GPRS在低压配变监控中的应用

一．引言

    随着电力城网、农网改造的逐步完善，一户一表工程、抄表到户工作的完成，对线损管理、提高供电质量、保证供电的可靠性、安全性提出了新的要求。 2003年国民经济继续保持了持续快速健康发展的良好态势，全社会用电量也保持上升的趋势。近两年的电力行业体制改革和系统出现电源性缺电现象，全国大部分地区错峰用电的情况下，简单的电能计量已不能满足对配变的监测管理。反而对配变的运行状况的实时测控提出了新的需求。同时对用电营销管理的科学化和电力需求侧管理（DSM）的智能化需求，要求对配变低压侧进行准确和科学的智能监控，掌握配变的运行状况并根据需求进行合理管理，改善供电质量。

二．配电变压器（配变）

    配电变压器（简称配变）是配电网中将电能直接分配给低压用户的设备是低压（10kV）配电网与用户380/220V配电网的分界点。配变安装于电线杆、配电房和箱式变电站，具有分散、地理环境情况变化多端、覆盖面广、用户众多，容易受用户增容和城市建设影响等特点。

三．配变运行实时监控的作用

    通过对配变的实时监控，可以及时掌握配变的运行情况，防止配变负荷严重超载导致设备的烧毁、三相负载严重不平衡导致配变的加速损坏，配变长期轻负荷运行导致的不经济运行状态和大量感性负载运行导致的功率因数过低、高线损等。

    对配变运行实时监测、抄取、分析、处理和控制，可以及时调整配变运行状态，合理配置配变容量，调整配变的低压智能无功补偿控制等，保证配变安全、稳定、高效的运行。
    
    完善、科学、准确的对配变实时监控，为配电自动化管理提供可靠的运行数据和历史资料，有效降低线损，为负荷预测、线损分析、电力需求侧管理（DSM）提供准确的数据；准确打击窃电，负荷预测指导扩容安装等；为用电情况、用电性质及用电负荷的增长趋势分析，在进行系统增容、配变布点选择等规划工作提供科学的数据；同时提高工作效率，降低劳动成本，科学提高配电管理的自动化水平。
    
四．配变运行实时监控通讯组网

    1．配变运行实时监控通讯组网的问题
    
    配变由于其安装位置分布、安装地点等问题，造成设备数量多、运行环境恶劣；地理地形分布不平衡，比较分散等特点。基于以上特点，光纤通讯、有线电缆、电力载波通讯组网无论在技术上，还是资金投入产出比上都不太可行，配变实时监控的通讯组网一直困扰着配变实时监控的推广、实施。
    
