GPRS无线应用方案之电力抄表.doc

涡阳供电公司电力无线抄表
通信解决方案

涡阳移动公司目 录
1. 概述 3
2. GPRS网络简介 3
2.1 什么是GPRS技术 3
2.2 GPRS无线通信网络特点： 4
2.3 GPRS技术的性能特点 5
3. GPRS网络的覆盖现状 5
4. 基于GPRS网络的无线数据传输系统 6
4.1 系统简介 6
4.2 基于GPRS无线数据传输系统结构 6
4.3 数据中心接入GPRS网络方法介绍 7
4.3.1 专线接入 7
4.3.2 无线GPRS Modem连接 8
4.3.3 ADSL拨号连接（动态公网IP地址） 9
4.3.4 通过固定公网IP连接 10
4.4 数据传输模式 11
4.4.1 永远在线模式 11
4.4.2 定时传输模式 11
4.4.3 中心呼叫模式（轮巡方式） 11
4.4.4 数据触发模式 11
4.5 GPRS DTU数据传输模块 12
4.5.1 基本特点 12
4.5.2 增强功能 12
4.5.3 传输效率 12
4.5.4 主要技术指标 13
4.6 基于GPRS无线数据传输系统特点 14
5. 设备投资及通信费用 14
5.1 设备投资 14
5.2 GPRS计费方式 14
6. 关于应用方案建议，以西安某电力公司为例 15
6.1 电力组网示意图： 15
7. 中国移动服务与承诺 17
8. 几种数据采集常用通信方式比较 19

1. 概述
电力自动化，通信应先行。凡是有电力线的地方，就有电力通信网，这是电力通信追求的目标。
“十五”期间，电力系统通信关键技术是电力工业重点开展研究的技术领域之一。城市配电网络自动化系统是电力部门改善供电质量提高供电能力的重要措施，分布在路电线杆上、大楼内的配电开关、配电变压器、开闭所、公用及用户配电所的等配电控制与计量设备都需得到有效的监视和控制，但由于配电网络的监测存在着：
点多、分散，自动化信息的传输涉及面广；
使用有线传输涉及到布线施工、建设成本、安全和可靠性等一系列问题；
电力线载波是解决问题的方案之一，但在事故情况下和载波频率分配等方面却存在缺陷；
自建无线数据传输网络存在着投资、频率资源、维护和网络覆盖等许多问题。
随着电力部门改革的不断深入，对电力大客户的供电质量监测十分必要，同时电量的实时计量将有效提高供电部门的经济效益。电力系统自己的通信网络难以满足涉及范围如此广泛的数据通信需求。GPRS无线解决方案应运而生了。

2. GPRS网络简介
2.1 什么是GPRS技术
GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务；
GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，因此具有很好的信号覆盖；
GPRS采用分组交换技术，按流量计费，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用；
GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样；
GPRS理论带宽可达171.2Kb/s，实际应用带宽大约在40-100Kb/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用；
中国移动自2002年5月18日始正式商用GPRS网络。
2.2 GPRS无线通信网络特点：
2.2.1 实时在线：
不用拨号，您一开机就直接和GPRS网络连通，不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网。
2.2.2 按量计费：
其收费方式是以流量的多少计算费用，与时间无关，不管您在网上"发呆"多久都是免费的，您只需按实际传送的数据量付费。不存在长途漫游收费,在国内GPRS覆盖的地方都可以实现GPRS 的自动漫游。您在一个小时内发送或者接收了6条信息，流量为1kB，则只收1kB的钱，而不是按一小时来收费；
2.2.3 快捷登录：
GPRS手机一开机就能够自动连接到GPRS网络，连接时间一般是3-5秒；当您需要使用GPRS数据业务时，只要按下功能键，1-3秒后就可以访问您需要的内容。
2.2.4 高速传输：
现在GPRS用户的接入速度大概在30kbps－40kbps，是现在普通手机上网速度的3-4倍左右。
目前中国移动建成的GPRS网络支持的理论上最高速率为171.2kbps，以这样的速率已经完全可以在网上看图片、动画、视频点播、下载等，其网速比家用电脑拨号上网速率还要快。
2.2.5 自如切换：
使用GPRS上网，还能够与朋友正常通话。
GPRS手机分成A B C三种等级，市场上最常见的是B类手机：
A类手机在进行语音通话的同时仍然可以上网浏览、收发email等
B类手机可以在上网和语音电话之间进行自动切换，在打电话时暂时停止上网，通话结束后可继续切换到上网状态。
C类手机需要人工切换通话状态和上网状态。

