基于GPRS的低压电力线载波阻抗自动测试系统设计与应用.pdf

总第 4 9 卷第5 5 5 期 2 0 1 2 年第 3 期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e nt a t i o n VO l _ 4 9 No 5 5 5 M a r 2 01 2 基于G P R S 的低压电力线载波阻抗 自动测试系统 设计与应用 吴小燕 ， 王学伟 ， 陆以彪 ， 韩东 ( 1 北京化工大学， 北京 1 0 0 0 2 9 ； 2 黑龙江省 电力科 学研 究院， 哈 尔滨 1 5 0 0 3 0 ) 摘要： 论述了低压电力线载波通信的应用及其信道特性研究现状， 指出低压电力线载波阻抗研究缺陷及其测试 的重要性 ； 其次 ， 设计了基于G P R S 的低压 电力线载波阻抗 自动i 贝 0 试系统 ， 同时 阐述 了系统的构成及组 网方案 ； 最后， 分析系统功能需求， 开发了系统主站管理软件， 并着重介绍系统功能和系统主站管理软件设计开发的关 键技术。该系统在不同时间、 不同地点均稳定运行， 采集的阻抗测试数据为低压电力线阻抗特性研究和阻抗匹 配提供了参考。 关键词 ： 载波阻抗 ； G P R S ； 远程测试 ； 网络通信 中图分类号 ： T M 9 3 0 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 1 一 1 3 9 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 5 4 0 5 De s i g n f o r ATS o f Lo w Vo l t a g e Po we r Li ne Ca r r i e r I mpe da nc e Ba s e d o n GPRS a nd I t s Ap p l i c a t i o n W U Xi a o - y a n ， W ANG Xu e we i ，LU Yi -b i a o ，HAN Do ng 2 ( 1 B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e m i c a l T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ， C h i n a 2 H e i l o n g j i a n g E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Ha r b i n 1 5 0 0 3 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th i s p a p e r fir s t l y o u t l i n e s t he a pp l i c a t i o ns o f l o w v o l t a g e p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n ， a n d t he c u r r e n t r e s e a r c h a c t u a l i t y o f i t s c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s Th e p r o b l e m o f c a r r i e r i mp e d a n c e r e s e a r c h i s p r e s e n t e d ，a n d t h e i mp o r t a n c e o f c a r r i e r i mp e d a n c e me a s u r e me n t i s e mp h a s i z e d S e c o n d l y ， a r e mo t e AT S o f c a rri e r i mp e d a n c e o v e r l o w v o l t a g e p o we r l i n e i s d e s i g n e d，wh o s e f r a me wo r k a n d r e a l i z a t i o n s c he me s a r e a l s o i l l u s t r a t e dFi na l l y ，a c c o r d i n g t o t h e f u n c t i o n a l r e q u i r e me n t s ， t h e s y s t e m ma n a g e me n t s o f t wa r e i s d e v e l o p e d T h i s a r t i c l e f o c u s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n