    2．配变运行实时监控对通讯的要求
    
    配变监控的数据量较大，实时性要求不太高，监控终端具有存储功能，不必每个配变监控终端同时占用一个通道与配变管理主站通讯。
    
    需要具备选点召测通讯功能，配变管理管理员可随时召测配变监控终端的实时数据。
    
    对特殊的影响配变运行的越限告警信号，配变监控终端要及时上传到配变管理主站。
    
    主站、终端建设、安装、维护方便，运行成本低廉。
    
    最好可提供透明传输通道或可兼容多种通讯协议。
    
3．目前通讯组网方案

    目前比较适合于配变实时监控通讯要求的和特点的通讯方案有以下三种：

    ⑴ 公用电话交换网方案；
    
    ⑵ 无线数传电台方案；
    
    ⑶ GPRS方案。
    
    其中⑴、⑶两种方案属于公网，⑵方案属于用户自建的专用网。
    
3．1公用电话交换网方案

    公用电话交换网应用相当普及，有人工作和居住的地方就有公用电话交换网，公用电话交换网不仅可以用于通话还可以用于数据传输，但公用电话交换网方案缺点：
    
    ① 需要布专用电话线，向电信公司交纳装机费、每月的月租费和使用费；
    
    ② 非透明数据传输，MODEM从拨号呼叫到连通需要一定时限。
    
3．2无线数传电台方案

    无线数传电台适用于通讯点分散的数据监控，恰好适用于配变监控，其具有专用的数传频段，工作频率：220MHz～240MHz。无线数传电台方案缺点如下：
    
    ① 初次开通需要向当地的无线电管理委员会交纳一定费用，每年再交一定的频率占用费，组网费用高；
    
    ② 通讯距离有一定的限制（平原地带最远为50km），且受建筑物、山体的影响较大；
    
    ③ 需要专业人员维护管理，建设、维护费用很高。
    
3．3GPRS方案

    基于以上配变自身的特点和以上两种通讯组网方式的缺点，GPRS数据通讯方案的提出使一系列问题迎刃而解，科学、有效的解决了配变实时测控的通讯组网难题。
    
    GPRS是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输网络，它采用先进的无线分组技术，可以为水力、电力、交通、银行等行业提供丰富的无线接入手段，移动GPRS方案具有以下优点：
    
    ① 采用透明双向数据传输，链路自动维护；
    
    ② 只需要向移动公司开户SIM卡，费用可以采用包月方式使用，运行成本低；
    
    ③ 永远在线 ，只要激活GPRS后，将永远保持在线，不存在掉线问题，只有在产生流量时才计费；
    
    ④ 快速登录，全新的分组服务，无需长时间的拨号连接过程；
    
    ⑤ 高速传输，GPRS最高理论传输速度171.2kbps，平均带宽40kbps
    
    ⑥ 支持点对点、中心对多点及多点间的实时、对等数据传输，组网灵活，不受通讯距离和区域的限制，中心对多点的传输方式是配变实时监控常用的应用模式；
    
    ⑦ 可靠性高，一般数据包传输的成功率在99.9%以上。
    
五．配变实时监控系统的组成及主要功能

    1．系统组成
    
    配变实时监控系统由以下三部分组成：
    
    ⑴ 配变管理主站；
    
    ⑵ 配变监控终端（配电综合测控仪）；
    
    ⑶ GPRS通讯通道。
    
    配变监控系统组网示意图如图1所示。 

    配电综合监控系统，集配变监测、无功补偿控制、GPRS远程抄表和数据分析、处理为一体的配变综合监控系统。采用配电综合监控系统作为配变测控管理软件，配电综合测控仪作为配变监控终端，采用嘉复欣GF-2008W GPRS DTU作为数据传输通道，组成配变监控系统。

2．配变监控管理系统软件主要功能

2．1管理功能

    ⑴ 配变台区资料管理

    以各级电力供电公司为电位，建立管理该公司所管辖的配变台区名称、配变所属变电站、配变所属线路、配变地理位置、配变型号等配变台区档案资料。
    
    ⑵ 配变用户资料管理
    
    建立管理配变用户名称、容量、CT变比、PT变比、监控终端编号、通讯ID、用电性质和抄表员等用户资料。
    
    ⑶ 系统用户管理
    
    防止未授权用户非法进入系统，设置管理用户帐号、密码和操作权限等。
    
2．2数据采集功能

    数据采集采用定时巡检、随机巡检和自动收集相配合，采集配电综合测控仪实时数据和历史数据。
    
    ⑴ 定时巡检功能
    
    配变监控管理系统按管理员设定的巡检时间自动采集配电综合测控仪实时数据和历史数据。
    
    ⑵ 随机巡检功能
    
    管理员可随时在配变监控管理主站随机巡检某台配电综合测控仪实时数据。
    
    ⑶ 自动接收功能
    
    配变监控管理系统自动接收各配电综合监控仪的告警和事件记录数据。
    
2．3校时功能

    为了统一各配电综合测控仪的时间基准，配变监控管理系统可定时对各配电综合测控仪进行校时。
    
2．4控制功能

    配变监控管理系统可对具有遥控输出功能的配电综合测控仪下发遥控命令，实现远程遥控。
    
2．5数据库查询功能

    配变监控管理系统采用安全、可靠的商用数据库，建立标准的数据模型和数据字段。可以查询任意时段配变的历史数据、事件记录、告警记录等。提供方便的数据维护接口，在权限范围内提供数据接口，为负荷预测、线损分析和DSM系统提供准确的数据源。
    
