GPRS遠程抄表系統

摘    要：本文提出了一種基于GPRS 的無(wú)線(xiàn)遠程抄表系統設計原理和實(shí)現方案，簡(jiǎn)要介紹了GPRS 技術(shù)的基本知識，描述了GPRS 無(wú)線(xiàn)傳輸應用于電力數據傳輸的實(shí)現方法。通過(guò)實(shí)際應用，獲得了理想的效果。

關(guān)鍵詞：GPRS；DDN；電力；聯(lián)網(wǎng)；抄表系統；

一、背景介紹

上世紀80年代末90年代初，中國開(kāi)始了自動(dòng)化抄表系統的試點(diǎn)工作。全國各供電企業(yè)基本建立了無(wú)線(xiàn)電電力負荷控制系統，雖然其主要建設目的是控制負荷，但也逐漸用于大用戶(hù)的電能表抄表。1989年首套跨省網(wǎng)的電量計費系統在華北電網(wǎng)投入運行，北京供電局的電話(huà)抄表系統在90年代開(kāi)始投入運行。1994年以色列居民集抄系統進(jìn)入中國，全國各地供電企業(yè)大多都開(kāi)展了低壓電力載波技術(shù)試點(diǎn)。90年代中期，國內已有研制成功一批自動(dòng)抄表系統的報道，2000年經(jīng)全國電工儀器儀表標準化技術(shù)委員會(huì )秘書(shū)處召集生產(chǎn)、用戶(hù)以及計量檢測等20個(gè)成員單位組成《自動(dòng)抄表系統》國家標準起草工作組，通過(guò)標準的制定有效地規范了市場(chǎng)和引導技術(shù)的發(fā)展。2004年現場(chǎng)用電管理終端作為負控和抄表需求的融合產(chǎn)品產(chǎn)生，并陸續在浙江電網(wǎng)和廣東電網(wǎng)大量推廣使用。2005年國家電網(wǎng)公司頒布《關(guān)于加強電力營(yíng)銷(xiāo)現代化的建設意見(jiàn)》的406號文后，中國迎來(lái)了遠程抄表發(fā)展的黃金時(shí)期。從2005年N2007年各電力公司基本實(shí)現了發(fā)電側、供電側及終端側315kVA及以上大用戶(hù)的電能自動(dòng)抄表，全國估計有幾十萬(wàn)個(gè)采集終端投入應用，成為目前世界發(fā)展很快的市場(chǎng)。2007年部分省市電力公司又重新啟動(dòng)居民用戶(hù)集中抄表系統工程，中國將至少具有十年的發(fā)展黃金時(shí)期。

近年來(lái)，隨著(zhù)我國住宅產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，能源消費計量和管理的需要，以及廣大居民生活水平的提高，對建筑智能化水平的要求越來(lái)越高，遠程抄表系統得到了迅猛發(fā)展。這既是提高能源管理水平的需要，也是電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)迅速發(fā)展的必然。

二、同類(lèi)方案對比

1、電力線(xiàn)載波抄表

以電力線(xiàn)作為傳輸信道，將數據信號調制為高頻信號疊加在電力線(xiàn)上進(jìn)行通信。此方式無(wú)需另外布線(xiàn)、易施工、成本低、與電網(wǎng)建設同步。目前國內10kV以上電壓等級的高壓電力線(xiàn)載波技術(shù)已較成熟，但低壓電力線(xiàn)載波還未能達到令人滿(mǎn)意的水平，制約了電力線(xiàn)載波抄表在我國的應用。原因在于電力載波信號存在著(zhù)脈沖干擾，傳輸距離越遠，信號衰減越大。低壓電器電磁兼容性的控制尚不十分嚴格，低壓電力線(xiàn)上存在的電磁污染嚴重，干擾大，影響載波通信的質(zhì)量；另外，用戶(hù)負載千變萬(wàn)化造成網(wǎng)絡(luò )傳輸特性復雜多變，難以用準確的數學(xué)模型加以表征。因此，抗干擾是低壓電力線(xiàn)載波技術(shù)必須克服的問(wèn)題。

2、總線(xiàn)抄表

總線(xiàn)通信是目前國內自動(dòng)抄表系統采用較多的一種通信方式，其數據傳輸速度較快，可靠，穩定，通信質(zhì)量高。目前使用的總線(xiàn)通信方式有RS-232，RS-485，LonWorks等。但這種方式布線(xiàn)工作量大，通信信道易遭外界因素破壞，信道后續維護工作量大。

