论文部分内容阅读
摘要：监测数据的有效通讯是配电网自动化系统需要解决的关键问题。通信规约和通信方式的选择与实现是一个非常重要的环节，是实现数据和命令快速、可靠传递的基础。本文设计了基于GPRS网络与Internet网络相结合的配网自动化通讯系统，采用分层次式设计，设计了通讯协议与软件实现。
关键词：配网自动化；通信系统；GPRS；通信规约
中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：
Abstract: Effective communication is the key issues in monitoring data distribution automation system. In the construction of distribution automation system, communication protocol and mode is a very important part, which is the foundation of high speed, real-time and reliability of data and order transmission. General hierarchical design of the system based on GPRS and Internet was introduced in this paper. The protocol of communication and the related software was introduced.
Key words: Distribution Automation System; Communication system; GPRS; Communication Protocol
近年來特，别是全国大规模进行城乡电网改造以来，城市配电网自动化方面的工作取得了比较大的进展。但是由于城市配电网建设依靠用户投资，在负荷增长后没有增容和改造的资金来源，使得城市配电网发展严重滞后于电网负荷的发展。城市配电网网架结构不合理以及配电网设备的老化已经成为危及配电网安全稳定运行的主要因素[1]。要在不改变配电网网架结构及生产管理模式的前提下，加强对配电网运行的监视和控制，使其能够加快对配电网事故的反映速度，快速地切除故障及恢复对非故障区域的供电。城市配电网自动化系统需要有效的通信手段，以便在主站与大量远方终端之间传递信息和控制信号，虽然有多种通信技术和装备可以使用，但配电网结构复杂，不同规模的城市也有不同特点[2-4]。因此，本论文提出一种适合中等城市的配电网自动化数据通信手段，建立配电网自动化系统，实现对配电网运行情况的有效监视和控制，实现配电网系统故障快速定位、迅速隔离和快速恢复，提高供电可靠性， 实现与供电公司其他系统的资源共享，提供优化决策平台、提高管理水平。
1．分层式城市配网自动化系统
配电网自动化是一项集计算机技术、通信技术、控制技术和现代化设备及管理于一体的综合信息管理系统，其目的是提高配电网的供电可靠性，改进电能质量向用户提供优质服务，降低运行费用，减轻运行人员的劳动强度。配电网自动化系统的内容包括配电网数据采集和监控、配电网地理信息系统和需方管理等几个部分。
本文采用分层分布式方式规划配电网自动化系统，即：配电主站层、配电终端层，如果有开闭所供电，可以在主站和终端之间设置配电子站用于数据转发。采用这种分层结构，有效减轻了配电主站的负荷，提高了系统效率，从而可以合理构筑系统的通讯拓扑结构，节省通讯资源并提高利用率。图1为本系统的层次示意图。
图1 系统层次示意图
FTU 的主要功能由两个模块实现：通信模块、嵌入式模块。嵌入式模块是整个 FTU 的大脑，所有的数据采集，控制功能均由其调度。通信模块的功能主要是负责与终端 FTU 之间的信息传递及数据保存。具体来说，就是能够向终端请求“四遥数据”，并且接收终端上传的数据及进行处理
通信网络实现配电网自动化系统中终端层和主站层之间信息传输功能，其稳定性、可靠性与实时性对整个配电网自动化系统的功能有非常关键的影响。
2．配电网自动化系统的通信方式
2.1 系统通信方式的选择
通信系统的建设是配电网自动化系统的关键之一。配电网自动化系统需要借助有效的通信手段，将控制中心的命令准确地传送到为数众多的远方终端，并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心。目前常用的几种通信方式有[5]：
①光纤通信。光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的先进的通信手段。光纤通信具有组网结构简单、通信容量大、数据传输速率高、可靠性高、衰减小、不受外界电磁场干扰、保密性好、使用寿命长等特点。
②电话线通信。单从技术角度看，利用电话线通信是很适合于配电网自动化系统的，利用电话线通信可以达到较高的波特率，而且容易实现双向通信。但是电话线专线的租用费用往往较高，并且电力公司无法完全掌握电话线通信的维护以确保其可靠运行。这些缺点降低了在配电网自动化中使用电话线通信的积极性。