图一：GPRS网络构成原理图
2.3 GPRS技术的性能特点
GPRS是在GSM基础上发展起来的一种向3G过渡的技术。GPRS在移动用户和数据网络之间提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，数据速率最高可达164kb/s。GPRS的最大优势在于其数据传输速度不是GSM所能比拟的。目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6K字节，GPRS理论上目前更是达到了115Kbps(此速度是常用56Kmodem理想速率的两倍)。除了速度上的优势，GPRS还有“永远在线”的特点，即用户随时与网络保持联系。

3. GPRS网络的覆盖现状
中国移动GPRS网络经过几年建设已日臻成熟，地区的覆盖率超过90%，GPRS信号达到了无盲区覆盖。

4. 基于GPRS网络的无线数据传输系统
4.1 系统简介
无线数据采集系统是集计算机技术、通信技术及数据采集技术于一体综合系统，通过数据采集器，获取各终端的供气数据，采用通信接口及传输设备将其传输到数据业务中心，实现对各终端的全面监控。

基于GPRS网络的无线数传系统主要由三大部分组成：
(1) 终端数据采集设备
(2) 传输网络：中国移动GPRS无线网络；
(3) 数据业务中心：实时数据收发服务器、实时数据库服务器及用户控制操作界面等。
本章主要就基于GPRS网络的无线数据传输系统构成、系统特点、实际应用方式以及数据中心连接方式、相关设备功能技术指标等方面作详细介绍。
4.2 基于GPRS无线数据传输系统结构

图三：基于GPRS无线数据传输系统结构示意图

DTU设备采用深圳宏电等公司产品，以下第4.5节将详细介绍深圳宏电公司H7100系列GPRS DTU。

4.3 数据中心接入GPRS网络方法介绍
如上述图三所示，RTU采集设备通过GPRS DTU通讯模块与数据监控中心主机进行数据通讯，数据监控中心必须接入GPRS网络才能实现，移动公司提供丰富多样的接入方法，大致分三类：专线、无线和Internet互联网，以下详述：
4.3.1 专线接入

图四：数据中心专线接入示意图
中国移动提供VPN业务，可为用户组建基于GPRS的虚拟专有数据网络，通过分配一个固定IP地址网段，如IP地址段为172.17.1.0~172.17.1.255，子网掩码为255.255.255. 0，表示为用户提供256个GPRS固定IP地址，这些地址只能在该用户的VPN内部之间通信，不能与其他用户的VPN节点通信，也不能与通过Internet接入的用户节点通信。
移动公司可为每一台GPRS DTU的SIM卡分配固定IP地址，数据中心根据每台DTU的ID号或IP地址进行通讯。也可不必为每一台GPRS DTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，在指定网段内动态获得IP地址，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯。
用户的数据监控中心经数据专线（或光纤）直接连接至移动公司GGSN服务器。这种接入方法的特点：
(1) 数据安全性好，在用户VPN网络内部通信，与外界任何环节无关。
(2) 数据中心数据传输带宽能够保证，使用数据专线方式，带宽可达2M。
(3) 网络延时小、稳定性高，直接在GPRS网络内部通信，减少了转接的环节，也降低了数据传输延时，能够最可靠地保证数据传输的稳定性，降低丢包概率。
(4) 接入成本和费用较高，接入的专线或光缆费用较高，另外用户需要支付专线的月使用费（约2000元/月）。
4.3.2 无线GPRS Modem连接