3、紅外抄表

抄表員將錄有用戶(hù)信息的紅外手持抄表器拿到居民區數據集中器附近，通過(guò)紅外通訊方式集中采集各耗能表的數據，然后返回主站將數據傳輸到計算機中。這種方式在紅外可視距離內能非接觸的讀取儀表數據，但速率較低，易受外界環(huán)境的影響。

4、GSM短信息抄表

GSM短信息抄表系統在用戶(hù)端安裝集控器和無(wú)線(xiàn)發(fā)射終端，將用戶(hù)的耗能數據通過(guò)GSM網(wǎng)以短信息(SMS)的形式上傳到GSM網(wǎng)的SMS中心，SMS中心將接收到的數據通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)傳遞給能源管理部門(mén)。但每條短信息通信容量有限，系統實(shí)時(shí)性及可靠性較差，可能發(fā)生信息擁塞和丟失現象，不適合在業(yè)務(wù)量大的系統中應用。

5、GPRS抄表
GPRS抄表系統通過(guò)GPRS網(wǎng)連接至Intemet網(wǎng)與主站計算機進(jìn)行通信。用戶(hù)的數據經(jīng)過(guò)GPRS模塊處理、協(xié)議封裝后發(fā)送出去，由GPRS接收模塊接收經(jīng)Intemet網(wǎng)絡(luò )傳送至主站，實(shí)現用戶(hù)耗能數據和主站的實(shí)時(shí)在線(xiàn)連接。GPRS以GSM網(wǎng)絡(luò )為基礎，采用分組交換的傳輸方式，克服了GSM電路變換速率低、資源利用率差等缺點(diǎn)，較好地利用了現有的GSM網(wǎng)絡(luò )資源。它的傳輸速率高，接入時(shí)間短，用戶(hù)保持在線(xiàn)且按流量計費，迅速降低了服務(wù)成本，特別適合突發(fā)性小流量數據傳輸。

三、方案優(yōu)點(diǎn) 

GPRS無(wú)線(xiàn)電力遠程抄表系統具備如下特點(diǎn)：　　

1、建設周期短，成本低：

GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可為電力系統提供了簡(jiǎn)單的通信傳輸手段。中國移動(dòng)GPRS系統可提供廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接。在移動(dòng)通信公司的GPRS業(yè)務(wù)平臺上構建電力遠程抄表系統，實(shí)現電表數據的無(wú)線(xiàn)數據傳輸具有可充分利用現有網(wǎng)絡(luò )，縮短建設周期，降低建設成本的優(yōu)點(diǎn)，而且設備安裝方便、維護簡(jiǎn)單。 

2、實(shí)時(shí)性強： 

由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線(xiàn)特性，系統無(wú)時(shí)延，無(wú)需輪巡就可以同步接收、處理所有數據采集點(diǎn)的數據。可很好的滿(mǎn)足系統對數據采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。

3、可對電表設備進(jìn)行遠程控制： 

通過(guò)GPRS雙向通訊方式還可實(shí)現對電表設備進(jìn)行遠程控制，進(jìn)行參數調整、開(kāi)關(guān)等控制作用。

4、集抄范圍廣：

GPRS覆蓋范圍廣，在無(wú)線(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍之內，都可以完成對集抄的控制和管理。而且，擴容無(wú)限制，接入地點(diǎn)無(wú)限制，能滿(mǎn)足山區，鄉鎮和跨地區的接入需求。 

5、系統的傳輸容量大： 

數據中心要和每一個(gè)電表數據采集點(diǎn)保持實(shí)時(shí)連接。由于電表數據采集點(diǎn)數量眾多，系統要求能滿(mǎn)足突發(fā)性數據傳輸的需要，而GPRS技術(shù)能很好地滿(mǎn)足傳輸突發(fā)性數據的需要。 

6、數據傳送速率高： 

每個(gè)電表數據采集點(diǎn)每次數據傳輸量在10Kbps之內。GPRS網(wǎng)絡(luò )傳送速率理論上可達171.2kbit/s，目前GPRS實(shí)際數據傳輸速率在40Kbps左右，滿(mǎn)足本系統數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。 

7、通信費用低：采用包月計費方式，運營(yíng)成本低。 

8、系統易于擴展和維護。

由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網(wǎng)絡(luò )，因此監測中心計算機需要一個(gè)固定的IP地址或固定的域名，各個(gè)電表數據采集點(diǎn)采用GPRS模塊通過(guò)IP地址或域名來(lái)訪(fǎng)問(wèn)該主機，從而進(jìn)行數據通信。 　