③专用有线(双绞线)通信。专用有线通信有 RS-232、RS-485、CANBUS 等方式，其传输可靠性高、速率适中，适用于短距离传输。
④配电线载波。通过电力系统载波设备将载波频率信号附加在现有的配电线上，构成的通信系统称为配电线载波通信系统。此方式传输速率低且配电线路分支太多造成的损耗过大等问题尚无良好的技术手段，仅用于通信质量要求不高或实时性要求不强的场合。
⑤无线电通信。无线电通信方式有微波通信、扩频电台通信、数传电台通信、商用电台通信等。无线通信的优点主要在于施工费用较低，缺点是在高层建筑较多的城市中信号传输易受阻挡。
⑥无线通信。无线通信分大致为以下三种方式：基于全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications, GSM）的短消息（Short Message Service, SMS）方式、通用分组无线业务(General Packet Radio Service, GPRS)方式以及无线双向数据通信商用专网方式。其中GPRS 特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也可用于偶尔的大数据量传输。
在配电网自动化工程中，选用的通信方式是否经济实用是决定配网自动化成败的关键。在上述几种通信方式中，多数都是基于自建专用通信系统的方式，均存在工程投资大、维护工作量大等问题。城市配电网自动化信息量并不大，测量点多，如果搭建专用通信网络平台来传送，投资将是巨大的，而且维护工作量大，这将严重影响配电网自动化系统工程的投资效益和经济指标[6-7]，制约配电网自动化的发展。
本文结合配电网自动化系统的通信需求与特定，采用基于GPRS网络和Internet网络的通信方式构筑通信平台，具有投资少、维护简单、可靠性高、安装简便、速率较高、覆盖广等优点。
2.2 系统的组网方式
本系统采用了GPRS网络和Internet网络结合的组网方式。
监控中心与远端监控装置FTU上GPRS模块之间的数据传输有两种方式。一种是监控中心通过移动公司专线有线方式或是GPRS Modem无线方式接入 GPRS 网络，实现监控中心与远端监控装置FTU之间的GPRS网内数据传输；另一种是由监控中心通过固定IP或者动态IP的方式接入Internet网络，由于中国移动GPRS网络通过CMNet网关与Internet网络互连，这样远端监控装置FTU上GPRS模块也可以接入Internet网络，实现双方之间的数据通信。
本系统采用的是监控中心以固定IP地址接入Internet网的方式，每次通信的建立是远程GPRS数据终端接入基站，连至GPRS网络，由GGSN网关汇集，经过移动公司内部防火墙、路由器和Internet网向固定的IP地址发起连接，也就是说远程GPRS数据终端每次按固定IP地址登陆监控中心与之建立通信，实现数据的传输，系统的组网方案如图2所示。
图2 系统组网方式
GPRS网络与互联网络是互相连接的，FTU终端与监控中心的数据传输是一种透明传输，数据传输之间的底层协议被屏蔽了。一旦数据终端与监控中心连接上，就持续在线，采用的是GPRS网络与互联网的一种虚拟连接的技术。
3．系统通信规约及软件功能设计
3.1 系统通信规约
配电网自动化系统中，为了正确地传送和接收信息，必须有一套关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定，这一套约定称为规约或协议。配电网自动化系统的通信协议对实现配电网自动化系统的功能起着非常重要的作用，以不同的方式搭建的配电网自动化系统需要选择适合的通信协议，以备整个系统通信数据的正常传输，要考虑信道通信容量、速率、传输的数据大小、数据冲突、数据级别等。
由于本通信系统中的数据传输是一种透明传输，故本文制定了一套应用层通信规约，其特点如下：
1) 在一般情况下，子站有问必答，当子站收到主站查询命令后，必须在规定的时间内应答，否则认为本次通信失败；
2) 在特殊情况下，如发生故障时，则由子站收集故障数据后主动上传给主站，故障数据优先级别最高。这样就能够保证重要数据的安全及时地上传，使得主站系统能够最快地检测出故障区域，启动相应的预案尽快恢复供电。
该规约定义了基本的四遥传输功能：遥信、遥测、遥控、遥调。所涉及的数据包括电气数据、电度数据、状态数据、故障数据、遥控数据、遥控命令等。
由主站向子站主动请求的服务有：
1) 主站向子站循环请求电气数据；
2) 主站向子站发送控制命令，如合闸、跳闸；
3) 主站向子站发送遥测命令。
由子站向主站传输的服务有：
1) 连接请求数据包，表示向主站请求新的连接；
2) 故障数据，当故障发生时，主动向主站发送的反应故障情况的及时数据。
本规约中不同的数据其确认帧不同，采用这种措施，既是不同的数据延时，也可以通过不同的确认帧来确保主站与子站之间数据传输通信同步，保证重要的数据不丢失，能够满足配电网自动化系统的可靠性的要求。
3.2 通信程序的软件结构及功能
软件系统体系结构主要是描述系统操作系统、数据库、应用软件之间相互关系。按照系统层次描述，可将体系结构分为四个层次：平台层、数据层、中间层、应用层。每个层次内部都是由一组完成一定功能的软件模块构成，各个层次之间通过相互支撑，完成配电网自动化系统功能，如图3所示。