2．6统计分析功能

    配变监控管理系统提供强大的数据统计、分析功能，为用户提供准确实用的统计数据，为配变科学管理提供关键的数据。统计数据如图2。
    
    ⑴ 统计任意时段对某台配电综合测控仪的遥控操作成功、失败次数；
    
    ⑵ 统计任意时段某台配电综合测控仪的无功补偿投切记录和时间；
    
    ⑶ 统计任意时段某台配变的停电时间和次数；
    
    ⑷ 统计任意时段某台配变的最大、最小需量发生时间和需量；
    
    ⑸ 统计任意时段某台配变的低压线损、电压合格率、负荷率、分时电量等。
    

2．7报表和曲线处理功能

    配变监控管理系统可以针对某一台区、配变线路或某配变自动生成日报表、月报表、年度报表等汇总报表及。日报表统计一天24小时定时存储的运行参数，累计停电时间、过压、过流报警，无功补偿投切控制等情况；报表可直接进行预览、打印。自动生成趋势曲线，直观的反映出各配变的运行趋势。曲线可任意放大、缩小和拖动。曲线图如图3。
    

    ⑴ 生成任意时段的电能量分时统计报表；
    
    ⑵ 生成任意时段的负荷率、电压合格率、负荷不平衡度报表；
    
    ⑶ 生成任意时段的配变综合分析报表；
    
    ⑷ 生成任意时段的无功补偿投切记录报表、停电、告警记录报表；
    
    ⑸ 生成任意时段的配变参数趋势曲线。
    
3．配电综合测控仪的功能
    
3．1遥测功能

    配电综合测控仪实时测量存储以下配变参数：
    
    ⑴ 三相电压 Ua、Ub、Uc及频率F；
    
    ⑵ 三相电流 Ia、Ib、Ic及中性线电流I0；
    
    ⑶ 三相功率因数 cosφa、cosφb、cosφc；
    
    ⑷ 三相有功功率 Pa、Pb、Pc；
    
    ⑸ 三相无功功率 Qa、Qb、Qc；
    
    ⑹ 配变工作环境温度 T。
    
    以上各量在存储间隔内的最大值、最小值、平均值存储作历史数据保存，存储间隔可以任意设置（调节范围1～120分钟可调，调节细度1分钟），存储时间84天以上。
    
3．2电能计量功能

    ⑴ 三相有功电量；
    
    ⑵ 三相无功电量。
    
    电量按存储间隔定时存储在存储器中。
    
3．3统计功能

    ⑴ 统计记录三相电压越上限、越下限的起止时间；
    
    ⑵ 统计记录三相电流越上限的起止时间；
    
    ⑶ 统计记录配变停电起止时间；
    
    ⑷ 统计记录配变最大需量及发生时间。
    
    以上各量立即存储在存储器内。
    
3．4遥信功能
    
    配电综合测控仪采集以下信号及SOE：
    
    ⑴ 配变超高温；
    
    ⑵ 配变缺相；
    
    ⑶ 配变高压侧开关变位（支持智能开关）；
    
    ⑷ 配变低压侧开关变位（支持智能开关）；

    ⑸ 三相电压越上限；⑹变压器过载；
    
    ⑺ 通讯故障；
    
    ⑻ 装置故障。
    
    以上异常信号出现必须上报，上报至主站的反应时间不超过5分钟，当配电综合测控仪发送上报信息后没有收到主站的确认信号时，应进行重发，重发次数由主站设置，上报的主动权按异常状况的类型可由主站单独设置。

3．5遥控功能

    配电综合测控仪根据主站的指令对相应的开关或其它被控对象进行远方合闸、跳闸操作。
    
    ⑴ 配变高压侧开关变位（支持智能开关）；
    
    ⑵ 配变低压侧开关变位（支持智能开关）；
    
    ⑶ 其它需要控制的被控对象。
    
3．6低压智能无功补偿功能
    
    为了有效降低配电网的线损，提高供电质量，需要对配变低压侧进行智能无功补偿，保持系统的无功平衡，提高配变功率因数，实现技术降损。配电综合测控仪具备低压智能无功补偿控制功能，具有以下特点：
    