o f t he s y s t e m f u n c t i o ns a n d s o me k e y d e v e l o p me n t t e c h ni qu e s o f t h e s o hwa r e W h e n e v e r a n d wh e r e v e r t he s y s t e m i s ， i t wo r k s s t a b l y ， a c q u i r i n g i mp e d a n c e me a s u r e me n t d a t a wh i c h p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r l o w v o l t a g e p o we r l i n e i mp e d a n c e c ha r a c t e r i s t i c s r e s e a r c h a n d i mp e d a n c e ma t c h i n g Ke y wo r d s： c a r r i e r i mp e d a n c e ， GPRS ， r e mo t e t e s t ， n e t wo r k c o mmun i c a t i o n 0引 言 低压电力线载波通信 以其覆盖范围广、连接方 便 、投资成本低等优势而成为近些年 的研究热点 ， 广 泛应用于 自动抄表 、 新 型智能化小 区、 家居智能化等 领域 。 但是， 目 前这项技术要大面积、 多领域推广， 仍 然需要解决许多技术难题。其中 ， 低压电力线载波通 信信道研究是关键问题之一 。 电力线信道特性分析是当前电力线载波通信研 究的一个重要内容， 也是提高通信可靠性的前提。与 国外相比， 我国低压电网通信环境恶劣， 电力线信道 特性复杂， 突出表现是噪声干扰强 、 信道阻抗特性复 5 4 杂、 信号衰减大、 随机性与时变性强， 并存在严重的多 径效应 一 ， 难 以找到一个精确的数学模型加 以描述 。 目 前， 信道噪声的研究已取得较好的进展， 对有色背 景噪声、 窄带噪声、 与工频异步的周期性脉冲噪声 、 与 工频同步的周期性脉冲噪声、随机脉冲噪声这5 类噪 声均 已建模 。而载波阻抗的研究多以定性分析和实 验测试数据分析为主，缺少实际有效的测试手段 ， 限 制了低压电力线载波通信系统性能的改进。 低压电力线载波阻抗 与各种负载在电力线上接 人与切出时间、 分布地点相关， 具有复杂性与随机性。 由它们所形成的“ 载波陷阱” 、 “ 载波黑洞” 可使载波 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 5期 2 0 1 2年第 3期 电测 与仪 表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e nt a t i o n VOI 49 No 5 5 5 Mar 2 0 1 2 产生大衰减甚至中断传输。因而， 低压电力线载波阻 抗的测试 与匹配是实现低压 电力线载波通信稳定 可 靠至关重要的一步。 本文设计了基于G P R S 的低压电力线载波阻抗 自 动测试系统 ， 论述 了其构成与组网技术 ； 在分析系统 功能需求的基础上开发了相应的主站管理软件， 并重 点介绍系统功能； 最后给出系统应用实例。 1 系统设计 1 1 系统 构成 G P R S 在传统的G S M网络中引入P C U ( 分组控制 - 单元 ) 、 S G S N ( G P R S ) 务支持节点) 和G G S N ( G P R S 网 关支持节点) 3 个功能实体， 支持I n te r n e t 上广泛应用的 I P 协议 和x 2 5 协议 ， 能提供I n t e r r l e t 网络的全球性无线 接人， 为远程测试系统的发展提供了一种有效的解决 方案 。 本文设计 的远程 自动测试系统 由低压 电力线载 波阻抗测试终端、 G P R S 通信模块 、 I n t e r n e t 接人设备 ( 路由器、 集线器或交换机) 、 主站监控计算机4 个硬件 部分和G P R S 、 I n t e r n e t 两大网络构成， 系统整体结构如 图l 所示 。 - 现场设备 图 1 系统 结构 F i g 1 S y s t e m s t r uc t ur e 阻抗测试终端主要完成低压电力 线载波阻抗测 试和数据采集两大工作。而每个G P R S 通信模块相当 于网络上 的一个节点 ， 负责数据及控制指令的T C P I P 协议打包和解包 ， 一方面将现场测试数据发往I n t e r n e t 上的主站监控计算机， 以便用户实时了解现场信道阻 抗状况 ；另一方面接收主站监控计算机 的控制指令 ， 驱动阻抗测试终端，实现真正的远程监控与数据采 集 。两部分通过R $ 2 3 2 串 口实现连接 ， 构成现场设备 。 