基于无线网络的电能质量监测与管理系统的设计

江友华，叶尚兴，黄志敏

(上海电力学院 电子与信息工程学院，上海 200090)

随着电力电子设备的大量使用和分布式新能源发电系统的并网，以及电网中的拓扑结构和用户负荷结构趋于多元化的运行形势，电网中的电能质量问题已日益严重，所以电能质量的监测、治理与电力用户的管理显得尤为重要.目前，国内外许多学者已在电能质量监测上做了很多深入的研究，开发出许多成熟的电能质量监测系统和精密的监测分析仪.另外，在电能质量治理的研究中，滤波装置与无功补偿装置等也得到了广泛的应用.但许多电能质量监测与治理受限于通讯设施或地理坏境，在电能质量信息管理上，电力用户与管理部门之间无法建立很好的信息共享，只有在发生电能质量纠纷时，才进行数据报表的分析.因此，在有效合理的电能质量监测终端的基础上，建立一种基于无线网络的系统，能够及时有效地对监测信息进行浏览、分析，并将电能质量管理工作紧密协调起来，从而实现电力用户和管理部门之间的信息共享将是电能质量监管研究领域中的一个重点和难点.

1 无线网络应用分析

在对用户侧进行电能质量监测时，许多用户往往受限于通讯设施或地理环境的影响而无法被实时地监测.[1]虽然目前电力部门已建成可靠又具实时性的监测系统，但这些系统数据传输往往依赖于有线网络，如若进行线路更换或是重新构建新的有线网络，这将是一个无比艰巨的工程.而无线通信技术正因其具有不受时间地点限制、永远在线和实时性好等特点，在各个领域得到广泛的应用.

在电能质量监测系统中，数据通信对实时性和可靠性具有一定的要求.GPRS(General Packet Radio Service)无线通信是通过利用GSM(Global System for Mobile Communication)网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递.其可谓是GSM的延续，突破了GSM网只能提供电路交换的局限，通过部分改造来实现分组交换，为用户提供高速的分组数据业务，是当今GSM网络向3G移动数据通信网络过渡的关键技术.[2]

GPRS最主要的功能就是实现数据的无线分组传输，而其实现的基础是 TCP/IP协议.虽然GPRS的实际传输速率受到编码和各终端的限制而有所不同，但其最高理论值达到171.2 kB/s.相比目前配电自动化监控数据的传输速率(一般为1 200～9 600 bit/s)，GPRS的数据传输速率完全符合配电网数据传输要求，而且GPRS的费用根据用户接收和发送数据包的数量进行收取(即按流量收费)，用户可根据自身需求选取不同容量的流量包.另外，远程监控、远程计数等都是小流量高频率传输的数据业务.在配电自动化通信系统中，GPRS通信方式相比传统的方式，具有许多的优点，并且其应用无需相应的中介转换器，在连接及传输上显得更加方便容易.[3]其与其他传统通信方式的相关性能比较如表1所示.

表1 配电自动化中各主要通信方式性能比较

2 系统总体设计

2.1 系统的框图结构

监管系统以实现对稳态电能质量参数的在线监测为目标，由监测终端、GPRS通信网络和远程监控中心3部分构成，如图1所示.其中每个监测终端包括一定数量及型号的监控单元和一台通讯协议转换器.单元中的各用户通过RS485总线连接，单元之间通过电力载波线传输相关监测数据到监测终端.

图1 监管系统设计示意

2.2 系统的工作原理

电力部门通过传统采集器经RS485总线对用户进行数据采集，各监测点将采集好的数据经电力载波线传输到各个集中器下进行数据初步收集分析与管理，形成其监测点下用户信息管理部分.选择GPRS无线通信作为监测点与远程控制中心的通信渠道，工作人员可根据各监测点实时监测数据制成相关报表.为方便用户与管理部门信息共享，建立 WEB服务器软件，用户可通过GPRS无线通信进入电力部门官网对所监控数据进行查询、分析和统计.

监测终端主要由数据采集模块、数据分析模块、数据存储模块以及 GPRS通信模块4部分组成，如图2所示.此外，监测终端可根据实际需要确定监测单元数量和安装地点.

图2 监测终端结构

监测终端中的GPRS无线模块(GPRS DTU)内嵌有TCP/IP协议，上电后会进行初始化并设置相应的通信参数主动向远程监控中心发出连接请求.GPRS网络的服务GPRS支持节点(SGSN)将会根据相应请求为其分配动态的IP地址，从而建立监控终端与远程监控中心之间的连接.[4]远程监控中心的工作人员将所收到的动态IP地址加入到总的数据库中，并根据相应设定完成数据的上传.若无法建立有效的 TCP连接，监测终端将会完成实时数据的压缩存储，等到建立连接后再进行数据上传.远程监控中心最主要的任务是通过后台软件对所采集的电能质量监测数据进行分析、长期储存和统计管理等，从而生成相应的数据报表.其最主要的特点是具有对终端开放的侦听端口，并可以通过链接GPRS DTU向监测终端下发参数和命令.但为了保证系统数据流经公网时的安全性，监测终端在数据传输之前需要先对数据进行加密，当传输到远程监控中心的服务器后，将由专用的处理软件对收到的数据进行解密和校验.另外，在管理的过程中，WEB服务器软件将向用户提供WEB形式的数据查询、分析服务.查询及分析结果可存为 Word，Excel或文本格式文件.

