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GPRS遠程抄表系統
【简介】通過中國移動的GPRS網絡系統,電力部門可將工業和民用電表采集的電力系統數據實時傳遞到地、市、省級的集中監控中心,以實現對電力監測設備的統一監控和分布式管理。GPRS網絡可為電力系統提供了簡單有效的通信傳輸手段。

摘要:本文提出了一種基于GPRS 的無線遠程抄表系統設計原理和實現方案,簡要介紹了GPRS 技術的基本知識,描述了GPRS 無線傳輸應用于電力數據傳輸的實現方法。通過實際應用,獲得了理想的效果。
關鍵詞:GPRS;DDN;電力;聯網;電力抄表系統;


一、背景介紹

上世紀80年代末90年代初,中國開始了自動化抄表系統的試點工作。全國各供電企業基本建立了無線電電力負荷控制系統,雖然其主要建設目的是控制負荷,但也逐漸用于大用戶的電能表抄表。1989年全國第一套跨省網的電量計費系統在華北電網投入運行,北京供電局的電話抄表系統在90年代開始投入運行。1994年以色列居民集抄系統進入中國,全國各地供電企業大多都開展了低壓電力載波技術試點。90年代中期,國內已有研制成功一批自動抄表系統的報道,2000年經全國電工儀器儀表標準化技術委員會秘書處召集生產、用戶以及計量檢測等20個成員單位組成《自動抄表系統》國家標準起草工作組,通過標準的制定有效地規范了市場和引導技術的發展。2004年現場用電管理終端作為負控和抄表需求的融合產品產生,并陸續在浙江電網和廣東電網大量推廣使用。2005年國家電網公司頒布《關于加強電力營銷現代化的建設意見》的406號文后,中國迎來了遠程抄表發展的黃金時期。從2005年N2007年各電力公司基本實現了發電側、供電側及終端側315kVA及以上大用戶的電能自動抄表,全國估計有幾十萬個采集終端投入應用,成為目前世界發展最快的市場。2007年部分省市電力公司又重新啟動居民用戶集中抄表系統工程,中國將至少具有十年的發展黃金時期。

近年來,隨著我國住宅產業的高速發展,能源消費計量和管理的需要,以及廣大居民生活水平的提高,對建筑智能化水平的要求越來越高,遠程抄表系統得到了迅猛發展。這既是提高能源管理水平的需要,也是電子技術、通信技術和計算機技術迅速發展的必然。

二、同類方案對比

1、電力線載波抄表
以電力線作為傳輸信道,將數據信號調制為高頻信號疊加在電力線上進行通信。此方式無需另外布線、易施工、成本低、與電網建設同步。目前國內10kV以上電壓等級的高壓電力線載波技術已較成熟,但低壓電力線載波還未能達到令人滿意的水平,制約了電力線載波抄表在我國的應用。原因在于電力載波信號存在著脈沖干擾,傳輸距離越遠,信號衰減越大。低壓電器電磁兼容性的控制尚不十分嚴格,低壓電力線上存在的電磁污染嚴重,干擾大,影響載波通信的質量;另外,用戶負載千變萬化造成網絡傳輸特性復雜多變,難以用準確的數學模型加以表征。因此,抗干擾是低壓電力線載波技術必須克服的問題。
2、總線抄表
總線通信是目前國內自動抄表系統采用較多的一種通信方式,其數據傳輸速度較快,可靠,穩定,通信質量高。目前使用的總線通信方式有RS-232,RS-485,LonWorks等。但這種方式布線工作量大,通信信道易遭外界因素破壞,信道后續維護工作量大。
3、紅外抄表
抄表員將錄有用戶信息的紅外手持抄表器拿到居民區數據集中器附近,通過紅外通訊方式集中采集各耗能表的數據,然后返回主站將數據傳輸到計算機中。這種方式在紅外可視距離內能非接觸的讀取儀表數據,但速率較低,易受外界環境的影響。
4、GSM短信息抄表
GSM短信息抄表系統在用戶端安裝集控器和無線發射終端,將用戶的耗能數據通過GSM網以短信息(SMS)的形式上傳到GSM網的SMS中心,SMS中心將接收到的數據通過專線傳遞給能源管理部門。但每條短信息通信容量有限,系統實時性及可靠性較差,可能發生信息擁塞和丟失現象,不適合在業務量大的系統中應用。
5、GPRS抄表
GPRS抄表系統通過GPRS網連接至Intemet網與主站計算機進行通信。用戶的數據經過GPRS模塊處理、協議封裝后發送出去,由GPRS接收模塊接收經Intemet網絡傳送至主站,實現用戶耗能數據和主站的實時在線連接。GPRS以GSM網絡為基礎,采用分組交換的傳輸方式,克服了GSM電路變換速率低、資源利用率差等缺點,最大限度地利用了現有的GSM網絡資源。它的傳輸速率高,接入時間短,用戶實時在線且按流量計費,迅速降低了服務成本,特別適合突發性小流量數據傳輸。

