基于CDMA通信的配電監控系統
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摘要：本文提出了一種基于CDMA的配電監控系統設計原理和實(shí)現方案，簡(jiǎn)要介紹了CDMA技術(shù)的基本知識，描述了CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸應用于遠程數據監控的實(shí)現方法。通過(guò)實(shí)際應用，獲得了理想的效果。
一、前言
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現中低壓配電網(wǎng)的自動(dòng)化已成為電力系統發(fā)展的趨勢。中低壓配電網(wǎng)作為輸配電系統的最后一個(gè)環(huán)節，其實(shí)現自動(dòng)化的程度與供用電的質(zhì)量和可靠性密切相關(guān)。為此，本文特對中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化的必要性及其實(shí)現方案作簡(jiǎn)單的討論。
配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶(hù)的電力設備，其運行數據是整個(gè)配電網(wǎng)基礎數據的重要組成部分。因此，對其運行參數與狀態(tài)進(jìn)行監測是必要的。本文討論利用CDMA作為通信手段，建立配電變壓器監測系統。
在配電變壓器監控系統的通信中，可以采用數傳電臺、GSM短消息、光纖接入等方式。數傳電臺的優(yōu)勢是除了每年的頻點(diǎn)費以外，平時(shí)運行無(wú)需額外費用；缺點(diǎn)是受地形、氣候的影響較大，造成系統的可靠性、實(shí)時(shí)性較差，無(wú)法主動(dòng)上報。GSM短消息方式可以實(shí)現主動(dòng)上報；缺點(diǎn)是按條收費，運行費用高，而且在節假日短消息中心服務(wù)器繁忙時(shí)延時(shí)相當長(cháng)。光纖通信穩定可靠，但是施工成本投入大、擴展性差、設備維護方面不方便。而CDMA通信則避免了以上問(wèn)題。
碼分多址CDMA是一種新無(wú)線(xiàn)數據傳數業(yè)務(wù)，目的是給用戶(hù)提供高速無(wú)線(xiàn)IP或X.25服務(wù)。
CDMA理論帶寬可達171.2Kbit/s，實(shí)際應用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數據傳輸等應用。CDMA采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶(hù)可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，同一無(wú)線(xiàn)信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享，資源被有效的利用。CDMA允許用戶(hù)在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò )資源。CDMA永遠在線(xiàn)，按流量計費，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)分組數據業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點(diǎn)多分散、中小流量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。
二、系統結構
配電變壓器綜合管理系統的開(kāi)發(fā)目標是建立一個(gè)安全可靠，能提供各種高級服務(wù)，并有為應用程序的執行和實(shí)施提供較強功能的開(kāi)放式平臺和運行在該平臺的多個(gè)相對獨立的應用子系統組成的系統，成為一個(gè)符合配電系統現代化管理要求的,分布式，開(kāi)放式，模塊化，可擴充的配電變壓器綜合管理系統?；A平臺除提供基本的硬件技術(shù)和操作系統內核外，還提供諸如數據庫系統、信息傳遞、人機界面、實(shí)時(shí)環(huán)境應用程序等基礎服務(wù)?；诨A平臺之上的各應用子系統包括：配電變壓器管理，線(xiàn)損管理，自動(dòng)抄表，VQC功能，諧波數據，購電量管理，數據查詢(xún)，自動(dòng)報表，圖表和與其他系統的接口等。這些子系統之間在開(kāi)放系統結構（OSA）基礎上實(shí)現有機的橫向和縱向集成，形成一個(gè)完整的配電變壓器綜合管理信息系統。
