基于GPRS通信的配電網無功補償系統研究

冷 怡，陳曉東，鮑云浮

(瀘州電業局，四川 瀘州 646000)

0 引言

近年來，隨著國民經濟的快速發展以及建設社會主義新農村的高速推進，電力用戶對電力負荷的需求以及供電可靠性、電壓質量等，都提出了更高的要求。隨著各地招商引資工作的大力發展及“家電下鄉”等一系列政策的扶持，農村及城鎮居民用電負荷不斷增長，負荷的峰谷差也越來越大，供配電系統的調壓問題變得越來越困難，電壓過高或過低的問題時有出現，無功負荷在電網上的傳輸越來越大，如何合理地調整電壓，提高電網的電壓質量，降低線損促使電網安全、經濟運行，是擺在面前的一項重要任務。

電力系統的無功補償［1-3］，可以改善電壓質量，降低線路損耗，使電網能安全、穩定、經濟地運行，對保證工農業的正常生產、提高產品質量和改善人民生活都具有重大的意義。配電網絡主要由10 kV中壓配電線路和10/0.4 kV配電變壓器組成，這兩部分也是電網中線路最長，所占比重最高的部分，如何對低壓配電臺區和中壓配電線路進行無功補償是節能降損的關鍵所在。通過合理分配無功來進行電壓調節，從而降低線損，獲得顯著的經濟效益和社會效益。各地電力部門在加大對配電網建設投資的同時，對現有配電網絡進行無功補償及對配電網運行情況進行實時在線監測顯得日益重要。

GPRS(general packet radio service，通用分組無線業務)［4］是以數字公用陸地移動通信網GSM網絡為載體，為GSM移動網絡用戶專門提供的高速分組數據業務的一種新型網絡［5，6］。它是充分利用現有的無線網絡資源，為GSM移動用戶提供諸如Internet等數據通信網絡服務的一種無線接入方案，是GSM階段Phase 2+定義出來的一種新業務。由于當前GSM移動電話用戶已經占到了全球4.5億移動電話用戶的40%以上，因此，GPRS在未來的移動數據資源市場中占有一定的優勢。GPRS是GSM移動電話系統向第三代移動通信邁出的一個重要步驟，做為疊加在數字公用陸地移動通信網絡GSM網絡之上，GPRS網絡是為GSM網絡用戶提供高速分組數據業務的一種新型網絡。

通過分析配電網無功補償以及GPRS通信網絡的基本原理，設計出一套以GPRS無線通信為數據通道的無功補償方案，建立GPRS通信的軟件和硬件平臺，并對GPRS在配電網無功補償系統中的應用優勢進行了分析。

1 配電網無功補償理論

1.1 無功補償的基本原理

電網傳輸的功率包括兩部分，一是有功功率，二是無功功率。直接消耗掉電能，把電能轉化為機械能、熱能、化學能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率;不消耗電能，只是把電能轉換為另一種形式的能，并且，這種能是在電網中與電能進行周期性轉換，這部分功率稱為無功功率。無功補償的具體實現方式:把擁有容性功率負荷的裝置和擁有感性功率負荷的裝置并聯接在同一電路上，能量會在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需的無功功率就可由容性負荷輸出的無功功率補償。

1.2 無功補償容量的確定

功率因數的提高與線路損耗的下降不是線性關系，功率因數愈高，無功補償的經濟效益就越差。當功率因數cosφ由0.6提高到0.7時，線路損失下降近50%;而由0.7提高到0.8時，線路損失只下降了20%;當由0.8提升到0.9時，線路損耗僅下降10%，功率因數愈高，效果愈差，因此不要認為功率因數提高得越高越好。并聯補償電容器安裝容量的選擇，可根據使用目的的不同，按提高功率因數、提高運行電壓和降低損失等因素來確定。

1.3 無功補償遵循的原則

無功補償應遵循“全面規劃，合理布局，分級補償，就地平衡”的原則。無功補償的實質就是盡可能減少無功在電力網絡中的傳送，進而減少無功電流經過變壓器、線路傳送導致的損耗。

(1)總體平衡與局部平衡相結合，以局部平衡為主

首先要滿足整個地區電網的無功電力平衡，其次要滿足變電所、配電線路的無功電力平衡。在規劃過程中，要在總平衡基礎上，研究各個局部的補償方案，求得最優化組合，才能達到最佳的補償效果。