图3 配的主站层软件结构
本系统将配网自动化的数据采集与监控系统功能与故障处理功能集合在一起，通过监控管理模块、通信模块、故障定位模块三个模块的相互配合实现。三个模块之间是相互联系，协同工作的。监控管理模块中线路开关的状态数据通过通信模块采集，并且对终端的控制命令也通过通信模块实现，而监控模块中的故障报警功能则依赖与故障定位模块。故障定位模块又依赖于通信模块采集的数据。三者之间通过数据库联系，如图4所示。
图4 软件模块之间的联系
通讯程序的编写采用的是Win32 API接口函数开发多线程应用程序。由于本应用程序中的线程仅用与处理各个FTU终端上传到主站中心的数据，不存在跨进程之间的使用，本文使用临界区方法，带来速度上的优势并能够减少资源占用量。通信程序的设计是在MFC基础上进行的，流程如下：
首先，创建一个 CListenSocket 类对象。
m_listensocket = new CListenSocket(this);
然后，使用 Create 函数创建一个 Socket，并且绑定 IP 及端口号。
m_listensocket->Create(m_port,SOCK_STREAM,ip);
這样就可以开始监听了。
m_listensocket->Listen(32);
通信模型如图5所示。
图5 通信模型
当需要给客户端请求或回应数据时，由主线程启动写线程进行向客户端发送数据的操作，当客户端有数据发送时，主线程通过消息机制重载函数启动读线程。通信程序的主流程图如图6所示。
图6 通讯程序流程图
4、结 论
本文根据配电网自动化系统的特点及其对通信的要求，分析比较了当前的各种通信技术，考虑到GPRS这种数据传输方式的可行性，经济性等方面的优势，采用GPRS的通信方式搭建了整个系统的通信网络，提出GPRS网络与Internet网络结合的组网方式，采用配电主站通过固定IP接入Internet网络，达到双网共同承担数据传输的任务，设计了系统的通信规约，满足了该配电网自动化系统的通信要求。
参考文献：
[1] 康恩婷, 候思祖, 高宇等. 配网自动化无线通信方案的探讨[J]. 电力系统通信,2005, 26(2): 30~31
[2] 上华, 刘保玉, 王焕文等. GPRS网络在配电自动化中的应用[J]. 继电器, 2005,33(8): 56~57
[3] P.H. His, S.L. Chen. Distribution automation communication infrastructure[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1998, 13(3): 728~734
[4] R. Kalden, I. Meirick, M. Meyer. Wireless Internet access based on GPRS[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2000, 7(2): 8~18
[5] 何毅思，王毅，王海燕，刘刚.从国内外建设经验探讨广州配网自动化建设模式.第六届输配电技术国际会议论文集，中国电力出版社，2007，913-919
[6] 陈树勇, 宋书芳, 李兰欣, 沈杰. 智能电网技术综述[J].电网技术, 第33卷第8期,2009年4月
[7] I.H. Cavdar. A solution to remote detection of illegal electricity usage via power line communications[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19 (4): 1663~1667
关键词：配网自动化；通信系统；GPRS；通信规约
中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：
Abstract: Effective communication is the key issues in monitoring data distribution automation system. In the construction of distribution automation system, communication protocol and mode is a very important part, which is the foundation of high speed, real-time and reliability of data and order transmission. General hierarchical design of the system based on GPRS and Internet was introduced in this paper. The protocol of communication and the related software was introduced.