CDMA配電變壓器監控系統的網(wǎng)絡(luò )架構如下圖所示，系統分為四個(gè)部分，分別是監控中心主站、網(wǎng)絡(luò )代理服務(wù)器、CDMA數據傳輸終端、監控終端設備。主站主要完成人機交互工作；網(wǎng)絡(luò )代理服務(wù)器主要負責網(wǎng)絡(luò )數據鏈路建立和數據收發(fā)的透明中轉；CDMA數據傳輸終端完成信息的上送與下發(fā)；監控終端設備主要完成數字量與模擬量的采集。
本系統中網(wǎng)絡(luò )代理服務(wù)器可采用ADSL、LAN等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP或者公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)，出于安全性考慮，監控中心主站在局域網(wǎng)中，不直接連在INTERNET網(wǎng)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )代理服務(wù)器來(lái)負責網(wǎng)絡(luò )數據鏈路建立和數據收發(fā)的透明中轉。
CDMA數據傳輸終端上電后，它會(huì )根據預先設定在其內部的IP地址或者是域名來(lái)主動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )代理服務(wù)器，通過(guò)代理服務(wù)器和監控中心建立TCP/IP鏈路。監 控中心主站本身維護接入的每個(gè)終端的IP地址和ID號，當主站要向某個(gè)監控終端提出數據請求時(shí)，它會(huì )根據IP地址和ID號來(lái)找到對應的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應后通過(guò)GRPS數據傳輸終端把數據發(fā)到網(wǎng)絡(luò )代理服務(wù)器端口，通過(guò)端口影射轉發(fā)到監控中心主站，即完成了一個(gè)應答式的通訊流程。
以上方式是通過(guò)Internet實(shí)現的，這樣用戶(hù)的實(shí)現成本比較低。如需要高可靠性數據傳輸。中國聯(lián)通為這種應用提供了直接接入CDMA網(wǎng)絡(luò )的方式。監控中心主站通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)方式直接接入CDMA聯(lián)通基站，并獲得一個(gè)固定的IP地址。監測點(diǎn)數據無(wú)需路由到Internet網(wǎng)絡(luò )，監測點(diǎn)DTU也采用固定IP地址的SIM卡。采用這種方式組成點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )具有實(shí)時(shí)性好、安全性高的特點(diǎn)，但接入費用相對較高。
三、監控終端
該監測系統采用的配電綜合監測儀是根據電力需求側管理技術(shù)要求和配變負荷監測相關(guān)標準設計、制造的一種高科技產(chǎn)品。它采用高精度數字采樣處理技術(shù)，集數據采集、顯示、存儲、通訊等多功能于一體，并可通過(guò)后臺軟件將儲存記錄的數據以圖表或報表的形式顯示、打印和分析。其科技領(lǐng)先，功能強大、可靠性高，可廣泛應用于配電自動(dòng)化系統的監測。其主要功能有：
基本測量參數：
三相電壓、電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數、四象限電能、環(huán)境溫度等九類(lèi)，三十多個(gè)參數。
技術(shù)參數：
1）額定技術(shù)參數
額定電壓 Un： 100V
額定電流 In： 5A
額定頻率 Fn： 50Hz
2）測量準確度
電壓/電流/頻率： 0.2級
功率因數/有功功率/無(wú)功功率： 0.5級
有功電量/無(wú)功電量： 1.0級
3）內置閃存容量
存儲容量：1024k字節，可實(shí)現連續84日用電數據記錄（每15分鐘記錄一次）
4）精度
電壓/電流/頻率： 0.2級
功率因數/有功功率/無(wú)功功率： 0.5級
有功電量/無(wú)功電量： 1.0級
5）系統參數設定
裝置的CT、PT變比
數據存儲間隔
系統時(shí)鐘
LCD對比度
過(guò)壓參數
欠壓參數
過(guò)流參數
四、CDMA數據傳輸終端
CDMA數據傳輸終端實(shí)現監控中心主站與監控終端的通訊。本系統中采用SARO6530P CDMA DTU。該DTU功能與特點(diǎn)如下：
A、功能
標準的AT 命令界面,方便程序設計；
TCP/IP Internet 內嵌的協(xié)議棧，輕松互連；
RS232接口方式，更加簡(jiǎn)便的通訊方式；
