GPRS在线路无功补偿控制中的应用设计

2010-02-27喻诚斐贾振堂

上海电力大学学报 2010年6期

喻诚斐,贾振堂

(1.江西省电力公司信息通信中心,江西南昌 330077;2.上海电力学院计算机与信息工程学院,上海 200090)

无功补偿是用电过程中一个非常重要的环节.交流电在通过纯容性或者纯感性负载时并不做功,是为无功功率.在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备后,可以供给感性电抗消耗的部分无功功率,减少无功功率在电网中的流动,以此降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗,改善电网的运行条件.

无功补偿过程由无功补偿控制器自动控制.控制器可以检测局部电网的功率因数,并自动控制电容柜,对电容器实施投入和切除.控制器需要进行整定值的配置,并对投切动作进行记录.为了了解控制过程是否正常,需要读取和写入控制器的相关数据,这就需要与控制器进行数据通信.以往采用的红外、近距离无线、电力线载波、电话线Modem,以及短信等通讯方式都存在一定的局限性,给工作带来不便.

为此,本文引入了基于 GPRS的远程无线通信手段,同时设计开发了上位机软件,提供了图形化的操作界面,可以在办公室随时与任何一个控制器通信.不论控制器安装的物理位置如何,只要在移动信号覆盖的地方都可以实时操纵.该软件极大地简化了工作过程,节省了一定的人力和物力.

1 GPRS的数据传输能力

通用无线分组业务(General Packet Radio Service,GPRS)[1]是一种基于 GSM系统的无线分组交换技术,它提供端到端的、广域的无线 IP连接,是一项可以将移动终端直接连接到 Internet的无线数据通信技术,特别适合于低速率(64 kbps以下速率)数据传输应用.虽然 GPRS被称作 2.5G(即 2.5代)技术,是作为现有 GSM网络向第3代移动通信演变的过渡技术,但由于 GPRS覆盖范围广、价格低廉,因此目前依然是低速广域无线数据传输的主流方式.在 3G移动通信系统中,这一技术将得到直接的延续和增强.

早期的移动通信中数据传输技术采用的是电话拨号方式,为电路交换数据业务(CSD),数据速率很低(9.6 kbps),早期的 WAP上网即为此种技术,按照时间收费.而 GPRS通常按照流量收费,允许永远在线,理论上最大速率达 115.2 kbps.

GPRS规范定义了 4种编码方式,即:CS-1,CS-2,CS-3,CS-4.对应每个信道的数据速率分别为9.06 kbps,13.4 kbps,15.6 kbps,21.4 kbps.GPRS采用信道捆绑和增强数据速率来实现高速接入.目前通常的做法是将 4个时隙捆绑.无线通信系统会根据网络信号质量、移动速度等参数自动选择信道编码方式.作者在上海地区实测得到的 GPRS速率在 30～40 kbps.

无功补偿控制器的最大数据为 600字节左右,即约 4.8 kbit.即使按照 10 kbps的 GPRS数据速率来计算,单程传输时间也不到 0.5 s.通常客户要求命令来往时间在 2～3 s内,GPRS足以胜任.

2 DTU3201模块及组网方式设计

2.1 GPRSDTU模块

数据传输单元(Data Transmit Unit,DTU)能够将数字化仪表或设备中的数据远程传送到指定的数据中心,设备与数据中心的物理距离不限,可用于任何需要数据传输的场合.数据传输过程为透明传输,DTU不对数据作任何解析和处理.

本文选用上海影通通信技术有限公司的DTU产品 DTU3201[2].该产品采用西门子公司的MC55无线模块[3]、GPRS通信方式,以及 32位的单片机,具有稳定可靠的性能.全部配件包括DTU模块、电源适配器、串口线和天线.同时,该DTU的配置方法非常简单,便于使用.其主要特性如下.

(1)多种可选的工作方式其工作方式主要有 3种.一是直拨 CSD,端到端电路交换直接传输,速率为 9.6 kbps.该方式属于早期的技术,不常使用,目前上海移动已经不再支持这种业务.二是激活在线 GPRS方式,平时不在线,通过电话激活(也可短信激活).对于不经常抄收数据的应用情况,该方式很适合,可以节省心跳流量所带来的通信费用.三是永远在线 GPRS方式.可以大量并发传输,适用于经常有数据传输的情况.

(2)简便的参数设置方法可使用短信、在线 TCP、本机串口等任意一种方式进行参数设置.通常只需要设置服务器 IP地址即可,其他不需要配置.SIP=＜数据中心 IP地址或域名＞回车即可完成.

