对GPRS通信模式应用于配电网自动化的研究
刘清瑞（上海申瑞电力科技股份有限公司，上海200233）
高　捷（天津城东供电分公司，天津300000）

注：该文发表于《电力设备》2005年第四期

摘要：本文通过对配电网自动化通信系统的需求分析，总结了传统配电网自动化通信方式各自的优缺点。在简要介绍GPRS技术的基础上，明确提出GPRS通信方式适合远程、分散、数据传输频繁但数据量不大的配电网自动化系统应用，不仅可行而且很有必要。根据一个城区配电网自动化系统的实际应用情况，提出了采用GPRS方式的通信方案和接入模式，并提供了现场测试结果。

1、引言
　　配电网自动化系统（DMS）是集计算机软硬件技术、计算机网络技术、自动控制技术、数据通信技术及相关电力系统技术于一体的信息管理系统，为配电网络的数据采集、运行监视、快速故障定位、故障隔离、供电恢复以及需求侧管理等提供了有力的技术手段，能够有效地缩短事故停电时间、提高供电可靠性、改善供电质量。

　　配电网自动化要借助可靠的通信手段，将各远方监控单元（RTU、FTU、DTU、TTU）所采集的数据上传至控制中心，同时将控制命令下发到各远方单元或执行机构。因此，通信系统是实施配电网自动化的关键环节，它在很大程度上决定了系统性能的优劣和功能的发挥，我国从上世纪90年代初即开始实施配电自动化工作，但这么多年没有得到迅速普及，通信系统的限制是一个极为重要的因素。

2、配电网自动化对通信系统的要求[1]
　　 配电网系统拥有众多的配变、用户变、箱变、开闭所、配电变压器、柱上开关等电气设备，地域分布广、种类多、运行状态复杂、自然环境恶劣，要对这些设备进行实时监控就需要安装大量的RTU、FTU、DTU、TTU等终端设备，规模较大的配电网还要配置子站，其总体规模要比调度自动化系统大得多。因此，配电网自动化系统的通信网络必须满足下述要求：（1）高可靠性：配电网通信设备大多安装在室外，自然环境恶劣，高温、低温、日晒、雨淋、风雪、冰雹和雷电等自然侵袭以及射频、工频等强电磁干扰时时发生。因此要求配电网通信系统要能够长期稳定可靠地工作，并在线路停电时仍能正常工作；（2）良好的经济性：限于配电网一次设备的状况，通信系统的投资不能过大，并要能充分利用已有的各种通信资源；（3）技术性能优越：速率、容量等不仅要满足目前需要，还要考虑综合数据通信和未来升级扩容的需要，不仅考虑配电网系统的需要，还要综合考虑数据网络、语音电话、图形图像等多媒体业务的需要；（4）低运行维护成本：要易于建设、易于使用、易于维护；（5）结构灵活、扩展方便：配电网络在不断发展，通信系统要能方便地覆盖到新的配电网络区域以及兼容新的通信手段。

3、配电网自动化系统采用的几种通信模式及其优缺点[2]
　　 配电网自动化的通信方式分为有线方式和无线方式，有线包括架空明线或电缆、配电载波、邮电本地网、租用电话线、光纤、有线电视网（CATV）、现场总线等；无线包括微波、无线电通信（AM、FM、PM等）、无线扩频、卫星通信、无线寻呼、数控电台等，还有最近出现的GPRS。

