江友華，葉尚興，黃志敏

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090)

隨著電力電子設(shè)備的大量使用和分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)，以及電網(wǎng)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和用戶負(fù)荷結(jié)構(gòu)趨于多元化的運(yùn)行形勢，電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題已日益嚴(yán)重，所以電能質(zhì)量的監(jiān)測、治理與電力用戶的管理顯得尤為重要.目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已在電能質(zhì)量監(jiān)測上做了很多深入的研究，開發(fā)出許多成熟的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和精密的監(jiān)測分析儀.另外，在電能質(zhì)量治理的研究中，濾波裝置與無功補(bǔ)償裝置等也得到了廣泛的應(yīng)用.但許多電能質(zhì)量監(jiān)測與治理受限于通訊設(shè)施或地理壞境，在電能質(zhì)量信息管理上，電力用戶與管理部門之間無法建立很好的信息共享，只有在發(fā)生電能質(zhì)量糾紛時(shí)，才進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)表的分析.因此，在有效合理的電能質(zhì)量監(jiān)測終端的基礎(chǔ)上，建立一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，能夠及時(shí)有效地對(duì)監(jiān)測信息進(jìn)行瀏覽、分析，并將電能質(zhì)量管理工作緊密協(xié)調(diào)起來，從而實(shí)現(xiàn)電力用戶和管理部門之間的信息共享將是電能質(zhì)量監(jiān)管研究領(lǐng)域中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn).

1 無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析

在對(duì)用戶側(cè)進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測時(shí)，許多用戶往往受限于通訊設(shè)施或地理環(huán)境的影響而無法被實(shí)時(shí)地監(jiān)測.[1]雖然目前電力部門已建成可靠又具實(shí)時(shí)性的監(jiān)測系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸往往依賴于有線網(wǎng)絡(luò)，如若進(jìn)行線路更換或是重新構(gòu)建新的有線網(wǎng)絡(luò)，這將是一個(gè)無比艱巨的工程.而無線通信技術(shù)正因其具有不受時(shí)間地點(diǎn)限制、永遠(yuǎn)在線和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.

在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性具有一定的要求.GPRS(General Packet Radio Service)無線通信是通過利用GSM(Global System for Mobile Communication)網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞.其可謂是GSM的延續(xù)，突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的局限，通過部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，為用戶提供高速的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是當(dāng)今GSM網(wǎng)絡(luò)向3G移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)過渡的關(guān)鍵技術(shù).[2]

GPRS最主要的功能就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線分組傳輸，而其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是 TCP/IP協(xié)議.雖然GPRS的實(shí)際傳輸速率受到編碼和各終端的限制而有所不同，但其最高理論值達(dá)到171.2 kB/s.相比目前配電自動(dòng)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸速率(一般為1 200～9 600 bit/s)，GPRS的數(shù)據(jù)傳輸速率完全符合配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸要求，而且GPRS的費(fèi)用根據(jù)用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量進(jìn)行收取(即按流量收費(fèi))，用戶可根據(jù)自身需求選取不同容量的流量包.另外，遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程計(jì)數(shù)等都是小流量高頻率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù).在配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)中，GPRS通信方式相比傳統(tǒng)的方式，具有許多的優(yōu)點(diǎn)，并且其應(yīng)用無需相應(yīng)的中介轉(zhuǎn)換器，在連接及傳輸上顯得更加方便容易.[3]其與其他傳統(tǒng)通信方式的相關(guān)性能比較如表1所示.

表1 配電自動(dòng)化中各主要通信方式性能比較

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu)

監(jiān)管系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量參數(shù)的在線監(jiān)測為目標(biāo)，由監(jiān)測終端、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分構(gòu)成，如圖1所示.其中每個(gè)監(jiān)測終端包括一定數(shù)量及型號(hào)的監(jiān)控單元和一臺(tái)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器.單元中的各用戶通過RS485總線連接，單元之間通過電力載波線傳輸相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)到監(jiān)測終端.

