摘 要: 分析了基于GPRS的無線通信技術在配電網監控系統" title="監控系統">監控系統中進行數據傳輸的優點，介紹了配電網監控系統的體系結構，提出了一種基于ARM7和GR47的配電網監控系統遠程監控終端" title="監控終端">監控終端的設計思路，并給出了監控終端硬件和軟件的設計方法。
關鍵詞： GPRS 配電網? 監控
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隨著電力系統朝著高電壓、大容量的方向發展，保證電力設備的安全運行尤為重要。一旦發生停電事故，將給生產和生活帶來巨大的影響和損失，因此迫切需要對電力設備運行狀態進行實時或定時地在線監測。數據傳輸將由監控終端測量的反映設備狀態的數據送進主站，它是在線監測的關鍵環節之一。
電力系統有很多設備分布比較分散且處在偏僻之地，如果采用有線通信的方式將是一個沉重負擔。目前的配電網監控系統中大多采用GSM通信網、SMS(短消息)等通信平臺，由于數據傳輸方式上的限制，系統還存在許多不足，不能充分滿足實際應用的需要。GPRS是一種以分組交換技術為基礎，采用IP數據網絡協議，高速傳輸、低速數據及信令的高效數據傳輸網絡。與GSM網絡采用電路交換進行數據傳輸的方式相比具有特別的優勢：①突破了GSM網的數據業務最高傳輸速率為9.6kbps的限制,最高數據速率可達171.12kbps；②GPRS移動臺接入速度快，一旦接入一直“在線”。特別是它采用數據流量計費并向用戶提供四種可供協商QoS類別的服務，既適合短時的突發大數據量通信，也適合小數據量的長時間通信[1]。
1 監控系統結構設計
監控系統由監控終端、監控中心服務器和GPRS網絡組成。其組成結構如圖1所示。圖中監控終端采集現場數據，完成現場保護和控制；GPRS網絡完成監控中心和監控終端之間的透明數據傳輸；監控中心負責分析現場數據，作出控制指令，完成數據庫的維護等工作。
1.1 GPRS監控終端工作原理
監控終端采用GPRS無線模塊作為其無線收發裝置，用于實現與GPRS網絡的連接。當該模塊與GPRS網絡連接成功之后，通過發送PDP上下文激活，由GGSN為其分配IP地址并與外部網絡建立連接。完成連接，即可進行數據傳輸。監控終端采集現場數據，按照應用層協議組成數據包發送給監控中心；同時也響應監控中心的數據請求和控制指令等，兩者之間是透明串行數據傳輸。
數據傳輸過程如下：①GPRS模塊通過串行接口從MCU獲得上傳數據；②處理后以GPRS分組數據的形式發送到GSM基站(BTS)；③分組數據經SGSN封裝后，發送到GPRS IP骨干網；④若分組數據是發送到另一GPRS終端，則先發送到目的SGSN，再經BSS發送到GPRS終端；若分組數據是發送到外部網絡(如Internet),則將分組數據包經GGSN進行協議轉換后，再發送到外部網絡，送達監控中心。
1.2 GPRS監控終端的硬件結構
如圖2所示,監控終端由主控處理器、GPRS通信模塊、智能監控儀表、狀態顯示等模塊構成。
主控處理器是監控系統的核心。LPC2106是一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S CPU，擁有128KB高速FLASH，64KB的SRAM；一個連接Modem接口信號的串行口，一個兩線串口；10MHz的外部時鐘下，可在內部通過鎖相環倍頻到60MHz；特別適合于小型化應用。主控處理器解析來自GRPS網絡的指令，管理485總線上的各個智能儀表，監測現場狀態。
GPRS模塊采用Sony-Ericsson公司的GR47。它帶有GSM /GPRS全套語音和數據功能，具有GPRS和SMS兩種無線數據傳輸通道，集成有功能強大的CPU并向用戶開放其系統資源，同時模塊內嵌有TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協議棧。用戶可以避開復雜的TCP/IP協議棧的設置，只要對GR47進行合理的配置，即可實現LPC2106與監控服務器之間的透明串行數據傳輸。通過對GPRS連接狀態的輪詢，保持GPRS始終在線。
SIM卡是獲取GPRS網絡服務必不可少的部分，用于GPRS遠程終端的SIM卡應在使用前開通GPRS服務。
E2PROM用于保存用戶數據，如監控中心服務器的IP地址，連接GPRS服務器的時間常數，GPRS連接參數等等。用戶只需要配置一次，即使監控終端復位或者斷電、LPC2106程序重新燒入，都不會對GPRS連接參數產生影響。LPC2104通過I2C總線訪問E2PROM。
模式切換模塊采用撥碼開關，用于設定終端系統的運行狀態。
LPC2106可以通過調試接口同上位機通信，操作人員可以通過該接口實現對LPC2106的設置、程序代碼寫入和調試，同時也可以通過該接口分析485總線上傳輸的數據，方便地進行系統調試及對系統運行情況進行監控。
監測儀表采用珠海派諾電子有限公司的PMAC720智能電表。該電表支持MODBUS協議，廣泛應用于電力系統、環境監控、低壓配電等自動化領域，能夠實現電氣及電度數據的實際測量、開關量模擬量的輸入和輸出、諧波分析等功能。LPC2104通過485總線，依照MODBUS協議訪問各個電表，讀取現場數據，查詢各開關量狀態。