Key words: Distribution Automation System; Communication system; GPRS; Communication Protocol
近年來特，别是全国大规模进行城乡电网改造以来，城市配电网自动化方面的工作取得了比较大的进展。但是由于城市配电网建设依靠用户投资，在负荷增长后没有增容和改造的资金来源，使得城市配电网发展严重滞后于电网负荷的发展。城市配电网网架结构不合理以及配电网设备的老化已经成为危及配电网安全稳定运行的主要因素[1]。要在不改变配电网网架结构及生产管理模式的前提下，加强对配电网运行的监视和控制，使其能够加快对配电网事故的反映速度，快速地切除故障及恢复对非故障区域的供电。城市配电网自动化系统需要有效的通信手段，以便在主站与大量远方终端之间传递信息和控制信号，虽然有多种通信技术和装备可以使用，但配电网结构复杂，不同规模的城市也有不同特点[2-4]。因此，本论文提出一种适合中等城市的配电网自动化数据通信手段，建立配电网自动化系统，实现对配电网运行情况的有效监视和控制，实现配电网系统故障快速定位、迅速隔离和快速恢复，提高供电可靠性， 实现与供电公司其他系统的资源共享，提供优化决策平台、提高管理水平。
1．分层式城市配网自动化系统
配电网自动化是一项集计算机技术、通信技术、控制技术和现代化设备及管理于一体的综合信息管理系统，其目的是提高配电网的供电可靠性，改进电能质量向用户提供优质服务，降低运行费用，减轻运行人员的劳动强度。配电网自动化系统的内容包括配电网数据采集和监控、配电网地理信息系统和需方管理等几个部分。
本文采用分层分布式方式规划配电网自动化系统，即：配电主站层、配电终端层，如果有开闭所供电，可以在主站和终端之间设置配电子站用于数据转发。采用这种分层结构，有效减轻了配电主站的负荷，提高了系统效率，从而可以合理构筑系统的通讯拓扑结构，节省通讯资源并提高利用率。图1为本系统的层次示意图。
图1 系统层次示意图
FTU 的主要功能由两个模块实现：通信模块、嵌入式模块。嵌入式模块是整个 FTU 的大脑，所有的数据采集，控制功能均由其调度。通信模块的功能主要是负责与终端 FTU 之间的信息传递及数据保存。具体来说，就是能够向终端请求“四遥数据”，并且接收终端上传的数据及进行处理
通信网络实现配电网自动化系统中终端层和主站层之间信息传输功能，其稳定性、可靠性与实时性对整个配电网自动化系统的功能有非常关键的影响。
2．配电网自动化系统的通信方式
2.1 系统通信方式的选择
通信系统的建设是配电网自动化系统的关键之一。配电网自动化系统需要借助有效的通信手段，将控制中心的命令准确地传送到为数众多的远方终端，并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心。目前常用的几种通信方式有[5]：
①光纤通信。光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的先进的通信手段。光纤通信具有组网结构简单、通信容量大、数据传输速率高、可靠性高、衰减小、不受外界电磁场干扰、保密性好、使用寿命长等特点。
②电话线通信。单从技术角度看，利用电话线通信是很适合于配电网自动化系统的，利用电话线通信可以达到较高的波特率，而且容易实现双向通信。但是电话线专线的租用费用往往较高，并且电力公司无法完全掌握电话线通信的维护以确保其可靠运行。这些缺点降低了在配电网自动化中使用电话线通信的积极性。
③专用有线(双绞线)通信。专用有线通信有 RS-232、RS-485、CANBUS 等方式，其传输可靠性高、速率适中，适用于短距离传输。
④配电线载波。通过电力系统载波设备将载波频率信号附加在现有的配电线上，构成的通信系统称为配电线载波通信系统。此方式传输速率低且配电线路分支太多造成的损耗过大等问题尚无良好的技术手段，仅用于通信质量要求不高或实时性要求不强的场合。
⑤无线电通信。无线电通信方式有微波通信、扩频电台通信、数传电台通信、商用电台通信等。无线通信的优点主要在于施工费用较低，缺点是在高层建筑较多的城市中信号传输易受阻挡。
