GPRS在線路無功補(bǔ)償控制中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

喻誠斐,賈振堂

(1.江西省電力公司信息通信中心,江西南昌 330077;2.上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,上海 200090)

無功補(bǔ)償是用電過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié).交流電在通過純?nèi)菪曰蛘呒兏行载?fù)載時(shí)并不做功,是為無功功率.在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)等容性設(shè)備后,可以供給感性電抗消耗的部分無功功率,減少無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng),以此降低輸電線路因輸送無功功率造成的電能損耗,改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件.

無功補(bǔ)償過程由無功補(bǔ)償控制器自動(dòng)控制.控制器可以檢測局部電網(wǎng)的功率因數(shù),并自動(dòng)控制電容柜,對(duì)電容器實(shí)施投入和切除.控制器需要進(jìn)行整定值的配置,并對(duì)投切動(dòng)作進(jìn)行記錄.為了了解控制過程是否正常,需要讀取和寫入控制器的相關(guān)數(shù)據(jù),這就需要與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.以往采用的紅外、近距離無線、電力線載波、電話線Modem,以及短信等通訊方式都存在一定的局限性,給工作帶來不便.

為此,本文引入了基于 GPRS的遠(yuǎn)程無線通信手段,同時(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)了上位機(jī)軟件,提供了圖形化的操作界面,可以在辦公室隨時(shí)與任何一個(gè)控制器通信.不論控制器安裝的物理位置如何,只要在移動(dòng)信號(hào)覆蓋的地方都可以實(shí)時(shí)操縱.該軟件極大地簡化了工作過程,節(jié)省了一定的人力和物力.

1 GPRS的數(shù)據(jù)傳輸能力

通用無線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service,GPRS)[1]是一種基于 GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù),它提供端到端的、廣域的無線 IP連接,是一項(xiàng)可以將移動(dòng)終端直接連接到 Internet的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù),特別適合于低速率(64 kbps以下速率)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用.雖然 GPRS被稱作 2.5G(即 2.5代)技術(shù),是作為現(xiàn)有 GSM網(wǎng)絡(luò)向第3代移動(dòng)通信演變的過渡技術(shù),但由于 GPRS覆蓋范圍廣、價(jià)格低廉,因此目前依然是低速廣域無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鞣绞?在 3G移動(dòng)通信系統(tǒng)中,這一技術(shù)將得到直接的延續(xù)和增強(qiáng).

早期的移動(dòng)通信中數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)采用的是電話撥號(hào)方式,為電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(CSD),數(shù)據(jù)速率很低(9.6 kbps),早期的 WAP上網(wǎng)即為此種技術(shù),按照時(shí)間收費(fèi).而 GPRS通常按照流量收費(fèi),允許永遠(yuǎn)在線,理論上最大速率達(dá) 115.2 kbps.

GPRS規(guī)范定義了 4種編碼方式,即:CS-1,CS-2,CS-3,CS-4.對(duì)應(yīng)每個(gè)信道的數(shù)據(jù)速率分別為9.06 kbps,13.4 kbps,15.6 kbps,21.4 kbps.GPRS采用信道捆綁和增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率來實(shí)現(xiàn)高速接入.目前通常的做法是將 4個(gè)時(shí)隙捆綁.無線通信系統(tǒng)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量、移動(dòng)速度等參數(shù)自動(dòng)選擇信道編碼方式.作者在上海地區(qū)實(shí)測得到的 GPRS速率在 30～40 kbps.

無功補(bǔ)償控制器的最大數(shù)據(jù)為 600字節(jié)左右,即約 4.8 kbit.即使按照 10 kbps的 GPRS數(shù)據(jù)速率來計(jì)算,單程傳輸時(shí)間也不到 0.5 s.通常客戶要求命令來往時(shí)間在 2～3 s內(nèi),GPRS足以勝任.

2 DTU3201模塊及組網(wǎng)方式設(shè)計(jì)

2.1 GPRSDTU模塊

數(shù)據(jù)傳輸單元(Data Transmit Unit,DTU)能夠?qū)?shù)字化儀表或設(shè)備中的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到指定的數(shù)據(jù)中心,設(shè)備與數(shù)據(jù)中心的物理距離不限,可用于任何需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊?數(shù)據(jù)傳輸過程為透明傳輸,DTU不對(duì)數(shù)據(jù)作任何解析和處理.

本文選用上海影通通信技術(shù)有限公司的DTU產(chǎn)品 DTU3201[2].該產(chǎn)品采用西門子公司的MC55無線模塊[3]、GPRS通信方式,以及 32位的單片機(jī),具有穩(wěn)定可靠的性能.全部配件包括DTU模塊、電源適配器、串口線和天線.同時(shí),該DTU的配置方法非常簡單,便于使用.其主要特性如下.

