基于GPRS縱向通信管控的電量采集終端調(diào)試分析

孫國慶，高習(xí)斌，滿林坤，祁 寧，薛曉明

(1.國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015)

近年來，中小型發(fā)電企業(yè)技術(shù)水平不斷提升，發(fā)電量日益增大。發(fā)電企業(yè)上網(wǎng)電量的精確采集與管理，直接關(guān)系到供電公司的服務(wù)范圍和電力商業(yè)化運(yùn)營效率。因此，提高對發(fā)電廠調(diào)度運(yùn)行的管控能力是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化運(yùn)維的基礎(chǔ)，也是完成“三集五大”體系下集約化市場經(jīng)營管理的必要前提。

為了進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電廠站輸出電能數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)采集、處理及統(tǒng)計(jì)分析等功能，為供電企業(yè)提供科學(xué)的商業(yè)化、精益化、智能化輔助決策依據(jù)，安裝調(diào)試電量采集終端[1]是部署、優(yōu)化電能計(jì)量方式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是電力系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)維的重點(diǎn)工作。

1 電量采集終端概述

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)人工抄表模式已不能滿足調(diào)控一體化對電能數(shù)據(jù)及時(shí)性、準(zhǔn)確性的需求。電能計(jì)量系統(tǒng)(Tele-Meter Reading System，TMRS)作為電能傳輸計(jì)量與電費(fèi)整定核算的智能化平臺(tái)，能夠有效解決該問題。在TMRS體系中，電量采集終端是配置于廠站端的一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、中轉(zhuǎn)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)端傳送的自動(dòng)化裝置，其下行采集電能表動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，上行將采集信息發(fā)送至主站SCADA，是電能計(jì)量的重要通信樞紐[2]。

目前國內(nèi)電量采集終端的生產(chǎn)廠商主要有易迅、東方電子、華瑞杰、中科院計(jì)算科學(xué)研究所等公司[3]，遼寧本溪地區(qū)小型水電站以易迅公司設(shè)備為主，為同期線損[4]、母線平衡率[5]的管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，保障發(fā)電機(jī)組及電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電能計(jì)量模型

電能計(jì)量模型的硬件部分包括各類電力設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)及計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，軟件部分包括電能計(jì)量MIS、通信規(guī)約等。

2.1 GPRS縱向通信管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電能計(jì)量系統(tǒng)通信模式由電量主站安全Ⅱ、Ⅲ區(qū)及廠站端3部分組成。

主站安全Ⅱ、Ⅲ區(qū)設(shè)有電量主站SCADA及MIS，由采集服務(wù)器、人機(jī)工作站、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、安全防護(hù)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)輔助硬件組成。廠站端由多功能電能表、計(jì)量裝置、電量采集終端及計(jì)量二次回路構(gòu)成，用于完成發(fā)電信息統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及上送主站等功能，電能表與終端采用RS485總線拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，基于GPRS縱向通信管控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPRS縱向通信管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主、廠站通過特定專線、無線或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)端對端的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)設(shè)有正反向隔離、安全防護(hù)加密認(rèn)證裝置對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，確保電能數(shù)據(jù)的安全、可靠傳輸。

2.2 通信規(guī)約

建立物理通道鏈接的數(shù)據(jù)通信規(guī)約分別是IEC60870-5-102和DL/T645規(guī)約[6]。

2.2.1 IEC60870-5-102規(guī)約

IEC60870-5-102是一種問答式規(guī)約[6]，通常應(yīng)用于電量主站及電量采集終端間的非實(shí)時(shí)通信，其基于增強(qiáng)性能體系結(jié)構(gòu)[7](EPA)的3層參考模型，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，并采用ITU-T建議，能使數(shù)據(jù)保持較高的完整性，數(shù)據(jù)交互流程如圖2所示。

圖2 IEC60870-5-102規(guī)約的數(shù)據(jù)交互問答流程

2.2.2 DL/T645規(guī)約

DL/T645規(guī)約[6]是實(shí)現(xiàn)多功能電能表與采集終端間下行通信數(shù)據(jù)交互的協(xié)議規(guī)范，其采用半雙工通信模式，規(guī)范了來自不同生產(chǎn)廠家電能表的通信接口。并通過設(shè)置廠站端電能表的各個(gè)地址編碼，控制終端采入的數(shù)據(jù)信息，使終端采集取代人工抄表，一定程度上提高了電能計(jì)量效率，同時(shí)提升了供/用電管理水平。本文所研究終端采集內(nèi)容涉及到的規(guī)約字信息類型如表1所示。