⑥无线通信。无线通信分大致为以下三种方式：基于全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications, GSM）的短消息（Short Message Service, SMS）方式、通用分组无线业务(General Packet Radio Service, GPRS)方式以及无线双向数据通信商用专网方式。其中GPRS 特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也可用于偶尔的大数据量传输。
在配电网自动化工程中，选用的通信方式是否经济实用是决定配网自动化成败的关键。在上述几种通信方式中，多数都是基于自建专用通信系统的方式，均存在工程投资大、维护工作量大等问题。城市配电网自动化信息量并不大，测量点多，如果搭建专用通信网络平台来传送，投资将是巨大的，而且维护工作量大，这将严重影响配电网自动化系统工程的投资效益和经济指标[6-7]，制约配电网自动化的发展。
本文结合配电网自动化系统的通信需求与特定，采用基于GPRS网络和Internet网络的通信方式构筑通信平台，具有投资少、维护简单、可靠性高、安装简便、速率较高、覆盖广等优点。
2.2 系统的组网方式
本系统采用了GPRS网络和Internet网络结合的组网方式。
监控中心与远端监控装置FTU上GPRS模块之间的数据传输有两种方式。一种是监控中心通过移动公司专线有线方式或是GPRS Modem无线方式接入 GPRS 网络，实现监控中心与远端监控装置FTU之间的GPRS网内数据传输；另一种是由监控中心通过固定IP或者动态IP的方式接入Internet网络，由于中国移动GPRS网络通过CMNet网关与Internet网络互连，这样远端监控装置FTU上GPRS模块也可以接入Internet网络，实现双方之间的数据通信。
本系统采用的是监控中心以固定IP地址接入Internet网的方式，每次通信的建立是远程GPRS数据终端接入基站，连至GPRS网络，由GGSN网关汇集，经过移动公司内部防火墙、路由器和Internet网向固定的IP地址发起连接，也就是说远程GPRS数据终端每次按固定IP地址登陆监控中心与之建立通信，实现数据的传输，系统的组网方案如图2所示。
图2 系统组网方式
GPRS网络与互联网络是互相连接的，FTU终端与监控中心的数据传输是一种透明传输，数据传输之间的底层协议被屏蔽了。一旦数据终端与监控中心连接上，就持续在线，采用的是GPRS网络与互联网的一种虚拟连接的技术。
3．系统通信规约及软件功能设计
3.1 系统通信规约
配电网自动化系统中，为了正确地传送和接收信息，必须有一套关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定，这一套约定称为规约或协议。配电网自动化系统的通信协议对实现配电网自动化系统的功能起着非常重要的作用，以不同的方式搭建的配电网自动化系统需要选择适合的通信协议，以备整个系统通信数据的正常传输，要考虑信道通信容量、速率、传输的数据大小、数据冲突、数据级别等。
由于本通信系统中的数据传输是一种透明传输，故本文制定了一套应用层通信规约，其特点如下：
1) 在一般情况下，子站有问必答，当子站收到主站查询命令后，必须在规定的时间内应答，否则认为本次通信失败；
2) 在特殊情况下，如发生故障时，则由子站收集故障数据后主动上传给主站，故障数据优先级别最高。这样就能够保证重要数据的安全及时地上传，使得主站系统能够最快地检测出故障区域，启动相应的预案尽快恢复供电。
该规约定义了基本的四遥传输功能：遥信、遥测、遥控、遥调。所涉及的数据包括电气数据、电度数据、状态数据、故障数据、遥控数据、遥控命令等。
由主站向子站主动请求的服务有：
1) 主站向子站循环请求电气数据；
2) 主站向子站发送控制命令，如合闸、跳闸；
3) 主站向子站发送遥测命令。
由子站向主站传输的服务有：
1) 连接请求数据包，表示向主站请求新的连接；
2) 故障数据，当故障发生时，主动向主站发送的反应故障情况的及时数据。
本规约中不同的数据其确认帧不同，采用这种措施，既是不同的数据延时，也可以通过不同的确认帧来确保主站与子站之间数据传输通信同步，保证重要的数据不丢失，能够满足配电网自动化系统的可靠性的要求。