　　以下对几种主要通信模式作一简单分析：
　　（1）架空明线或电缆：其优点是建设简单，但线路衰耗大、频带窄、噪声大、易受干扰、占地多、投资大；
　　（2）配电载波：目前典型的配电载波机传输速率可达到150—300B/S，基本能满足配电网自动化系统对通信的要求。配电载波有两种变形即脉动控制技术和工频控制技术，都是利用电力线路作为信号的传输途径，并都有应用实例。此外，扩频载波机也开始应用，它根据山农信息理论，用加大带宽来换取传输的可靠性，将话音带宽扩展到整个输电线路频谱，提高了传输速率。配电载波通信有如下优点：①技术简单，建设容易。配电载波可以连接电力公司管理的任何测控点，沿着电力线路传输到配电网的各个环节，不必考虑另架专用线路；②安全性好，所有资源都受电力部门控制；③便于管理，不必经过无线电管理委员会的许可。但停电区数据如何用配电载波上传仍然是一个有待解决的技术难题，还有由于反射效应在馈线的某些部分存在盲点、数据传输速率较低、容易受到干扰以及非线形失真和信道间交叉调制的影响、采用的电容器和电感器体积较大价格较高等缺点；
　　（3）光纤通信：光纤通信是以光导纤维作为传输介质、以光波作为信息载体的先进的通信手段。光纤通信具有传输频带宽、通信容量大、传输损耗小、光电隔离不受电磁干扰、抗腐蚀、可靠性高、保密性好、运行维护成本低、组网方便灵活、敷设简便等优点。采用无源光分路器，可以组建复杂的环型、星型、树型、链型等光纤网络，可以根据网络节点灵活联网或改变网络拓扑结构。在配电网自动化中，可以利用已建成的变电站到主控中心的光纤电话网络进行数据传输，此时，光纤通过MODEM将数字脉冲转换成话音频带占用一路或几路话音通道进行传输。也可以架设专门的光纤网络进行数据传输，如可以用光纤以太网或光纤自愈环网来进行数据通信。
　　目前光纤通信技术已经成熟，随着光缆技术的提高和生产成本的不断下降，光缆的性价比将继续提高，因此在配电网自动化系统中，光纤将被作为通信主干线广泛应用。
　　（4）微波通道：微波在电力通信中发挥着重要的作用，对调度自动化和变电站综合自动化的数据传输有重要意义。微波频率为1G以上，属视距传输，它传输容量大，稳定性能好，同时由于微波通信在电力系统应用多年，已积累了丰富的经验。但微波为点对点传输，而配电系统点多面广，显然不适合配网应用。而一点多址小微波系统应用多址技术和统计复用技术，信道利用率高，稳定性较好，可以多点传输，缺点是路由选择较困难。
　　（5）无线电通信：传统的无线通信方式如AM、FM、PM、无线寻呼等也可以应用于配电网自动化的数据传输，但速率低且大多只能进行单向发送，对于需要进行双向数据通信的场合则要使用具有双向通信功能的新型无线通信技术。800MHZ为无线数据通信频段，可以应用于配电系统通信。
　　（6）基于移动通信技术的CDMA/GPRS通信：详细内容后面讨论。

　　各种通信方式拥有不同的特性，适用于不同的场合。在考虑配电网通信系统的建设方案时，应遵循综合考虑“先进性、经济性、实用性、可扩展性、可维护性”的原则，因地制宜地优化选择。新建通信系统可考虑在重要的通信主干线采用高速可靠性价比优越的光纤通信，配电子站到一般终端设备间则可以采用灵活方便速率适中投资运行成本较低的GPRS通信方式。

4、GPRS技术简述[3]
4．1 GPRS的基本概念及支持的主要业务
　　GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是一个叠加在GSM（Global System for Mobile）上专为高速数据通信而设计的新网络，属于一种分组交换的数据承载和传输方式，称为2.5G数字移动通信技术，是GSM向3G移动通信发展的必经阶段。它充分利用现有移动通信网络设备，通过在GSM网络上增加一些硬件设备和软件升级形成一个新的网络逻辑实体，手机通话继续使用GSM，而数据传输则使用GPRS。它采用分组交换方式传输数据，理论上最高数据速率可达171.2Kbps，客户可以在移动状态下通话的同时使用各种高速数据业务，包括高速电子邮件传递（可带图形等大型文件附件）、网上冲浪、访问企业广域网等。

　　GPRS目前支持TCP／IP和X.25业务、GPRS空中接口加密、GPRS附加业务、增强型短信业务（E－SMS）、GPRS分组数据计费（即根据数据量计费）等，其中最显著的是TCP／IP和X.25功能，可以通过TCP／IP和X.25提供电子邮件、WWW浏览、专用数据、LAN接入等业务。GPRS

　　在数据业务的承载和支持上具有明显优势，能更有效地利用无线网络信息资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；支持的数据传输速率更高，理论峰值达171.2Kbps；按数据流量计费的核算方式更加灵活；GPRS还支持在进行数据传输的同时进行语音通话。

4．2GPRS的主要特点
　　GPRS采用无线分组技术，将无线通信与因特网紧密结合，作为一种先进的全新的无线网络承载手段，全面提升了无线数据通信服务，其主要特点表现在：
　　（1）永远在线：只要激活GPRS应用就永远保持在线，不存在掉线问题，相当于一种高速无线专线网络；
　　（2）按量计费：虽然永远在线，但只有产生通信流量时才计费。它是一种面向使用的计费方式，更加科学合理；
　　（3）快速登录：全新的分组服务，无需长时间的拨号建立连接过程；
　　（4）自如切换：话音和数据业务可以自如切换使用，电话上网两不误；
　　（5）高速传输：GPRS理论传输峰值远高于拨号上网及一般无线电台。

