概述
GPRS监控系统是应用计算机技术和GPRS网络通讯技术开发的一种新型监控系统。该系统可遥测配电自动化系统中的各相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数，记录停电开始和结束时间等。并可实现对系统相关参数的设置，以及对电压、电流的越限进行报警、线损统计等功能。
基于GPRS 的电能远程抄表与监控系统由远程集抄终端、GPRS 数据传输、互联网传输和监控管理中心四部分组成。监控主机到远程终端设备的通讯信道为GPRS 网络通讯方式，其具有通讯距离远，可靠性高，综合投资成本较低等优点。
系统工作过程：用户电能表采集器与集中器之间基于现有电网，通过低压（220/380V）电力线进行载波通信。集中控制器再通过RS232 接口与GPRS 透明数据传输终端相连。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 网络传送至用电管理中心，实现电表数据和用电管理中心的实时在线连接。
技术原理
（1）网络通信：
①传输协议的选择
网络通信是本系统的一个重要组成部分，它作为监控中心与各现场监测点信息交换的枢纽，对系统的性能、可靠性、稳定性起着非常重要的作用。通过GPRS 网络以及Internet 进行数据传输，首先要解决传输协议的选择问题。目前应用最为广泛的两种传输层协议分别为UDP 和TCP，至于如何选择，并没有明确的标准，需要根据系统实际情况进行分析比较。UDP 协议称为不可靠的传输协议[2]，它不提供数据传送的保证机制。故如果从发送方到接收方的传递过程中出现数据报丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示，也不能进行恢复。所以，它一般是应用在数据传输量不大且可靠性要求不高的场合。TCP 协议是面向连接的可靠的数据传输协议[3]，它本身具有很高的数据安全性，提供可靠的、有序的、端到端的数据传输服务，一般应用在数据传输量大或可靠性要求高的场合。由于电能表数据传输量相对比较大，并且是在Internet 中进行传输，网络环境比较复杂，且对数据的可靠性、准确性要求比较高，所以决定采用TCP 协议进行数据传输。
②利用Winsock 实现网络通信
Winsock 规范定义了一个网络平台上开发Windows 程序的接口标准，它以动态连接库的方式来实现Socket 接口。Windows系统中利用Socket 进行网络通信主要有两种套接字方式：数据报套接字和流式套接字。数据报套接字是基于UDP 协议的，提供无连接的数据传输。它的优点是传输速度快，但不能保证数据传输的可靠性、有序性和无重复性。而流式套接字使用TCP 协议，提供有序的、可靠的、双向的、连接的、无重复的比特流传输机。基于TCP 协议的流式套接字，提供了一系列的数据纠错功能，可以保证在网络上传输的数据及时、无误地到达对方。由于本系统采用TCP 协议进行数据传输，故采用流式套接字进行网络通信。Winsock 为Windows 下网络异步通信提供了一种方便开发和运行的坏境，网络应用程序不直接与TCP/IP 核心打交道，而与网络应用编程界面（Socket）打交道。在网络通信模块中，按照客户机/服务器模式，采用流式套接字。
在流式套接字中，服务器首先启动，通过调用Socket（）方法建立一个套接字，设置服务器监听端，然后调用Bind（）方法将该套接字和本地网络地址联系在一起，再调用Listen（）方法使套接字做好侦听的准备，并规定它的请求队列的长度，之后就调用Accept（）来接受连接。客户在建立套接字后就可调用Connect（）方法和服务器建立连接。连接一旦建立，客户机和服务器之间就可以通过调用send（）和receive（）方法来发送和接收数据。最后，等数据传送结束后，双方调用Close（）方法关闭套接字。
（2）监控管理中心：
监控管理中心采用客户机/服务器（C/S 体系）模式，由中心工作站和数据库服务器组成。中心工作站负责与终端通信及数据的采集和处理，数据库服务器则负责数据存储和转发，并通过人机界面进行查询、分析等各种操作实现对原始数据的处理，形成各类报表。C/S 网络模型，即客户机首先向服务器提出请求，服务器对请求做相应的处理并执行被请求的任务，然后将结果返回给客户机。这种通信方式隐含了在建立客户机/服务器间通信时的非对称性，服务器进程一般是先于客户请求启动，并一直随系统运行而存在，直到被终止。采用C/S 模式的应用系统能够充分共享服务器资源，如CPU资源、存储器资源等，并且能够充分发挥服务器的强大处理功能[5]。采用C/S 模式，网络系统的资源利用率同样可以容易地达到理想的程度。因为在客户机/服务器之间传递的信息只是服务请求和服务结果，网络中没有必要传输大量数据或文件内容，可以大大地节省通信带宽，减少网络负荷。
