[摘要]针对目前国内中小水电站信息采集缺乏合适的设备、通道组织困难等难题，提出了一种基于GPRS专网、负控终端的中小水电信息采集解决方案。方案对负控终端作相应的改进，同时解决了GPRS的网络安全等问题，设备投资少、通道优质可靠、实施方便，在建设阶段即可节省大量投资。图2幅。

[关键词]中小水电站信息采集负控终端GPRS网络安全解决方案

1中小水电站信息采集的必要性

到2005年底，福建省已建地方电厂、中小水电站5247座，装机总容量491．9万kW。由于技术、资金等方面限制，绝大部分厂站未实现至调度端的信息采集，成为福建省电网调度自动化无法触及的死角。

根据统计分析，1999～2004年全省中小水电年平均发电量约为90亿kW·h，年装机利用小时约为3500h。如果对全省中小水电进行信息采集，实现优化调度，地区中小水电遇平水年份年装机利用小时可以提高到约3700～3800h，这样每年可以增加收购小水电电量约10亿kW·h左右；以中小水电替代火电发电每kW·h减少0．1元购电成本计，每年福建电网可减少购电成本1亿元左右。此外，实现信息采集后还可最大限度地发挥中小水电对电网的顶峰能力。因此，非常有必要开展全省的中小水电站信息采集工作。

2中小水电站信息采集的难点

2．1中小水电站信息采集的内容

中小水电站信息采集内容主要包括电气量、电能量及水情信息：

1)电气量：有功功率、电压、电流等模拟量；开关位置等状态量；遥控量(远方开停机)；

2)电能量：有功电量、需量等；

3)水情信息：主要采集水位信息。另外在各个地区结合所在的中小水电站设置1～2个雨量站测量雨量信息。

2．2中小水电站信息采集的难点

从上述信息内容来看，需要采集的信息种类很少，量也不大，技术上要实现轻而易举，但实施并不容易。近年来，我省在中小水电信息采集方面进行了多方面尝试，最终都无法全面推广。主要有下面2个难点：1)通道组织困难；2)没有性价比合适的中小水电站信息采集设备。

其中通道组织方面的困难尤为突出。除装机容量较大的少数水电站外，水电站至就近变电所(小部分可到上级调度)通信好一点的有专用电力线载波通道，大部分则只有市话通信手段。要重新组织通道，对于目前电力系统常用的几种通信方式，光纤、微波、电力线载波等投资需几万、几十万元，小水电无法承受；无线电台无法在崇山峻岭中稳定运行；配电载波则因大部分小水电“T”接在35kV、10kV农网线路上，噪声干扰大，需多次转接，且投资每端需万元左右(含耦合设备)，维护工作量大，全面推广也比较困难。

在设备方面，目前最简化的厂站采集终端RTU在技术上实现采集毫无问题，但投资要2万元以上，对于众多装机只有几百千瓦的水电站来说造价也偏高。

很明显，目前常用的方法无法解决中小水电信息采集遇到的问题，在通道及采集设备方面需要一种低成本、性能稳定、功能齐全的解决方案。

3GPRS专网通道解决方案

3．1GPRS通道对中小水电信息采集的适应性

3．1．1GPRS的特点

GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。传输速率理论上可以达到171．2Kbps，实际使用速率40～50Kbps。

GPRS有两大特点：首先，GPRS是随时在线的，也就是说，只要你位于GPRS网络覆盖之内，就可以保证随时在线。其次，按照实际传输流量的字节数计费或者包月收费，可以根据应用要求，合理选择付费方式。

3．1．2GPRS的适应性

1)使用范围

GPRS在中小水电站使用有其局限性，需在有手机信号并开通GPRS的中小水电站才能使用。在方案设计时，曾考虑采用通信质量较好的CDMA通道，由于在农村地区信号覆盖面不如GPRS，不推荐采用。

