GSM/GPRS 通信在配电自动化系统中的运用

朱思文，金天一

（1.国网江苏省电力有限公司扬中市供电分公司，江苏 镇江 212200；2.国网江苏省电力有限公司南通市通州区供电分公司，江苏 南通 226300）

0 引 言

配电网通信包含大量终端节点，且这些终端节点具有分散性，通信距离比较长，各终端产生的数据量比较小。对比以往配电网通信方案，发现制定介质通信方案多为光纤、电力线载波以及屏蔽双绞线等，在实施中存在投资成本、扩容性和维护量等方面的不足。针对现存问题，广大从业者提出了新的通信方案，例如在配电自动化系统中应用全球移动通信系统/通用分组无线业务（Global System for Mobile communications/General Packet Radio Service，GSM/GPRS）通信，针对GSM/GPRS 通信分析通信原理和方法，提出配电自动化系统的设计方案，明确GSM/GPRS 通信的应用效果。

1 GSM/GPRS 通信原理

通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）是一种基于全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）系统的无线分组交换技术，可以提供端到端、广域无线网际互连协议（Internet Protocol，IP）连接服务。GSM 是欧洲电信标准组织（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提出的数字移动通信标准[1]。GSM/GPRS 通信通过系统控制终端发射功率，并在终端加以实现。

通话环节，系统自动为终端分配临时性的逻辑信道，分别是业务信道（Traffic Channel，TCH）、慢随路信道（Slow Associated Control Channel，SACCH）。其中，TCH 负责与基站交互业务信息，而SACCH 的作用是功率控制。利用GSM/GPRS 通信进行功率控制，主要目的是由终端定时向基站告知接收信号功率值，当基站接收到功率值数据后，分析终端实际情况，确定终端发射信号强度。此后，根据GSM 规范与终端厂商提出的方法，利用终端控制发射功率，流程图如图1 所示。

图1 终端控制发射功率流程图

2 基于GSM/GPRS 通信的配电自动化系统结构与设计

2.1 系统结构

分别针对GSM 和GPRS 制定通信方案，配电自动化系统中的监控中心需应用以太网，数据库服务器需要安装Microsoft SQL Server，客户机部位需要安装监控中心软件。一般情况下，一台客户机能够同时维持多台调制解调器（Modem）运行。基于此，提出设计方案如下：监控中心采用安装GSM Modem、电话线拨号Modem 的方法，并与GSM Modem 监测终端进行通信；监控中心需要安装GPRS Modem、网卡等网络业务提供商(Internet Service Provider，ISP）服务设备，需要与GPRS Modem 监测终端实时通信。

2.2 监测终端

配电自动化系统中的监测终端，需要应用深圳市欧宇电气有限公司研发的EU2506。一是单片机最小系统，运行的关键是89C52，时钟芯片组成时间电路，存储芯片组成历史数据，用于存储电路。CPLDEPM7128 是最小系统接口器件的组成部分，作用是协调、控制电路。二是GSM/GPRS Modem，建议应用西门子公司研发的TC35、MC35。三是电力参数采集模块，建议选择80C196 单片机。四是温度采集模块，建议应用ABB 公司研发的W2000 铂电阻Pt100 和TR204-Ex 温度变送器。

2.3 采集信息

2.3.1 常规遥测信息量

配电自动化系统内部包含大量遥测信息，其中包括电流与电压数据。本次设计过程中需要在正常状态下监测各项数据，如配电变压器三相电压与电流、油槽温度、有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数。如果监测终端已经接收到监控中心发出的问询命令，需要立即传输遥测量[2]。

2.3.2 遥测及遥控信息量

监测终端共包含四路遥测、三路遥控，通过远程监测与控制的方式，实现配电变压器开关量数据的管理，也可按照需要有级遥调组合挡位。

2.3.3 报警信息量

针对配电变压器启/停信号预警现象，建议在设计阶段科学设置报警信息量，如三相电流、三相电压、三相油槽温度上下限阈值，对其进行越复限报警。

2.3.4 特殊信息量

监测终端在运行过程中需要合理设置参数，可以直接在监控中心查询、下载相关参数。

2.4 制定规约

制定规约环节，需要采取问询与数据上传集合的形式。在Modbus 规约基础上，根据通信帧格式（见表1）进行统一管理，其中报头可以识别各标识版本规约，而监测终端号的作用是唯一性地标识监测终端。配电自动化系统中包括大量监测终端，通过功能码便可获得标识本通信帧的数据。

