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GPRS在配電網監控中的應用
1 .引言
隨著電力城網、農網改造的逐步完善，一戶一表工程、抄表到戶工作的完成，對線損管理、提高供電質量、保證供電的可靠性、安全性提出了新的要求。2003年國民經濟繼續保持了持續快速健康發展的良好態勢，全社會用電量也保持上升的趨勢。近兩年的電力行業體制改革和系統出現電源性缺電現象，全國大部分地區錯峰用電的情況下，簡單的電能計量已不能滿足對配變的監測管理。反而對配變的運行狀況的實時測控提出了新的需求。同時對用電營銷管理的科學化和電力需求側管理（DSM）的智能化需求，要求對配變低壓側進行準確和科學的智能監控，掌握配變的運行狀況并根據需求進行合理管理，改善供電質量。
2 .配電變壓器（配變）
配電變壓器（簡稱配變）是配電網中將電能直接分配給低壓用戶的設備是低壓（10kV）配電網與用戶380/220V配電網的分界點。配變安裝于電線桿、配電房和箱式變電站，具有分散、地理環境情況變化多端、覆蓋面廣、用戶眾多，容易受用戶增容和城市建設影響等特點。
3 .配變運行實時監控的作用
通過對配變的實時監控，可以及時掌握配變的運行情況，防止配變負荷嚴重超載導致設備的燒毀、三相負載嚴重不平衡導致配變的加速損壞，配變長期輕負荷運行導致的不經濟運行狀態和大量感性負載運行導致的功率因數過低、高線損等。
對配變運行實時監測、抄取、分析、處理和控制，可以及時調整配變運行狀態，合理配置配變容量，調整配變的低壓智能無功補償控制等，保證配變安全、穩定、高效的運行。完善、科學、準確的對配變實時監控，為配電自動化管理提供可靠的運行數據和歷史資料，有效降低線損，為負荷預測、線損分析、電力需求側管理（DSM）提供準確的數據；準確打擊竊電，負荷預測指導擴容安裝等；為用電情況、用電性質及用電負荷的增長趨勢分析，在進行系統增容、配變布點選擇等規劃工作提供科學的數據；同時提高工作效率，降低勞動成本，科學提高配電管理的自動化水平。
4.配變運行實時監控通訊組網
4.1 配變運行實時監控通訊組網的問題
配變由于其安裝位置分布、安裝地點等問題，造成設備數量多、運行環境惡劣；地理地形分布不平衡，比較分散等特點。基于以上特點，光纖通訊、有線電纜、電力載波通訊組網無論在技術上，還是資金投入產出比上都不太可行，配變實時監控的通訊組網一直困擾著配變實時監控的推廣、實施。
4.2 配變運行實時監控對通訊的要求
配變監控的數據量較大，實時性要求不太高，監控終端具有存儲功能，不必每個配變監控終端同時占用一個通道與配變管理主站通訊。需要具備選點召測通訊功能，配變管理管理員可隨時召測配變監控終端的實時數據。對特殊的影響配變運行的越限告警信號，配變監控終端要及時上傳到配變管理主站。主站、終端建設、安裝、維護方便，運行成本低廉。最好可提供透明傳輸通道或可兼容多種通訊協議。
4.3 目前通訊組網方案
目前比較適合于配變實時監控通訊要求的和特點的通訊方案有以下三種：
⑴ 公用電話交換網方案；
⑵ 無線數傳電臺方案；
⑶ GPRS方案。
其中⑴、⑶兩種方案屬于公網，⑵方案屬于用戶自建的專用網。
4.3.1 公用電話交換網方案
公用電話交換網應用相當普及，有人工作和居住的地方就有公用電話交換網，公用電話交換網不僅可以用于通話還可以用于數據傳輸，但公用電話交換網方案缺點：
①需要布專用電話線，向電信公司交納裝機費、每月的月租費和使用費；
②非透明數據傳輸，MODEM從撥號呼叫到連通需要一定時限。