图五：数据中心无线接入示意图
与上述相同，也利用中国移动提供VPN业务，为用户组建基于GPRS的虚拟专有数据网络，通过分配一个固定IP地址网段，这些地址只能在该用户的VPN内部之间通信，不能与其他用户的VPN节点通信，也不能与通过Internet接入的用户节点通信。
移动公司可为每一台GPRS DTU的SIM卡分配固定IP地址，数据中心根据每台DTU的ID号或IP地址进行通讯。也可不必为每一台GPRS DTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，在指定网段内动态获得IP地址，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯。
用户的数据监控中心经无线GPRS Modem连接至移动公司GGSN服务器。这种接入方法的特点：
(1) 数据安全性好，在用户VPN网络内部通信，与外界任何环节无关。
(2) 数据中心数据传输带宽有限，受GPRS无线信道带宽限制，目前中国移动能够提供40~80Kbit/s带宽。
(3) 直接在GPRS网络内部通信，网络延时小、稳定性高。
(4) 接入成本和费用较低，仅需购买1台GPRS Modem即可，使用费用按数据流量计费。
4.3.3 ADSL拨号连接（动态公网IP地址）
图五：数据中心ADSL拨号接入示意图
中国移动GPRS网络与Internet互联网是无缝连接的，数据监控中心可通过ADSL拨号方式登录Internet互联网，获得公网IP地址，与现场采集点GPRS DTU实现数据通信。
一般ADSL拨号方式获得的公网IP地址是动态的，可在数据中心申请固定域名，在DTU中设置数据中心的域名，通过域名解析方法，实现数据传输。
另外，移动公司也不必为每一台GPRS DTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，所分配的IP地址是动态的，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯，不必担心由于DTU掉线后上线再次分配的动态IP不同而不能与数据中心取得联系。
这种接入方法的特点：
(1) 通过Internet互联网进行数据转接，数据安全性差、稳定性差。
(2) 数据中心数据传输带宽能够保证，一般ADSL宽带上网的带宽都在几百Kbit/s左右。
(3) 接入成本和费用较低，非常方便，ADSL线路月使用费为500~600元/月。
4.3.4 通过固定公网IP连接
与上述ADSL拨号获得公网动态IP地址方式类似，很多公司都有一台连接Internet的服务器，并有固定公网IP地址，但是考虑到服务器的稳定运行问题，通常不允许在服务器上安装其他应用软件。通过NAT端口映射方式，数据中心系统可以作为内网中的一台服务器实现与现场采集点GPRS DTU实现数据通信。
同样移动公司也不必为每一台GPRS DTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，所分配的IP地址是动态的，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯，不必担心由于DTU掉线后上线再次分配的动态IP不同而不能与数据中心取得联系。