圖1 監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意

2.2 系統(tǒng)的工作原理

電力部門通過傳統(tǒng)采集器經(jīng)RS485總線對(duì)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各監(jiān)測點(diǎn)將采集好的數(shù)據(jù)經(jīng)電力載波線傳輸?shù)礁鱾€(gè)集中器下進(jìn)行數(shù)據(jù)初步收集分析與管理，形成其監(jiān)測點(diǎn)下用戶信息管理部分.選擇GPRS無線通信作為監(jiān)測點(diǎn)與遠(yuǎn)程控制中心的通信渠道，工作人員可根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)制成相關(guān)報(bào)表.為方便用戶與管理部門信息共享，建立 WEB服務(wù)器軟件，用戶可通過GPRS無線通信進(jìn)入電力部門官網(wǎng)對(duì)所監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析和統(tǒng)計(jì).

監(jiān)測終端主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及 GPRS通信模塊4部分組成，如圖2所示.此外，監(jiān)測終端可根據(jù)實(shí)際需要確定監(jiān)測單元數(shù)量和安裝地點(diǎn).

圖2 監(jiān)測終端結(jié)構(gòu)

監(jiān)測終端中的GPRS無線模塊(GPRS DTU)內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，上電后會(huì)進(jìn)行初始化并設(shè)置相應(yīng)的通信參數(shù)主動(dòng)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)出連接請求.GPRS網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)將會(huì)根據(jù)相應(yīng)請求為其分配動(dòng)態(tài)的IP地址，從而建立監(jiān)控終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間的連接.[4]遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的工作人員將所收到的動(dòng)態(tài)IP地址加入到總的數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)相應(yīng)設(shè)定完成數(shù)據(jù)的上傳.若無法建立有效的 TCP連接，監(jiān)測終端將會(huì)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)，等到建立連接后再進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳.遠(yuǎn)程監(jiān)控中心最主要的任務(wù)是通過后臺(tái)軟件對(duì)所采集的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、長期儲(chǔ)存和統(tǒng)計(jì)管理等，從而生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表.其最主要的特點(diǎn)是具有對(duì)終端開放的偵聽端口，并可以通過鏈接GPRS DTU向監(jiān)測終端下發(fā)參數(shù)和命令.但為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)流經(jīng)公網(wǎng)時(shí)的安全性，監(jiān)測終端在數(shù)據(jù)傳輸之前需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，當(dāng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器后，將由專用的處理軟件對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密和校驗(yàn).另外，在管理的過程中，WEB服務(wù)器軟件將向用戶提供WEB形式的數(shù)據(jù)查詢、分析服務(wù).查詢及分析結(jié)果可存為 Word，Excel或文本格式文件.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 監(jiān)測終端的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，硬件采用基于32位高速數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320F2812及16位高精度AD7656的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片.為了能夠同上位機(jī)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交互，監(jiān)測終端自身裝配可直接連接到Internet公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的GPRS無線模塊，該模塊便于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理.軟件采用IQ運(yùn)算格式，可有效保證計(jì)算精度，采用均方根值法計(jì)算電壓電流有效值.采用快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算電網(wǎng)諧波，采用正負(fù)相序理論計(jì)算三相不平衡等穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象.平方檢波法能夠在6.8 ms內(nèi)準(zhǔn)確檢測出電壓跌落，因此采用該方法能夠有效地進(jìn)行原始波形包括電壓波動(dòng)、故障錄波、頻閃及諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)的顯示與測量.并根據(jù)需要向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送相應(yīng)的控制操作命令，監(jiān)測終端采用具備完整的嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和以C語言為主要編程語言的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) Linux，該系統(tǒng)的協(xié)議?？筛鶕?jù)需要進(jìn)行裁剪.監(jiān)測終端程序流程如圖3所示，其結(jié)構(gòu)采用模塊化形式.

