1 問題的提出
隨著城市電網(wǎng)的快速發(fā)展，自然而然的面臨兩個方面的問題，其一：配電網(wǎng)的自動化水平，涉及到故障的檢測、故障的隔離、轉移供電等。其二：用電的管理水平，涉及到用電量的計費等。這兩個方面都涉及到通訊問題，通信經(jīng)常成為這類系統(tǒng)的瓶頸，總是存在著可靠性與經(jīng)濟性兩者不可調和的矛盾。隨著GSM和GPRS的發(fā)展，使得配電網(wǎng)的通訊問題有了新的契機，本文提出利用移動互聯(lián)網(wǎng)來進行實時數(shù)據(jù)傳輸，并介紹GPRS的通信技術以及基于GPRS技術的智能配電通訊設備和它們在故障定位、配變監(jiān)測及抄表系統(tǒng)上的應用。
2 GPRS技術簡介
2.1 GPRS的定義
GPRS的英文全稱為General Packet Radio Service，中文含義為通用分組無線服務，它是利用'包交換'（Packet－Switched）的概念所發(fā)展出的一套無線傳輸方式。所謂的包交換就是將Date封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式，因為象Internet這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時間頻寬是閑置的。此外，在GSM phase 2+的標準里，GPRS可以提供4種不同的編碼方式，這些編碼方式也分別提供不同的錯誤保護（Error Protection）能力。
GPRS是一種新的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務，它在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入服務。GPRS采用分組交換技術，它可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口" title="空中接口">空中接口上的TDMA幀中的8個時隙都用來傳送數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)速率最高可達164kbps。GSM空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務占用。當然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為GPRS專用信道。
2.2 GPRS優(yōu)勢
相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送" title="數(shù)據(jù)傳送">數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術。由于使用了'分組'的技術，用戶上網(wǎng)可以免受斷線的痛苦(情形大概就跟使用了下載軟件Net Ants差不多)。此外，使用GPRS上網(wǎng)的方法與WAP并不同，用WAP上網(wǎng)就如在家中上網(wǎng)，先'撥號連接'，而上網(wǎng)后便不能同時使用該電話線，但GPRS就較為優(yōu)越，下載資料和通話是可以同時進行的。從技術上來說，聲音的傳送(即通話)繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)的傳送便可使用GPRS，這樣的話，就把移動電話的應用提升到一個更高的層次。而且發(fā)展GPRS技術也十分'經(jīng)濟'，因為只須沿用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡來發(fā)展即可。GPRS的用途十分廣泛，包括通過手機發(fā)送及接收電子郵件，在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽等。
而GPRS的最大優(yōu)勢在于：它的數(shù)據(jù)傳輸速度" title="傳輸速度">傳輸速度不是WAP所能比擬的。目前的GSM移動通信網(wǎng)的傳輸速度為每秒9.6k字節(jié)，GPRS手機在今年年初推出時已達到56kbps的傳輸速度，到現(xiàn)在更是達到了115kbps(此速度是常用56kmodem理想速率的兩倍)。除了速度上的優(yōu)勢，GPRS還有'永遠在線'的特點，即用戶隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系。
2.3 GPRS網(wǎng)絡的實現(xiàn)