4.3.2 無線數傳電臺方案
無線數傳電臺適用于通訊點分散的數據監控，恰好適用于配變監控，其具有專用的數傳頻段，工作頻率：220MHz～240MHz。無線數傳電臺方案缺點如下：
① 初次開通需要向當地的無線電管理委員會交納一定費用，每年再交一定的頻率占用費，組網費用高；
② 通訊距離有一定的限制（平原地帶最遠為50km），且受建筑物、山體的影響較大；
③ 需要專業人員維護管理，建設、維護費用很高。
4.3.3 GPRS方案
基于以上配變自身的特點和以上兩種通訊組網方式的缺點，GPRS數據通訊方案的提出使一系列問題迎刃而解，科學、有效的解決了配變實時測控的通訊組網難題。
GPRS是在GSM基礎上發展起來的一種分組交換的數據承載和傳輸網絡，它采用先進的無線分組技術，可以為水力、電力、交通、銀行等行業提供豐富的無線接入手段，移動GPRS方案具有以下優點：
①采用透明雙向數據傳輸，鏈路自動維護；
②只需要向移動公司開戶SIM卡，費用可以采用包月方式使用，運行成本低；
③永遠在線 ，只要激活GPRS后，將永遠保持在線，不存在掉線問題，只有在產生流量時才計費；
④快速登錄，全新的分組服務，無需長時間的撥號連接過程；
⑤高速傳輸，GPRS最高理論傳輸速度171.2kbps,平均帶寬40kbps；
⑥支持點對點、中心對多點及多點間的實時、對等數據傳輸，組網靈活，不受通訊距離和區域的限制，中心對多點的傳輸方式是配變實時監控常用的應用模式；
⑦可靠性高，一般數據包傳輸的成功率在99.9％以上。
5.配變實時監控系統的組成及主要功能
5.1 系統組成
配變實時監控系統由以下三部分組成：
⑴ 配變管理主站；
⑵ 配變監控終端（配電綜合測控儀）；
⑶ GPRS通訊通道。
配變監控系統組網示意圖如圖1所示。
珠海市伊特高科技有限公司研制的ETPD配電綜合監控系統，集配變監測、無功補償控制、GPRS遠程抄表和數據分析、處理為一體的配變綜合監控系統。采用《ET3000配電綜合監控系統》作為配變測控管理軟件，ETPD系列配電綜合測控儀作為配變監控終端，采用深圳市宏電技術股份有限公司H7112、H7118 GPRS DTU作為數據傳輸通道，組成配變監控系統。
5.2 配變監控管理系統軟件主要功能
5.2.1 管理功能
⑴ 配變臺區資料管理
以各級電力供電公司為電位，建立管理該公司所管轄的配變臺區名稱、配變所屬變電站、配變所屬線路、配變地理位置、配變型號等配變臺區檔案資料。
⑵ 配變用戶資料管理
建立管理配變用戶名稱、容量、CT變比、PT變比、監控終端編號、通訊ID、用電性質和抄表員等用戶資料。
⑶ 系統用戶管理
防止未授權用戶非法進入系統，設置管理用戶帳號、密碼和操作權限等。
5.2.2 數據采集功能
數據采集采用定時巡檢、隨機巡檢和自動收集相配合，采集配電綜合測控儀實時數據和歷史數據。
⑴ 定時巡檢功能
配變監控管理系統按管理員設定的巡檢時間自動采集配電綜合測控儀實時數據和歷史數據。
⑵ 隨機巡檢功能
管理員可隨時在配變監控管理主站隨機巡檢某臺配電綜合測控儀實時數據。
⑶ 自動接收功能
配變監控管理系統自動接收各配電綜合監控儀的告警和事件記錄數據。
5.2.3 校時功能
為了統一各配電綜合測控儀的時間基準，配變監控管理系統可定時對各配電綜合測控儀進行校時。
5.2.4 控制功能
配變監控管理系統可對具有遙控輸出功能的配電綜合測控儀下發遙控命令，實現遠程遙控。
5.2.5 數據庫查詢功能