①开发环境的选型
监控管理中心软件基于Windows 2000 及以上操作系统，以Microsoft Visual C++ 6.0 为工具开发而成。Visual C++是一种可视化、面向对象和采用事件驱动方式的程序开发工具，其功能强大，代码执行速度快、效率高，并且对底层操作有明显的优越性[6]。网络数据库采用目前流行的SQL SERVER 数据库进行数据查询和数据存储，使用标准的SQL 数据库查询语言定义及操作数据库。SQL SERVER 数据库支持并行操作的动态扩展，能够为用户的二次开发提供保证。
②功能模块设计
基于GPRS的远程抄表与监控系统在软件设计上主要体现远程抄表、实时监控和防窃电方面的功能。系统主要功能包括系统设置、抄表与控制、变压器监控、电费管理和报警处理模块。
③监控管理系统主界面
基于GPRS 的电能远程抄表与监控系统软件，具有良好的用户交互界面，且操作使用方便。启动远程抄表与监控系统软件，并输入相应的用户名和密码，即可进入系统主界面，如图4 所示。从图中可看出，远程抄表与监控系统软件主界面由系统设置、网络通讯、抄表与控制、档案管理、统计分析、图形曲线、报警管理、打印等九个菜单项，每个菜单项下各不同的子菜单。系统软件用于实时监视与记录现场运行数据，开关控制，自动生成报表和图形，并且具有综合分析功能。
国内发展和应用现状
我国DMS的发展由于起步较晚，基础较为薄弱，在配网综合自动技术方面主要有以下几个突破。
1、智能化装景FTU，应用微机技术，实现了对一次设备的远方监控，为配网计算机分布式实时网结构的引入和实现创造了条件；
2、自动重组：配电环网开关采用电动操作式符合开关，并用微机故障识别、监控的保护方式取代了使用短路器的传统继电保护方式，可方便的实现配网的故障隔离、恢复供电和网络优化等功能；
3、开放的、分布式实时网络结构：实现了微机就地监控和远方通信功能的分离，为配网的调度、管理、运行、控制、通信及地理信息系统提供了良好的界面。
随着通信技术的目益成熟，重合器配合远方控制方式正成为配网自动化的主流方向。它是借助现代通信技术将运行于恶劣环境(一般是指户外、柱上)的终端单元FTU(FeederTerminalUnit)、变电站内监控单元组织起来，成为一个自动化的集成系统，完成对配电网的保护、控制与管理功能。实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制以及用电和配电管理的自动化，最终实现以大幅度提高供电可靠性、改善电能质量为目标的对配电系统在线的、准实时的闭环控制。
国内起步较晚，但随着电网改造的深入和国内对电力供电质量要求的提高，对配电电网的运行提出了更高的要求．国内不少大的电力继保厂家也正在研制开发，具体应用到现场并不多。
国外发展和应用现状
在电力系统自动化发展过程中，变电站综合自动化技术首先得到足够的重视、研究和发展，相比之下，配网技术却因设备、使用环境和保护方式等原因而滞后。西方发达国家于80年代末，开始应用配电自动化技术。90年代以来，欧美一些国家先后开放电力市场，日本在70年代就开始进行高电压大容量的配电方式，以解决大城市的配电问题，并着手开发依靠配电设各及继电保护进行配电网络自动化运行的方法，从80年代到现在已完成了计算机系统与配电设备配合的配电自动化系统，在主要城市的配电网络上投入运行，其中大规模的配电自动化系统可控制约4000个以上的中压开关，中小规模的配电自动化系统也可控制约1500个中压开关。由于配电自动化工作的深入，电网供电可靠性得到显著的提高，日本96年至97年度平均每户停电0．1次，每次平均8分钟，可靠性居全球之首。香港电灯公司的3000多个中压开关全部可以遥控。韩国、台湾于90年代也完成了局部配电系统的馈线自动化，并建立了自己配电自动化实验网络。
供应商信息
武汉市欣通电气有限公司
海盐普博电机有限公司
深圳市思利敏电力自动化有限公司
瑞士ABB公司
经典案例
5.2 配电网运行监测系统的测试
在研制了基于PLC通信的10kV配电网运行监测系统后，本文依据《中华人民共和国电力行业标准》进行了测试和现场实际运行试验。
5.2.1 PLC 通信系统的测试
对PLC通信系统的测试主要依据《中华人民共和国电力行业标准》DL/T 790.31来进行的。制定DL/T 790.3l标准的目的是限制信号传输设备之间的干扰、信号传输设备和其他设备之间的干扰，以及信号传输设备对灵敏电子设备的干扰。该标准文件中主要规定了中压、低压电网载波设备的要求，包括频带、输出电平、乱真输出等，以及3kHz～30MHz频率范围内的输出限值。
