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基于GPRS的无功监控系统应用研究


  在当前“节能降耗”的大环境下,各级供电企业在重点关注“有功功率调度”的同时,拿出更多的精力考虑无功功率控制是大势所趋。目前在10kV及0.4kV配电网络中,安装了大量的无功补偿装置,此部分装置一般为实时就地补偿,尚未纳入到集中监控系统之中。随着供电企业监控系统的逐步完善,将这些分散布置的设备进行网络化管理,从更高电压等级的角度控制无功的流动,整体上控制因无功流动导致的线路损耗降到最低,既有利于降低供电损耗率,同时能够改善供电线路的末端电压质量,所以无功监控系统的建设也是大势所趋。
  在无功监控系统1建设过程中,通讯建设是首要考虑的问题,尤其是广大农村地区,是无功损耗的重灾区,同时也是通讯建设的难点。如果按照“有功功率调度”的建成都门禁机设思路,采用“光纤+以太网/专用串行通道”的模式,通讯的建设费用将是笔昂贵的支出。
  目前国内通讯公司基本实现了无线信号的全覆盖,故此采用无线方式监控这些设备是可行的。本文结合两个案例,介绍了利用GPRS2网络的TCP/IP方式,构建无功监控系统网络通道的实际应用。
  1GPRS技术及目前应用分类1.1GPRS技术介绍GPRS(GeneralPacketRadioService)是通用分组无线业务的简称,它是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,能够提供端到端的、广域的无线IP连接。
  GPRS按照GSM标准定义的封包交换协议,可以快速接入数据网络。主要优点如下传输速率高。通过同时使用8个时隙,GPRS网络数据传输速率最高理论值可达到171.且通过不同的编码方式,支持不同速率的传输,是对有限带宽的高效利用,完全满足无功监控系统的通信速率要求。
  永远在线。GPRS在终端与集中控制系统之间实现了基金项目:山东省星火计划项目(2011XH17005)动终端仍直在与网络保持联接,再次进行数据传送时不需要重新连接,而网络容量只有在实际进行传输时才被占用,从而保证了信息交换的实时性及数据流量统计的经济性。
  按流量计费。GPRS营运商能够以传输的数据量而不是连接时间为基准来计费,接入网络但没有数据传输数不收费,这将使系统运行费用大大降低,用户可以根据实际需要控制数流据量,从而控制运行费用。
  1.2GPRS应用分类GPRS支持因特网上应用最广泛的IP协议和X.25协议,根据需要,在无功监控系统中采用较为广泛的TCP/IP协议方式。
  1.2.1按组网逻辑分类。按照组网逻辑区分,采用TCP/IP协议方式时,集中监控端既可作为服务端,也可作为客户端。在无功监控系统中,建议采用监控端作为服务端的方式,原因有:1)监控端部署在机房中,作为服务端可方便地控制数据召唤频率,进而控制通讯总流量;(2)监控端作为服务端,能够方便地剔除因通讯信号影响导致的数据中断,不影响其他数据的采集与监控;(3)减少IP地址的占用,终端DTU单元可采用动态地址分配的方式,不占用固定的IP地址。
  1.2.2按安全级别分类。按安全级别分类,GPRS网络可采用公共网络方式,或采用专用VPN通道方式。
  专用VPN通道方式适用于安全级别较高,当设备数量较大的情况。
  无功监控系统网络拓扑。3采用GPRS通讯的无功监控网络拓扑结构综合如上描述的GPRS通讯模式,采用该模式的无功监控系统网络拓扑如所示。
  不考虑GPRS的分类,仅描述基本的网络结构,分类方式是基于如上基本拓扑之上的逻辑划分。GPRSDTU单元是专门用于将串口数据通过GPRS网络进行传送的GPRS无线设备。其具有四个主要功能。
  议栈GPRSDTU内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈,具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能。(2)提供串口数据双向转换功能GPRSDTU提供了串行通信接口,包括RS232/RS485/RS422等常用串行通信方式,GPRSDTU可以将串口数据转换成TCP/IP数据包进行传送,而不改变原有的数据通信内容。(3)支持自动心跳,保持永久在线典型的GPRSDTU在设计上支持永久在线功能,包含了上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线(当长时间没有数据通信时,移动网关将断开DTU与中心的连接,心跳包就是DTU与数据中心在连接被断开之前发送个小数据包,以保持连接不被断开)、支持断线自动重连、自动重拨等功能。(4)支持参数配置,永久保存GPRSDTU作为一种通信设备,其应用场合十分广泛。在不同的应用中,数据中心的IP地址及端口号,串口的波特率等都是不同的。因此,DTU支持参数配置,并且将配置好的参数保存内部的永久存储器件内,旦上电,就自动按照设置好的参数进行工作。