图六：数据中心固定公网IP地址接入示意图
这种接入方法的特点：
(1) 数据监控中心能够提供固定公网IP地址，不必借助DNS域名解析服务器。
(2) 通过Internet互联网进行数据转接，数据安全性差、稳定性差。
(3) 数据中心数据传输带宽能够保证，一般宽带上网的带宽都在100Kbit/s左右。
(4) 接入成本和费用较低，非常方便，公网线路月使用费（含固定IP地址）为800~1000元/月。
4.4 数据传输模式
4.4.1 永远在线模式
描述：保持DTU与数据中心永久连接。
工作过程：DTU开机时自动连接GPRS网络，根据数据中心的IP地址自动连接数据中心，并保持和维护链路的连接，DTU监测链路情况运行，当网络发生异常，DTU会在故障恢复后自动重新建立链路。
4.4.2 定时传输模式
描述：由DTU定时向中心发送数据。
工作过程：根据事先设置的发送数据间隔向数据业务中心(DSC)发送数据和接收数据，数据收发完毕，自动断线。
4.4.3 中心呼叫模式（轮巡方式）
描述：由数据中心发起数据传输请求，DTU应答并发送/接收数据。
工作过程：当中心需要收集或发送DTU端的数据时，数据中心发出呼叫指令，DTU立即连接GPRS网络并登录数据业务中心，按数据中心的指令传输数据。
4.4.4 数据触发模式
描述：当有用户数据传输时，由DTU发起连接。比如可以设置为在发生告警或其他意外情况下，立即向数据中心发送数据。
工作过程：当有用户数据传输时， DTU连接GPRS网络并登录数据中心，传输数据。
4.5 GPRS DTU数据传输模块
GPRS DTU设备是基于GPRS网络的数据接口设备，符合IS-95A、IS-95B GPRS空中接口标准，通过RS232或RS485串行口直接与行业应用设备连接。即插即用，连接简单，可在数据中心和现场进行设置。
4.5.1 基本特点
Ø 支持800/1900MHz双频
Ø 使用方便、灵活、可靠
Ø 符合FCC/SAR和CDG 1/2&3标准
Ø 数据终端永远在线或工作模式选择
Ø 实时时钟
Ø 外置机型直流电压输入范围宽(+4.5~26VDC)，满足复杂的应用环境
Ø 体积小、功耗低，适合嵌入式使用
Ø
4.5.2 增强功能
Ø 支持PPP协议、TCP/IP协议、UDP/IP协议
Ø 透明数据传输与协议转换
Ø 支持虚拟数据专用网
Ø SIM卡特殊功能配置
Ø 短消息数据备用通道(选项)
Ø 通过Xmodem协议进行软件升级
Ø 支持空中软件升级和远程维护(选项)
Ø 自动检测网络连接状况
Ø 断线自动连接、设备自诊断、自恢复
Ø 抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求
Ø 防潮设计，适合室外应用
4.5.3 传输效率
u 用户数据传输效率(用户数据占网络层总数据的比例)：
GPRS DTU支持不同的用户数据包长度，1~1024字节长度可选，数据包长度不同其传输效率不同。下面按照DTU 所支持的最大用户数据包长的情况下，即1024 字节包长计算。
Ø DTU 主动发起到数据中心的单向数据传输：最大传输效率(w) = 97.3%
Ø 双向主动互传：最大传输效率(w) = 95.9%
u 传输时延(从发送到接收数据之间的时间)：
不同的用户数据包长度，传输的时延不同。根据目前移动GPRS网络状况，一般情况下如下
Ø 用户数据包长为200字节以下：从DTU发出的数据平均0.75秒到达数据中心。
Ø 用户数据包长200~500字节：从DTU发出的数据平均1秒之内到达数据中心。
Ø 用户数据包长大于500字节：从DTU发出的数据平均2秒之内到达数据中心。
u 稳定性
Ø 有效率：发送成功数据占总发送数据比例
根据大量用户使用结果来看，在网络正常的情况下，一般数据包的发送和接收均无漏码错码。
Ø 稳定性综合参数：有效率x传输效率
网络有效带宽和用户数据包长(MTU)之间存在着极其重要的关系，一般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，测试结果表明MTU 的最优大小是200 字节左右。
Ø 断线自动连接
自动检测网络连接状况
设备自诊断、自恢复
4.5.4 主要技术指标
Ø 用户接口
支持TTL/RS-232/485
支持音频接口，方便维护操作
Ø 供电
电压 +4.5~26VDC
功耗 通信中平均450mA@+5VDC
空闲时25mA @+5VDC

Ø 结构
内部连接可靠性： GPRS模块与PCB、UIM 卡之间均为固定连接
产品尺寸： 110x56x15mm
安装方便： 外壳螺丝固定
防震： 接插件少，具良好抗震性能
Ø 配置
菜单式配置(超级终端，无需专用软件)
维护软件配置
Ø 平均无故障时间
40000小时。
Ø 环境参数
温度： -25～70℃
相对湿度： 95%(无凝结)
4.6 基于GPRS无线数据传输系统特点
(1) 透明数据传输：GPRS DTU直接提供RS232或RS485接口，使用简单、方便，为用户的数据设备提供透明传输通道。
(2) 无需后台计算机支持：普通GPRS Modem通常需要附着在PC机上虚拟拨号上网，利用PC机的资源进行数据收发和协议转换，GPRS DTU内置自动网络连接和协议处理模块，无需后台计算机支持。
(3) 支持点对点、点对多点、双向实时数据传输：GPRS DTU可以实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输，传输时延一般小于1秒。
(4) 永远在线：GPRS DTU一开机就能自动登录到GPRS 网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。
(5) 按流量计费：GPRS DTU一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用。
(6) 高速传输：GPRS 网络的传输速度最快将达到160Kbps，速率的高低可以由中国际法移动进行网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供40~80Kbps的稳定数据传输。
二） H7000 CDMA1X无线数传系统的应用：
5. 设备投资及通信费用
5.1 设备投资
以某案例为例：终端站点40个，设DTU为650元/台 前期一次性投资约为40×650＝26000元，后期以每站50元/月，一年通讯费用仅为50×12×40＝24000元，远远比人工或其他方式节约成本。
5.2 GPRS计费方式
借助移动智能计费平台，GPRS可实现灵活的计费方式：
1、按信息传输流量
2、按包月形式计费