配變監控管理系統采用安全、可靠的商用數據庫，建立標準的數據模型和數據字段。可以查詢任意時段配變的歷史數據、事件記錄、告警記錄等。提供方便的數據維護接口，在權限范圍內提供數據接口，為負荷預測、線損分析和DSM系統提供準確的數據源。
5.2.6 統計分析功能
配變監控管理系統提供強大的數據統計、分析功能，為用戶提供準確實用的統計數據，為配變科學管理提供關鍵的數據。統計數據如圖2：
⑴ 統計任意時段對某臺配電綜合測控儀的遙控操作成功、失敗次數；
⑵ 統計任意時段某臺配電綜合測控儀的無功補償投切記錄和時間；
⑶ 統計任意時段某臺配變的停電時間和次數；
⑷ 統計任意時段某臺配變的最大、最小需量發生時間和需量；
⑸ 統計任意時段某臺配變的低壓線損、電壓合格率、負荷率、分時電量等。
5.2.7 報表和曲線處理功能
配變監控管理系統可以針對某一臺區、配變線路或某配變自動生成日報表、月報表、年度報表等匯總報表及。日報表統計一天24小時定時存儲的運行參數，累計停電時間、過壓、過流報警，無功補償投切控制等情況；報表可直接進行預覽、打印。自動生成趨勢曲線，直觀的反映出各配變的運行趨勢。曲線可任意放大、縮小和拖動。曲線圖如圖3：
⑴ 生成任意時段的電能量分時統計報表；
⑵ 生成任意時段的負荷率、電壓合格率、負荷不平衡度報表；
⑶ 生成任意時段的配變綜合分析報表；
⑷ 生成任意時段的無功補償投切記錄報表、停電、告警記錄報表；
⑸ 生成任意時段的配變參數趨勢曲線。
5.3 配電綜合測控儀的功能
5.3.1 遙測功能
配電綜合測控儀實時測量存儲以下配變參數：
⑴ 三相電壓 Ua、Ub、Uc及頻率F；
⑵ 三相電流 Ia、Ib、Ic及中性線電流I0；
⑶ 三相功率因數 cosφa、cosφb、cosφc；
⑷ 三相有功功率 Pa、Pb、Pc；
⑸ 三相無功功率 Qa、Qb、Qc；
⑵ 三相電流 Ia、Ib、Ic及中性線電流I0；
⑶ 三相功率因數 cosφa、cosφb、cosφc；
⑷ 三相有功功率 Pa、Pb、Pc；
⑸ 三相無功功率 Qa、Qb、Qc；
⑹ 配變工作環境溫度 T。
以上各量在存儲間隔內的最大值、最小值、平均值存儲作歷史數據保存，存儲間隔可以任意設置（調節范圍1～120分鐘可調，調節細度1分鐘），存儲時間84天以上。
5.3.2 電能計量功能
⑴ 三相有功電量；
⑵ 三相無功電量。
電量按存儲間隔定時存儲在存儲器中。
5.3.3 統計功能
⑴ 統計記錄三相電壓越上限、越下限的起止時間；
⑵ 統計記錄三相電流越上限的起止時間；
⑶ 統計記錄配變停電起止時間；
⑷ 統計記錄配變最大需量及發生時間。
以上各量立即存儲在存儲器內。
5.3.4 遙信功能
配電綜合測控儀采集以下信號及SOE:
⑴ 配變超高溫；
⑵ 配變缺相；
⑶ 配變高壓側開關變位(支持智能開關)；
⑷ 配變低壓側開關變位(支持智能開關)；
⑸ 三相電壓越上限；
⑹變壓器過載；
⑺ 通訊故障；
⑻ 裝置故障。
以上異常信號出現必須上報，上報至主站的反應時間不超過5分鐘，當配電綜合測控儀發送上報信息后沒有收到主站的確認信號時，應進行重發，重發次數由主站設置，上報的主動權按異常狀況的類型可由主站單獨設置。
5.3.5 遙控功能
配電綜合測控儀根據主站的指令對相應的開關或其它被控對象進行遠方合閘、跳閘操作。
⑴ 配變高壓側開關變位(支持智能開關)；
⑵ 配變低壓側開關變位(支持智能開關)
⑶ 其它需要控制的被控對象
5.3.6 低壓智能無功補償功能
為了有效降低配電網的線損，提高供電質量，需要對配變低壓側進行智能無功補償，保持系統的無功平衡，提高配變功率因數，實現技術降損。配電綜合測控儀具備低壓智能無功補償控制功能，具有以下特點：