3 系统实现

3.1 监测终端的实现

为了实现系统功能，硬件采用基于32位高速数字信号处理器 TMS320F2812及16位高精度AD7656的数模转换芯片.为了能够同上位机进行有效的数据交互，监测终端自身装配可直接连接到Internet公用数据网的GPRS无线模块，该模块便于远程监控中心对数据进行进一步的分析和处理.软件采用IQ运算格式，可有效保证计算精度，采用均方根值法计算电压电流有效值.采用快速傅立叶变换(FFT)计算电网谐波，采用正负相序理论计算三相不平衡等稳态现象.平方检波法能够在6.8 ms内准确检测出电压跌落，因此采用该方法能够有效地进行原始波形包括电压波动、故障录波、频闪及谐波等电能质量指标的显示与测量.并根据需要向远程监控中心发送相应的控制操作命令，监测终端采用具备完整的嵌入式TCP/IP网络协议栈和以C语言为主要编程语言的实时操作系统 Linux，该系统的协议栈可根据需要进行裁剪.监测终端程序流程如图3所示，其结构采用模块化形式.

图3 监测终端程序流程

3.2 通信网络层的实现

本系统采用GPRS网络以实现各监测点与远程监控中心之间的通信，监测终端中的GPRS模块为实现GPRS终端的网络化奠定了基础.另外，GPRS终端作为整个系统通信网络的一个重要环节，无线通信单元软硬件设计的不同很大程度上取决于其组网方式，故本文基于选用成本相对低廉、组网相对简单的原则，采用远程监测中心使用固定IP地址或向中国移动申请数据专线的方式进行组网，[5]其组网方案如图4所示.

图4 GPRS组网方案

为了实现监测终端能主动与具有中国移动数据专线的监控中心连接并保持联系，监测终端中的GPRS终端接收PC机传输来的数据，通过自动拨号登陆GPRS网络，获取移动子网分配的IP地址.在成功连接条件下，远程监控中心便能获得子网IP地址以及端口号.若出现异常连接状态的监测链路，GPRS终端将自动重新建立，远程监控中心与GPRS终端之间通过协议进行双向通信以实现数据传输.上述方案的缺点在于远程监控中心必须具有固定IP地址、公网IP地址、移动子网IP地址(即数据专线)三者之一，并需要不断发送链路维护数据包并实时在线的GPRS终端.但相比无需固定IP地址而通过域名解析服务提供商获取域名，成本则大大减少，而且中国移动推出的GPRS流量包月服务也大大降低了维系无线链路的成本.

采用一点对多点传输通信方式进行GPRS通信网络的现场模拟试验，监控终端的FTU与Modem接口的RS232波特率为1 200 bit/s，选取一段时间的实时监测数据进行分析，其结果如表2所示.

表2 GPRS通信测试结果

3.3 远程监控中心管理系统的实现

远程监控中心管理系统包括登陆管理、数据接收、波形重组、生成统计报表、信息发布等功能模块.另外，还拥有能向用户提供 WEB形式[6]的数据查询、分析服务的WEB服务器模块，具体的实现界面如图5、图6和图7所示.

图5 用户侧电能质量分析界面

图6 电能质量监测信号分析评估界面

数据处理和数据存储模块可以生成电能质量数据分析报告，方便查看历史数据，而且响应速度很快.后台数据库不仅能查看历史数据，还能实现对历史数据进行统计分析处理、评估和预测，并与WEB服务器共同为电力用户提供各种能分时段、分区域、分电压等级的电能质量数据和报表.

图7 用户WEB登陆界面

4 结语

本文提出了基于无线网络的电能质量监管系统，其不仅具有无需布线、工作量小、传输数据量大等优点，还为实现电能质量智能化管理提供了可行性基础.该系统借用目前已存在的GPRS网络，而且只需在相应的监测设备中安装GPRS Modem，具有投资小、维护运行费用低、准确性较高、对环境的适应性较好、易于安装、易于维护等特点.另外，为用户提供的WEB服务器更是实现了用户与电力部门之间的数据共享，使其将在日趋多样复杂的市场需求下，拥有良好而广阔的应用前景.

[1]顾远，田岚.基于 GPRS技术的电能质量监测系统设计[J].中小企业管理与科技，2014，4(6):283-285.

[2]司亚超，吕国，于江利.基于无线传感网电能质量监控系统的研究设计[J].电源技术，2014，38(2):373-374.

[3]郭上华，刘保玉，王焕文，等.GPRS网络在配电自动化中的应用[J].继电器，2005，33(8):56-60.

[4]廖胜.基于 ARM 和 GPRS远程监控系统的研究[D].北京:北京邮电大学，2008.

[5]刘辉.基于无线通道的电能质量监测系统的应用研究[D].济南:山东大学，2011.

[6]YOUNG C P，JUANG W L，DEVANEY M J.Real-time intranet-controlled virtual instrument multiple circuit power monitoring[J].IEEE，Transcations on Instrumentation and Measurement，2010，49(3):579-584.