4．3 GPRS的技术优势
　　与传统通信方式相比，GPRS有明显的技术优势，主要表现在：
　　（1） 资源利用率高。GPRS在GSM网络中引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。电路交换模式下，在整个连接期内，无论是否传送数据都独自占有无线信道。实际上在连接期间，许多应用如Internet浏览、收发E-mail等都有不少空闲时段。对于分组交换模式，则只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS以通信流量为计费依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。实际上，GPRS用户的连接时间可能很长，却只需支付相对低廉的连接费用；
　　（2） 传输速率高。GPRS可提供171.2Kbps的传输峰值（含FEC），净数据速率可达115Kbps。GPRS用户能和ISDN或ADSL用户一样快速上网，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能；
　　（3） 接入时间短。分组交换接入时间小于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些应用（如远程监控）的效率，并使已有的Internet应用（如E-mail、网页浏览等）更加便捷流畅；（4）支持IP协议和X.25协议。GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议。越来越多的企业将Internet作为职员访问企业内部网Intranet的媒介，因此支持IP协议显得尤为重要。由于存在大量的分组数据网（PDN），所以支持X.25协议可使已存在的X.25应用能够在GSM网络上继续使用。而且由于GSM网络覆盖面广，也使GPRS能提供Internet和其它分组网络的全球性无线接入。

4．4GPRS的网络结构
　　GPRS是基于GSM网络实现的，在GSM网络上增加了GSN节点（GPRS Supporting Node，GPRS支持节点）。GSN是GPRS网络中最重要的网络节点，它具有移动路由管理功能，可以连接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS寄存器。它还可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换，它既可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与GSM中的MSC集成在一起。GSN有两种类型：一种为SGSN（Serving GSN，服务GSN），另一种为GGSN（Gateway GSN，网关GSN）。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN、PSPDN和LAN等。有的文献把GGSN称为GPRS路由器，它可以把GPRS分组数据包进行协议转换，传送到远端的TCP／IP或X.25网络。

4．5 GPRS网络中新引入的网络接口与协议模型
　　GPRS网络结构中引入了以下几种新的网络接口：Gn－GSN主干网接口，用于各种GSN之间的接口；Gb－BSS和sGsN之间的接口；Gr－SGSN和HLR之间的接口；Gp－不同的GSM网络（不同的PLMN）之间的接口；Gs，SGSN和MSC之间的接口。　
　　GPRS的协议模型分为五层，自下而上依次为物理层、MAC （Medium Access Control）层、LLC（Logical Link Control）层、SNDC（Subnetwork Dependant Convergence）层和网络层。物理层为射频接口部分，负责提供空中接口的各种逻辑信道，空中接口的载频带宽为200kHz，一个载频分为8个物理信道，每个信道的原始速率为200Kbps，如果8个信道都分配为传送GPRS数据，则总速率为171.2Kbps。若考虑前向纠错码的开销，有效速率约为164Kbps。
　　MAC为媒质接入控制层，用于定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。GPRS的逻辑信道共有3类，分别是公共控制信道、分组业务信道和GPRS广播信道。公共控制信道用来传送数据通信的控制信令（具体又分为寻呼和应答信道），分组业务信道用来传送分组数据，广播信道则用来给移动台发送网络信息。
　　LLC层为逻辑链路控制层，它是基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议。LLC层负责在高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧。另外，LLC还可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。BSS中的LLR层是逻辑链路传递层，负责转送MS和SGSN之间的LLC帧。LLR层对于SNDC数据单元来说是透明的，即不负责处理SNDC数据
　　SNDC为子网相关结合层，它完成传送数据的分组、打包，确定TCP／IP地址和加密方式。在SNDC层，移动台和SGSN之间传送的数据被分割为一个或多个SNDC数据包单元，SNDC数据包单元生成后放置到LLC帧内。　　
　　网络层协议目前有Phase l阶段提供的TCP／IP和X.25协议，对于传统的GSM网络设备（如BSS和NSS等设备）是透明的。

