基于GPRS的配电网远程监控终端的设计
2008-03-13
作者：廖传书, 程 鑫
摘 要: 分析了基于GPRS的无线通信技术在配电网监控系统" title="监控系统">监控系统中进行数据传输的优点，介绍了配电网监控系统的体系结构，提出了一种基于ARM7和GR47的配电网监控系统远程监控终端" title="监控终端">监控终端的设计思路，并给出了监控终端硬件和软件的设计方法。
关键词： GPRS 配电网 监控
随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，保证电力设备的安全运行尤为重要。一旦发生停电事故，将给生产和生活带来巨大的影响和损失，因此迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时地在线监测。数据传输将由监控终端测量的反映设备状态的数据送进主站，它是在线监测的关键环节之一。
电力系统有很多设备分布比较分散且处在偏僻之地，如果采用有线通信的方式将是一个沉重负担。目前的配电网监控系统中大多采用GSM通信网、SMS(短消息)等通信平台，由于数据传输方式上的限制，系统还存在许多不足，不能充分满足实际应用的需要。GPRS是一种以分组交换技术为基础，采用IP数据网络协议，高速传输、低速数据及信令的高效数据传输网络。与GSM网络采用电路交换进行数据传输的方式相比具有特别的优势：①突破了GSM网的数据业务最高传输速率为9.6kbps的限制,最高数据速率可达171.12kbps；②GPRS移动台接入速度快，一旦接入一直“在线”。特别是它采用数据流量计费并向用户提供四种可供协商QoS类别的服务，既适合短时的突发大数据量通信，也适合小数据量的长时间通信[1]。
1 监控系统结构设计
监控系统由监控终端、监控中心服务器和GPRS网络组成。其组成结构如图1所示。图中监控终端采集现场数据，完成现场保护和控制；GPRS网络完成监控中心和监控终端之间的透明数据传输；监控中心负责分析现场数据，作出控制指令，完成数据库的维护等工作。
1.1 GPRS监控终端工作原理
监控终端采用GPRS无线模块作为其无线收发装置，用于实现与GPRS网络的连接。当该模块与GPRS网络连接成功之后，通过发送PDP上下文激活，由GGSN为其分配IP地址并与外部网络建立连接。完成连接，即可进行数据传输。监控终端采集现场数据，按照应用层协议组成数据包发送给监控中心；同时也响应监控中心的数据请求和控制指令等，两者之间是透明串行数据传输。
数据传输过程如下：①GPRS模块通过串行接口从MCU获得上传数据；②处理后以GPRS分组数据的形式发送到GSM基站(BTS)；③分组数据经SGSN封装后，发送到GPRS IP骨干网；④若分组数据是发送到另一GPRS终端，则先发送到目的SGSN，再经BSS发送到GPRS终端；若分组数据是发送到外部网络(如Internet),则将分组数据包经GGSN进行协议转换后，再发送到外部网络，送达监控中心。
1.2 GPRS监控终端的硬件结构
如图2所示,监控终端由主控处理器、GPRS通信模块、智能监控仪表、状态显示等模块构成。
主控处理器是监控系统的核心。LPC2106是一个支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S CPU，拥有128KB高速FLASH，64KB的SRAM；一个连接Modem接口信号的串行口，一个两线串口；10MHz的外部时钟下，可在内部通过锁相环倍频到60MHz；特别适合于小型化应用。主控处理器解析来自GRPS网络的指令，管理485总线上的各个智能仪表，监测现场状态。
GPRS模块采用Sony-Ericsson公司的GR47。它带有GSM /GPRS全套语音和数据功能，具有GPRS和SMS两种无线数据传输通道，集成有功能强大的CPU并向用户开放其系统资源，同时模块内嵌有TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP协议栈。用户可以避开复杂的TCP/IP协议栈的设置，只要对GR47进行合理的配置，即可实现LPC2106与监控服务器之间的透明串行数据传输。通过对GPRS连接状态的轮询，保持GPRS始终在线。
SIM卡是获取GPRS网络服务必不可少的部分，用于GPRS远程终端的SIM卡应在使用前开通GPRS服务。
E2PROM用于保存用户数据，如监控中心服务器的IP地址，连接GPRS服务器的时间常数，GPRS连接参数等等。用户只需要配置一次，即使监控终端复位或者断电、LPC2106程序重新烧入，都不会对GPRS连接参数产生影响。LPC2104通过I2C总线访问E2PROM。
模式切换模块采用拨码开关，用于设定终端系统的运行状态。
LPC2106可以通过调试接口同上位机通信，操作人员可以通过该接口实现对LPC2106的设置、程序代码写入和调试，同时也可以通过该接口分析485总线上传输的数据，方便地进行系统调试及对系统运行情况进行监控。
监测仪表采用珠海派诺电子有限公司的PMAC720智能电表。该电表支持MODBUS协议，广泛应用于电力系统、环境监控、低压配电等自动化领域，能够实现电气及电度数据的实际测量、开关量模拟量的输入和输出、谐波分析等功能。LPC2104通过485总线，依照MODBUS协议访问各个电表，读取现场数据，查询各开关量状态。
