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GPRS远程抄表系统

摘    要:本文提出了一种基于GPRS 的无线远程抄表系统设计原理和实现方案,简要介绍了GPRS 技术的基本知识,描述了GPRS 无线传输应用于电力数据传输的实现方法。通过实际应用,获得了理想的效果。

关键词:GPRS;DDN;电力;联网;抄表系统;

一、背景介绍

上世纪80年代末90年代初,中国开始了自动化抄表系统的试点工作。全国各供电企业基本建立了无线电电力负荷控制系统,虽然其主要建设目的是控制负荷,但也逐渐用于大用户的电能表抄表。1989年首套跨省网的电量计费系统在华北电网投入运行,北京供电局的电话抄表系统在90年代开始投入运行。1994年以色列居民集抄系统进入中国,全国各地供电企业大多都开展了低压电力载波技术试点。90年代中期,国内已有研制成功一批自动抄表系统的报道,2000年经全国电工仪器仪表标准化技术委员会秘书处召集生产、用户以及计量检测等20个成员单位组成《自动抄表系统》国家标准起草工作组,通过标准的制定有效地规范了市场和引导技术的发展。2004年现场用电管理终端作为负控和抄表需求的融合产品产生,并陆续在浙江电网和广东电网大量推广使用。2005年国家电网公司颁布《关于加强电力营销现代化的建设意见》的406号文后,中国迎来了远程抄表发展的黄金时期。从2005年N2007年各电力公司基本实现了发电侧、供电侧及终端侧315kVA及以上大用户的电能自动抄表,全国估计有几十万个采集终端投入应用,成为目前世界发展很快的市场。2007年部分省市电力公司又重新启动居民用户集中抄表系统工程,中国将至少具有十年的发展黄金时期。

近年来,随着我国住宅产业的高速发展,能源消费计量和管理的需要,以及广大居民生活水平的提高,对建筑智能化水平的要求越来越高,远程抄表系统得到了迅猛发展。这既是提高能源管理水平的需要,也是电子技术、通信技术和计算机技术迅速发展的必然。


二、同类方案对比

1、电力线载波抄表

以电力线作为传输信道,将数据信号调制为高频信号叠加在电力线上进行通信。此方式无需另外布线、易施工、成本低、与电网建设同步。目前国内10kV以上电压等级的高压电力线载波技术已较成熟,但低压电力线载波还未能达到令人满意的水平,制约了电力线载波抄表在我国的应用。原因在于电力载波信号存在着脉冲干扰,传输距离越远,信号衰减越大。低压电器电磁兼容性的控制尚不十分严格,低压电力线上存在的电磁污染严重,干扰大,影响载波通信的质量;另外,用户负载千变万化造成网络传输特性复杂多变,难以用准确的数学模型加以表征。因此,抗干扰是低压电力线载波技术必须克服的问题。

2、总线抄表

总线通信是目前国内自动抄表系统采用较多的一种通信方式,其数据传输速度较快,可靠,稳定,通信质量高。目前使用的总线通信方式有RS-232,RS-485,LonWorks等。但这种方式布线工作量大,通信信道易遭外界因素破坏,信道后续维护工作量大。

3、红外抄表

抄表员将录有用户信息的红外手持抄表器拿到居民区数据集中器附近,通过红外通讯方式集中采集各耗能表的数据,然后返回主站将数据传输到计算机中。这种方式在红外可视距离内能非接触的读取仪表数据,但速率较低,易受外界环境的影响。

4、GSM短信息抄表

GSM短信息抄表系统在用户端安装集控器和无线发射终端,将用户的耗能数据通过GSM网以短信息(SMS)的形式上传到GSM网的SMS中心,SMS中心将接收到的数据通过专线传递给能源管理部门。但每条短信息通信容量有限,系统实时性及可靠性较差,可能发生信息拥塞和丢失现象,不适合在业务量大的系统中应用。