5、采用GPRS作为配电网自动化系统通信的可行性与必要性
　　我们对于GPRS应用于配电网通信中的几个主要指标进行了实际测试，获得了满意的结果。其速率、误码率、抗干扰性能、安全性能、QoS均能满足要求，作为配电网自动化系统的通信通道完全可行。对于信息传输实时性问题，经实测可达120KB/秒，相当于单条GPRS通道可容纳400套FTU的通信容量，超过此容量时再增加GPRS通道即可；对于信息阻塞问题，采用VPN和动态分配IP地址的方法完全可以解决；对于费用问题，建设电缆或配电载波的费用约相当于25年的GPRS专线租用费加数据流量费，若建设光纤通道则相当于40余年的GPRS费用，非常经济；对于信号覆盖面问题，经实测几乎100％覆盖配电网区域，个别信号不良或未覆盖地区移动公司可随时解决；关于网络安全问题，GPRS采用64位密钥和物理层加密技术，确保了安全性。
　　由于配电网自动化系统覆盖面广、地理上分散、自然环境恶劣，完全自行建设专用通道，投资大、工程实施复杂，因此在地域广阔设备分散的区域很有必要采用GPRS。
　　配电自动化对通信系统的要求，取决于具体配电网的规模和具体要求实现的功能，需要综合考虑通信的可靠性、通信技术的先进性、应用可行性和使用维护的方便性、配电通信的实时性、通信系统的可扩充性因素等。目前配电网系统的数据传输多采用双绞线、无线电台或扩频通信、配电载波、光纤等，但因无线扩频通信、双绞线、配电载波易受干扰、地形、雷击、组网模式、网络安全、建设成本等因素的影响，很难在地形复杂或者大规模的配电网系统中应用。随着光缆和光器件价格下降，光纤通信展示了独特的优越性。而GPRS由于其覆盖面广、网络成熟、成本低廉等，则可以作为与各馈线终端设备通信通道的首选。目前比较合理的配电网通信系统建设方案是，在配电网主站与各变电站之间，采用光纤通道作为主干通信通道；在配电网主站/配电网子站与大量的配电网终端设备之间采用价格低廉和不受地域及距离限制的GPRS作为通信通道。

6、基于GPRS的配电网自动化通信系统方案
　　在某供电公司的基于GPRS通信系统的试点方案中，制订了以中国移动的GSM/GPRS网络为通信平台、采用GPRS承载方式提供透明数据传输通道以满足配电网自动化系统数据传输应用需求的原则，一期规模按主站系统一套、终端设备300套考虑。主要实施情况如下。

（1）配电自动化主站的接入
　　GPRS为配电网自动化主站提供了多种接入方式，可以结合GPRS的网络特点和应用领域的具体要求组网，根据业务数据量、时延、可靠性要求、数据保密性、网络状况等进行选择。方案一为GPRS点对点接入，适合总数据带宽需求不太大的应用，例如使用Polling传输协议的数据采集系统。全部数据在GPRS网内运行，所有终端接入到同一个专有APN，终端之间可以直接通信，主站的GPRS数据终端接入点绑定固定IP地址(即至少提供一个绑定移动内网固定IP地址的SIM卡)。方案二为Internet接入方式，GRE隧道与RADIUS可选。GRE 两端地址、RADIUS SERVER 地址和企业路由器端口地址都必须是公有的。考虑到IP地址广播，企业端的路由器端口地址，GRE 隧道端地址，RADIUS Server 地址由为该企业提供Internet连接的ISP提供，不存在跨区域的问题，企业数据中心服务器与GGSN服务器不必在同一城市。方案三为专线接入，适合电力、工业监控等行业使用。主站通过专线接入GPRS路由器，移动提供公有或移动私有IP地址。数据安全性好，稳定可靠，传输延迟小。方案四为直接接入，适用于没有接入Internet、而且对安全要求极高的企业，如金融、证券等行业。企业在运营商一端放置GRE路由器，路由器不经过GPRS防火墙直接接入GPRS内部网络。

　　综合考虑，本方案选择方案三专线接入方式。

（2）GPRS与配电网自动化系统的软件接口
　　GPRS数据中心与应用软件接口有动态连接库(DLL)和GPRS数据中心服务程序转发两种方式。动态连接库方式需要进行接口程序的编程与开发。对于不希望对原有系统应用软件进行改动的应用,可采用GPRS数据中心服务程序与应用系统软件之间进行数据转发,包括实际串行口转发、虚拟串行口转发、UDP/IP转发、TCP/IP转发等连接方式。

