU在分散的數據采集應用領域具有無可比擬的優越性，我們認為，在分布范圍較廣，數據采集點多，實時性要求較高的場合，只有GPRS DTU比較合適。當然其它數據通訊方式不是一無是處，他們仍有各自的的應用領域，在GPRS DTU沒有推出之前，也是比較優秀的，只是新的數據通訊技術和新的產品應用于工業監控后，必將對傳統的數據采集帶來新的革命。

五 、 結束語

采用GPRS網絡遠程數據通訊比其它專線或射頻通訊方式有不可比擬的優越性，該通信系統具有連接方便、擴充性好、成本低、維護工作量小等特點。在電力系統電網自動化管理和實時監控中使用GPRS無線網絡通過Internet傳輸數據，將會具有很好的應用前景。