5、GPRS抄表
GPRS抄表系统通过GPRS网连接至Intemet网与主站计算机进行通信。用户的数据经过GPRS模块处理、协议封装后发送出去,由GPRS接收模块接收经Intemet网络传送至主站,实现用户耗能数据和主站的实时在线连接。GPRS以GSM网络为基础,采用分组交换的传输方式,克服了GSM电路变换速率低、资源利用率差等缺点,较好地利用了现有的GSM网络资源。它的传输速率高,接入时间短,用户保持在线且按流量计费,迅速降低了服务成本,特别适合突发性小流量数据传输。

三、方案优点 

GPRS无线电力远程抄表系统具备如下特点:  

1、建设周期短,成本低:

GPRS无线网络可为电力系统提供了简单的通信传输手段。中国移动GPRS系统可提供广域的无线IP连接。在移动通信公司的GPRS业务平台上构建电力远程抄表系统,实现电表数据的无线数据传输具有可充分利用现有网络,缩短建设周期,降低建设成本的优点,而且设备安装方便、维护简单。 

2、实时性强: 

由于GPRS具有实时在线特性,系统无时延,无需轮巡就可以同步接收、处理所有数据采集点的数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

3、可对电表设备进行远程控制: 

通过GPRS双向通讯方式还可实现对电表设备进行远程控制,进行参数调整、开关等控制作用。

4、集抄范围广:

GPRS覆盖范围广,在无线GPRS网络的覆盖范围之内,都可以完成对集抄的控制和管理。而且,扩容无限制,接入地点无限制,能满足山区,乡镇和跨地区的接入需求。 

5、系统的传输容量大: 

数据中心要和每一个电表数据采集点保持实时连接。由于电表数据采集点数量众多,系统要求能满足突发性数据传输的需要,而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。 

6、数据传送速率高: 

每个电表数据采集点每次数据传输量在10Kbps之内。GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s,目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右,满足本系统数据传输速率(≥10Kbps)的需求。 

7、通信费用低:采用包月计费方式,运营成本低。 

8、系统易于扩展和维护。

由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络,因此监测中心计算机需要一个固定的IP地址或固定的域名,各个电表数据采集点采用GPRS模块通过IP地址或域名来访问该主机,从而进行数据通信。  

四、系统组成 

电表数据采集点位于居民小区的信息中心,居民用户的用电数据由复费率电表首先通过RS485接口通过双绞线连接到位于小区信息中心的电表集中器,电表集中器再通过RS232接口与GPRS透明数据传输终端相连。通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GPRS网络,通过GPRS网络传送至电力公司数据中心电力远程抄表系统,实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。电表集中器通过RS485接口直接连接到电表上,既可支持单个电表,也可以同时支持多个电表,实现对电表参数的采集,存储,预处理或并将采集到的电表数据实时传送到配电中心;同时,电表集中器还可将配电中心发送的遥控指令传给电表控制模块,对电表进行控制操作。     

1、公网接入方案   

服务器采用公网方式接入Internet,如ADSL拨号宽带上网,申请公网固定IP地址;可以实现中小容量的电表数据采集应用。   

2、专网接入方案   

服务器采用省移动通信公司提供的DDN专线, 申请配置固定IP地址,与GPRS网络相连。由于DDN专线可提供较高的带宽,当电表数据采集点数量增加,中心不用扩容即可满足需求,可实现大容量数据采集应用。   

监控中心服务器接受到GPRS网络传来的数据后先进行AAA认证,后传送到监控中心计算机主机,通过系统软件对数据进行还原显示,并进行数据处理,这样进一步增强了系统数据通信安全性能。   

配电中心计算机主机可进行业务管理和计费管理,对电力数据进行校验、计算、存储、分析、管理等,可对异常情况进行告警,同时对用户使用情况实时监控,保证电力局的合法收益。   、

GPRS移动数据传输网络:   

电表集中器采集的数据经GPRS网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理,转换成在公网数据传送的格式,通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输,传送到监控中心IP地址。各电表使用GPRS透明数据传输终端,通过移动的GPRS网络与配电中心相连。电表使用GPRS普通数据卡或APN专用数据卡,同时监控中心对各点GPRS终端编号进行登记, 并与采集点信息进行关联,以便识别和维护处理。采集中心运行数据采集中心系统软件,实时采集电表数据。   
 

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(图一)电力远程抄表示意图

凡电力局授权的信息采集点均可以使用本系统:   