    ⑴ 采用科学的补偿算法，以无功功率作为控制物理量，以用户设定的功率因数作为投切门限；避免了在小负荷，低功率因数时，因电容器的频繁投切而造成的损坏电器元件的情况，提高了系统的稳定性，不会产生过补和补偿不足。
    
    ⑵ 灵活多变的控制方式，可根据现场电容器组的情况自由选择以下三种补偿方式：“三相分补”、“三相共补”、“共补+分补”；每路输出控制的电容器容量和接线方式可根据现场情况自由设定；
    
    ⑶ 1～12路输出控制回路，对多级电容采用过零快速投切。可支持控制无触点复合开关，实现过零投切电容器和控制交流接触器投切电容器。
    
3．6远程通讯功能

    配电综合测控仪具备于主站进行数据通讯的功能。主要传送以下数据和命令：
    
    ⑴ 下行（主站至配电综合测控仪）数据和命令：广播校时、定值设定（电压上、下限，电流上限）、无功补偿控制参数设置、 变比设置、存储间隔设置、实时数据巡检、历史数据召测等。
    
    ⑵ 上行（配电综合测控仪至主站）数据和命令：实时数据、历史数据、告警信号、遥信量的上送等。
    
六．GPRS组网的接入方式

    GPRS接入方式示意图，如图4所示。
    
    1．数据终端（GPRS DTU）的接入
    
    中国移动GPRS网络为用户提供CMNET和APN两个网络接入方式，CMNET通常用于公众用户接入Internet，APN针对相关行业用户使用。APN用户通常在一个组内，需要设定用户名和密码，具有更好的安全性，APN用户可以申请绑定移动内网的固定IP地址。配变监控可选用CMNET和 APN两种接入方式。
    
    2．数据中心（DSC）的接入

    数据中心的接入有多种方式，结合GPRS承载网络的特点和GPRS应用领域的具体要求进行组网。组网形式的选择主要由业务数据量、时延、可行性要求、数据保密性、网络状况决定。现提供以下四种接入方案，以供参考。
    

图4

    方案一：GPRS接入，适合总数据带宽需求不太大的应用，例如使用Polling传输协议的数据采集系统；全部数据在GPRS网内运行；要求所有 GPRS终端之间可以直接通讯，所有终端接入到同一个专有APN；数据中心的GPRS数据终端接入点绑定固定IP地址（即至少提供一个绑定移动内网固定 IP地址的SIM卡）。

    方案二：Internet接入方式，GRE隧道与RADIUS可选。GRE 两端地址、RADIUS SERVER 地址和企业路由器端口地址都必须是公有的。考虑到IP地址广播，企业端的路由器端口地址，GRE 隧道端地址，RADIUS Server 地址应由为该企业提供Internet连接的ISP提供；不存在跨区域的问题，企业数据中心服务器与中国移动GGSN服务器不必在同一城市。
    
    方案三：专线接入，适合电力、金融、证券、工业监控等行业使用；企业通过专线接入中国移动的路由器，移动为用户提供公有或移动私有IP地址。数据安全性好，稳定可靠，传输延迟小。
    
    方案四：直接接入，适用于没有接入Internet、而且对安全要求极高的企业。适合电力、金融、证券等行业使用；企业在运营商一端放置GRE路由器，路由器不经过GPRS防火墙直接接入GPRS内部网络。
    
    以上四种方案，根据用户在配变监控应用的具体情况，选用性价比高、运行可靠的介入方式。
    
3．GPRS数据中心与用户应用程序接口

    GPRS数据中心与应用系统的应用软件接口两种方式，即动态连接库（DLL）和GPRS数据中心服务程序转发方式。动态连接库方式需要进行接口程序的编程与开发。
    
七．GPRS 的传输效率与稳定性

1．数据链路传输方式
    
    中国移动的GPRS网络经过实际测试，网络的数据传输质量和稳定性较好，同时考虑到数据传输的冗余性和效率问题，建议采用UDP方式传输业务数据，对于无冗错处理的文件数据传输可采用TCP方式。
    