(2)電力部門補償與用戶補償相結合，以用戶補償為主

在配電網絡中，用戶消耗的無功功率約占50%～60%，其余的無功功率消耗在配電網中。因此，為了減少無功功率在網絡中的輸送，要盡可能地實現就地補償，就地平衡，所以必須由電力部門和用戶共同進行無功補償。

(3)分散補償和集中補償相結合，并以分散補償為主

集中補償，主要是補償主變壓器本身的無功損耗，以及減少變電所以上輸電線路的無功電力，從而降低供電網絡的無功損耗，但不能降低配電網絡的無功損耗。因此，中、低壓配電網應以分散補償為主。

(4)降損與調壓相結合，以降損為主

利用并聯電容器進行無功補償，其主要目的是為了達到無功電力就地平衡，減小網絡中的無功損耗，以降低線損。與此同時，也可以利用電容器的分組投切，對電壓進行適當的調整，這是補償的輔助目的。在一般情況下，以降損為主，調壓為輔。

2 GPRS無線通信的基本原理

2.1 GPRS的主要特點

GPRS網絡引入了分組交換與分組傳輸概念，促使GSM網絡對數據業務的支持在網絡體系上得到了提高。

GPRS網絡的優勢如下。

(1)永遠在線

GPRS所用的是分組交換技術，不需要像Modem那樣撥號連接，只有用戶在發送或者接收數據時才占用資源。

(2)按傳輸數據量計費

GPRS按傳輸數據量計費，并不是以傳送的時間計費，所以就算遇上網絡堵塞，也不會白白花錢，對消費者來說更為合理。

(3)無線高速數據通訊

GPRS成為人們對無線高速數據通訊所要求的產物，提供了一種無縫、直接與 Internet網連接。GPRS的應用，將用戶帶入了移動信息的高速公路，充分滿足了廣大用戶對數據業務不斷增長的各種需求［7，8］。

2.2 監控中心與GPRS網絡的接入方式

監控中心有多種方式接入，根據GPRS承載網絡的特點以及GPRS應用領域的具體要求，一般有下列組網方案來適應各種不同的應用形式。GPRS無線通信傳輸系統的網絡框架直接影響系統的工作方式以及性能，所以選擇一種比較合適的網絡構架，將對整個系統的設計、調試以及運行都將有重要的意義［9］。組網形式的選擇主要是由業務數據流、時延、可靠性要求、數據保密性、網絡狀況來決定。

(1)采用GPRS終端接入

監控中心采取GPRS終端接入來獲得動態IP，并使用Internet上的注冊服務器幫助監控中心和數據采集端MS形成通信。所有數據收集端的MS也使用動態IP，必須在撥號上網后才會獲得動態IP并向注冊服務器的軟件注冊，監控中心可以從注冊服務器上獲得數據收采集端MS的IP地址，來實現監控中心到數據收集端MS的下行通信;數據收集端接收到監控中心發來的IP包后，從IP的頭中獲取監控中心的IP地址，以此來實現上行通信。注冊服務器使用公用網絡固定IP或者公用網絡動態IP+DNS解析服務，用來幫助通信雙方搭成連接，若中途MS因不明原因掉線重撥導致IP地址的改變，則可以在注冊服務器的協助下重新建立通信。

該方法除了建立下行通信階段外，其他的數據傳送都在GPRS網絡內進行，安全性很高，并且時延小。本方案采取在公網上的注冊服務器幫助建立通信，所需費用低，從投入方面有利于GPRS無線數據傳輸系統的大力推廣。但因為監控中心采用GPRS終端撥號上網，網絡的帶寬較小，致使本方案更加適合于Polling方式的少量數據傳輸［10］。

(2)采用APN專網接入

這種方案需向移動公司申請APN專網的業務。移動公司分配專用的APN，并且用于GPRS專網的SIM卡才可以使用該APN。同時在獲得APN后，給監控中心與所有數據收集端MS分配固定GPRS網絡IP。因為可以申請到固定IP，所以該方案不需要注冊服務器來協助建立連接，減少了中間環節，所以穩定性得到加強;所有的數據都將在GPRS的APN內網中傳輸，不需要通過公網，數據的安全性增強;而且該方案不需要負擔專門月租費。與方案1相同，因為監控中心采用GPRS無線通信接入，帶寬有限，并且APN的費用顯然比方案1要高。但從總體上來說，本方案性價比較高，如果在條件允許的情況下可以使用本方案，因為在性能上要比方案1好很多。