2 监控终端系统的软件设计
监控终端的软件包括前台的主监控流程和后台的中断流程。前台主程序模块流程如图3所示，监控终端有配置和应用两种工作模式，通过状态切换来设定终端的工作状态。配置模式完成系统运行参数的设置，应用模式则完成对配电网状态的监控、现场数据采集" title="数据采集">数据采集和异常保护等功能。
在没有收到监控中心指令帧的情况下，系统工作在前台主监控流程，一旦接收到监控中心的指令帧，系统切换到后台中断服务程序流程，按照应用层协议，对监控中心的指令帧进行指令解析、指令响应等工作。前台主监控流程不断地刷新数据缓冲区，以得到最实时的数据；在接到监控中心数据请求时，后台服务程序将把数据缓冲区中的数据按照应用层协议封包，发送到监控中心GPRS服务器。
除了固定时间间隔心跳帧和配电网出现异常时的异常数据，监控终端不会主动向监控中心发送数据，监控中心只能通过固定时间间隔的数据请求来获得数据，也可以根据决策支持系统和GIS系统的需要不定时地作出某些数据请求。
2.1 配置模式
该模式下，操作人员可以通过调试接口，对系统的运行参数做出设置。该设置参数将会被写入E2PROM，系统进入应用模式后将从E2PROM中读出参数，并在该参数下运行。参数说明如表1所示。
每个GPRS监控终端都拥有自己惟一的ID号，以此来区分监控中心发送过来的消息是不是本地消息。在每个心跳间隔周期，监控终端都会主动向监控中心GPRS服务器发出心跳帧，表明自己工作正常。监控终端向监控中心服务器发出的任何数据帧" title="数据帧">数据帧，都应该收到服务器应答信号，在设定的应答时间内没有收到应答，该数据帧将被重发，重发超过3次该数据帧将被丢弃。
2.2 应用模式
该模式下，系统读取E2PROM中的系统参数，进入正常运行状态。如果参数设置有误或者参数未设置，将出现错误提示。系统会循环检测GPRS的连接状态，在最短的时间内发现GPRS掉线并进行重新连接，以保持GPRS通信的正常进行。
2.2.1 现场状态监控
现场状态监控的主要功能是监控配电网电流、电压是否在正常范围。一旦出现异常现象，监控终端将进行相应异常动作，并生成遥信数据以指示监控中心故障类型，记录故障时间及相关数据并主动将该数据发送给监控中心GPRS服务器。
2.2.2 GPRS连接
GPRS连接的流程如图4所示。LPC2106通过URAT1向GR47写入AT命令，使其连接远端的监控中心。GR47内嵌有一个TCP/IP的协议栈，用其建立一个TCP或UDP连接。以下给出GR47执行AT命令的示例[2]：
①AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”。该命令建立PDP上下文，其中1表示所建立的PDP上下文的编号，“IP”说明所用的协议，“CMNET”是中国移动的APN。
②AT*E21PA=1,1。该命令激活IP会话，第一个“1”表示激活IP；第二个“1”是上边所建立的PDP上下文的编号。
③AI*E2IPI=0。该命令用于查看GR47所获得的IP地址，如果命令执行成功则返回IP地址。
④AT*E2IP0=I,“202.114.85.22”,37215，该命令用于发起一个TCP连接，若第一个参数是“0”则表示发起UDP连接，后两个参数分别是要连接的IP地址和端口号。
当发起一个TCP或UDP连接后，GR47就进入了数据模式，此时GR47将接收到的任何数据都原封不动的发送出去，并且处于数据模式时GR47不识别任何AT命令。若需要执行AT命令则应将DTR信号线置低电平使GR47进入在线命令模式[2-3]。
2.2.3 现场数据采集
采用PMAC720智能电表能够很简单地实现电气数据的采集。PMAC720智能电表支持MODBUS总线，LPC2106依照MODBUS总线规范向PMAC720做出数据请求，该请求的数据帧被发送到485总线上，便可以得到配电网上的各类数据。485总线上拥有多个电表节点，通过ID号来区分各电表。每个电表只接受本地数据。
为了提高监控系统的实时性，笔者在LPC2106的RAM中开辟了足够大的缓冲区，把现场数据不断地刷新到缓冲区。在此设计下，监控终端一旦接收到监控中心服务器的数据请求，立刻就把缓冲区中的当前数据发送出去，有效地提高了监控终端的响应速度，而且数据最迟也是前1～2秒的现场数据，对于配电网监控系统而言，是完全可以满足其需求的。
本文讨论了配电网远程无线终端的设计和应用。监控终端系统以GPRS作为承载网络,利用GPRS 网络覆盖范围广、可靠性高、费用低廉等优势完成数据采集、现场状态监控等功能，提高了配电网络的自动化程度，经过实际使用证明，具有良好的应用前景和实际意义。
参考文献
[1]王松宏，李德华.基于GPRS的车辆监控系统车载移动终端的设计[J]，计算机应用研究.2005，25(6).
[2]Sony-Ericsson Mobile Communications GR47/GR48 AT Commands Manual.2003.
[3]Sony-Ericsson Mobile Communications GR47/GR48 Design Guidelines.2003.