表1 DL/T645規(guī)約字信息類型

其中，狀態(tài)字記錄電表運(yùn)行及故障狀態(tài)信息，特征字表示發(fā)電機(jī)組輸出的有功、無功電能變化情況，模式字為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電能及負(fù)荷狀態(tài)，信息字主要保存通信故障記錄。

3 主、廠站端調(diào)試分析

3.1 主站配置

主站主要配置電廠信息、TV/TA變比、上網(wǎng)線路、發(fā)電機(jī)銘牌等參數(shù)信息，通過業(yè)務(wù)間的GPRS通信專網(wǎng)接收來自廠站的電量采集終端發(fā)送的電能數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握電廠的發(fā)電情況，并對相應(yīng)的采集工況參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.2 廠站端電量采集終端調(diào)試流程

廠站端電量采集終端調(diào)試過程分為上行通信和下行通信兩部分，上行通信的建立能夠保證終端采集的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確發(fā)送至電量主站系統(tǒng)，下行通信則是建立現(xiàn)場多功能電能表與采集終端間的通信鏈路，使終端能夠及時(shí)、準(zhǔn)確采集到各時(shí)刻的電量信息，便于運(yùn)維人員掌握電站的實(shí)時(shí)發(fā)電情況。

3.2.1 上行通信

上行通信主要構(gòu)建采集終端與主站系統(tǒng)間的通信鏈路，當(dāng)終端采集到電能數(shù)據(jù)后，通過GPRS發(fā)射天線傳送至移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由專用數(shù)據(jù)通道傳輸?shù)街髡径耍蒘CADA服務(wù)器采集并處理接收到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至電量主站系統(tǒng)。

建立上行通信鏈路時(shí)，技術(shù)關(guān)鍵是要準(zhǔn)確配置終端及主站的相關(guān)通信參數(shù)，檢查終端IP、網(wǎng)關(guān)及子網(wǎng)掩碼是否正確配置，綁定各終端IP及其對應(yīng)的主機(jī)MAC地址，避免通信鏈路被其他終端所占用，提高通信信道的利用率。

3.2.2 下行通信

發(fā)電站一次設(shè)備輸出的電能量由多功能電能表采集、存儲(chǔ)，記錄內(nèi)容包括有功電能、無功電能、發(fā)電總量等。多功能電能表樣式較多，生產(chǎn)廠商主要有威勝、林英[2]等，電能表通常置于發(fā)電機(jī)及一次設(shè)備側(cè)，遇到如雷雨等惡劣天氣時(shí)，運(yùn)維人員抄表時(shí)具有一定危險(xiǎn)性。

為了實(shí)現(xiàn)采集終端與電能表的信息同步，保證電能數(shù)據(jù)無損傳輸，廠站端采用RS485雙絞電纜作為通信總線，采集電能表輸出的正、負(fù)兩路電量信號(hào)，并分別傳入終端的接收端口，其直流控制電壓保持在-4 V～+4 V間。由于通信速率與通信距離或線纜阻抗呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此為了保證信號(hào)傳輸質(zhì)量，在連接終端與表計(jì)時(shí)要盡量縮短線纜長度。

下行通信的設(shè)備安裝調(diào)試流程如下。

a. 參數(shù)配置。收集并整理電能表、發(fā)電機(jī)組、變壓器、上網(wǎng)線路等參數(shù)信息。

b. 設(shè)備接線。檢查端口，連接設(shè)備、電能表節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)線、電源線、傳輸天線。

c. 通道檢驗(yàn)。由RJ45網(wǎng)線連接調(diào)試PC與采集終端，命令提示符下ping終端IP，檢查網(wǎng)絡(luò)通道是否連通，確保PC已進(jìn)入終端調(diào)試狀態(tài)；然后在采集調(diào)試命令窗口下ping主站IP，當(dāng)響應(yīng)時(shí)間小于1 000 ms時(shí)，判定終端到主站的通信鏈路達(dá)到傳輸速率要求。