3.2 通信程序的软件结构及功能
软件系统体系结构主要是描述系统操作系统、数据库、应用软件之间相互关系。按照系统层次描述，可将体系结构分为四个层次：平台层、数据层、中间层、应用层。每个层次内部都是由一组完成一定功能的软件模块构成，各个层次之间通过相互支撑，完成配电网自动化系统功能，如图3所示。
图3 配的主站层软件结构
本系统将配网自动化的数据采集与监控系统功能与故障处理功能集合在一起，通过监控管理模块、通信模块、故障定位模块三个模块的相互配合实现。三个模块之间是相互联系，协同工作的。监控管理模块中线路开关的状态数据通过通信模块采集，并且对终端的控制命令也通过通信模块实现，而监控模块中的故障报警功能则依赖与故障定位模块。故障定位模块又依赖于通信模块采集的数据。三者之间通过数据库联系，如图4所示。
图4 软件模块之间的联系
通讯程序的编写采用的是Win32 API接口函数开发多线程应用程序。由于本应用程序中的线程仅用与处理各个FTU终端上传到主站中心的数据，不存在跨进程之间的使用，本文使用临界区方法，带来速度上的优势并能够减少资源占用量。通信程序的设计是在MFC基础上进行的，流程如下：
首先，创建一个 CListenSocket 类对象。
m_listensocket = new CListenSocket(this);
然后，使用 Create 函数创建一个 Socket，并且绑定 IP 及端口号。
m_listensocket->Create(m_port,SOCK_STREAM,ip);
這样就可以开始监听了。
m_listensocket->Listen(32);
通信模型如图5所示。
图5 通信模型
当需要给客户端请求或回应数据时，由主线程启动写线程进行向客户端发送数据的操作，当客户端有数据发送时，主线程通过消息机制重载函数启动读线程。通信程序的主流程图如图6所示。
图6 通讯程序流程图
4、结 论
本文根据配电网自动化系统的特点及其对通信的要求，分析比较了当前的各种通信技术，考虑到GPRS这种数据传输方式的可行性，经济性等方面的优势，采用GPRS的通信方式搭建了整个系统的通信网络，提出GPRS网络与Internet网络结合的组网方式，采用配电主站通过固定IP接入Internet网络，达到双网共同承担数据传输的任务，设计了系统的通信规约，满足了该配电网自动化系统的通信要求。
参考文献：
[1] 康恩婷, 候思祖, 高宇等. 配网自动化无线通信方案的探讨[J]. 电力系统通信,2005, 26(2): 30~31
[2] 上华, 刘保玉, 王焕文等. GPRS网络在配电自动化中的应用[J]. 继电器, 2005,33(8): 56~57
[3] P.H. His, S.L. Chen. Distribution automation communication infrastructure[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1998, 13(3): 728~734
[4] R. Kalden, I. Meirick, M. Meyer. Wireless Internet access based on GPRS[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2000, 7(2): 8~18
[5] 何毅思，王毅，王海燕，刘刚.从国内外建设经验探讨广州配网自动化建设模式.第六届输配电技术国际会议论文集，中国电力出版社，2007，913-919
[6] 陈树勇, 宋书芳, 李兰欣, 沈杰. 智能电网技术综述[J].电网技术, 第33卷第8期,2009年4月
[7] I.H. Cavdar. A solution to remote detection of illegal electricity usage via power line communications[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19 (4): 1663~1667