套餐种类
目录价（元/元）
赠送免费流量
超过赠送流量通信费率(元/KB)
5元包
5
30M
0.01
10元包
10
70M
0.01
20元包
20
150M
0.01
50元包
50
500M
0.01
100元包
100
2G
0.01
200元包
200
5G
0.01

用户可根据每月每终端所需采集的数据量，选择合适的计费方式。
按照信息产业部相关资费的规定，以上两种计费方式的具体费用对行业用户是相对优惠的。
6. 关于应用方案建议，以西安某电力公司为例
根据电力系统实际需求情况，并结合移动公司GPRS网络现状以及上述基于GPRS网络的无线数据传输系统，对如何建立配网自动化及电力抄表系统解决方案，提出以下几点建议：
6.1 电力组网示意图：

(1) 如上图所示，各供电公司的电表安装有RTU设备，在RTU设备中配备RS232接口的GPRS DTU通讯模块，RTU与DTU之间实现透明数据通讯。
(2) 在地区级或省级数据中心设置数据监控中心，供气站RTU设备通过GPRS DTU通讯模块与数据监控中心主机以无线方式进行数据通讯。
(3) 将此数据监控中心作为数据中转中心，所有其他监控中心必须通过此数据中心与现场RTU/DTU通信，各监控中心之间的通信可通过电力内部信息网实现。对于目前内部信息网没有到达的地方，可采用GPRS网络建立无线传输网络平台。
(4) 优先推荐数据监控中心使用GPRS 专线接入方式，这主要是考虑到通讯时数据的保密安全性及网络的延时及传输可靠性有关这种接入方式，详细描述参见上述。
这种接入方法突出优点是数据中心数据传输时延小、安全可靠性高、带宽足够宽，目前中国移动能够提供40~100Kbit/s带宽。
(5) 如果用户方便，数据监控中心也可使用公网固定IP接入方式作为备选方式。有关这种接入方式详细描述参见上述。

7. 中国移动服务与承诺
(1) GPRS产品来自于世界著名公司美国摩托罗拉公司的产品，产品质量可靠，工作稳定，设备板件基本采用双备份，因此系统运行可靠，故障率低。
(2) GPRS技术使得系统发射功率很低，对环境的电磁污染很低，对其它自动化设备的电磁干扰很低，另外终端的灵敏度高，覆盖范围大，可以满足诸多行业的无线网络要求。
(3) 中国移动公司在系统维护方面，有一支技术精良的应急抢修队伍，在工程维护及通讯设备使用维护方面有丰富的实践经验，能够熟练的处理各种故障。
如果我方系统出现故障，我们将在第一时间内做出反映，并承诺在现场1个小时内将故障解决。

8. 设备选型及参考报价
宏电DTU 型号
规格描述
设备配件
设备价格
H7210-CGN
RS-232DCE接口850/900/1800/1900MHz,3.3-26VDC
2.5m SMA车载天线,5芯DB9测
试线,2芯电源头
650/套

几种数据采集常用通信方式比较
传输方式

比较内容
GPRS
DTU
有线
拨号方式

有线
专线方式
光纤
传输模式
覆盖范围
全国
全国
区域
区域
建设费用
一般
较低
较高
高
施工难度
较低
一般
较高
高
施工周期
较短
一般
较长
长
计费方式
流量
时间+次数
租赁
租赁
运行费用
较低
较高
高
高
通信速率
较高
一般
高
高
误码率
较低
高
较低
低
可靠性
较高
一般
较高
较高
实时性
较高
极低
较高
较高
维护成本
极低
一般
较高
较高
应用场合
分散、实时数据传输
对实时无要求的场合
较大数据实时传输
较大数据实时传输

传输方式

比较内容
GPRS
DTU
短消息
超短波
无线数传电台

覆盖范围
全国
全国
不大于20KM
建设费用
低
低
高
施工难度
较低
低
高
施工周期
较短
较短
长
计费方式
按流量无月租
条/0.1元
占频费
运行费用
较低
较高
一般
通信速率
40~80KBps

1.2kBps
误码率
较低
较高
高
可靠性
较高
一般
低
群收群发
支持
不支持
不支持
传输时延
短
长
短
网络协议
支持
不支持
不支持
维护成本
低
低
高

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