圖3 監(jiān)測終端程序流程

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間的通信，監(jiān)測終端中的GPRS模塊為實(shí)現(xiàn)GPRS終端的網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ).另外，GPRS終端作為整個(gè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，無線通信單元軟硬件設(shè)計(jì)的不同很大程度上取決于其組網(wǎng)方式，故本文基于選用成本相對(duì)低廉、組網(wǎng)相對(duì)簡單的原則，采用遠(yuǎn)程監(jiān)測中心使用固定IP地址或向中國移動(dòng)申請數(shù)據(jù)專線的方式進(jìn)行組網(wǎng)，[5]其組網(wǎng)方案如圖4所示.

圖4 GPRS組網(wǎng)方案

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測終端能主動(dòng)與具有中國移動(dòng)數(shù)據(jù)專線的監(jiān)控中心連接并保持聯(lián)系，監(jiān)測終端中的GPRS終端接收PC機(jī)傳輸來的數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)撥號(hào)登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)，獲取移動(dòng)子網(wǎng)分配的IP地址.在成功連接條件下，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心便能獲得子網(wǎng)IP地址以及端口號(hào).若出現(xiàn)異常連接狀態(tài)的監(jiān)測鏈路，GPRS終端將自動(dòng)重新建立，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與GPRS終端之間通過協(xié)議進(jìn)行雙向通信以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.上述方案的缺點(diǎn)在于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心必須具有固定IP地址、公網(wǎng)IP地址、移動(dòng)子網(wǎng)IP地址(即數(shù)據(jù)專線)三者之一，并需要不斷發(fā)送鏈路維護(hù)數(shù)據(jù)包并實(shí)時(shí)在線的GPRS終端.但相比無需固定IP地址而通過域名解析服務(wù)提供商獲取域名，成本則大大減少，而且中國移動(dòng)推出的GPRS流量包月服務(wù)也大大降低了維系無線鏈路的成本.

采用一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸通信方式進(jìn)行GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場模擬試驗(yàn)，監(jiān)控終端的FTU與Modem接口的RS232波特率為1 200 bit/s，選取一段時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果如表2所示.

表2 GPRS通信測試結(jié)果

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理系統(tǒng)包括登陸管理、數(shù)據(jù)接收、波形重組、生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表、信息發(fā)布等功能模塊.另外，還擁有能向用戶提供 WEB形式[6]的數(shù)據(jù)查詢、分析服務(wù)的WEB服務(wù)器模塊，具體的實(shí)現(xiàn)界面如圖5、圖6和圖7所示.

圖5 用戶側(cè)電能質(zhì)量分析界面

圖6 電能質(zhì)量監(jiān)測信號(hào)分析評(píng)估界面

數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以生成電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析報(bào)告，方便查看歷史數(shù)據(jù)，而且響應(yīng)速度很快.后臺(tái)數(shù)據(jù)庫不僅能查看歷史數(shù)據(jù)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理、評(píng)估和預(yù)測，并與WEB服務(wù)器共同為電力用戶提供各種能分時(shí)段、分區(qū)域、分電壓等級(jí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)和報(bào)表.

圖7 用戶WEB登陸界面

4 結(jié)語

本文提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量監(jiān)管系統(tǒng)，其不僅具有無需布線、工作量小、傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)，還為實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量智能化管理提供了可行性基礎(chǔ).該系統(tǒng)借用目前已存在的GPRS網(wǎng)絡(luò)，而且只需在相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備中安裝GPRS Modem，具有投資小、維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用低、準(zhǔn)確性較高、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較好、易于安裝、易于維護(hù)等特點(diǎn).另外，為用戶提供的WEB服務(wù)器更是實(shí)現(xiàn)了用戶與電力部門之間的數(shù)據(jù)共享，使其將在日趨多樣復(fù)雜的市場需求下，擁有良好而廣闊的應(yīng)用前景.

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