2023年基于GPRS与Internet的农村电网管理信息系统.doc

西安交通大学 硕士学位论文 题 目：基于GPRS与Internet的农村电网管理信息系统 研究生姓名：邱少勐 专业：计算机科学与技术 导师姓名：李平均 论文提交日期： 西安交通大学 Abstract 第一章 绪论 1.1 选题背景 配电网自动化就是在配电设备和配电管理上的自动化，即在自动化的配电网架上，装配上与其相适应的开断设备，采取与其相配套的自动化管理手段，实现对配电网故障区段的自动定位，迅速隔离，缩小停电范围；配电自动化系统是集计算机系统、通信系统、信息管理系统、控制系统于一体，对配电网络实施监测、控制、管理的系统。随着计算机技术、网络及通信技术的开展，10kV 配电网自动化技术作为提高电网供电可靠性和电能质量的主要手段之一，逐渐得到了应用和开展。 随着城乡电网的大规模改造，配电网的装备水平不断提高，但是由于配电网点多面广，线路接线复杂且变化频繁，给通信系统的建设带来很大困难。现有的通信手段如有线通信、无线扩频通信、载波通信等由于地理位置、可靠性、稳定性、安全性、经济性等方面的限制均不能很好满足配电自动化系统的要求。因此，通信问题成了目前制约配电自动化向“四遥〞开展的瓶颈。 1.2 配电网自动化对通信系统的要求 配电自动化系统需要借助于有效的通信手段，将控制中心〔即配调主站〕的控制命令准确地传送到为数众多的远方终端，并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心。总体上讲，配电自动化对通信系统的要求体现在以下几个方面： 1．通信可靠性。配电自动化的通信系统是在户外安装的，这意味着通信系统要长期经受不利的气候条件和较强的电磁干扰。因此，配电自动化的通信系统必须设计成能够满足在上述恶劣状况下工作的系统。 2．满足目前和将来数据传输速率的要求。在选择通信方式时，先估算配电动化系统所需的通信速率，在设计上应留有足够的带宽，以满足今后开展的需求。 3．双向通信的要求。配电自动化的大多数功能要求双向通信，设计时必须选择满足其要求的方式。 4．通信不受停电的影响。配电网的调度自动化功能和故障区段隔离，及恢复正常区域供电的功能要求，即使在停电的区域通信仍能正常进行。 5．建设费用。在配电自动化的通信系统进行预算时，既要恰当的选取适宜的通信方式，节省设备造价，还要估算通信系统长期使用和维护的费用。 6．易操作与维护。配电自动化的通信系统构成规模往往较大，而且通常采用多种通信方式相结合，因此在设计上，应考虑尽可能地简化通信系统的使用及维护。 1.3 配电网自动化系统通信技术的国内外现状 随着通信技术的开展，目前可选用的通信手段很多。根据所实施的配电网自动化系统的具体情况，国内外各电力公司选用了不同的通信方式，其效果和效益也各不相同。 国内上海、石家庄、大连、南京、郑州、邯郸、武汉、广州等供电局都进行了一定规模的建设配电网自动化项目尝试，其通信方式，有的采用配网载波，有的采用一点多址扩频微波，有的采用光纤通信，有的采用电缆通信，有的采用无线数传电台等，但效果并不理想。 在国外，日本是配电网自动化开展得比拟快的国家，通信方式主要是利用通信电缆和配电线载波来传送配电网自动化信号，而在欧美等国家，却广泛采用无线寻呼通信网络和有线通信相结合的方式。 目前，使用较多的配电线信号传送方式有：音频控制方式、音频电流传送方式和位相脉冲方式。利用专用 线或 CATV 有线电视电缆、采用屏蔽双绞线〔RS-485〕、光纤等也是广泛采用的配电网自动化通信方式，UHF 和VHF 电台调频播送〔FM〕和调幅播送〔AM〕多用来作负荷监控信道，无线扩频和一点多址微波通信大多用于配网自动化的通信主干线。 总之，从国内外配电网自动化系统采用的通信方式来看，尚没有一种通信技术可以很好地满足配电系统自动化所有层次的通信需要。