(1) 信号频率范围
该标准文件规定中低压电网载波设备的信号频率范围为3～500 kHz，而且该频率范围仅限于为供电目的使用，配电线载波系统不应对符合国际电信联盟IIU规定的无线电频带内的业务产生干扰。频率上限30MHz是根据国际无线电干扰特别委员会CISPR关于传导干扰的建议规定的。
(2) 标称输入输出阻抗
根据 GB/T 7255 和 GB/T 14430,30～500kHz 频率范围内的标称输入、输出阻抗典型值应为 75Ω（不平衡式)或 150Ω(平衡式)。
(3) 标称信号输出功率
标称信号输出功率有 2 个等级供选用：1W 级和 5W 级。
(4) 乱真输出
对于工作在 30kHz～500kHz 的 PLC 通信系统中，其标称工作频带范围以外的其它频谱输出不能超过 10μW。
按照上述要求对本文设计的 PLC 通信系统进行了测试，测试结果如下：
5.2.1.1 输出功率的测量
如图5-10所示，为PLC通信系统输出功率的测量原理图。将低频信号源TFG2000G从PLC通信系统的功率放大模块OPA548的输入测试点，注入频率为40kHz～500kHz的正弦波信号，调节输入信号幅度，用示波器观测功率放大电路的输出波形，当功放电路输出最大幅度时，用毫伏表测量耦合器输出假负载两端电压的有效值，75?假负载模拟10kV线路阻抗。根据电压有效值，就可以计算出功率来。如表5-1所示，为不同频率下PLC通信系统的最大输出功率。
从表5-1数据可以看出，PLC通信系统的最大输出功率满足小于5W的要求。上述数据是在阻抗匹配情况下测得的数据。实际上由于PLC线路上的阻抗特性很复杂，因此实际通信时，很难达到阻抗完全匹配，因此实际通信时，注入到PLC线路上的功率要比表中数据小。
5.2.1.2 本地乱真输出电平测量
如图5-11所示为PLC通信系统乱真输出电平测量原理图。在山西临汾市535线路上进行了乱真输出电平测量测试。保持PLC通信系统通过耦合器1向线路中相耦合通信信号，载波频率在40～500kHz范围内。通过相同型号的耦合器2向下耦合信号，耦合器2的低压侧接选频表，通过测量40～500kHz以外频率信号的电平，即可以测量出乱真输出，测量结果如表5-2所示。
从表5-2可以看出，在PLC通信系统未投入工作时，用选频表CS5023对线路上的信号进行了测试。选择了几个典型频率值，从数据上可以看出，所有信号的电平都很低，基本上是随机噪声信号中相应频率所产生的信号。当PLC通信系统的载波频率分别为150kHz和300kHz时，测量在观察频率下所有的乱真输出电平都小于-20dBm即全部小于10 μW 的要求。如果测量远端乱真输出，则各相应频率下的乱真电平将会更小。这说明了只要限制PLC通信系统的发送功率，完全可以满足配电载波通信不会对其它频段的信号产生干扰的要求。
5.2.2监测终端 FTU/TTU 的测试
对PLC通信系统的测试主要依据《中华人民共和国电力行业标准》DL/T 721来进行的。测试所用的实验平台采用ONLLY公司的微机型继电保护测试系统ONLLY-6108G，可以实现三路电压、三路电流同时输出，6个开入量节点，2个开出量节点。该仪器计量认证等级为0.2级等级度。
对于FTU/TTU单元，过流保护是关系到配电网安全可靠运行的关键。本文所设计的FTU单元与柱上开关配合，具备本地保护功能和远方遥控功能。对于远方保护功能主要采用了分段过流保护和速断保护两种方式的结合，保护的阈值，在FTU调试完毕后，有一个默认值，存放在ARM的内部掉电不消失的存储器中。除此之外，还可以通过PLC通信系统进行远方整定，整定值可以永久保存在FTU系统中。鉴于实验环境和条件的限制，主要进行了保护方面的电流、电压实验和测试，包括速断保护、定时限过流保护测试以及相关的电压、电流测量。
5.2.2.1 测试方案
测试过程中，测试仪和 FTU 之间的接线如图 5-12 所示。测试仪的三相电压、三相电流输出分别接 FTU 的 PT、CT；FTU 的继电器分闸信号输出接于测试仪的开入空节点 A；测试仪的开出空节点 1 别接 FTU 的开关量输入触点；
5.2.2.2 过流保护测试
按照设计要求，1.05倍的电流整定值可靠动作，0.95倍的电流整定值可靠不动作。FTU的过流定值设为5A，将测试仪的输出设定为90%的整定值4.5A，经反复测试FTU均可靠不动作。
将测试仪的电流变化步长设定为1%的TA二次侧额定电流值，即0.05A，FTU设为速断保护，测试仪输出电流从90%的整定值4.5A缓慢上升至保护装置可靠动作，记录此时动作电流值和动作时间，然后输出电流减小至FTU可靠返回，计算电流保护的返回系数，测试数据如表5-3所示：
