基于物聯(lián)網(wǎng)GPRS通信的電能采控終端重啟裝置分析及應(yīng)用

劉海平，張玉霞，王洪一，謝 軍，李 昕

（巴彥淖爾電業(yè)局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

0 引言

電能采控終端作為智能電網(wǎng)的單元級(jí)設(shè)備，起著承上啟下的關(guān)鍵作用，主要可以實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的采集，電力負(fù)荷的實(shí)時(shí)控制，電能表費(fèi)控金額的實(shí)時(shí)充值，電量、電壓、電流等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)上傳，變電站關(guān)口表數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、上傳等功能[1]。但由于電能采控終端通信過(guò)程中會(huì)偶發(fā)通信斷點(diǎn)，使得終端無(wú)法登錄主站而處于離線狀態(tài)，系統(tǒng)主站面對(duì)“失聯(lián)”終端，無(wú)法下達(dá)操控指令，影響了一系列功能的正常使用[2-3]。

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)GPRS通信的電能采集終端重啟裝置，該裝置能夠在電能采控終端因通信斷點(diǎn)而無(wú)法實(shí)時(shí)登錄主站時(shí)，通過(guò)對(duì)終端的通斷電操作，使終端完成重啟，達(dá)到重新登錄系統(tǒng)主站，清除通信故障的目的。

1 電力營(yíng)銷智能采控系統(tǒng)構(gòu)成

電力營(yíng)銷智能采控系統(tǒng)主要由4部分組成，按照從下至上的層級(jí)，分別為智能電能表、電能采控終端、電能量信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)（采控主站）及電力營(yíng)銷信息系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成示意圖見圖1。電能表為直接反映電力客戶用電情況的電氣設(shè)備中的最基層級(jí)。電能采控終端向下采集電能表的用電信息及下發(fā)控制指令，向上為信息系統(tǒng)上傳用電數(shù)據(jù)，為中間層級(jí)。電能量信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)作為電能采控終端的上位機(jī)軟件，實(shí)時(shí)下發(fā)存儲(chǔ)、監(jiān)控來(lái)自電能采控終端的各類數(shù)據(jù)信息，為電力營(yíng)銷智能系統(tǒng)的次高層級(jí)。電力營(yíng)銷信息系統(tǒng)作為管理各類營(yíng)銷信息的中樞大腦，完成各類信息的儲(chǔ)存、對(duì)電能量信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)的管理以及對(duì)工作流的處理等工作，為電力營(yíng)銷智能系統(tǒng)的最高層級(jí)[4-6]。

圖1 電力營(yíng)銷智能采控系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 電能采控終端構(gòu)成及其無(wú)法登錄的影響

電能采控終端結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[7]，終端內(nèi)的工作電源模塊直接控制CPU處理單元的電源接口以及上行通道，通過(guò)工作電源模塊的通斷電，實(shí)現(xiàn)電能采控終端的通斷電，通過(guò)GPRS通信模塊，重新登錄主站，完成與主站的連接。

圖2 電能量采控終端組成示意圖

電能采控終端作為系統(tǒng)的中間層級(jí)，起到承上啟下的作用，當(dāng)電能采控終端因通信斷點(diǎn)而無(wú)法登錄采控主站時(shí)，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)傳輸鏈的中斷，造成以下方面影響。

（1）造成用戶遠(yuǎn)程充值失敗，產(chǎn)生服務(wù)投訴隱患，并浪費(fèi)人力運(yùn)維資本，降低營(yíng)商服務(wù)環(huán)境口碑。

（2）導(dǎo)致終端無(wú)法對(duì)用戶進(jìn)行負(fù)荷控制，無(wú)法對(duì)部分欠費(fèi)工業(yè)用戶施行遠(yuǎn)程跳閘催費(fèi)，影響電費(fèi)回收率。

（3）造成電能采控終端無(wú)法將采集的用電數(shù)據(jù)上傳至采控主站，影響采控主站對(duì)用戶用電情況的監(jiān)控分析以及線損的計(jì)算等。

基于此，提出在電能采控終端控制電源安裝電能采控終端重啟裝置，使終端因通信斷點(diǎn)無(wú)法登錄主站時(shí)，重新進(jìn)行登錄操作，從而連接至采控系統(tǒng)主站，完成通信鏈的建立[7]。

3 電能采控終端重啟裝置控制過(guò)程

3.1 接線連接

以三相三線制經(jīng)電流電壓互感器接入的電能采控終端接線原理為例，將電能終端重啟裝置的電源控制回路接入電能采控終端的電源回路中[8-10]，其接線連接圖如圖3所示。

圖3 電能采控終端重啟裝置與電能采控終端接線連接圖

3.2 控制過(guò)程

3.2.1 電能采控終端自檢功能

當(dāng)電能采控終端由于通信故障而處于離線狀態(tài)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)自檢功能進(jìn)入中斷程序，嘗試重新?lián)芴?hào)登錄采控主站，時(shí)間間隔為5 min，次數(shù)為3次。如果3次之后依然無(wú)法與主站連接而處于掉線狀態(tài)，采控主站會(huì)顯示其處于掉線狀態(tài)，并予以報(bào)警顯示。