(3)较强的并行处理能力支持大量 DTU仪表设备的并行数据抄收,上千个装置的数据在几分钟内全部抄收完毕.N台的抄收时间 =1台的抄收时间.

我们选用其 GPRS功能和激活在线工作方式.平时 DTU不在线,需要抄收数据时,由数据中心软件通过电话拨号的方式来激活 DTU使之上线.抄收完成后,通过 CMD_LOGOFF命令使之下线.

2.2 组网方式设计

利用 DTU3201进行组网,需要 DTU模块、通信服务器、上位机数据中心软件 3个组成部分,如图 1所示.补偿控制器与 DTU通过 RS232串口进行连接,DTU通过 GPRS与通信服务器进行 TCP连接,上位机通过 Internet或 Intranet与通信服务器连接,从而使 3者连接在一起.

通信服务器必须安装在具有固定 IP地址(或者固定域名)的电脑上.

每个 DTU下面挂接一个或者多个补偿控制器.DTU数量不限,分布位置不限,全国范围内任何有移动信号的地方均可.所有的 DTU都登陆到通信服务器,并把自身的信息传送给服务器.

数据中心软件可安装在通信服务器上,也可以安装在 Internet或者局域网中的其他电脑上.数据中心启动后也登陆到通信服务器,并从服务器获取 DTU信息,然后实现对所有 DTU的远程管理.数据中心软件应该提供图形化界面,使全部DTU都好像摆放在眼前一样,可以点击操作.

图1 远程控制系统组网方式

3 数据中心软件设计

3.1 功能需求设计

数据中心软件应实现如下功能:

(1)进行设备信息管理,实现对 DTU和控制器的安装信息管理;

(2)登陆通信服务器,获取所有在线 DTU的信息,并显示 DTU列表;

(3)提供用户操作界面,对任一 DTU发送命令,接收处理任一 DTU回应的数据,并予以解析、显示;

(4)能够进行数据库的存储、查询、打印,以及数据分析和曲线绘制;

(5)能够手工抄收和自动定时抄收;

(6)可以进行数据库的初始化、备份、恢复;

(7)提供图形化的操作界面.

3.2 DTU 3201数据接口解析

DTU3201的通信是建立在 GPRS基础上的,它采用 TCP方式进行数据传输.其数据包格式如表 1所示.全部通信过程由表 2中的 6个命令完成.

表1 DTU 3201的数据包格式

表2 DTU 3201的命令

数据中心软件获取的数据包符合表 1的格式,若该数据包为 CMD_DATA则为透明传输的数据,其中的数据部分即为控制器数据,然后按照控制器的数据协议进行解析处理即可.

3.3 无功补偿控制器通信协议

无功补偿控制器通常采用 RS232或者 RS485进行数据通信,应用层协议由厂家制定.开发数据中心软件时,必须清楚了解控制器的数据传输协议.本文以 BWKG-6000高压无功补偿控制器为例,对其通信协议进行分析.

该控制器采用 MODBUS通信协议[4],底层为RS485串口,波特率默认为 9 600 bps,8位数据,1位停止位,无校验.MODBUS是一种通用的工业总线标准,其应用数据单元(ADU)的结构如图 2所示.

图2 MODBUS应用数据单元结构

图2中,地址码是 RS485总线中的节点地址,每个地址码对应于一个控制器装置.通过MODBUS协议可以读出和写入任意装置中的数据.通常一种装置并不实现 MODBUS的全部功能.表 3列出了该控制器支持的功能和相应地址空间.

表3 BWKG-6000支持的 M ODBUS命令码

数据中每个 WORD或 BIT的具体含义由厂家自己定义,因此进行数据解析时,需要参照控制器装置的通信协议文档.限于篇幅,这里不详细列出.

3.4 数据通信过程

数据中心首先通过 CDM_LOGIN登陆通信服务器,并从通信服务器上获取在线 DTU的列表,然后定时发送 CMD_KEEP_LIVE命令以保持在线.同时,通过 CDM_OPTIONS_READ,CMD_OPTIONS_WRITE允许用户对任意一个 DTU进行远程参数配置.需要下线时则发送 CDM_LOGOFF给通信服务器.

以上命令实现了对 DTU的管理,并不涉及控制器数据.只有 CMD_DATA命令可以实现对无功补偿控制器数据的透明传输,因此下面着重分析该命令的处理过程.控制器数据传输与处理过程如图 3所示.