⑴ 采用科學的補償算法，以無功功率作為控制物理量，以用戶設定的功率因數作為投切門限；避免了在小負荷，低功率因數時，因電容器的頻繁投切而造成的損壞電器元件的情況，提高了系統的穩定性，不會產生過補和補償不足。
⑵ 靈活多變的控制方式，可根據現場電容器組的情況自由選擇以下三種補償方式：“三相分補”、“三相共補”、“共補+分補”；每路輸出控制的電容器容量和接線方式可根據現場情況自由設定；
⑶ 1～12路輸出控制回路，對多級電容采用過零快速投切。可支持控制無觸點復合開關，實現過零投切電容器和控制交流接觸器投切電容器。
5.3.7 遠程通訊功能
配電綜合測控儀具備于主站進行數據通訊的功能。主要傳送以下數據和命令：
⑴ 下行（主站至配電綜合測控儀）數據和命令：廣播校時、定值設定（電壓上、下限，電流上限）、無功補償控制參數設置、變比設置、存儲間隔設置、實時數據巡檢、歷史數據召測等。
⑵ 上行（配電綜合測控儀至主站）數據和命令：實時數據、歷史數據、告警信號、遙信量的上送等。
6.GPRS組網的接入方式
6.1 數據終端(GPRS DTU)的接入
中國移動GPRS網絡為用戶提供CMNET和APN兩個網絡接入方式，CMNET通常用于公眾用戶接入Internet，APN針對相關行業用戶使用。APN用戶通常在一個組內，需要設定用戶名和密碼，具有更好的安全性，APN用戶可以申請綁定移動內網的固定IP地址。配變監控可選用CMNET和APN兩種接入方式。
6.2 數據中心(DSC)的接入
數據中心的接入有多種方式，結合GPRS承載網絡的特點和GPRS應用領域的具體要求進行組網。組網形式的選擇主要由業務數據量、時延、可行性要求、數據保密性、網絡狀況決定。現提供以下四種接入方案，以供參考。
方案一：GPRS接入，適合總數據帶寬需求不太大的應用，例如使用Polling傳輸協議的數據采集系統；全部數據在GPRS網內運行；要求所有GPRS終端之間可以直接通訊，所有終端接入到同一個專有APN；數據中心的GPRS數據終端接入點綁定固定IP地址(即至少提供一個綁定移動內網固定IP地址的SIM卡)。
方案二：Internet接入方式，GRE隧道與RADIUS可選。GRE 兩端地址、RADIUS SERVER 地址和企業路由器端口地址都必須是公有的。考慮到IP地址廣播，企業端的路由器端口地址，GRE 隧道端地址，RADIUS Server 地址應由為該企業提供Internet連接的ISP提供；不存在跨區域的問題，企業數據中心服務器與中國移動GGSN服務器不必在同一城市。
方案三：專線接入，適合電力、金融、證券、工業監控等行業使用；企業通過專線接入中國移動的路由器，移動為用戶提供公有或移動私有IP地址。數據安全性好，穩定可靠，傳輸延遲小。
方案四：直接接入，適用于沒有接入Internet、而且對安全要求極高的企業。適合電力、金融、證券等行業使用；企業在運營商一端放置GRE路由器，路由器不經過GPRS防火墻直接接入GPRS內部網絡。
以上四種方案，根據用戶在配變監控應用的具體情況，選用性價比高、運行可靠的介入方式。
6.3 GPRS數據中心與用戶應用程序接口
GPRS數據中心與應用系統的應用軟件接口兩種方式，即動態連接庫(DLL)和GPRS數據中心服務程序轉發方式。動態連接庫方式需要進行接口程序的編程與開發。對于不希望對原有系統應用軟件進行改動的應用,通常可采用宏電公司提供的GPRS數據中心服務程序與應用系統軟件之間進行數據轉發,包括實際串行口轉發、虛擬串行口轉發、UDP/IP轉發、TCP/IP轉發等連接方式。