(1)多種可選的工作方式 其工作方式主要有 3種.一是直撥 CSD,端到端電路交換直接傳輸,速率為 9.6 kbps.該方式屬于早期的技術(shù),不常使用,目前上海移動(dòng)已經(jīng)不再支持這種業(yè)務(wù).二是激活在線 GPRS方式,平時(shí)不在線,通過電話激活(也可短信激活).對(duì)于不經(jīng)常抄收數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況,該方式很適合,可以節(jié)省心跳流量所帶來的通信費(fèi)用.三是永遠(yuǎn)在線 GPRS方式.可以大量并發(fā)傳輸,適用于經(jīng)常有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r.

(2)簡便的參數(shù)設(shè)置方法 可使用短信、在線 TCP、本機(jī)串口等任意一種方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置.通常只需要設(shè)置服務(wù)器 IP地址即可,其他不需要配置.SIP=＜數(shù)據(jù)中心 IP地址或域名 ＞回車即可完成.

(3)較強(qiáng)的并行處理能力 支持大量 DTU儀表設(shè)備的并行數(shù)據(jù)抄收,上千個(gè)裝置的數(shù)據(jù)在幾分鐘內(nèi)全部抄收完畢.N臺(tái)的抄收時(shí)間 =1臺(tái)的抄收時(shí)間.

我們選用其 GPRS功能和激活在線工作方式.平時(shí) DTU不在線,需要抄收數(shù)據(jù)時(shí),由數(shù)據(jù)中心軟件通過電話撥號(hào)的方式來激活 DTU使之上線.抄收完成后,通過 CMD_LOGOFF命令使之下線.

2.2 組網(wǎng)方式設(shè)計(jì)

利用 DTU3201進(jìn)行組網(wǎng),需要 DTU模塊、通信服務(wù)器、上位機(jī)數(shù)據(jù)中心軟件 3個(gè)組成部分,如圖 1所示.補(bǔ)償控制器與 DTU通過 RS232串口進(jìn)行連接,DTU通過 GPRS與通信服務(wù)器進(jìn)行 TCP連接,上位機(jī)通過 Internet或 Intranet與通信服務(wù)器連接,從而使 3者連接在一起.

通信服務(wù)器必須安裝在具有固定 IP地址(或者固定域名)的電腦上.

每個(gè) DTU下面掛接一個(gè)或者多個(gè)補(bǔ)償控制器.DTU數(shù)量不限,分布位置不限,全國范圍內(nèi)任何有移動(dòng)信號(hào)的地方均可.所有的 DTU都登陸到通信服務(wù)器,并把自身的信息傳送給服務(wù)器.

數(shù)據(jù)中心軟件可安裝在通信服務(wù)器上,也可以安裝在 Internet或者局域網(wǎng)中的其他電腦上.數(shù)據(jù)中心啟動(dòng)后也登陸到通信服務(wù)器,并從服務(wù)器獲取 DTU信息,然后實(shí)現(xiàn)對(duì)所有 DTU的遠(yuǎn)程管理.數(shù)據(jù)中心軟件應(yīng)該提供圖形化界面,使全部DTU都好像擺放在眼前一樣,可以點(diǎn)擊操作.

圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組網(wǎng)方式

3 數(shù)據(jù)中心軟件設(shè)計(jì)

3.1 功能需求設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能:

(1)進(jìn)行設(shè)備信息管理,實(shí)現(xiàn)對(duì) DTU和控制器的安裝信息管理;

(2)登陸通信服務(wù)器,獲取所有在線 DTU的信息,并顯示 DTU列表;

(3)提供用戶操作界面,對(duì)任一 DTU發(fā)送命令,接收處理任一 DTU回應(yīng)的數(shù)據(jù),并予以解析、顯示;

(4)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)、查詢、打印,以及數(shù)據(jù)分析和曲線繪制;

(5)能夠手工抄收和自動(dòng)定時(shí)抄收;

(6)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的初始化、備份、恢復(fù);

(7)提供圖形化的操作界面.

3.2 DTU 3201數(shù)據(jù)接口解析

DTU3201的通信是建立在 GPRS基礎(chǔ)上的,它采用 TCP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.其數(shù)據(jù)包格式如表 1所示.全部通信過程由表 2中的 6個(gè)命令完成.

表1 DTU 3201的數(shù)據(jù)包格式

表2 DTU 3201的命令

數(shù)據(jù)中心軟件獲取的數(shù)據(jù)包符合表 1的格式,若該數(shù)據(jù)包為 CMD_DATA則為透明傳輸?shù)臄?shù)據(jù),其中的數(shù)據(jù)部分即為控制器數(shù)據(jù),然后按照控制器的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析處理即可.