四、系統組成 

電表數據采集點(diǎn)位于居民小區的信息中心，居民用戶(hù)的用電數據由復費率電表首先通過(guò)RS485接口通過(guò)雙絞線(xiàn)連接到位于小區信息中心的電表集中器，電表集中器再通過(guò)RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連。通過(guò)GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )傳送至電力公司數據中心電力遠程抄表系統，實(shí)現電表數據和數據中心系統的實(shí)時(shí)在線(xiàn)連接。電表集中器通過(guò)RS485接口直接連接到電表上，既可支持單個(gè)電表，也可以同時(shí)支持多個(gè)電表，實(shí)現對電表參數的采集，存儲，預處理或并將采集到的電表數據實(shí)時(shí)傳送到配電中心；同時(shí)，電表集中器還可將配電中心發(fā)送的遙控指令傳給電表控制模塊，對電表進(jìn)行控制操作。 　　　　

1、公網(wǎng)接入方案 　　

服務(wù)器采用公網(wǎng)方式接入Internet，如ADSL撥號寬帶上網(wǎng)，申請公網(wǎng)固定IP地址；可以實(shí)現中小容量的電表數據采集應用。 　　

2、專(zhuān)網(wǎng)接入方案 　　

服務(wù)器采用省移動(dòng)通信公司提供的DDN專(zhuān)線(xiàn), 申請配置固定IP地址，與GPRS網(wǎng)絡(luò )相連。由于DDN專(zhuān)線(xiàn)可提供較高的帶寬，當電表數據采集點(diǎn)數量增加，中心不用擴容即可滿(mǎn)足需求，可實(shí)現大容量數據采集應用。 　　

監控中心服務(wù)器接受到GPRS網(wǎng)絡(luò )傳來(lái)的數據后先進(jìn)行AAA認證，后傳送到監控中心計算機主機，通過(guò)系統軟件對數據進(jìn)行還原顯示，并進(jìn)行數據處理，這樣進(jìn)一步增強了系統數據通信安全性能。 　　

配電中心計算機主機可進(jìn)行業(yè)務(wù)管理和計費管理，對電力數據進(jìn)行校驗、計算、存儲、分析、管理等，可對異常情況進(jìn)行告警，同時(shí)對用戶(hù)使用情況實(shí)時(shí)監控，保證電力局的合法收益。 　　、

GPRS移動(dòng)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )： 　　

電表集中器采集的數據經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò )空中接口功能模塊同時(shí)對數據進(jìn)行解碼處理，轉換成在公網(wǎng)數據傳送的格式，通過(guò)中國移動(dòng)的GPRS無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸，傳送到監控中心IP地址。各電表使用GPRS透明數據傳輸終端，通過(guò)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò )與配電中心相連。電表使用GPRS普通數據卡或APN專(zhuān)用數據卡，同時(shí)監控中心對各點(diǎn)GPRS終端編號進(jìn)行登記, 并與采集點(diǎn)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便識別和維護處理。采集中心運行數據采集中心系統軟件，實(shí)時(shí)采集電表數據。 　　
 

（圖一）電力遠程抄表示意圖

凡電力局授權的信息采集點(diǎn)均可以使用本系統： 　　

電表數據采集點(diǎn)必須使用移動(dòng)統一的APN卡，用戶(hù)使用本卡只能用于與供電局數據中心通信。 　　

終端設備使用北京東方訊科技公司提供的CG12 DTU無(wú)線(xiàn)透明數據傳輸終端。產(chǎn)品基于中國移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò )，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點(diǎn)，提供標準RS232/RS485接口, 可直接與PC、單片機系統、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數據集中器等連接，具有遠程診斷、測試、監管功能，滿(mǎn)足各行業(yè)調度或控制中心與眾多遠端站點(diǎn)之間的數據采集和控制。

高度集成GPRS和TCP/IP技術(shù)，可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)等靈活的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式內置嵌入式CPU完成復雜的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，支持PPP，ICMP，TCP，UDP，DNS等協(xié)議，為用戶(hù)數據提供透明傳輸通道 。　 　　

用戶(hù)登記：符合供電局的規定。 　　

推薦配電中心通過(guò)公網(wǎng)使用APN接入到移動(dòng)GPRS網(wǎng)，這種方式成本比較低，安全性比較高，而且速度和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量都保障；也可以通過(guò)GPRS專(zhuān)線(xiàn)接入到移動(dòng)GPRS網(wǎng)，這種方式成本高，安全性高、穩定可靠。 　　