  2实用案例2.1采用公网方式山东省某县级供电企业,选取了15个低压无功补偿点作为试点,采用公网方式接入,采用移动公司提供的默认的CMNET用户名接入网络;无功监控的集控端作为服务端,召唤数据间隔在集控端设置为20s,每次下发召唤命令的数据平均为10字节,上传数据每次约40字节。GPRSDTU采用动态IP地址分配方式,人工设定上传连接端口号,终端层每月包100M的流量(上、下行累计100M)。该企业需支付的通讯费用每月为600元,通讯费用与地域有较大关系,不同省份、地区费用有差别。
  当采用公网方式接入系统时,表1公网通讯质量月统计表为增强系统的安全性,可在接入系考核项目下行/M上行/M累计统前,利用企业已有的防火墙或其通讯流量(月平均)他网络安全设备进行安全强化,通讯流量峰值(月极值)利用NAT功能隐藏实际的IP地通讯可靠率(月统计)址并针对端口号进行保护,仅开放累计不工作时间(月累计平均,h)使用到的端口号。运行半年时间统集控端遥控响应时间(手工10次平均,s)计结果如表1所示。
  常规数据查询响应时间(手工10次平均,s)数据计算依据:1)通讯流量:以移动公司提供的每月通讯流量统计表作为依据,合计平均得出每数据点平均流量,取最大值得出通讯流量峰值。(2)通讯可靠率:某时间间隔内通道正常的时间/该时间间隔的总时间X100%.(3)集控端遥控响应时间:随机抽取不同的时间点,集控端发送遥控命令,记录遥控成功后的间隔时间,10次取平均得出遥控响应时间。(4)常规数据查询响应时间:手工发送召唤遥测数据的命令,自发送开始至收到原始数据帧的时间。
  2.2采用VPN网方式河南省某县级供电企业,共安装0. 4kV无功补偿点519个,10kV无功补偿点36个,合计555台设备,采用VPN通道接入,无功监控的集控端作为服务端,召唤数据间隔为设置为20s.采用移动公司单独配置的APN节点名称接入网络。每次下发召唤命令的数据约为10字节,上传数据每次约40字节。GPRSDTU采用动态IP地址分配方式,人工设定上传连接端口号,终端层每月包100M的流量(上、下行累计100M),VPN专线采用2M带宽。该企业需要支付的通讯费用每月为7采用VPN专线方式时,VPN表2VPN网络通讯质量月统计表网络属于私有网络范畴,自身已具考核项目下行/M上行/M累计有较高的安全等级。为进步增加通讯流量(月平均)网络安全性,可在进入系统之前,增通讯流量峰值(月极值)加纵向安全认证装置提高防护等通讯可靠率(月统计)级。运行半年时间统计结果如表2累计不工作时间(月累计平均,h)所示集控端遥控响应时间(手工10次平均,s)针对通讯异成都门禁自动门常的设备(通讯超常规数据查询响应时间(手工10次平均,s)流量设备),首先排查是否有较频繁的人工操作导致,即人工频繁的下发命令;如无此原因后,需要跟踪此类设备,排除是否因通讯质量不好导致频繁的连接。
  2.3核心参数配置在GPRSDTU模块配置中,除了IP地址、接入点名称、端口号等基础参数之外,还有部分关键性参数,这部分参数不仅影响通讯的可靠性,还会影响到数据的流量,下面对以上参数的配置结合以上案例进行说明。
  2.3.1基础参数部分。服务代码:移动公司统一为99 1,禁止改动。
  接入点名称:采用公网方式时填写CMNET,采用VPN方式时,必须改为移动公司设置的APN接入名称服务端IP地址:无论采用公网方式还是VPN接入方式,必须更改为移动公司提供的IP地址。
  服务端端口号:服务端给该设备分配的端口号,此端口号在服务端必须唯,否则会出现多台DTU设备连接到同一端口,导致数据紊乱。
  本地端口号:即DTU采用哪个端口号连接至服务端,可由DTU设备自由分配或人工指定均可,不影响数据通讯。
  2.3.2其他关键参数。最大包长:设置每帧数据的最大长度,单位为字节,设置过小会导致同一帧数据分多个数据包发送,多占用数据流量。笔者在实际中设置为1 024字节。
  DTU心跳时间:心跳数据是当长时间无数据传输时,为保证系统实时在线,DTU主动发送的数据。因集控端设置为每隔20s召唤一次数据,所以心跳时间间隔大于20s才能较大限度的节省流量,因集控端在召唤一次无响应时会再次发送一次召唤命令,实际设置为35s,即略短于两次召唤的累加时间。
  重连间隔:当DTU脱网后,DTU尝试再次连接移动后台的间隔时间;一般系统脱网的原因是无线信号受到干扰,强度降低,此时不宜设置的重连间隔过密,否则会无谓增加DTU自身负担。笔者实际设置为120s.以上参数可根据不同的使用环境及通讯要求进行调整。
  3结论(1)本文论述的GPRS通讯方式,可适用于分布广、数量多的无功监控系统,能够较好的解决监控系统所需的通讯信道问题。(2)在项目中,可根据系统的安全性要求、设备数量的多少及通讯费用的预算选择不同的通讯模式,即专网模式或公网模式;同时通过集控端修改数据召唤频率,有效控制数据的流量。
  (3)通过GPRSDTU参数及集控端参数的配合,可使通道可靠率达98%以上。
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