3.2.2 重啟裝置重啟過(guò)程

由于電能采控終端處于掉線狀態(tài)，自檢撥號(hào)無(wú)法登錄主站，報(bào)警后需要重新啟裝置進(jìn)行重啟控制。利用手機(jī)APP軟件，通過(guò)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)GPRS網(wǎng)絡(luò)，將控制指令報(bào)文發(fā)送至電能采控終端重啟裝置的通信單元，進(jìn)而控制重啟裝置的繼電器開關(guān)，繼電器開關(guān)由閉合狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，延時(shí)15 s后重新閉合，而電能采控終端的控制電源取自重啟裝置的電壓輸出回路，從而完成電能采控終端的通斷電過(guò)程。在電能采控終端重新上電后，會(huì)跳出電能采控終端的中斷程序，從源程序開始重新運(yùn)行，完成登錄采控主站的通信過(guò)程，清除由于通信斷點(diǎn)造成的無(wú)法登錄主站故障，重新與采控主站建立連接[11-13]。電能采控終端重啟裝置控制程序流程如圖4所示。

圖4 電能采控終端重啟裝置控制程序流程圖

3.2.3 重啟裝置信息安全認(rèn)證

電能采控終端重啟裝置采用的是GPRS通信方式，由于開放性較強(qiáng)，存在信息安全隱患。對(duì)此在電能采控終端重啟裝置中安裝ESAM（Embedded Secure Access Module）模塊，確保通信信息的安全性。所有上位機(jī)下發(fā)傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)報(bào)文，必須通過(guò)電能采控終端重啟裝置的ESAM模塊認(rèn)證方能完成，安全級(jí)別高，抗攻擊能力強(qiáng)。ESAM模塊為雙列直插封裝的CPU芯片，植入電能重啟裝置通信單元，完成數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)及報(bào)文的加解密，從而完成信息的識(shí)別與身份認(rèn)證[14-16]。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)GPRS通信的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)GSM通信的SIM卡在GPRS通信上存在不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。電能采控終端重啟裝置以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)SIM卡是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)使用的SIM卡，為專用網(wǎng)絡(luò)通道，具有傳輸速度快、可靠性強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大、讀寫頻次多、應(yīng)用移植性強(qiáng)的特點(diǎn)[17]。將物聯(lián)網(wǎng)SIM卡通信移植到電能采控終端重啟裝置的通信單元GPRS模塊中，通過(guò)手機(jī)軟件下發(fā)的指令，便能穩(wěn)定而迅速地完成對(duì)重啟裝置的操控，從而控制繼電器開關(guān)的通斷，具有極強(qiáng)的自主選擇性[18]。

同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)GPRS通信與普通GPRS通信相比，穩(wěn)定性和響應(yīng)速度都存在較大差距。手機(jī)APP下發(fā)至重啟裝置的控制報(bào)文，需排隊(duì)登錄移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商分配的SIM卡APN（接入點(diǎn)名稱）及端口號(hào)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN才可完成數(shù)據(jù)傳輸；而物聯(lián)網(wǎng)GPRS通信有專門分配的數(shù)據(jù)傳輸通道，屬于“VIP”通道。同時(shí)，普通SIM卡通道存在大量的公用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的傳輸速度及通信的穩(wěn)定性[19-21]。而采用物聯(lián)網(wǎng)GPRS的重啟裝置，可極大地提高通信的穩(wěn)定性，兩種傳輸過(guò)程對(duì)比如圖5所示。

圖5 重啟裝置物聯(lián)網(wǎng)GPRS與普通GPRS通信傳輸過(guò)程對(duì)比圖

5 應(yīng)用效果

基于物聯(lián)網(wǎng)GPRS通信的電能采控終端重啟裝置應(yīng)用后，電能采控終端的通信穩(wěn)定性得到進(jìn)一步加強(qiáng)，終端掉線時(shí)長(zhǎng)明顯下降。針對(duì)重點(diǎn)大工業(yè)用戶以及變電站采集關(guān)口表數(shù)據(jù)的電能采控終端等重點(diǎn)用戶，共安裝了75臺(tái)電能采控終端重啟裝置，同比統(tǒng)計(jì)安裝前后其掉線時(shí)長(zhǎng)，由安裝裝置前每周200 min減少至25 min，效果顯著。同時(shí)，節(jié)省了大量的人力、車力等運(yùn)維成本，共計(jì)減少出車次數(shù)300余次，共節(jié)約相關(guān)運(yùn)維人員消費(fèi)費(fèi)用（燃油、食宿等）15萬(wàn)余元。

目前，巴彥淖爾電業(yè)局共運(yùn)行各類電能采控終端27 245臺(tái)，加裝電能采控終端重啟裝置后，經(jīng)濟(jì)效果明顯。該裝置在巴彥淖爾電業(yè)局全局采控終端進(jìn)行了試點(diǎn)推廣。

6 結(jié)語(yǔ)

電能采控終端重啟裝置的應(yīng)用，有效減少了終端掉線時(shí)間。引入了用物聯(lián)網(wǎng)GPRS通信方式，提升了智能電網(wǎng)建設(shè)的科技水平。