1 2系统组 网方 案 基 于G P R S 的系统组网方式常见 的有直接接人 、 专线接人 、 G P R S 接入和I n t e r n e t 接人4 种 。 由上述系统 结构可知本系统采用的是I n t e r n e t 接人方式， 具体实现 方案是主站监控计算机使用固定的I P 地址和端口侦 听连接 ，并告知G P R S 终端 ， G P R S 终端登录网络后直 接向该地址发送连接请求，从而建立端到端的连接。 该方案组网简单 、 性能稳定 、 可靠性高、 用户使用难度 低。 2 系统功能 2 1 系统功 能 需求 低压电力线载波阻抗 自动测试系统需要实现 的 功能如下 ： ( 1 ) 各阻抗测试终端与主站监控计算机连接显示 功能； ( 2 ) 阻抗测试终端信息查询和修改功能； ( 3 ) 阻抗测试参数设置功能 ； ( 4 ) 阻抗测试终端工作状态获取功能 ； ( 5 ) 远程多载波频率阻抗 自动连续测试与数据保 存功能； ( 6 ) 现场U S B 连接 自动扫频阻抗测试功能 ； ( 7 ) 单、 三相电力线阻抗测量数据显示、 保存与清 除功能 ； ( 8 ) 现场阻抗测试终端与主站监控计算机时间同 步功能 ； ( 9 ) 系统管理设置功能 ； ( 1 o ) 系统异常状态处理功能。 2 2 主站管理软件功能介绍 根据上述 系统功能需求开发的系统主站管理软 件主界面如图2 所示， 由菜单区域、 多设备连接显示区 域 、 阻抗数据显示 区域 、 设备状态设置显示区域、 网络 工作状态显示区域和设备状态读回显示区域六大部 分组成， 实现的功能如下： ( 1 ) 设备连接显示功能 软件启动时 ， 主站监控计算机接收各阻抗测试终 端的连接请求及其I D 号， 在多设备连接显示区域依次 显示； 同时， 可在网络工作状态显示区域实时查看设 备与网络的连接状况及其登录网络的I P 地址与端 口。 一 5 5一 固 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 5期 2 0 1 2 年第3 期 电测与仪表 El e c t t i c a l M e a s u r e m e n t I n s t r ume n t at i o n Vo 1 49 No 5 5 5 M a r 2 0 1 2 采早 城卜 _ 郴 锵 黼 删 喇嘲 蝴 黼 钢癣 撬 蛳 端 黼嗽 一 凳 蕊 憨 璐 穗 瓣 鬻 熊 密 瓣 鼢 瓣 避 显 示区 域 3 1 l l 窖 耥 鳓 锄l 一 瓤 ： l 5 时 # ， 落 T “ 0 姆 曼 嬲 i i 瓤 ：2 D 0 瓣 麓 躺 巍 i ： 黜 8 B瓿 黝 鹘 黼 魁 ： 8 艚 聱 r 鞭 一 _ 粥 b l 2 2 3 秘 赫两 醑 f l 2 ：釉 3 帖 辫瓣 黼 常 藩 撵糗 蕊 磷 l蜷 撩 撩 l 缚 醐 毂 鬻l 丽 l 船 ： 拣2 7 瓤 就 甓 疆 ? 崩 垦 重堕 堡 l 瓣 i f - 2 2 ： 瓣 虢3 0 l 曼 2 2 ： 蛐 蚰 8 吼 j 瑚 嘛 l 2 1 掷“ 帮 1 2 燕 ： 帅 2 l 踟 l 2 # ： m 张 辐 晒 ； 扦 n i 黜 ： 脚 2 7 ：g 瓣 i 鼬 ： 翱 熟 l 神 l l 喀 2 0 1 1 , l , i璺 ： 2 0 舶 ： 辅 藕s 黼 融铸 0 诫 基 蠛 = l i 2 3 ： 0 0 # ” 淞 馥 褥 。 。 f 4 f氧 蠢 勰 ： 蛳稚。 豫日 i 雠 概 罄 l 囊 一 i 簿糖 | 。 蠹 0 g “ 一 “ 一 一 一 # 一 图2 系统主站管理软件主界 面 Fi g 2 M a i n u s e r i n t e r f a c e o f t h e s y s t e m ma n a g e me n t s o ftwa r e ( 2 ) 设备信息查询和修改功能 此功能在“ 设备信息” 菜单中实现。 用户可查询现 场阻抗测试终端的I D 号、 安装地点、 制造厂家信息， 并 可修改其安装地点和制造厂家。 ( 3 ) 阻抗测试参数设置功能 在“ 阻抗检测设 置” 菜单下可设置阻抗测试 的相 线( 单相或三相 ) 、 组问间隔( 两组测试的时间问隔 ) 、 频率测量方式 ( 单个频率测试或多个频率循环测试 ) 和测试频率点。 新设置的参数将在设备状态设置显示 区域中显示 ， 通过“ 设置发送” 操作传递给阻抗测试终 端。 ( 4 ) 设备状态读回显示功能 通过“ 状态读 回” 操作可及时获取阻抗测试终端 当前 的工作状态 ， 包括 时间 、 组间间隔、 频点间隔( 同 组中两个频率点测试的时间间隔) 、 测试频率 。“ 全部 频点” 操作还可返 回此终端测试 的所有频率点及其工 作方式。 ( 5 ) 远程多载波频率阻抗自动连续测试数据读回 功能 阻抗测试终端可全天按一定的时间间隔 自动且 连续地测试多个载波频率下低压电力线上 的阻抗 ， 并 保存测试数据。