GPRS網(wǎng)絡是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡中需要增加一些節(jié)點，如GGSN（Gateway GPRS Supporting Node，GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點）和SGSN（Serving GSN，GPRS服務支持節(jié)點）。GSN是GPRS網(wǎng)絡中最重要的網(wǎng)絡節(jié)點。GSN具有移動路由管理功能，它可以連接各種類型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，并可以連到GPRS寄存器。GSN可以完成移動終端" title="移動終端">移動終端和各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳送和格式轉換。GSN可以是一種類似于路由器的獨立設備，也可以與GSM中的MSC集成在一起。
2.4 GPRS的工作原理
GPRS工作時，是通過路由管理來進行尋址和建立數(shù)據(jù)連接的，而GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下3個方面：移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；移動終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；以及移動終端處于漫游時數(shù)據(jù)路由的建立。第一種情況，當移動終端產(chǎn)生了一個PDU（分組數(shù)據(jù)單元），這個PDU經(jīng)過SNDC層處理，稱為SNDC數(shù)據(jù)單元。然后經(jīng)過LLC層處理為LLC層通過空中接口送到GSM網(wǎng)絡中移動終端所處的SGSN。第二種情況，一個公用數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)到移動終端時，首先通過數(shù)據(jù)網(wǎng)的標準協(xié)議建立數(shù)據(jù)網(wǎng)和GGSN之間的路由。數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)單元（如PSPDN中的PDU），通過建立好的路由把數(shù)據(jù)單元PDU送給GGSN。而GGSN再把PDU送給移動終端所在的SGSN上，SGSN把PDU封裝成SNDC數(shù)據(jù)單元，再經(jīng)過LLC層處理為LLC幀單元，最終通過空中接口送給移動終端。第三種情況是一個數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)給一個正在漫游的移動用戶。這種情況下的數(shù)據(jù)傳送必須要經(jīng)過歸屬地的GGSN，然后送到移動用戶A。
2.5 GPRS應用
GPRS是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡上開通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，在有GPRS承載業(yè)務支持的標準化網(wǎng)絡協(xié)議的基礎上，GPRS可以提供一系列交互式業(yè)務：點對點面向連接的數(shù)據(jù)業(yè)務－該業(yè)務是為兩個用戶或者多個用戶之間發(fā)送多分組的業(yè)務，該業(yè)務要求有建立連接、數(shù)據(jù)傳送以及連接釋放等工作程序。
單點對多點" title="多點">多點業(yè)務－該業(yè)務可以根據(jù)某個業(yè)務請求者的要求，把單一信息傳送給多個用戶。該業(yè)務又可以分為點對多點多信道廣播業(yè)務、點對多點群呼業(yè)務和IP多點傳播業(yè)務。點對點無連接型網(wǎng)絡業(yè)務－該業(yè)務中的各個數(shù)據(jù)分組彼此互相獨立，用戶之間的信息傳輸不需要端到端的呼叫建立程序，分組的傳送沒有邏輯連接，分組的交付沒有確認保護，是由IP協(xié)議支持的業(yè)務。
2.6 GPRS與WAP
WAP是無線Internet的標準，由多家大廠商合作開發(fā)，它定義了一個分層的、可擴展的體系結構，為無線Internet提供了全面的解決方案。WAP協(xié)議開發(fā)的原則之一是要獨立于空中接口，所謂獨立于空中接口是指WAP應用能夠運行于各種無線承載網(wǎng)絡之上，如TDMA、CDMA、GSM、GPRS、SMS等等。
GPRS對應于GSM中的9.6kbps的數(shù)據(jù)業(yè)務，與之不同的是GPRS是通過分組交換來實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸，換句話說，GPRS是對GSM數(shù)據(jù)業(yè)務的改進,是在GSM中實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄巍?