可通過(guò)串口升級程序。
B、性能
使用低功耗高性能的CPU 做處理器，16位內部數據總線(xiàn)，128KBSRAM，512KBFLASH，可高速處理協(xié)議和大量數據；
支持全透明及幀格式數據傳輸；
支持TCP、IP、PPP、ICMP、UDP、TELNET、HTTP 協(xié)議棧；
一個(gè)符合ISO7816-3IC 卡標準的UIM 卡座，支持符合GSM11.11 和GSM11.10，規范UIM 卡；
簡(jiǎn)化的接口設計，使用通用的232 接口和簡(jiǎn)單的AT 命令交互界面；
供了更方便的電源接口，即可使用外掛電源。又可從串口直接取電；
整機功耗小于3W；
完善了CDMA 網(wǎng)絡(luò )中所出現的假撥號，掉線(xiàn)自動(dòng)重啟，遠程喚醒等功能；
支持遠程控制及動(dòng)態(tài)域名解析；
同時(shí)更具嵌入式系統要求，可提供內置式模塊（不帶外殼，可通過(guò)插針與嵌入式直接系統相連）。
同時(shí)還有軟硬件雙重看門(mén)狗，在DTU不能正常工作時(shí)，能夠自動(dòng)斷電復位。
五、監控中心主站
主站系統最里面層為操作系統及系統軟件。第二層為系統支持軟件層，包括數據庫系統、電力系統模型、數據采集和傳輸。電力系統模型主要指電力系統設備對象化及網(wǎng)絡(luò )拓撲；數據庫系統分運行庫、基礎庫、標準庫和歷史庫四部分；數據采集和傳輸就是將各種數據從不同的終端根據各種通訊協(xié)議采集過(guò)來(lái)，但并不進(jìn)行處理，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分發(fā)給需要這些數據的系統。第三層為基礎應用層，將采集過(guò)來(lái)的數據經(jīng)過(guò)各種處理，通過(guò)GUI界面顯示給用戶(hù)。第四層為高級應用層，它所產(chǎn)生的數據主要是供電力系統進(jìn)一步管理和決策用。
上位軟件主要完成以下功能：
（1）配電變壓器SCADA系統 變壓器運行監控，變壓器異常情況監控，數據的分析、處理和存盤(pán)，RTU的參數設置及狀態(tài)顯示。既能獲得配電網(wǎng)運行的基本信息，又為功能擴充提供很好的基礎。
（2）自動(dòng)抄表系統 根據設定的時(shí)間自動(dòng)抄錄配電變壓器和用戶(hù)的電度數。并具有電表異常告警，跟蹤抄表記錄和操作記錄等輔助功能。
（3）用戶(hù)購電量管理 對于信譽(yù)比較差的用戶(hù)，通過(guò)系統對它進(jìn)行先購電后供電，并在使用電量達到某些比例時(shí)進(jìn)行警告。
（4）線(xiàn)損管理 主要是臺區線(xiàn)損管理和線(xiàn)路線(xiàn)損管理。
（5）配電設備管理 主要是配電線(xiàn)路和配電變壓器等設備的管理。
（6）終端錯誤智能識別 終端錯誤分為通訊恢復，通訊中斷（某一終端連續三次召測不到），終端無(wú)線(xiàn)錯誤（一天連續十次召測不到），無(wú)線(xiàn)中斷（連續有三十個(gè)終端召測不到）。
（7）負荷預測 通過(guò)計算主站和分站所有臺區的總有功功率總加值來(lái)初步預測下一階段的負荷情況。
（8）電容器投切 根據電壓和功率因數就地進(jìn)行調節，調節時(shí)考慮時(shí)間因素和投切次數。在就地調節失靈的情況下能夠遠方監視和遠方控制。如果終端無(wú)調節投切功能，系統能夠遠方計算后控制電容器投切。
（9）終端操作 可以遠方讀取或者設置終端的參數，如變壓器的整定參數等?？稍O置開(kāi)關(guān)合閘，開(kāi)關(guān)分閘?？勺x取或設置VQC參數。
（10）與營(yíng)銷(xiāo)系統數據庫的接口 能方便地為營(yíng)銷(xiāo)系統提供數據源。
（11）采集諧波數據 通過(guò)系統能夠采集用戶(hù)的各次諧波含量。
（12）用戶(hù)竊電管理 增加用戶(hù)電量與功率轉換為電量的比較，通過(guò)設置比例系數，來(lái)進(jìn)行警告，比如當有功功率產(chǎn)生而電量不動(dòng)時(shí)，則產(chǎn)生警告。
六、結論
實(shí)現我國中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化，是提高供電質(zhì)量、用電可靠性和提高電力企業(yè)自身水平的需要,CDMA作為一種新的通訊手段，應用在配電自動(dòng)化中有很多優(yōu)點(diǎn), 基于CDMA通信的配電變壓器綜合管理系統是一個(gè)比較有應用前景的實(shí)現方案。
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