中国移动通信公司在 2023 年 5 月 17 日正式在全国推出 GPRS〔通用分组无线业务〕业务，其借助 GSM 网络可以通过无线上网传输数据信息，并具备了信号覆盖比拟理想、网络可靠性较高、业务按数据流量计费、随时在线等特点,将其应用在配电网自动化通信及远程抄表等系统中，在理论上是可行的。 1.4 配电网自动化系统通信存在的问题 1．通信网网络结构比拟薄弱。目前电力通信主干网络根本上呈树型与星型结合的复合型网络结构。难以构成电路的迂回，一旦某一线路出现故障，不能有效地通过迂回线路分担故障线路业务；网络管理水平亦不高，管理系统只能通过对电路进行分路监测和简单的控制。 2．干线传输容量缺乏。通信网内主干路容量一般只有 34Mb/s,少数为 140Mb/s和 155 Mb/s，而主干电路区段使用情况十分严重，网内主要节点之间话路紧张，极大的制约了宽带新业务的开拓。 3．配电变压器数量繁多、分布广、布线困难。配电变压器是配电自动化系统的终端设备，它是将电能直接分配给低压用户的电力终端设备，其运行数据是整个配电网根底数据的重要组成局部。但由于该设备数量非常繁多，线路接线复杂且变化频繁，给通信系统的建设带来很大困难。现有的通信手段如有线通信、无线扩频通信、载波通信等由于地理位置、可靠性等的限制均不能很好满足系统的要求。随着我国配电自动化建设的广泛开展，配电变压器监测系统的建设成为配电自动化系统的重要组成局部之一。 1.5 课题意义及研究内容 论文工作主要基于“农村电网管理信息系统〞展开。 农村电网管理信息系统〔Countryside Electric Net Management Information System〕以下简称农网信息系统(CENMIS)，是针对广阔的农村电网的各种数据信息〔运行设备信息、用电户档案数据、实时监控数据、用户计费数据，计量数据、图形属性数据等〕进行管理的一个综合性信息管理系统。系统能实现和满足农村电网管理中的各种业务及功能，包括营业计费、故障、配置、监控、报警等。通过本系统从而实现农村电网管理的自动化，效益的最大化，决策的实时化，提高工作效率。本系统管理的范围包括：变电站、10KV高压线路、变压器、0.4KV的低压线路、用户计量等。 本文是在实际分析现行配电网自动化通信技术根底上，根据配电网自动化的通信要求，结合当前最新的 GPRS 通信技术的特点，提出将 GPRS 通信技术应用在配电网自动化系统中解决通信传输问题的新思路，并进行组综合分析，深入研究，最终将农村电网管理信息系统投入运营。本文主要研究了以下几个具体问题： 1．全面分析了配电网自动化对信息通信的需求，特别是对涉及通信系统性能指标的需求进行了深入分析。 2．全面分析、比拟各种现行配电通信技术的优缺点，适应范围，及存在的问题，提出适应最适应当前农村电网管理系统的通信模式。 3．深入研究GPRS的工作原理，研究分析 GPRS 通信技术用在配电网自动化信息传输所必须解决的可靠性、可用性、安全性、经济性等关键问题，重点解决安全性及有关通信〔容量、协议〕等问题。 4．设计实现基于GPRS及Internet的农村电网管理信息系统的采集终端的硬件结构，将电量采集，数据保存和GPRS通信几大模块集成在一块电路板上，减小了终端的体积，并尽可能减少了终端的本钱，以到达适合农村电网管理的目标。 5．开发基于浏览器/效劳器模式的电网信息管理系统软件，实现配置管理、营销管理、性能管理、安全管理及故障管理五大模块。 第二章 电网自动化通信方式简介 2.1 配电网自动化对通信系统的要求 配电网自动化对通信系统的要求取决于配电网自动化的规模、复杂程度和预期到达的自动化水平。总体上讲，配电网自动化对通信系统的要求体现在以下几个方面： 1．通信的可靠性； 2．建设费用； 3．