2 監控終端系統的軟件設計
監控終端的軟件包括前臺的主監控流程和后臺的中斷流程。前臺主程序模塊流程如圖3所示，監控終端有配置和應用兩種工作模式，通過狀態切換來設定終端的工作狀態。配置模式完成系統運行參數的設置，應用模式則完成對配電網狀態的監控、現場數據采集" title="數據采集">數據采集和異常保護等功能。
在沒有收到監控中心指令幀的情況下，系統工作在前臺主監控流程，一旦接收到監控中心的指令幀，系統切換到后臺中斷服務程序流程，按照應用層協議，對監控中心的指令幀進行指令解析、指令響應等工作。前臺主監控流程不斷地刷新數據緩沖區，以得到最實時的數據；在接到監控中心數據請求時，后臺服務程序將把數據緩沖區中的數據按照應用層協議封包，發送到監控中心GPRS服務器。
除了固定時間間隔心跳幀和配電網出現異常時的異常數據，監控終端不會主動向監控中心發送數據，監控中心只能通過固定時間間隔的數據請求來獲得數據，也可以根據決策支持系統和GIS系統的需要不定時地作出某些數據請求。
2.1 配置模式
該模式下，操作人員可以通過調試接口，對系統的運行參數做出設置。該設置參數將會被寫入E2PROM，系統進入應用模式后將從E2PROM中讀出參數，并在該參數下運行。參數說明如表1所示。
每個GPRS監控終端都擁有自己惟一的ID號，以此來區分監控中心發送過來的消息是不是本地消息。在每個心跳間隔周期，監控終端都會主動向監控中心GPRS服務器發出心跳幀，表明自己工作正常。監控終端向監控中心服務器發出的任何數據幀" title="數據幀">數據幀，都應該收到服務器應答信號，在設定的應答時間內沒有收到應答，該數據幀將被重發，重發超過3次該數據幀將被丟棄。
2.2 應用模式
該模式下，系統讀取E2PROM中的系統參數，進入正常運行狀態。如果參數設置有誤或者參數未設置，將出現錯誤提示。系統會循環檢測GPRS的連接狀態，在最短的時間內發現GPRS掉線并進行重新連接，以保持GPRS通信的正常進行。
2.2.1 現場狀態監控
現場狀態監控的主要功能是監控配電網電流、電壓是否在正常范圍。一旦出現異常現象，監控終端將進行相應異常動作，并生成遙信數據以指示監控中心故障類型，記錄故障時間及相關數據并主動將該數據發送給監控中心GPRS服務器。
2.2.2 GPRS連接
GPRS連接的流程如圖4所示。LPC2106通過URAT1向GR47寫入AT命令，使其連接遠端的監控中心。GR47內嵌有一個TCP/IP的協議棧，用其建立一個TCP或UDP連接。以下給出GR47執行AT命令的示例[2]：
①AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”。該命令建立PDP上下文，其中1表示所建立的PDP上下文的編號，“IP”說明所用的協議，“CMNET”是中國移動的APN。
②AT*E21PA=1,1。該命令激活IP會話，第一個“1”表示激活IP；第二個“1”是上邊所建立的PDP上下文的編號。
③AI*E2IPI=0。該命令用于查看GR47所獲得的IP地址，如果命令執行成功則返回IP地址。
④AT*E2IP0=I,“202.114.85.22”,37215，該命令用于發起一個TCP連接，若第一個參數是“0”則表示發起UDP連接，后兩個參數分別是要連接的IP地址和端口號。
當發起一個TCP或UDP連接后，GR47就進入了數據模式，此時GR47將接收到的任何數據都原封不動的發送出去，并且處于數據模式時GR47不識別任何AT命令。若需要執行AT命令則應將DTR信號線置低電平使GR47進入在線命令模式[2-3]。
2.2.3 現場數據采集
采用PMAC720智能電表能夠很簡單地實現電氣數據的采集。PMAC720智能電表支持MODBUS總線，LPC2106依照MODBUS總線規范向PMAC720做出數據請求，該請求的數據幀被發送到485總線上，便可以得到配電網上的各類數據。485總線上擁有多個電表節點，通過ID號來區分各電表。每個電表只接受本地數據。
為了提高監控系統的實時性，筆者在LPC2106的RAM中開辟了足夠大的緩沖區，把現場數據不斷地刷新到緩沖區。在此設計下，監控終端一旦接收到監控中心服務器的數據請求，立刻就把緩沖區中的當前數據發送出去，有效地提高了監控終端的響應速度，而且數據最遲也是前1～2秒的現場數據，對于配電網監控系統而言，是完全可以滿足其需求的。
本文討論了配電網遠程無線終端的設計和應用。監控終端系統以GPRS作為承載網絡,利用GPRS 網絡覆蓋范圍廣、可靠性高、費用低廉等優勢完成數據采集、現場狀態監控等功能，提高了配電網絡的自動化程度，經過實際使用證明，具有良好的應用前景和實際意義。
參考文獻
[1]王松宏，李德華.基于GPRS的車輛監控系統車載移動終端的設計[J]，計算機應用研究.2005，25(6).
[2]Sony-Ericsson Mobile Communications GR47/GR48 AT Commands Manual.2003.
[3]Sony-Ericsson Mobile Communications GR47/GR48 Design Guidelines.2003.