7.GPRS 的傳輸效率與穩定性
7.1 數據鏈路傳輸方式
中國移動的GPRS網絡經過實際測試，網絡的數據傳輸質量和穩定性較好，同時考慮到數據傳輸的冗余性和效率問題，建議采用UDP方式傳輸業務數據，對于無冗錯處理的文件數據傳輸可采用TCP方式。
7.2 傳輸效率
7.2.1 用戶數據傳輸效率(用戶數據占網絡層總數據的比例)
采用不同的組網方式、不同的數據包長度，有不同的傳輸效率。下面假設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GPRS 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%
7.2.2 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。
7.3 穩定性
7.3.1 有效率：發送成功數據占總發送數據比例
根據目前的GPRS網絡測試的結果來看，在網絡正常的情況下，一般數據包的成功率都在99.9%以上。
7.3.2 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250字節左右。
7.3.3 鏈路檢測與激活
對于經常性傳輸和實時性要求較高的數據傳輸，通常需要考慮設置心跳功能，以確保電路永遠在線并激活，心跳間隔根據網絡質量和應用要求進行設置，采用心跳方案的連接運行費用比較高。
8.系統應用GPRS通訊采用的技術
GPRS通訊的最大特點是按流量計費，當然只要合理控制通訊流量，就能有效節約運行成本。珠海市伊特高科技有限公司研制的ETPD配電綜合監控系統，成功的應用了數據流量控制技術和GPRS模塊定時報告、GSM短信激活技術，保證提供可靠數據的同時，有效的降低了運行成本。
8.1 數據流量控制技術
配變監控的應用在于監視配變運行狀態，提高用電質量。對配變的監控基本上分考核和監控兩個過程，需要掌握配變運行的異常數據和狀態，對于穩定運行的數據，只要在允許范圍內，可以不作通訊上傳處理也可。
根據應用情況，我公司在配電綜合測控儀通訊控制上設計了科學的“數據流量控制器”，可根據用戶需要通過設置“數據流量管理器”死區值和越死區時限來控制數據流量，并確定越上限及下限值，“數據流量管理器” 死區值和越死區時限隨時從主站下傳給配電綜合測控儀。
采用“數據流量控制器”控制技術可靠的保證了系統的運行，又有效的降低了運行成本。
8.2 定時報告應用技術
配變監控系統對實時性沒有很高的要求，可以不采用設置心跳功能保持連接，只需要采用設置定時報告的方式，配電綜合測控儀需要傳送數據時直接激活GPRS模塊進行通訊，主站需要通訊時，采用發短信方式激活GPRS模塊，與配電綜合測控儀通訊。省去保持連接的維護數據量，節約運行成本。
9、結束語
一戶一表、抄表到戶工程結束，能源緊缺，系統電源性缺電，全國拉閘限電、有序錯峰用電的形勢下；國家電網公司要求全面推進電力需求側管理，滿足用戶對用電質量和用電可靠性的要求，要求加快配電低壓負荷控制管理自動化水平，同時對配變低壓監控、管理的科學化和電力需求側管理（DSM）的智能化提出新的需求：準確、科學、有效降低線損的配變低壓監控的必要性更加突出。采用GPRS通訊的ETPD配電綜合監控系統以其先進的技術，精確的測量準確度和科學的設計、制造，在配變低壓監控的科學管理中將大展身手，保證配電網安全、經濟、可靠地運行，在配電低壓自動化管理中發揮重要地作用。