GPRS无线通讯在无功补偿控制系统中的应用

导读：供电系统无功补偿控制中常需要对现场控制器进行远程控制投切、读取实时、历史数据和接收故障报警信号等，上位机和无功补偿终端之间通讯的命令和数据传输具有数据量小、定时或非定时及实时发送等特点，一方面需实现数据的上传，另一方面也需要下达各种传输、控制指令，即实现双向的数据、指令传输。传统的数据传输方式主要有数传电台、无线射频、电力载波等，这些传输方式存在覆盖范围、实时性、投资及运行维护费用等问题，同时对电网终端的无人值守运行存在较大困难。

供电系统无功补偿控制中常需要对现场控制器进行远程控制投切、读取实时、历史数据和接收故障报警信号等，上位机和无功补偿终端之间通讯的命令和数据传输具有数据量小、定时或非定时及实时发送等特点，一方面需实现数据的上传，另一方面也需要下达各种传输、控制指令，即实现双向的数据、指令传输。传统的数据传输方式主要有数传电台、无线射频、电力载波等，这些传输方式存在覆盖范围、实时性、投资及运行维护费用等问题，同时对电网终端的无人值守运行存在较大困难。

由于GSM网络的通信技术成熟，覆盖面又广，利用移动运营商提供的无线网络实现配电网数据采集和监控，是电力系统现代化的一个重要发展方向。如果配备GPRS通用无线分组业务)无线Modem，无论何时何地，只要有一部可以接入Internet的电脑作为服务器就能实现对分布各地的无功补偿控制器进行监控，也能实现移动监控。GPRS用于无线数据接入具有接入范围广、传输速率高、接入时间短、收费合理等优点，这些特点正适合类似无功补偿这种对多个终端实时监控的应用。

GPRS在GSM的基础上引入了分组控制单元(PCU)、服务支持节点(SGSN)和网关支持节点(GGSN)等新部件而构成的无线数据传输系统，其用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。基于GPRS网的数据传输结构如图1所示。具体的数据传输流程为：

* GPRS终端通过串行接口从客户系统中取出用户数据;

* 处理后以GPRS分组数据的形式发送到GSM基站;

* 分组数据经SGSN封装后，发送到GPRS IP骨干网;

若PC机服务器以拨号方式接入Internet，即PC机为移动GPRS内部网分配的动态IP地址，则分组数据先发送到目的SGSN，再经GSM基站发送到与PC机相连的GPRS终端;若PC机以专线接入因特网具有固定IP地址，则将分组数据包经GGSN进行协议转换后，发送到Internet公共网络。

由于数据通过Internet公网传输，为了保证数据的安全性，可以申请移动公司为接入用户建立VPDN(Virtual Private Dial-up Network)即虚拟拨号专网。其专用的网络加密和通信协议，可以在公共网络上建立安全的虚拟专网，远程用户可以通过虚拟的加密通道与服务器内部网络连接，而公共网络上的用户则无法穿过虚拟通过访问服务器。在基于GPRS网上承载VPDN不受地点限制，只需具有一台PC机服务器和GPRS终端即可，具有安全、方便、灵活的特点。

系统组成

本系统由现场无功补偿控制器、单片机控制GPRS通讯管理模块和服务器上位机三部分构成。终端使用基于DSP的无功补偿控制器，控制器安装在电网现场，对电网的电气参数进行采集监测，同时记录、分析并计算采集数据，自动进行电容投切操作，在异常时主动发出报警信息，同时存储运行数据信息;基于MSP430单片机的GPRS通信管理模块是服务器与现场控制器之间的数据传输的桥梁，它使控制器获得的电网参数通过GPRS网络能够及时传送到服务器计算机;上位机服务器主要完成对终端传来的数据、报警信息进行处理并对各终端的历史数据进行管理，是主要的人机接口。

通讯管理模块主要由TI公司的16位低功耗单片机MSP430F448及其外围电路构成，GPRS模块使用Siemens公司的MC35。终端的GPRS无线上网主要通过单片机控制MC35来实现。F448单片机具有2个可编程串行通讯口，其中UART0工作在同步通信方式和DSP的SPI接口相连，DSP工作在主机模式，F448工作在从机模式。UART1通过MAX232电平转换芯片和MC35的串行数据口相连作为AT指令和数据的传输通道。单片机通过串口中断程序及时处理GPRS终端收到的上位机指令，并及时传送给DSP。

F448带有液晶驱动模块，通过外接一个液晶显示器和键盘，用户就可以在现场手动进行参数设置，并查看电网实时数据、电容的投切状态和各种故障报警信息。外接flash型数据存储器AT45DB041，存储容量为528KB，主要作为收发数据的暂存器。

TCP/IP协议的实现

在本系统中，需要利用TCP/IP协议来完成GPRS业务数据的装帧和拆帧，在这里我们采用在MSP430F448中软件嵌入TCP/IP协议栈uIP的方法来实现TCP/IP协议。使用TCP/IP协议进行数据通信分为三个阶段：