由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網(wǎng)絡(luò )，配電中心計算機主機配置固定的IP地址，各個(gè)電表數據采集點(diǎn)采用GPRS模塊和該主機進(jìn)行通信。

五、安全措施

在系統安全方面，本公司除了采用大型、多用戶(hù)的SQL數據庫、系統對用戶(hù)實(shí)現分級授權管理和提供防火墻功能及完善的數據備份功能外，對GPRS網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)數據監控中心還提供了安全技術(shù)解決方案，以確保數據可靠。

1、IP 過(guò)濾技術(shù)由于監控中心服務(wù)于GPRS子網(wǎng)用戶(hù)，所有訪(fǎng)問(wèn)客戶(hù)的IP必為GPRS子網(wǎng)內的IP ，即所有的用戶(hù)必須通過(guò)CMNET才可能訪(fǎng)問(wèn)該服務(wù)器。因此，我們在系統中采用了IP過(guò)濾技術(shù)，對所有接受的數據包進(jìn)行過(guò)濾，拋棄掉所有的非法IP數據報。這一過(guò)程就好像將系統置身于CMNET的防火墻保護之下，所有的非法用戶(hù)只有先穿過(guò)了CMNET的安全防護才有可能訪(fǎng)問(wèn)到本系統，但對于安全措施非常強大的CMNET網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，這將是非常的困難。

2、身份授權和密碼認證體系采用IP過(guò)濾技術(shù)盡管可以防止一些非CMNET網(wǎng)段用戶(hù)的侵襲，但由于系統處于GPRS子網(wǎng)以外，IP過(guò)濾只能起到簡(jiǎn)單的安全防護，對于那些利用IP偽裝技術(shù)的非法用戶(hù)則無(wú)法識別。由于該系統是專(zhuān)業(yè)化的服務(wù)系統，訪(fǎng)問(wèn)客戶(hù)是預先確定的，利用這一特點(diǎn)，我們在系統中采用了用戶(hù)ID和密碼驗證技術(shù)，系統中存儲了有所客戶(hù)端的MAC地址以及密碼，對通過(guò)了IP過(guò)濾的數據包，再驗證其ID號和密碼。對于該系統以外的非法用戶(hù)，獲取合法的MAC地址和密碼將十分困難，所以極大地增加了系統的安全性。

（圖二） 數據安全技術(shù)解決方案示意圖

3、數據安全加密通道系統采用標準的SSL數據安全通訊協(xié)議在客戶(hù)端和服務(wù)器端建立加密數據通道，保證私有數據傳輸的安全性；系統在應用層植入高可靠性的加密算法，使得數據在任何網(wǎng)絡(luò )出錯時(shí)都可以得到保證的高可靠性；采用MD5算法產(chǎn)生“報文摘要”已實(shí)現對所有發(fā)送報文的數字簽名，保證了數據傳輸過(guò)程中的完整性，防止數據被篡改。

4、訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程跟蹤系統對所有的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程進(jìn)行日志記錄，包括用戶(hù)身份、IP、時(shí)間、數字簽名、操作事項等信息，向系統管理人員提供了詳細、完整、有效的操作證明。

六、 總結

就電力部門(mén)來(lái)說(shuō)，遠程抄表一直是一件非常頭疼的事情，需要投入大量的人力、物力和財力。因為數量眾多，地理位置分散，給工作人員帶來(lái)極大的不便。如今電力公司可利用GPRS移動(dòng)數據網(wǎng)絡(luò )對各重要電力節點(diǎn)、大用戶(hù)電表進(jìn)行監控,自動(dòng)讀取相關(guān)數據并加以分析，還可進(jìn)一步進(jìn)行遠程控制或設備維護，可減少人力資源、縮短修護時(shí)間并節省專(zhuān)線(xiàn)建設成本。

采用GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸數據通訊方法解決了遠程抄表系統的通訊問(wèn)題，比起其它有線(xiàn)通訊方式有著(zhù)不可比擬的優(yōu)越性。隨著(zhù)GPRS網(wǎng)絡(luò )的逐漸完善和應用技術(shù)的不斷成熟，GPRS的應用領(lǐng)域也會(huì )越來(lái)越廣闊。本文介紹的GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸系統可推廣至各種金融，水務(wù)，環(huán)保，煤氣，交通等行業(yè)應用當中去。