d. 數(shù)據(jù)采集。將電站信息、上網(wǎng)線路、電能表等模型參數(shù)經(jīng)PC錄入采集終端，采集規(guī)約無特殊規(guī)定時(shí)選擇DL/T645或64507，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，等待PC現(xiàn)場采集到電能表數(shù)據(jù)。

e. 上送主站。由于電量數(shù)據(jù)是非實(shí)時(shí)的，現(xiàn)場PC采集到電能表數(shù)據(jù)后，主站會(huì)經(jīng)過一段固定時(shí)間間隔(約為15 min)后接收到采集終端上送的電量數(shù)據(jù)，調(diào)試完畢。

3.3 數(shù)據(jù)采集與故障維護(hù)

為了便于調(diào)試下行通信采集過程，可在PC調(diào)試系統(tǒng)中將現(xiàn)場電量采集時(shí)間間隔設(shè)置為1 min，如規(guī)約及表地址等參數(shù)配置正確，則等待1 min左右即可在采樣系統(tǒng)中成功采集到多功能電能表的有功、無功電能數(shù)據(jù)。下行通信調(diào)試完畢后，將PC調(diào)試系統(tǒng)的采集時(shí)間間隔調(diào)整為5 min，方便電量主站形成數(shù)據(jù)報(bào)表，進(jìn)一步等待主站端采集到電量數(shù)據(jù)即可完成電能量采集與上送的全過程。由于電能量數(shù)據(jù)為非實(shí)時(shí)參數(shù)，第1次調(diào)試成功后，廠站端從采集到發(fā)送并處理，然后主站端接收到電量數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲約為10 min，此過程并不影響變電站電量信息的監(jiān)視與報(bào)送。

由于發(fā)電站運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，在電量采集終端安裝及調(diào)試完成后，可能出現(xiàn)的幾類故障及解決對策如下。

a. 設(shè)備停機(jī)，處于離線模式。由于設(shè)備長期處于待機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的狀態(tài)，現(xiàn)場停電或電源接觸不良等情況時(shí)有發(fā)生。若設(shè)備離線，可以在廠站端重啟設(shè)備電源，初始化后設(shè)置運(yùn)行模式，同時(shí)主站對處于離線模式的設(shè)備進(jìn)行軟件重置，重新投運(yùn)即可。

b. 上行通信故障，無法連接主站或發(fā)送數(shù)據(jù)。上行通信故障原因可能為信號(hào)發(fā)送模塊電路板接觸不良，此時(shí)應(yīng)擰緊信號(hào)發(fā)射天線接口或打開機(jī)箱加固信號(hào)發(fā)射模塊，另一種故障情況可能是SIM卡欠費(fèi)導(dǎo)致，及時(shí)查詢、補(bǔ)充SIM卡余額即可。

c. 下行通信故障，終端無法采集電量數(shù)據(jù)。下行通信故障原因可能為電能表或數(shù)據(jù)傳送通道故障。電能表故障時(shí)應(yīng)及時(shí)聯(lián)系廠家進(jìn)行更換，避免無法準(zhǔn)備采集發(fā)電情況，造成電站經(jīng)濟(jì)損失。數(shù)據(jù)傳送通道故障一般為RS485通信線纜或接口接觸不良，應(yīng)檢測線纜、通信接口、插頭是否存在斷裂現(xiàn)象，找出故障點(diǎn)并及時(shí)更換即可。

4 結(jié)束語

廠站端電量采集終端的安裝與調(diào)試是電力系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)維人員必備的技能，只有掌握電能計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型及相關(guān)通信規(guī)約，才能提高對廠站端設(shè)備的維護(hù)能力，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、處理設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的各類故障和異常。本文詳細(xì)闡述電能計(jì)量系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)模型，歸納通信鏈路運(yùn)維及管控的IEC60870-5-102、DL/T645規(guī)約，詳細(xì)提出主廠站電量設(shè)備與系統(tǒng)的配置步驟和技術(shù)方案，對電量終端設(shè)備的現(xiàn)場安裝、運(yùn)維工作具有一定參考意義，同時(shí)為分析終端的通信管控故障、遠(yuǎn)端設(shè)備維護(hù)提供理論支持。