从表5-3的数据可以看出，动作电流值和整定值之间的误差小于5%，满足设计要求。
给FTU设定过流保护延时整定值，将输出电流设定为1.2倍的整定值，测试动作时间，测试数据如表5-4：
从表5-4的数据可以看出，定时限过流保护动作时间与整定时间误差小于5%，满足设计要求。
调整交流输入电压分别为1V、5V、30V、60V、100V，电流分别为0.5V、1V、5V、25V、50A，测量数据如表5-5所示，对于10kV线路，要求FTU的测量值与外部测量仪器的误差应小于5%。
从表5-5的数据可知，对于FTU保护功能来说，电压测量误差小于2%，电流测量误差小于2%，满足要求。
5.3 配电网运行监测系统现场试验分析
5.3.1现场测试试验方案
在山西省临汾市供电公司的大力支持下，于2008年6月开始，本文研究的基于PLC通信的配电网运行系统，在临汾市某10kV线路上已经运行了近一年的时间。进行试运行的设备主要包括：3台自行研制的配电网智能一体化开关（智能开关内部包括：PLC通信远方终端、FTU等），1台PLC通信线路管理主控单元。
配电网智能一体化开关集真空断路器、PLC通信系统、FTU单元、耦合器、小型10kV供电电源于一体，是具有电力线载波通信远程测控功能的开关，是实现配电网自动化的重要组成部分之一，也是提高配电网可靠性的关键技术之一。该开关是具有自主知识产权的配电网自动化新型设备。它很好地解决了传统柱上配电网开关系统存在的诸多问题：如开关测控、分合闸控制需要外置的10kV电源来供电；开关测控装置、通信装置在户外与开关分体安装。这种自动化开关结构，元器件多、接线复杂，安装和运行检修困难，特别是电源、测控装置和通讯装置安装在户外，运行环境恶劣容易发生故障。
如图5-13为本文研制的智能开关用FTU单元，如图5-14是本文研制的PLC通信线路管理主控单元，如图5-15是正在10kV配电网上运行的一体化载波通信智能开关。为了测试本文所研制的基于PLC通信的配电网运行监测系统的性能。我们在某10kV线路上搭建了如下的测试试验系统，如图5-16所示。
PLC通信主控单元与PC计算机安装在PLC试验基地实验室内，PLC通信主控单元通过高频电缆与耦合器低压侧相连；耦合器的高压侧连接到10kV线路的中相上，采用相地耦合方式。测试点B安装了2台智能一体化开关，为了便于测试，2台开关并联安装，主要为了测试远方遥控分、合闸时，保证不断电，因为测试点B的两台开关相当于联络开关，是不能随便断开的。测试点C安装了1台智能一体化开关，专门为了进行测试而特意安装的，配电变压器不带用户。测试点A到测试点B的距离约3.5km，测试点B到测试点C的距离约1.5km。
5.3.2试验内容
5.3.2.1 远方设置开关保护定值试验
通过测试点A的计算机界面进行操作，可以设置远方3个智能开关的过流保护阈值、速断保护阈值，还可以实现对智能开关定值的远方召唤等功能。操作界面如图5-17所示。当远方智能开关收到设置后，自动返回PLC通信主控单元发送的设定信息，以便实现确认。经过上百次试验，测试正确率达到了100％。
5.3.2.2 遥控分合闸试验
通过测试点A的计算机界面进行操作，可以对3个试验开关进行远方遥控分、合闸试验。由于测试点B的2个开关为联络开关，因此不能进行同时分闸实验。经过多次测试正确率达到100％。
5.3.2.3 开关过流保护与过流速断试验
将测试点C上的智能开关过流保护值分别设到0.1A和0.2A，速断电流设定为0.5A。设定延迟保护时间为：120％额定电流对应5S，150％额定电流为2S。对测试点C的开关进行了本地自动保护测试实验，成功率达到100％。
5.3.2.4 通信误码帧测试试验
测试点A的主控单元，与3个智能开关采用DNP3.0协议进行Poling方式的主从通信，主单元发送命令，从单元接收到命令，校验正确后回送数据。否则不回送数据。进行了数次连续1小时测试实验。测试结果如表5-6所示。
从表5-6中数据可以看出，误码率达到了较低的水平。实际误码率比表中数据还要低，因为1包数据中只要有1bit数据错误，校验就会出错。
参考文献
[1] 彭德林.基于GPRS的配电网自动化监控系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.
[2] 王利民.电力配电网微机监控软件系统研究与实现[D].山东：山东科技大学，2005.
[3] 谢志远.面向10kV配电网运行监测的电力线通信关键技术研究[D].保定：华北电力大学，2009.