(3)寬帶接入Internet

監控中心的寬帶接入Internet公網，并且使用公網的固定IP或者公網的動態IP+DNS解析服務。首先由數據收集端MS向監控中心發出連接信號(如果監控中心采取公網動態IP+DNS解析，則在此之前MS從DNS服務器獲得監控中心動態IP)，此時GGSN將會分配給該MS一個公用網絡的IP和端口，GGSN上的NAT表單中會添加上這個通信鏈路的IP端口的對照項，將MS的GPRS網內部IP和分配的公網端口相互對應。隨后監控中心發向MS的包只需要發向該公網IP以及端口，GGSN將會順利地轉發到數據收集端MS，整個通信通道就能順利傳輸數據了。該方案因為監控中心寬帶接入，所以比前兩個方案的帶寬大，系統能夠發展較多的數據收集端MS，提高GPRS系統的容量。但數據傳送需要經過GPRS網絡以及公用網絡，數據的傳送質量受到公網擁擠情況的影響，并且延時可能會加大，并且公網上的數據安全性明顯較差。因此本方案適合數據節點比較多，對安全性和實時性要求不是十分高，而資金投入又有限的數據采集系統。

3 基于GPRS的配電網無功補償系統

3.1 GPRS通信硬件/軟件平臺

在縣級電力公司建立電能質量管理系統，由配電網線路無功補償測控裝置、配電變壓器無功補償測控裝置、專用變壓器用戶無功補償測控裝置、GPRS模塊、GSM公用網絡、數據通信前置機、電能質量數據庫、通信服務器、應用服務器以及工程師工作站組成。

圖1 基于GPRS網絡的配電網無功補償硬件平臺

將線路無功補償測控裝置、配電變壓器無功補償測控裝置以及用戶專用變壓器無功補償的運行數據通過GPRS網絡傳輸至監控中心服務器，并將監控中心下發的定值命令準確地傳送到遠方終端，反映遠方設備運行情況的數據信息收集到監控中心(見圖1)。

后臺搭建由實時數據庫模塊、實時數據管理模塊、用戶管理模塊、歷史告警服務模塊、歷史數據庫模塊、綜合統計模塊、報表管理模塊、圖形監控模塊、遙控模塊、通信接口模塊、優化控制服務模塊組成(見圖2)。

圖2 基于GPRS網絡的配電網無功補償軟件平臺

各模塊功能介紹如下。

實時數據庫模塊主要將電能質量服務器中采集到的最新數據進行實時更新，考慮到數據傳輸流量問題，系統每間隔10 min向各個測控裝置采集一次實時數據，并更新到顯示界面。用戶每次查詢實時數據時，系統自動召喚當前的實時數據并更新于顯示界面。