3.3 無功補(bǔ)償控制器通信協(xié)議

無功補(bǔ)償控制器通常采用 RS232或者 RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,應(yīng)用層協(xié)議由廠家制定.開發(fā)數(shù)據(jù)中心軟件時(shí),必須清楚了解控制器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議.本文以 BWKG-6000高壓無功補(bǔ)償控制器為例,對(duì)其通信協(xié)議進(jìn)行分析.

該控制器采用 MODBUS通信協(xié)議[4],底層為RS485串口,波特率默認(rèn)為 9 600 bps,8位數(shù)據(jù),1位停止位,無校驗(yàn).MODBUS是一種通用的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn),其應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)的結(jié)構(gòu)如圖 2所示.

圖2 MODBUS應(yīng)用數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)

圖2中,地址碼是 RS485總線中的節(jié)點(diǎn)地址,每個(gè)地址碼對(duì)應(yīng)于一個(gè)控制器裝置.通過MODBUS協(xié)議可以讀出和寫入任意裝置中的數(shù)據(jù).通常一種裝置并不實(shí)現(xiàn) MODBUS的全部功能.表 3列出了該控制器支持的功能和相應(yīng)地址空間.

表3 BWKG-6000支持的 M ODBUS命令碼

數(shù)據(jù)中每個(gè) WORD或 BIT的具體含義由廠家自己定義,因此進(jìn)行數(shù)據(jù)解析時(shí),需要參照控制器裝置的通信協(xié)議文檔.限于篇幅,這里不詳細(xì)列出.

3.4 數(shù)據(jù)通信過程

數(shù)據(jù)中心首先通過 CDM_LOGIN登陸通信服務(wù)器,并從通信服務(wù)器上獲取在線 DTU的列表,然后定時(shí)發(fā)送 CMD_KEEP_LIVE命令以保持在線.同時(shí),通過 CDM_OPTIONS_READ,CMD_OPTIONS_WRITE允許用戶對(duì)任意一個(gè) DTU進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)配置.需要下線時(shí)則發(fā)送 CDM_LOGOFF給通信服務(wù)器.

以上命令實(shí)現(xiàn)了對(duì) DTU的管理,并不涉及控制器數(shù)據(jù).只有 CMD_DATA命令可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無功補(bǔ)償控制器數(shù)據(jù)的透明傳輸,因此下面著重分析該命令的處理過程.控制器數(shù)據(jù)傳輸與處理過程如圖 3所示.

圖3 控制器數(shù)據(jù)傳輸與處理

MODBUS數(shù)據(jù)幀包含在 DTU的 CMD_DATA數(shù)據(jù)包中(數(shù)據(jù)部分),取出后對(duì) MODBUS數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn),若校驗(yàn)正確,則根據(jù)控制器對(duì)數(shù)據(jù)的具體定義進(jìn)行解析處理,并作數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)或界面數(shù)據(jù)顯示.

3.5 軟件界面

軟件界面采用圖形化方式,在圖 4所示的主界面左邊顯示在線 DTU的列表,單擊其中任何一個(gè),右邊的數(shù)據(jù)操作界面中就可以遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程寫入數(shù)據(jù),因而該軟件使用起來非常方便.

限于篇幅,具體的程序界面細(xì)節(jié)和程序代碼不再贅述.

圖4 數(shù)據(jù)中心軟件工作界面

3.6 軟件開發(fā)工具

客戶端軟件采用 VC++6.0,采用面向連接的 Socket通信機(jī)制,即 TCP連接方式,以及 SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫,并通過 ADO進(jìn)行訪問.

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于 GPRS的電力線路無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),包括 DTU選型、組網(wǎng)設(shè)計(jì)、協(xié)議分析和后臺(tái)軟件設(shè)計(jì),最終完成了數(shù)據(jù)中心軟件的開發(fā),并投入使用.運(yùn)行結(jié)果證明,基于GPRS進(jìn)行無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程控制是穩(wěn)定的、可行的.后續(xù)研究將在數(shù)據(jù)中心軟件中增加對(duì)其他型號(hào)控制器的支持.

[1]3GPP TS.Gerneral Packet Radio Service(GPRS):service description[S].Stage 2(Release 4),23.060 V4.5.0,2002:1-20.

[2]上海影通通信技術(shù)有限公司.DTU 3201使用說明書[EB/OL].[2010-05-10].http://www.vpath.cn/data/dtu/DTU 3201.

[3]SIEMENS.MC55/56 hardware interface description,version:03.03b[EB/OL].[2006-01-06].http://wenku.baidu.com/view/90e23d1fb7360b4c2e3f641d.html.

[4]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 19582.1-2008.基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范 第 1部分:Modbus應(yīng)用協(xié)議[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008:1-8.