满足目前和将来数据传输速率的要求； 4．双向通信的要求； 5．通信不受停电的影响； 6．易操作与维护； 7．保证通信的实时性； 8．保证信息的安全性； 9．隔离公共网上的恶意攻击。 2.1.1 通信的可靠性 配电通信系统负责传输配电网自动化的所有遥测、遥信、遥控及有关管理信息，可靠的信息传输是支撑配电网自动化安全可靠运行的有效保证，因此，信息的可靠传递显得极其重要。 配电网自动化的通信系统是在户外安装的。通信系统必须能在恶劣的气候环境下可靠工作。此外，配电网自动化的通信系统将在较强的电磁干扰〔EMI〕下工作，间隔放电、电晕、谐波干扰、雷电、故障、涌流等电磁干扰，会对通信的可靠性产生很大的影响。 2.1.2 通信系统的费用 由于配电网自动化的通信系统造价很可观，因此，通过恰当地选取通信方式，可以节省大笔的建设费用。如果通信方式设计得不适宜，有可能会产生过高的建设投资，使得所建成的配电网自动化系统的效益难以发挥出来。在对配电网自动化的通信系统进行预算时，不仅要考虑设备的造价，还要估算通信系统长期使用和维护的费用。 2.1.3 通信速率的要求 任何通信系统的带宽都是有限的，带宽越窄，通信速率越低。在建设通信系统时，不仅要满足眼前的通信速率要求，还要考虑到今后开展的需要。 一般 300bit/s 或更低的通信速率就能满足配电网自动化的大局部功能要求，对于诸如负荷控制这样的功能，甚至低于 10bit/s 的通信速率都能满足要求。 从功能的角度，在配电网自动化系统中，进线监视、10kV 开闭所、配电变电站监控和馈线自动化〔FA〕对于通信速率的要求最高，其次是公用配变电巡检和负荷监控系统，远方抄表和计费自动化对于通信速率的要求较低。从配电网自动化系统结构的角度分析，集结了大量数据的主干线对通信速率的要求，要远高于分支线对通信速率的要求。 在选择通信方式之前，应领先估算配电网自动化系统所需要的通信速率，应考虑至最坏的情形，并根据需要恰中选取适宜的通信方式和通信网络组织形式。此外，在设计上应留有足够的容量，以满足今后开展的需要。 2.1.4 双向通信能力 配电网自动化的大多数功能要求双向通信。例如，较先进的负荷控制系统可以发送伴随着地址的投运或停役命令，从而可以对被控制对象的独立负荷或成组负荷分别进行控制。一般不必将被控负荷的实际运行状况返回控制中心，但是，实时检测负荷控制设备是否正常却是需要的，为了实现这一功能，就必须借助于双向通信。 对于故障区段隔离和恢复正常区域供电的功能，那么必须要求有双向通信能力的信道。在这种情况下，位于远方的故障探测器〔如柱上RTU〕必须能向控制中心上报故障信息以便确定故障区段，控制中心必须能够向远方设备发布控制命令，以隔离故障区段和恢复正常区域供电。 2.1.5 通信不受停电的影响 配电网的调度自动化功能和故障区段隔离，及恢复正常区域供电的功能要求，即使在停电的地区通信仍能正常进行。采用电力线作为通信信息传输媒介的通信方式〔如配电线载波、脉动控制技术和工频过零技术等〕在这个问题上会面临许多困难。必须考虑故障或断线对这几种通信方式的影响。另一个必须考虑的问题是在停电地区的远方通信终端设备〔如 RTU、智能电度表和负荷控制设备等〕的供电问题，应当为它们提供后备电源或其它供电手段〔如 UPS 和蓄电池等〕。 2.1.6 通信系统的使用与维护方便性 配电网自动化的通信系统构成规模往往较大，而且通常采用多种通信方式相结合，因此在设计上，应考虑尽可能地简化这一复杂的通信系统的使用与维护。配电网自动化系统的用户大多不是通信与电力技术的专业人员，他们往往不熟悉通信设备。因此有必要对其人员进行深入细致的培训，以提高他们对通信技术的使用和维护技能，在对一种通信手段的经济效益分析时，应将培训费用考虑在内。选择标准的通信设备和通信协议不仅能够提高系统的兼容性，而且为今后的扩展