實時數據庫管理模塊將數據進行顯示并根據補償測控裝置的設定參數進行比對，如果實測數據超出設定的參數定值，則以紅色字符報警顯示。提示用戶關注測量值越限情況。

用戶管理模塊對用戶進行權限管理，系統管理員可根據需要增減用戶以及用戶權限設置。

歷史告警服務模塊將服務器定時采集上來的告警數據進行存儲，以便需要時查詢，數據至少保存5年以上為以后的無功優化及線路調整提供決策參考。

歷史數據庫模塊將服務器定時采集上來的歷史數據進行存儲，以便需要時查詢，數據至少要保存5年以上為以后的無功優化提供決策參考。

綜合統計模塊將歷史數據中的數據進行統計分析，對異常數據進行提示。

報表管理模塊對報表進行管理，可以按條件篩選數據，數據可以打印并輸出excel表格。

圖形監控模塊將配電網補償系統繪制成拓撲接線圖，配電網補償系統結構圖一目了然，對出現故障的補償裝置提示運行人員及時排查。

遙控模塊通過后臺軟件可對補償裝置電容器進行遠程操作控制，進行控制參數查詢和修改。

通信接口模塊實現控制終端與后臺程序的接口，按照設定間隔召喚實時數據。

優化控制服務模塊通過對歷史數據的分析，提供電壓無功優化方案供運行人員參考。

3.2 GPRS在配電網無功優化系統應用中的可靠性

GPRS通信網絡負責傳送系統中遙測、遙信、遙控以及相關管理信息，傳輸數據需要得到充分的安全保障，同時要保障信息的可靠性。

配電網的監測無功補償裝置的通信系統大部分都安裝在戶外，變化的氣候條件以及較強的電磁干擾環境EMI(electromagnetic interference)都是通信網絡可靠性嚴重影響因素。目前的GPRS通信設備技術相對成熟，堅固耐用，并且在網絡核心設備的管理與維護都是由移動公司專門負責，使用GPRS通信網絡的供電公司只需承擔GPRS終端設備的一些常規的維護工作。在傳輸中，GPRS結合了高斯最小移頻鍵控GMSK(Gaussian minimum shift keying)調制方式、自動重傳請求ARQ(automatic request for retrains mission)等技術，確保了數據傳輸的可靠性。同時在信道前向糾錯FEC(forward error correction)編碼上，卷積編碼是GPRS采用特殊編碼，包括CS-1～CS-4這4種編碼方式，通過采用4種不同的糾錯比特數，使GPRS適應4種不同傳輸信道質量要求。與傳統的傳輸方式相比，采用GPRS的配電網通信網絡受環境和氣候因素影響小，并且抗干擾能力強，有十分強的傳輸糾錯機制，只需平常一些必要的維護就可以有效地保證通信的可靠運行。

在配電網無功補償優化系統中對數據通信的速率要求不是很高，數據量并不是很大，GPRS的最高值為172.1 kbit/s，GPRS完全可以傳輸各種數據。在實際應用中，數據的傳輸速度受網絡編碼方式以及終端支持等客觀因素的影響，接入速度只會在30～40 kbit/s之間，但有了數據加速系統后，傳輸速率可以達到60～80 kbit/s以上。網絡數據傳輸處理模式可采用終端數據主動上報、主站端發出處理各臺終端的數據。因為主站可分組同時發送處理多臺終端上傳上來的數據，極大地加快了通信數據傳輸的實時性。

依靠GPRS的通信網絡組網方式十分靈活，滿足當代電壓無功優化對通信可靠性、實時性的要求。此外，GPRS通信還能夠提供點到點的服務質量QOS(quality of service)，保障供電企業可以根據實際情況，靈活地選擇不同的QOS等級，對GPRS網絡時延參數、優先級、吞吐量、可靠性等參數作出相應的設定，以此來實現數據資源的動態分配。

3.3 GPRS的應用優勢

把對配電網上的線路無功補償裝置、臺區配電變壓器測控裝置等進行遠方實時監控、協調及控制的集成系統構成配電網無功補償平臺，其運行參數是整個配電網基礎參數的重要組成部分。配電網無功補償平臺將及時監測到的數據發送到控制中心，如果采用傳統的通信辦法，在經濟性和可擴充性上都不能滿足配電網的特點。借助GPRS通信的高速通道來實現數據的傳輸和永遠在線，將各無功補償裝置通過GPRS網絡與Internet相互聯接起來，同時供電企業配電網絡的電能質量管理系統也通過本身的路由器與Internet建立聯接，使其實現配電網電能質量管理系統的相互交換。利用GPRS網絡來傳輸配電網電能質量管理系統信息是GPRS在電力系統中的一個重大應用，不但可以節約大量的網絡建設費用，而且只需在原有設備基礎上增加無線智能監控終端設備，使因配電網設備眾多以及分布地域廣泛而使局部區域難以實現通信的難題得到了解決。

4 結論

在配電系統中廣泛存在大量的感性負荷，會消耗大量的無功功率，降低系統的功率因數，造成線路電壓損失加大和有功損耗增加，使電網的供電質量惡化。而解決問題的有效方法就是進行無功功率補償。配電網的無功補償對于配電網的穩定、經濟運行具有重要的作用。

基于GPRS通信的無功補償系統能夠及時分析電網中的無功容量，并且迅速分析出是否需要進行無功補償，該系統受環境和氣候因素的影響很小，并且抗干擾能力強，具有較強的傳輸糾錯機制，通信時只需通過對移動終端進行一些基本維護就能夠有效保證電力部門的可靠運行。

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