主站监控计算机通过“ 读 回阻抗检测 值” 远程操作可随时读回终端长期的测量值， 也可通 过设置上报时问控制终端 自动定时上传数据。 此功能 使 用户可以获知低压电力线载波阻抗在连续长时间 内的变化情况 ， 也节省了人力投入。 ( 6 ) 现场U S B 自动扫频测试功能 在现场U S B 连接方式下 ， 通过“ 阻抗实时测量 ” 操 一 5 6一 量 禁 ) 、置 显 示 区 域 盖 ) l 回 显 示 区 域 ， 作控制阻抗测试终端完成某个频段 ( 1 0 0 5 0 0 k Hz 范 围内) 自动连续测试工作并上传数据 。此功能使用户 可以获知低压 电力线载波阻抗在特定频带 内的变化 情况 。 ( 7 ) 数据显示 、 保存与清除功能 主站监控计算机对上传 的阻抗测试数据进行处 理、 保存后将其显示到主界面中。用户可设置e x c e l 数 据文件的保存路径 ， 也可通过“ 终端数据清除” 菜单清 除阻抗测试终端保存的最早一天数据或所有数据。 ( 8 ) 时间同步功能 更改“ 发送选择” ， 同样通过“ 设置发送” 操作可实 现阻抗测试终端与主站监控计算机时间同步。 此功能 保证测试数据与测试时间准确对应。 ( 9 ) 管理设置功能 可设置管理员密码 、 数据 自动上报 的时间与主站 监控计算机等待终端应答时间。此外， 在U S B 连接方 式下还可设置设备I D、 主站监控计算机I P 地址与侦听 端口、 阻抗测试频点间隔、 通信波特率。 ( 1 0 ) 异常状态处理功能 主站监控计算机在 等待应答时间内没有收到阻 抗测试终端应答就自动重发控制指令 ， 若多次重发后 仍无应答 ， 则主动断开连接 ； 阻抗测试终端每隔 l 0 分 钟向主站监控计算机发送心跳包 ， 主站监控计算机收 到心跳包后 自动回复， 保证 即使主站监控计算机长时 间无操作 ， 阻抗测试终端也不会掉线 。 3 系统主站管理软件设计开发 3 1 C l i e n t S e r v e r 结 构 本 文设计 开发 的系统 主站管理软件 采用 了C S 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9 卷第 5 5 5 期 2 0 1 2年第 3期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 5 5 M a t 2 01 2 ( C l i e n t S e r v e r ， 即客户机 服务器 ) 软件体系结构 。各 G P R S 通信模块作为网络 中的客户端 ，上 电初始化时 主动向主站监控计算机请求连接 ； 主站监控计算机作 为服务器， 在软件开启时即进入网络侦听状态， 及时 接受客户端 的连接请求 ， 建立 端到端 的连接 ， 此后便 基于此连接与客户端进行 网络通信。基于C S 结构开 发的系统主站管理软件具有强大的数据操作和事务 处理能力 ， 交互性强 ， 模型简单 ， 易于理解和接受。 3 2网络 通信 规 约 为了保证服务器与客户端在进程通信过程中正 确地传输信息， 本文对传输层协议、 应用层数据传输 协议都作 了明确的规定。 ( 1 ) 传输层协议的选择 传输层协议根据应用要求可选 择T C P 或U D P 。 T C P 提供面向连接的双向数据传输服务 ， 并通过复杂 的机制保证了传输的可靠性； U D P 实现相对简单， 传 输数据也较T C P 快 ， 但它提供 的是一种无 连接 、 不 可 靠的服务。由于本系统应用于电力领域， 对数据传输 的可靠性提出了严格的要求 ，加上G P R S 网络有时会 丢包 ( 丢包率 O 0 1 ) ， 因而选择 了T C P 协议 。 ( 2 ) 应用层数据传输协议的设计 虽然T C P 协议较U D P 协议可靠，但仅靠单一的传 输层协议并不能保证载波阻抗测试数据在无线 网络 环境中可靠地传输， 因此有必要设计本系统专用的应 用层数据传输协议 。 主站监控计算机与阻抗测试终端 采用主从应答 的方式传输数据。 主站远程控制命令和 终端应答通用 的数据格式分别如表1 、 表2 所示 。 发送端和接收端均采用L P C 校验机制 ， 接收端接 表1 主站远程控制命令格 式 T a b 1 F o r m o f h o s t r e m0 t e c o n t r o l c 0 mm a n d 表2 终端应答格 式 T a b 2 F o r ma t o f t e r mi n a l r e s p o n s e 收到数据后计算校验码并与接收到的校验码作比较 ， 以判断数据在传输过程 中是否出错 。 主站监控计算机 还根据接收到的应答状态值判 断上次命 令是否正确 发送 ， 若出错则 自动重发。 3 _ 3 基 于S o c k e t 和 多线程技术的服务器应用程序设计 S o c k e t J 套接字 ， 是一套标准 、 通用的T C P I P 编程 接口， 也是网络通信中可以被命名和寻址的端点。