三、方案優點
  
GPRS無線電力遠程抄表系統具備如下特點:  
1、建設周期短,成本低:
GPRS無線網絡可為電力系統提供了簡單有效的通信傳輸手段。中國移動GPRS系統可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業務平臺上構建電力遠程抄表系統,實現電表數據的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡,縮短建設周期,降低建設成本的優點,而且設備安裝方便、維護簡單。
2、實時性強:
由于GPRS具有實時在線特性,系統無時延,無需輪巡就可以同步接收、處理所有數據采集點的數據??珊芎玫臐M足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
3、可對電表設備進行遠程控制:
通過GPRS雙向通訊方式還可實現對電表設備進行遠程控制,進行參數調整、開關等控制作用。
4、集抄范圍廣:
GPRS覆蓋范圍廣,在無線GPRS網絡的覆蓋范圍之內,都可以完成對集抄的控制和管理。而且,擴容無限制,接入地點無限制,能滿足山區,鄉鎮和跨地區的接入需求。
5、系統的傳輸容量大:
數據中心要和每一個電表數據采集點保持實時連接。由于電表數據采集點數量眾多,系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要,而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
6、數據傳送速率高:
每個電表數據采集點每次數據傳輸量在10Kbps之內。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s,目前GPRS實際數據傳輸速率在40Kbps左右,能滿足本系統數據傳輸速率(≥10Kbps)的需求。
7、通信費用低:采用包月計費方式,運營成本低。
8、系統易于擴展和維護。
由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡,因此監測中心計算機需要一個固定的IP地址或固定的域名,各個電表數據采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機,從而進行數據通信。  

四、系統組成
  
電表數據采集點位于居民小區的信息中心,居民用戶的用電數據由復費率電表首先通過RS485接口通過雙絞線連接到位于小區信息中心的電表集中器,電表集中器再通過RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連。通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GPRS網絡,通過GPRS網絡傳送至電力公司數據中心電力遠程抄表系統,實現電表數據和數據中心系統的實時在線連接。電表集中器通過RS485接口直接連接到電表上,既可支持單個電表,也可以同時支持多個電表,實現對電表參數的采集,存儲,預處理或并將采集到的電表數據實時傳送到配電中心;同時,電表集中器還可將配電中心發送的遙控指令傳給電表控制模塊,對電表進行控制操作。     
1、公網接入方案   
服務器采用公網方式接入Internet,如ADSL撥號寬帶上網,申請公網固定IP地址;可以實現中小容量的電表數據采集應用。   
2、專網接入方案   
服務器采用省移動通信公司提供的DDN專線, 申請配置固定IP地址,與GPRS網絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬,當電表數據采集點數量增加,中心不用擴容即可滿足需求,可實現大容量數據采集應用。   
監控中心服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證,后傳送到監控中心計算機主機,通過系統軟件對數據進行還原顯示,并進行數據處理,這樣進一步增強了系統數據通信安全性能。   
配電中心計算機主機可進行業務管理和計費管理,對電力數據進行校驗、計算、存儲、分析、管理等,可對異常情況進行告警,同時對用戶使用情況實時監控,保證電力局的合法收益。   
GPRS移動數據傳輸網絡:   
電表集中器采集的數據經GPRS網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理,轉換成在公網數據傳送的格式,通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸,傳送到監控中心IP地址。各電表使用GPRS透明數據傳輸終端,通過移動的GPRS網絡與配電中心相連。電表使用GPRS普通數據卡或APN專用數據卡,同時監控中心對各點GPRS終端編號進行登記, 并與采集點信息進行關聯,以便識別和維護處理。采集中心運行數據采集中心系統軟件,實時采集電表數據。   
 

     