可見，WAP是高層應用，而GPRS是底層傳輸?？梢砸弥泥]遞信件的例子來說明WAP與GPRS的關系：如果說WAP是平信或賀卡或明信片，那么GPRS和GSM的CSD（9.6kbps電路交換的數(shù)據(jù)業(yè)務）就是運送信件的交通工具，只不過后者是汽車，前者則是飛機罷了。
3 GPRS在故障定位、配變監(jiān)測和抄表系統(tǒng)中應用
3.1 故障定位
配電網(wǎng)中使用大量的故障指示器，用來檢測故障位置定位故障點。它簡單可靠，在檢測到故障時通過翻牌或輸出節(jié)點的形式指示故障。GPRS通信設備設有3路開關量輸入，可采集本條線路的故障指示器的開關量輸出狀態(tài)。當線路發(fā)生故障時，故障指示器動作，GPRS通訊設備把故障信息通過INTERNET傳輸至前控制中心，監(jiān)控中心在接收到這些動作信息后，經(jīng)過網(wǎng)絡拓撲計算分析，與地理信息系統(tǒng)相結合，可以直接顯示出故障點地理位置信息。
3.2 配變監(jiān)測
在配電網(wǎng)上的變壓器上都裝有配變監(jiān)測儀－TTU，它的主要功能有對配變的工況的數(shù)據(jù)采集、對線路的自動無功補償?shù)?。TTU的無功補償功能在就地可實現(xiàn)，無需網(wǎng)絡通訊的支持，但是配變的運行數(shù)據(jù)過去一般采用RS485等通訊方式傳輸，可靠性差，距離短，受地理環(huán)境的因素影響較大。
3.3 電能計量
電能計量是現(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的電量結算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)，在實時性、準確性和應用性等方面都存在諸多不足之處。利用現(xiàn)代通信技術和計算機技術以及電能量測量技術結合在一起，便能夠及時、準確、全面地反映電量使用（即銷售情況）。通過GPRS無線局域網(wǎng)專網(wǎng)，為用電管理提供實時性好、穩(wěn)定性高的數(shù)據(jù)和事件記錄，可實現(xiàn)多塊表同時凍結抄表功能。該系統(tǒng)具有設備參數(shù)遠程回讀功能，如回讀參數(shù)和后臺系統(tǒng)保存的設置參數(shù)對比，異常報警，可以發(fā)現(xiàn)非法修改電能表參數(shù)行竊的非法行為。具有失壓、斷流、錯誤接線報警、顯示、記錄并主動上傳功能，方便管理人員在公司本部就可以發(fā)現(xiàn)用戶異常，為反竊電提供了一種先進的、有效的高技術檢測手段。根據(jù)實時抄收10kV線路總表和分表的數(shù)據(jù)，自動分析線路電量平衡情況，為線損考核提供準確的依據(jù)，達到大面積降低線損目的。當用戶電能表所測量的電壓和負荷超出一定范圍時，電表報警遠傳給系統(tǒng)并可以通過智能化分析功能的系統(tǒng)軟件，對用戶負荷進行監(jiān)測控制。
隨著城市電網(wǎng)的快速發(fā)展，自然而然的面臨兩個方面的問題，其一：配電網(wǎng)的自動化水平，涉及到故障的檢測、故障的隔離、轉移供電等。其二：用電的管理水平，涉及到用電量的計費等。這兩個方面都涉及到通訊問題，通信經(jīng)常成為這類系統(tǒng)的瓶頸，總是存在著可靠性與經(jīng)濟性兩者不可調和的矛盾。隨著GSM和GPRS的發(fā)展，使得配電網(wǎng)的通訊問題有了新的契機，本文提出利用移動互聯(lián)網(wǎng)來進行實時數(shù)據(jù)傳輸，并介紹GPRS的通信技術以及基于GPRS技術的智能配電通訊設備和它們在故障定位、配變監(jiān)測及抄表系統(tǒng)上的應用。
2 GPRS技術簡介
2.1 GPRS的定義
GPRS的英文全稱為General Packet Radio Service，中文含義為通用分組無線服務，它是利用'包交換'（Packet－Switched）的概念所發(fā)展出的一套無線傳輸方式。所謂的包交換就是將Date封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式，因為象Internet這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時間頻寬是閑置的。此外，在GSM phase 2+的標準里，GPRS可以提供4種不同的編碼方式，這些編碼方式也分別提供不同的錯誤保護（Error Protection）能力。
GPRS是一種新的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務，它在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入服務。GPRS采用分組交換技術，它可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口" title="空中接口">空中接口上的TDMA幀中的8個時隙都用來傳送數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)速率最高可達164kbps。GSM空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務占用。當然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為GPRS專用信道。
2.2 GPRS優(yōu)勢
相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送" title="數(shù)據(jù)傳送">數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術。由于使用了'分組'的技術，用戶上網(wǎng)可以免受斷線的痛苦(情形大概就跟使用了下載軟件Net Ants差不多)。此外，使用GPRS上網(wǎng)的方法與WAP并不同，用WAP上網(wǎng)就如在家中上網(wǎng)，先'撥號連接'，而上網(wǎng)后便不能同時使用該電話線，但GPRS就較為優(yōu)越，下載資料和通話是可以同時進行的。從技術上來說，聲音的傳送(即通話)繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)的傳送便可使用GPRS，這樣的話，就把移動電話的應用提升到一個更高的層次。而且發(fā)展GPRS技術也十分'經(jīng)濟'，因為只須沿用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡來發(fā)展即可。GPRS的用途十分廣泛，包括通過手機發(fā)送及接收電子郵件，在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽等。