1) 建立连接阶段：使用OPEN命令帧控制MC35主动向服务器发起连接请求，服务器在本地侦听一个端口，收到终端的请求后进行回应并最终握手建链成功，进入数据状态。

2) 当连接建立后，就可以在这条连接上进行数据收发。使用SEND命令帧控制MC35发送数据，发送时要指定连接号(由本地端口、目的IP地址和端口唯一确定)。

3) 数据发送完成后不再需要这条连接时，就可以把连接挂断。

在这里我们采用在MSP430F448中软件嵌入TCP/IP协议栈uIP的方法来实现TCP/IP协议。uIP是一种免费公开源代码的小型TCP/IP协议栈，专门为8位和16位MCU编写。uIP完全是用C语言编写，它采用了一个事件驱动接口，通过调用应用程序响应事件。uIP的源代码只有几KB，RAM占用仅几百字节，但uIP实现了TCP/IP协议集的四个基本协议:ARP地址解析协议，IP网际互联协议，ICMP网络控制报文协议和TCP传输控制协议。用户可以方便的调用接口函数来实现TCP/IP协议。

uIP与系统底层的接口包括与设备驱动的接口和系统定时器的接口两类。在程序的主循环中，底层接口程序循环检查是否收到数据包和周期定时器是否超时溢出。TCP/IP协议程序中主控环程序流程如图3所示。

uIP通过函数uip_input()和全局变量uip_buf、uip_len来实现与设备驱动的接口，收发IP数据包时触发应用程序接口事件。应用程序事件1主要是对数据包的处理：当数据来自MCU时则进行TCP/IP打包然后送GPRS模块发送到Internet网络;当收到来自GPRS模块的数据时则进行相应的解包处理，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现错误，TCP/IP栈会要求重发，然后将数据通过串口送控制器。uIP协议栈提供了一系列接口函数供用户程序调用，这使得我们不需要了解数据的具体处理过程，只需要调用相应的接口函数把数据送上层应用程序即可。

系统定时器使用msp430f448的16位定时器Timer_B作为时钟基准，定时周期设为1s。定时器主要用于处理数据传输错误重发、应答延时、往返时间(RTT)估计等。应用程序事件2主要是对定时器超时事件的处理：当TCP连接建立时，uIP周期性调用函数uip_periodic()来驱动TCP/IP协议定时器和重发事件。当数据发送后，转发定时器进行减计数，如果在一个定时器周期内没收到接收端的确认(ACK)消息，发送端就认为这个数据丢失置标志位，应用程序检查标志则产生上次发送的数据并重发。

为保证无功补偿控制的实时性要求，对于对方主动发起TCP连接、对方发来数据、对方主动释放TCP连接、GPRS断线和重连成功等事件都可以通过中断通知给F448单片机，以便单片机进行相应处理和操作。对于这些事件必须及时进行处理，以便及时反映通信情况，并且避免相关的事件缓冲区和数据缓冲区溢出。

由于电力系统无功补偿测控终端一般都安装野外环境中，地点偏远，无人值守，设备必须能够在特殊的环境下长期、稳定工作。因此在软件上设定系统具有自动拨号、断线重拨功能。在GPRS网络状态不稳定时，具有自动恢复通讯能力，保证系统稳定工作，无需人为干预。另外在电源抗干扰及散热等方面也要特殊设计，使终端设备能适应恶劣工作环境。

服务器软件设计

服务器端人机接口为用户提供一个可视化的监测界面，可以直观、方便、快捷地了解电网和控制器的运行状态，及时发现处理异常和故障情况。软件采用图形化编程界面软件C++ Builder开发，根据不同的功能分为用户界面子系统、数据管理子系统和网络通讯服务子系统。主要完成的功能有无线通讯处理，数据处理，报表分析统计等。

用户界面子系统作为主要的人机交互界面，可以根据用户查询实时显示终端电网三相电压、电流、功率和功率因数等参数，并可采用模拟指示灯、图表、动态曲线跟踪等直观的显示方式，用户可针对终端的运行情况发出各种控制指令;数据管理子系统实现整点数据、投切记录、停电数据、故障数据等信息的数据库存储，可以根据要求调出控制器和电网的三个月内的运行数据，用户通过该子系统可以选择查询历史纪录、历史曲线、历史报警记录、历史报警曲线，实施权限修改、插入、报表打印等功能。

网络通讯服务子系统采用C++ Builder的Socket控件和多线程技术来实现。由于服务器采用一对多的通讯方式，为防止当有多个终端同时和服务器进行通讯时发生信息阻塞，以保证通讯的实时性和可靠性，程序中使用线程技术来处理服务器与每一个终端的连接。启动GPRS并初始化完成后，使用辅助线程来监听Socket端口，当有数据到达时，辅助线程通过事件通知主线程处理收到的网络协议数据包。主线程创建副线程来处理该次连接，在副线程中读取数据并判断是否正确，正确则保存数据，错误就将该数据包丢弃，数据处理完成后终止副线程，继续监听断开。

结语

本文介绍的GPRS无线数据传输系统经西安达泰电子公司进行了长达半年的运行测试，主机在西安市区，16个控制终端分布在近郊各地的变电站。测试结果表明系统的组网费用节约40%_50%，人工出修率不到以前的1/3。其总体的精度指标、实时性指标、容量指标、可靠性指标均优于或等同于传统数传系统。只是系统有时会因移动通信网络的覆盖范围和信号质量问题而出现响应超时或停止响应，但这种情况发生的概率很低，可以通过软件容错和重发机制解决。

采用GPRS网络远程数据通讯比其它专线或射频通讯方式有不可比拟的优越性，该通信系统具有连接方便、扩充性好、成本低、维护工作量小等特点。在电力系统电网自动化管理和实时监控中使用GPRS无线网络通过Internet传输数据，将会具有很好的应用前景。

原标题：GPRS无线通讯在无功补偿控制系统中的应用