本 文基于流式套接字为客户机与服务器建立通道 ， 两端 进程分别调用各 自的S o c k e t A P I 实现数据通信。 同时， 本系统要求服务器可同时处理来 自多个客 户机 的信息 ， 单个线程显然无法实现 ， 采用 多线程技 术是一种必然。 主站管理软件开启运行时即启动侦听 线程 ， 进入等待连接状态 。服务器每接受一个连接就 建立一个新 的线程 ， 负责对应阻抗测试终端 的数据接 收和处理。 多线程技术的使用明显提高了程序的运行 效率 。服务器应用程序主流程如图3 所示。 4系统应用实例 本文设计 的低压 电力线载波阻抗 自动测试系统 经实验室考核后， 其实际应用案例如表3 所示， 使用单 位为黑龙江省电力科学研究院。 用户反映系统总体运 软件初始化并启动侦听线程 厂 J 二。二 = 三 二 l 1r是 接受连接并生成新的会话套接字 j 主站监控计算机发送远程控制命令 竺 坚 竺 i 二 二 = 垂釜 一 是 保存数据并显示 ( 结 束 ) 图3 服务器应用程序 主流程 图 Fi g 3 Ma i n p r o c e s s flo wc ha r t o f s e rve r a p pl i c a t i o n 一 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 5期 2 0 1 2年第 3期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e as ur e m e nt I n s t r ume n t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 5 5 M a r 2 0 1 2 表3 系统 实际应 用案例 Ta b。 3 Ac t u a l a p p l i c a t i o n c a s e s o f s y s t e m 系统开始运行时间 系统运行地点 2 0 0 9年 1 0月 2 0 1 0年 1 1 月 2 0 1 1 年 6月 哈尔滨市道里区建国路变电所 大庆萨尔图区绿色家园小区自 勺 f 氐 压变 电 室、换热站、H ! I 一 5单元开关箱 黑龙江省 电力科学研究院电能汁量中心 行隋况 良好 ， 可完整读 回阻抗测试终端长期测试数据。 5 结束语 基 于G P R S 设计的低压电力线载波阻抗 自动测试 系统 ， 无论从组网灵活性 、 系统运行经济 眭， 还是技术 先进性 、 安全性方面考虑 ， 都是很好 的选择 ， 具有实时 性强、 数据传输数率高、 数据吞吐量大、 通信安全可靠 等优点 。 。 该系统在不同的环境中均能长时间稳定运行 ， 系 统主站管理软件也可在运行过程 中实时 、 完整地读 回 阻抗测试终端长时间 自动测试的数据并保存 ， 为低压 电力线阻抗特性研究和阻抗匹配提供参考 。 ( 编者语： 本篇论文曾经刊载于( 2 o l 1 年电磁测量 技术及仪器学术年会 ，感谢作者在领域技术的贡献 与成就 ) 参 考 文 献 1 陈凤， 郑文刚， 申长军等 低压电力线载波通信技术及应用I J 1 _ 电力 系统保护与控制 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 2 2 ) ： 1 8 8 1 9 5 C H E N F e n g ，Z HE N G We n- g a n g ，S HE N C h a n g J u n ，e t a 1 L o w v o l t a g e P o we r Li n e Ca r r i e r、 Co mmun i c a t i o n Te c h n o l o g y a n d i t s A p p l i c a t i o n J 1 _ P o w e r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d C o n t r o l ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 2 2 ) ： 1 8 8 一l 9 5 【 2 孙海翠， 张金波 低压电力线载波通信技术研究与应用【 J 电测与 仪表 ， 2 0 0 6 ， 4 3 ( 4 8 8 ) ： 5 4 5 7 ， 4 3 S UN Ha i c u i ZHANG J i n b o Th e Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n o f T h e L o w Vo l t a g e P o w e r L i n e C a r r i e r C o mm u n i c a t i o n 【 J J E l e c t r i c a l 一 5 8一 _ 囊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m