2．传输效率
    
2．1用户数据传输效率（用户数据占网络层总数据的比例）

    采用不同的组网方式、不同的数据包长度，有不同的传输效率。下面假设当前最长所能支持的最大用户数据包长的情况下，即1024字节包长。

    仅支持GPRS DTU主动发起到数据中心的数据传输：最大传输效率（w） = 97.3%

    支持双向主动互传：最大传输效率（w） = 95.9%

2．2传输时延（从发送到接收数据之间的时间）

    不同的数据包长度，传输的时延不同。根据目前移动的网络状况，一般一个包长为100到200字节之间的数据包可以在1秒内互传完毕。大于200字节的数据包平均在1秒到3秒之间可以互传完毕。

3．稳定性

3．1有效率：发送成功数据占总发送数据比例

    根据目前的GPRS网络测试的结果来看，在网络正常的情况下，一般数据包的成功率都在99.9%以上。

3．2稳定性综合参数：有效率x传输效率

    网络有效带宽和最大传输单元（MTU）之间存在着极其重要的关系，一般MTU增大到200字节以上不会明显增加带宽，但会增大平均延迟，测试结果表明MTU的最优大小是250字节左右。

3．3链路检测与激活

    对于经常性传输和实时性要求较高的数据传输，通常需要考虑设置心跳功能，以确保电路永远在线并激活，心跳间隔根据网络质量和应用要求进行设置，采用心跳方案的连接运行费用比较高。

八．系统应用GPRS通讯采用的技术

    GPRS通讯的最大特点是按流量计费，当然只要合理控制通讯流量，就能有效节约运行成本。珠海市伊特高科技有限公司研制的ETPD配电综合监控系统，成功的应用了数据流量控制技术和GPRS模块定时报告、GSM短信激活技术，保证提供可靠数据的同时，有效的降低了运行成本。

1．数据流量控制技术

    配变监控的应用在于监视配变运行状态，提高用电质量。对配变的监控基本上分考核和监控两个过程，需要掌握配变运行的异常数据和状态，对于稳定运行的数据，只要在允许范围内，可以不作通讯上传处理也可。

    根据应用情况，在配电综合测控仪通讯控制上设计了科学的“数据流量控制器”，可根据用户需要通过设置“数据流量管理器”死区值和越死区时限来控制数据流量，并确定越上限及下限值，“数据流量管理器” 死区值和越死区时限随时从主站下传给配电综合测控仪。

    采用“数据流量控制器”控制技术可靠的保证了系统的运行，又有效的降低了运行成本。

2．定时报告应用技术

    配变监控系统对实时性没有很高的要求，可以不采用设置心跳功能保持连接，只需要采用设置定时报告的方式，配电综合测控仪需要传送数据时直接激活 GPRS模块进行通讯，主站需要通讯时，采用发短信方式激活GPRS模块，与配电综合测控仪通讯。省去保持连接的维护数据量，节约运行成本。

九．结束语

    一户一表、抄表到户工程结束，能源紧缺，系统电源性缺电，全国拉闸限电、有序错峰用电的形势下；国家电网公司要求全面推进电力需求侧管理，满足用户对用电质量和用电可靠性的要求，要求加快配电低压负荷控制管理自动化水平，同时对配变低压监控、管理的科学化和电力需求侧管理（DSM）的智能化提出新的需求：准确、科学、有效降低线损的配变低压监控的必要性更加突出。采用GPRS通讯的ETPD配电综合监控系统以其先进的技术，精确的测量准确度和科学的设计、制造，在配变低压监控的科学管理中将大展身手，保证配电网安全、经济、可靠地运行，在配电低压自动化管理中发挥重要地作用。