(圖一)電力遠程抄表示意圖

凡電力局授權的信息采集點均可以使用本系統:   
電表數據采集點必須使用移動統一的APN卡,用戶使用本卡只能用于與供電局數據中心通信。   
終端設備使用北京東方訊科技公司提供的CG12 DTU無線透明數據傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網絡,具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點,提供標準RS232/RS485接口, 可直接與PC、單片機系統、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數據集中器等連接,具有遠程診斷、測試、監管功能,滿足各行業調度或控制中心與眾多遠端站點之間的數據采集和控制。   ?
高度集成GPRS和TCP/IP技術,可實現點對點,點對多點等靈活的無線組網方式內置嵌入式CPU完成復雜的網絡協議,支持PPP,ICMP,TCP,UDP,DNS等協議,為用戶數據提供透明傳輸通道 ?!?  
用戶登記:符合供電局的規定。   
省級配電中心通過公網使用APN接入到移動GPRS網,這種方式成本比較低,安全性比較高,而且速度和網絡服務質量都保障;也可以通過GPRS專線接入到移動GPRS網,這種方式成本高,安全性高、穩定可靠。   
由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡,配電中心計算機主機配置固定的IP地址,各個電表數據采集點采用GPRS模塊和該主機進行通信。

五、安全措施
   
在系統安全方面,本公司除了采用大型、多用戶的SQL數據庫、系統對用戶實現分級授權管理和提供防火墻功能及完善的數據備份功能外,對GPRS網絡無線數據監控中心還提供了安全技術解決方案,以確保數據可靠。
1、IP 過濾技術由于監控中心服務于GPRS子網用戶,所有訪問客戶的IP必為GPRS子網內的IP ,即所有的用戶必須通過CMNET才可能訪問該服務器。因此,我們在系統中采用了IP過濾技術,對所有接受的數據包進行過濾,拋棄掉所有的非法IP數據報。這一過程就好像將系統置身于CMNET的防火墻保護之下,所有的非法用戶只有先穿過了CMNET的安全防護才有可能訪問到本系統,但對于安全措施非常強大的CMNET網絡來說,這將是非常的困難。
2、身份授權和密碼認證體系采用IP過濾技術盡管可以防止一些非CMNET網段用戶的侵襲,但由于系統處于GPRS子網以外,IP過濾只能起到簡單的安全防護,對于那些利用IP偽裝技術的非法用戶則無法識別。由于該系統是專業化的服務系統,訪問客戶是預先確定的,利用這一特點,我們在系統中采用了用戶ID和密碼驗證技術,系統中存儲了有所客戶端的MAC地址以及密碼,對通過了IP過濾的數據包,再驗證其ID號和密碼。對于該系統以外的非法用戶,獲取合法的MAC地址和密碼將十分困難,所以極大地增加了系統的安全性。


 

 

                                                                                                                        (圖二) 數據安全技術解決方案示意圖

3、數據安全加密通道系統采用標準的SSL數據安全通訊協議在客戶端和服務器端建立加密數據通道,保證私有數據傳輸的安全性;系統在應用層植入高可靠性的加密算法,使得數據在任何網絡出錯時都可以得到保證的高可靠性;采用MD5算法產生“報文摘要”已實現對所有發送報文的數字簽名,保證了數據傳輸過程中的完整性,防止數據被篡改。
4、訪問過程跟蹤系統對所有的訪問過程進行日志記錄,包括用戶身份、IP、時間、數字簽名、操作事項等信息,向系統管理人員提供了詳細、完整、有效的操作證明。

六、 總結

就電力部門來說,遠程抄表一直是一件非常頭疼的事情,需要投入大量的人力、物力和財力。因為數量眾多,地理位置分散,給工作人員帶來極大的不便。如今電力公司可利用GPRS移動數據網絡對各重要電力節點、大用戶電表進行監控,自動讀取相關數據并加以分析,還可進一步進行遠程控制或設備維護,可減少人力資源、縮短修護時間并節省專線建設成本。

采用GPRS無線傳輸數據通訊方法解決了遠程抄表系統的通訊問題,比起其它有線通訊方式有著不可比擬的優越性。隨著GPRS網絡的逐漸完善和應用技術的不斷成熟,GPRS的應用領域也會越來越廣闊。本文介紹的GPRS無線傳輸系統可推廣至各種金融,水務,環保,煤氣,交通等行業應用當中去。

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