而GPRS的最大優(yōu)勢在于：它的數(shù)據(jù)傳輸速度" title="傳輸速度">傳輸速度不是WAP所能比擬的。目前的GSM移動通信網(wǎng)的傳輸速度為每秒9.6k字節(jié)，GPRS手機在今年年初推出時已達到56kbps的傳輸速度，到現(xiàn)在更是達到了115kbps(此速度是常用56kmodem理想速率的兩倍)。除了速度上的優(yōu)勢，GPRS還有'永遠在線'的特點，即用戶隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系。
2.3 GPRS網(wǎng)絡的實現(xiàn)
GPRS網(wǎng)絡是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡中需要增加一些節(jié)點，如GGSN（Gateway GPRS Supporting Node，GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點）和SGSN（Serving GSN，GPRS服務支持節(jié)點）。GSN是GPRS網(wǎng)絡中最重要的網(wǎng)絡節(jié)點。GSN具有移動路由管理功能，它可以連接各種類型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，并可以連到GPRS寄存器。GSN可以完成移動終端" title="移動終端">移動終端和各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳送和格式轉換。GSN可以是一種類似于路由器的獨立設備，也可以與GSM中的MSC集成在一起。
2.4 GPRS的工作原理
GPRS工作時，是通過路由管理來進行尋址和建立數(shù)據(jù)連接的，而GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下3個方面：移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；移動終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；以及移動終端處于漫游時數(shù)據(jù)路由的建立。第一種情況，當移動終端產(chǎn)生了一個PDU（分組數(shù)據(jù)單元），這個PDU經(jīng)過SNDC層處理，稱為SNDC數(shù)據(jù)單元。然后經(jīng)過LLC層處理為LLC層通過空中接口送到GSM網(wǎng)絡中移動終端所處的SGSN。第二種情況，一個公用數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)到移動終端時，首先通過數(shù)據(jù)網(wǎng)的標準協(xié)議建立數(shù)據(jù)網(wǎng)和GGSN之間的路由。數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)單元（如PSPDN中的PDU），通過建立好的路由把數(shù)據(jù)單元PDU送給GGSN。而GGSN再把PDU送給移動終端所在的SGSN上，SGSN把PDU封裝成SNDC數(shù)據(jù)單元，再經(jīng)過LLC層處理為LLC幀單元，最終通過空中接口送給移動終端。第三種情況是一個數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)給一個正在漫游的移動用戶。這種情況下的數(shù)據(jù)傳送必須要經(jīng)過歸屬地的GGSN，然后送到移動用戶A。
2.5 GPRS應用
GPRS是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡上開通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，在有GPRS承載業(yè)務支持的標準化網(wǎng)絡協(xié)議的基礎上，GPRS可以提供一系列交互式業(yè)務：點對點面向連接的數(shù)據(jù)業(yè)務－該業(yè)務是為兩個用戶或者多個用戶之間發(fā)送多分組的業(yè)務，該業(yè)務要求有建立連接、數(shù)據(jù)傳送以及連接釋放等工作程序。
單點對多點" title="多點">多點業(yè)務－該業(yè)務可以根據(jù)某個業(yè)務請求者的要求，把單一信息傳送給多個用戶。該業(yè)務又可以分為點對多點多信道廣播業(yè)務、點對多點群呼業(yè)務和IP多點傳播業(yè)務。點對點無連接型網(wǎng)絡業(yè)務－該業(yè)務中的各個數(shù)據(jù)分組彼此互相獨立，用戶之間的信息傳輸不需要端到端的呼叫建立程序，分組的傳送沒有邏輯連接，分組的交付沒有確認保護，是由IP協(xié)議支持的業(yè)務。
2.6 GPRS與WAP
WAP是無線Internet的標準，由多家大廠商合作開發(fā)，它定義了一個分層的、可擴展的體系結構，為無線Internet提供了全面的解決方案。WAP協(xié)議開發(fā)的原則之一是要獨立于空中接口，所謂獨立于空中接口是指WAP應用能夠運行于各種無線承載網(wǎng)絡之上，如TDMA、CDMA、GSM、GPRS、SMS等等。
GPRS對應于GSM中的9.6kbps的數(shù)據(jù)業(yè)務，與之不同的是GPRS是通過分組交換來實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸，換句話說，GPRS是對GSM數(shù)據(jù)業(yè)務的改進,是在GSM中實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄巍?