　　本方案采用动态连接库方式。

（3）终端设备的接入
　　对于终端设备，中国移动GPRS网络提供了CMNET和APN两种网络接入方式，CMNET通常用于公众用户接入Internet，APN针对电力等行业使用。APN用户通常在一个组内，需要设定用户名和密码，具有更好的安全性，适用于行业用户。此外，APN用户可以申请绑定移动内网的固定IP地址。各配变的馈线终端设备FTU、配变检测仪TTU以及智能电度表均通过DEP－4027智能通信控制器经GPRS MODEM与GPRS网络相连，可实现点对点、中心对多点以及多点之间实时对等的数据传输。其中，专用的GPRS MODEM采用了32位CPU，内嵌标准TCP/IP协议，并提供相应的串行口通信协议和C语言接口函数。通过该MODEM可以实现IP之间的点对点和点对多点的数据传输，还可用于其它需要进行无线数据传输的嵌入式应用。GPRS MODEM连接简单，只需5条外部接口信号线 （VCC/GND1/GND2/TXD/RXD）。它尺寸小，只有96mm * 51mm * 15mm，重量80克，采用+4V- +16V的直流电源，通信速率为上行42KB下行84KB，支持标准的AT命令集（GSM 07.07 和07.05接口）和RS232电平接口，工作在GSM/GPRS系统双频段900/1800MHz 。

7、实施效果
　　通过一段时间的运行，对以下几个方面进行了验证。

• 总体传输效率与稳定性：经实际测试，网络的数据传输质量和稳定性较好。考虑到数据传输的冗余性和效率问题，采用UDP传输业务数据，采用TCP传输无容错处理的文件数据。
• 用户数据传输效率(用户数据占网络层总数据的比例)：采用不同的组网方式、不同的数据包长度，有不同的传输效率。按当前最长所能支持的最大用户数据包长的情况即1024字节考虑，如果仅支持FTU主动发起到数据中心的数据传输，最大传输效率(w) = 97.3%；如果支持双向主动互传，最大传输效率(w) = 95.9%。
• 传输时延(从发送到接收数据之间的时间)：不同的数据包长度，传输的时延不同。一个100到200字节之间的数据包可在1秒内传完，200到1024字节的数据包平均可在1到3秒之间传完。
• 有效率（发送成功数据占总发送数据比例）：网络正常情况下数据包的成功率都在99.9%以上。
• 稳定性综合参数（有效率x传输效率）：网络有效带宽和最大传输单元(MTU)之间存在着极其重要的关系，MTU增大到200字节以上不会明显增加带宽，但会增大平均延迟，测试表明MTU的最优大小是250字节左右。
• 链路检测与激活：由于配电网数据需要不间断传输且实时性要求高，因此要设置“心跳”功能，以确保电路永远在线并激活，心跳间隔根据网络质量和应用要求进行设置。

8、结束语
　　GPRS为配电网自动化提供了一种交换可靠、扩展方便、建设方便、节省投资、维护量小的通信手段，既可用于新系统建设也可用于老系统扩建改造，既可单独使用也可与其它通信方式混和使用，其速率、误码率、安全性、QoS均能满足要求，为配电网自动化通信提供了新的平台新的选择，具有广阔的应用前景。

参考文献

1、陈堂 赵祖康，等（Chen Tang，Zhao Zukang， et al），配电系统及其自动化技术(POWER DISTRIBUTION AND AUTOMATION)，北京：中国电力出版社（Beijing: China Electric Power Press），2003

2、刘健, 倪建立，等(Liu Jian, Ni Jianli, et al),配电自动化系统(Distribution Automation System)，北京:中国水利水电出版社(Beijing: China Hydraulic Power Press)，2003，

3、韩斌杰（Han Binjie），GPRS原理及其网络优化(GPRS Principle and Its Optimaization)，北京：机械工业出版社(Beijing: Mechanical Industry Press)，2003

Study on the Application of GPRS for Distribution Management System

LIU Qingrui1GAO Jie2

(1 Sunrise Power Automation Co. Shanghai 200233; 2 Tianjin Eastern Urban Area Power Service Co. Tianjin 300000)

Abstract: Based upon the requirement analysis on the communication system of distribution management system, this paper describes the shortcomings and strong points of traditional communication media. After a brief introduction of GPRS technology, it is indicated that this communication technology is suitable for DMS application with long distance, distributed structure, frequent data transmission and less quantity of data. The communication scheme based on GPRS is feasible and necessary. The practical scheme and connection methods are provided, and the site test results are presented.

Key words: GPRS Communication Distributed Management System(DMS)

作者简介：

刘清瑞（1958－ ），男，河北邯郸人，高级工程师，从事电力自动化的科学研究与技术管理工作；e-mail: lqr@sunrise-power.com

高捷（1956－），男，江苏泰州人，教授级高级工程师，从事电网的运行、规划与技术管理工作。