表1 通信帧格式

2.5 制定通信机制

2.5.1 问询式通信

制定通信机制环节，采取问询式通信可以查询一些常规数据。为保证用户操作的便捷性，在系统设计环节采用手动与自动调度组合的方法。监控中心设计过程中，设计人员应用多线程多任务并发技术，在2 个循环任务线程之间做好调度工作。一个线程负责调度任务时间的检测，在有任务的情况下获取任务代号，将其提供给调度线路中的变压器[3]；另一个线程的功能是循环监测所有变压器的调度任务执行情况，若确定有调度任务，则需要重新开始新线程，构建连接，待连接之后开始执行任务，后续再自动断开连接。

2.5.2 主动上传式通信

配电自动化系统的设计中采用主动上传式通信，更有利于预警操作。监测终端负责探测，发现变压器启/停报警，或是电压、电流、温度上下限越复限报警信号，需要主动与监控中心对接，将报警数据上传，也可以向用户发送报警信息。

3 GSM 通信应用

各台GSM Modem务必插入用户识别卡（Subscriber Identity Module，SIM），且该SIM 卡需要有被叫数据服务业务。监控中心最小化配置由数据库系统、监控中心软件个人计算机（Personal Computer，PC）设备、GSM Modem 组成。配电自动化系统需要具备兼容性，可以同时兼容多台Modem 运行，确保系统数据传输的及时性。

针对监控中心、监测终端之间的一次连接，具体分析如下。

第一，初始化。连接监控中心前，必须对GSM Modem 运行状态进行检查。对于仍然没有初始化的Modem，应立即进行初始化处理。初始化可以直接在监控中心软件中输入初始化AT 命令字符串，即“AT&D0&S0X0E0V0Q0S0=1S7=30”完成操作。

第二，构建连接。设计人员搜索闲置的Modem，向其发出“ATDT+检测终端SIM 卡号码”的命令，利用GSM 网络和监测终端连接即握手。待握手完成构建通信线路，随后Modem 向监控中心计算机反馈310D 结果码，使Modem 切换到联机状态[4]。

第三，任务实施与执行。监控中心负责判断手动连接或自动连接，若确定为自动连接，则可以执行此次用户预设的任务，若为手动连接，则需要在用户输入完成实时任务后予以执行。

第四，连接断开。经过判断后，如果为自动连接，那么配电自动化系统预设任务结束之后，将会以自动的形式发布断开连接命令。若采用手动连接形式，系统则会在线等待，接收用户输入的断开连接指令后，按指令完成任务。3 min 内系统仍未接收到用户指令，系统便会自动断开连接。

4 GPRS 通信应用

设计阶段的GPRS 通信支持传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），数据传输单位应用到IP 包，以连接为对象，传输内容为传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和无连接用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。对于TCP，通信流程和GSM 流程相似度很高，因此以UDP 为对象进行阐述。UDP 较适合用于配电网监测点数据量比较小且发生频率较高的情况[5]。监测终端间隔20 min 发送IP 包，在监控中心完成一次注册，向其传输关键信息，如终端IP、UDP 端口号、SIM 卡标识号以及终端模块号等，以免其中一方掉线导致失联。此外，监测终端间隔若干分钟，向监控中心传输实时监测数据，确保系统数据的实时性。当监控中心发布命令与指令，也会采取发送UDP 包的方法预留出相应的时间，待终端做出响应。设计阶段反复测试，发现GPRS 会出现少量包丢失的问题，网络状态正常时掉包率非常低。为进一步保证配电监控系统可靠、储存数据安全，对监控中心设计了重发机制，即在下达指令之后的一段时间以内，仍然没有接收终端反馈的信息，即可判定为超时，且重发指令。

5 配电自动化系统设计效果

此次采用GSM/GPRS通信，设计配电自动化系统，基于已有的配电变压器参数、报警信息，经过实践与分析发现系统能够实现如下功能：一是支持打印报表，显示图形曲线、供电可靠率、电压合格率以及负荷率等信息；二是配电自动化系统中可以完成配电自动化分析，使工作人员操作更加直观；三是电力管理信息系统（Management Information System，MIS）系统、调度自动化系统与本系统对接，可以获得数据库共享接口；四是配电自动化系统不仅可以自动监控配电变压器参数，也可以应用在电力台区负荷监测、防剪线以及防偷电等其他领域，在实现配电自动化的基础上，推动电力行业的自动化、智能化建设。

6 结 论

GSM/GPRS 通信在配电自动化系统中应用，相比传统配电系统不仅提高了自动化水平，而且能够支持高质量通信。工作人员在设计系统时需要立足于GSM 与GPRS 通信方案实现配电自动化，为我国电力行业的进一步升级夯实基础。