可見，WAP是高層應用，而GPRS是底層傳輸?？梢砸弥泥]遞信件的例子來說明WAP與GPRS的關系：如果說WAP是平信或賀卡或明信片，那么GPRS和GSM的CSD（9.6kbps電路交換的數(shù)據(jù)業(yè)務）就是運送信件的交通工具，只不過后者是汽車，前者則是飛機罷了。
3 GPRS在故障定位、配變監(jiān)測和抄表系統(tǒng)中應用
3.1 故障定位
配電網(wǎng)中使用大量的故障指示器，用來檢測故障位置定位故障點。它簡單可靠，在檢測到故障時通過翻牌或輸出節(jié)點的形式指示故障。GPRS通信設備設有3路開關量輸入，可采集本條線路的故障指示器的開關量輸出狀態(tài)。當線路發(fā)生故障時，故障指示器動作，GPRS通訊設備把故障信息通過INTERNET傳輸至前控制中心，監(jiān)控中心在接收到這些動作信息后，經(jīng)過網(wǎng)絡拓撲計算分析，與地理信息系統(tǒng)相結合，可以直接顯示出故障點地理位置信息。
3.2 配變監(jiān)測
在配電網(wǎng)上的變壓器上都裝有配變監(jiān)測儀－TTU，它的主要功能有對配變的工況的數(shù)據(jù)采集、對線路的自動無功補償?shù)?。TTU的無功補償功能在就地可實現(xiàn)，無需網(wǎng)絡通訊的支持，但是配變的運行數(shù)據(jù)過去一般采用RS485等通訊方式傳輸，可靠性差，距離短，受地理環(huán)境的因素影響較大。
3.3 電能計量
電能計量是現(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的電量結算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)，在實時性、準確性和應用性等方面都存在諸多不足之處。利用現(xiàn)代通信技術和計算機技術以及電能量測量技術結合在一起，便能夠及時、準確、全面地反映電量使用（即銷售情況）。通過GPRS無線局域網(wǎng)專網(wǎng)，為用電管理提供實時性好、穩(wěn)定性高的數(shù)據(jù)和事件記錄，可實現(xiàn)多塊表同時凍結抄表功能。該系統(tǒng)具有設備參數(shù)遠程回讀功能，如回讀參數(shù)和后臺系統(tǒng)保存的設置參數(shù)對比，異常報警，可以發(fā)現(xiàn)非法修改電能表參數(shù)行竊的非法行為。具有失壓、斷流、錯誤接線報警、顯示、記錄并主動上傳功能，方便管理人員在公司本部就可以發(fā)現(xiàn)用戶異常，為反竊電提供了一種先進的、有效的高技術檢測手段。根據(jù)實時抄收10kV線路總表和分表的數(shù)據(jù)，自動分析線路電量平衡情況，為線損考核提供準確的依據(jù)，達到大面積降低線損目的。當用戶電能表所測量的電壓和負荷超出一定范圍時，電表報警遠傳給系統(tǒng)并可以通過智能化分析功能的系統(tǒng)軟件，對用戶負荷進行監(jiān)測控制。
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