电表数据采集点必须使用移动统一的APN卡,用户使用本卡只能用于与供电局数据中心通信。   

终端设备使用北京东方讯科技公司提供的CG12 DTU无线透明数据传输终端。产品基于中国移动的GPRS网络,具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点,提供标准RS232/RS485接口, 可直接与PC、单片机系统、RTU测控终端、PLC、GPS接收机、数据集中器等连接,具有远程诊断、测试、监管功能,满足各行业调度或控制中心与众多远端站点之间的数据采集和控制。

高度集成GPRS和TCP/IP技术,可实现点对点,点对多点等灵活的无线组网方式内置嵌入式CPU完成复杂的网络协议,支持PPP,ICMP,TCP,UDP,DNS等协议,为用户数据提供透明传输通道 。    

用户登记:符合供电局的规定。   

推荐配电中心通过公网使用APN接入到移动GPRS网,这种方式成本比较低,安全性比较高,而且速度和网络服务质量都保障;也可以通过GPRS专线接入到移动GPRS网,这种方式成本高,安全性高、稳定可靠。   

由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络,配电中心计算机主机配置固定的IP地址,各个电表数据采集点采用GPRS模块和该主机进行通信。

五、安全措施

在系统安全方面,本公司除了采用大型、多用户的SQL数据库、系统对用户实现分级授权管理和提供防火墙功能及完善的数据备份功能外,对GPRS网络无线数据监控中心还提供了安全技术解决方案,以确保数据可靠。

1、IP 过滤技术由于监控中心服务于GPRS子网用户,所有访问客户的IP必为GPRS子网内的IP ,即所有的用户必须通过CMNET才可能访问该服务器。因此,我们在系统中采用了IP过滤技术,对所有接受的数据包进行过滤,抛弃掉所有的非法IP数据报。这一过程就好像将系统置身于CMNET的防火墙保护之下,所有的非法用户只有先穿过了CMNET的安全防护才有可能访问到本系统,但对于安全措施非常强大的CMNET网络来说,这将是非常的困难。

2、身份授权和密码认证体系采用IP过滤技术尽管可以防止一些非CMNET网段用户的侵袭,但由于系统处于GPRS子网以外,IP过滤只能起到简单的安全防护,对于那些利用IP伪装技术的非法用户则无法识别。由于该系统是专业化的服务系统,访问客户是预先确定的,利用这一特点,我们在系统中采用了用户ID和密码验证技术,系统中存储了有所客户端的MAC地址以及密码,对通过了IP过滤的数据包,再验证其ID号和密码。对于该系统以外的非法用户,获取合法的MAC地址和密码将十分困难,所以极大地增加了系统的安全性。


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(图二) 数据安全技术解决方案示意图

3、数据安全加密通道系统采用标准的SSL数据安全通讯协议在客户端和服务器端建立加密数据通道,保证私有数据传输的安全性;系统在应用层植入高可靠性的加密算法,使得数据在任何网络出错时都可以得到保证的高可靠性;采用MD5算法产生“报文摘要”已实现对所有发送报文的数字签名,保证了数据传输过程中的完整性,防止数据被篡改。

4、访问过程跟踪系统对所有的访问过程进行日志记录,包括用户身份、IP、时间、数字签名、操作事项等信息,向系统管理人员提供了详细、完整、有效的操作证明。

六、 总结

就电力部门来说,远程抄表一直是一件非常头疼的事情,需要投入大量的人力、物力和财力。因为数量众多,地理位置分散,给工作人员带来极大的不便。如今电力公司可利用GPRS移动数据网络对各重要电力节点、大用户电表进行监控,自动读取相关数据并加以分析,还可进一步进行远程控制或设备维护,可减少人力资源、缩短修护时间并节省专线建设成本。

采用GPRS无线传输数据通讯方法解决了远程抄表系统的通讯问题,比起其它有线通讯方式有着不可比拟的优越性。随着GPRS网络的逐渐完善和应用技术的不断成熟,GPRS的应用领域也会越来越广阔。本文介绍的GPRS无线传输系统可推广至各种金融,水务,环保,煤气,交通等行业应用当中去。


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