2)传输速率

中小水电站信息量小，传输速率1．2Kbps即可，因此GPRS能很好地满足传输要求。

3)安全性

GPRS网络为公共网络，按照电力二次系统安全防护的有关规定，GPRS网络不能直接进入调度自动化的实时网络，必须采取相应的安全防护措施。

4)实时性

GPRS数据包传输有一定的延时，一般情况下，在线用户数量越多延时时间越大，延时时间从几十毫秒到几分种时间。中小水电采集信息的内容包括电流、电压和出力功率和发电状态等，信息采集时间或者周期平均为5s，不允许有分钟级的延时。

5)经济性

GPRS通道部分(不包括采集终端)只要花50元买张GPRSSIM卡即可。

6)维护及运行费用

维护主要由GPRS运营商承担。按有关部门与运营商谈判的结果，GPRS按信息流量20元／50M的价格计费。小水电信息采集按每5min采集1次电气量及水情信息、1h传送1次电量、每天传送1次需量计算，每月信息流量将在15M左右；电气量即使设置为1～2min采集1次，也不会超过50M的流量。年运行费用在240元左右。

从上述特性可看出，GPBS用于中小水电站信息采集在信息传输速率、经济性、通道维护及运行费用方面均可满足要求，但在使用范围、传输延时及网络安全等方面需进一步采取措施。

3．2GPRS专网通道解决方案

针对GPRS使用范围受限制以及网络安全和传输延时等方面问题，我们采取了增加天线、建立电力专用VPN以及测量信号中加时标等解决方案，很好地解决了这些问题。

3．2．1GPRS适用范围解决方案

1)适当增加天线增加GPRS适用范围

GPRS信号的强弱与运营商的基站设置有关。在用户侧能做的是根据水电站周围GPRS信号的强弱选择安装位置；在有信号但较弱的地方，可适当增加天线。

在最初方案设计时，由于小水电一般位于深山老林之中，我们估计有50％的电站可接收GPRS信号就很不错了。但实际结果大大出乎预料，在一期工程的86个站点中，通过采取增加接收天线(最长50m)等措施，有81个可接收GPRS信号，占94％。

当然，这主要是这几年移动通信运营商在农村地区大发展的结果，同时与一期工程电站装机较大也有关系。估计在二期工程的大量小水电站中可接收GPRS信号的电站会有所减少。

2)采用其它通信方式作为GPRS的补充

在少数无法接收GPRS信号的电站，采用配电线载波、电话拨号通道作为补充。其中，电话拨号通道一般在电力系统内部电话能到达的电站使用，以避免高额的市话通话费；配电线载波则仅组织到附近变电站，以节省投资，在变电站再通过其它现有至县调／地调的通道进行转接。

3．1．2GPRS网络安全解决方案

通过以下两方面解决网络安全问题：

1)建立电力用户专用VPN解决方案

具体方案为：GPRS终端通过省移动中心机房短信网关(支持GPRS功能)以光纤和省电通公司短信网关连接；电通公司通过现有ATM网络，把网络延伸到各地区电业局。构成了全省GPRS电力用户专用VPN广域网(以下简称GPRS专网)。

2)采用数据集中器实现网络隔离。没在各地区电业局的数据集中器通过(100M)ATM网络接人GPRSVPN接收中小水电站数据，经处理后以串行口(远动规约)接入各地调的调度自动化系统。由于数据量不大，用远动规约(IEC-101)完全能满足信息传输要求。GPRS专用VPN及网络隔离方案(见图1)。

图1GPRS专用VPN、网络隔离示意图

从图1可看出，由于采用专用VPN，非电力用户无法进入，排除了黑客通过公网入侵的可能；数据集中器以专线(远动规约)而不是网络与调度自动化系统通信，使GPRS网络与调度端自动化网络实现了隔离，进一步提高了网络的安全性。完全满足电力系统二次安全防护的要求。

3．2．3GPRS延时解决方案

首先，电力用户专用评VPN的建立，电力用户运行在专用的网段，对降低延时起到很大的作用。根据移动运营商提供的核算数据，该VPN在20万个电力用户同时使用的情况下，可保证最大延时小于1min。而全省中小水电站才5000个，根据规划将来会采用VPN的负荷控制(大用电单位)用户也将在10万户以内。根据有关部门的实测，中小水电站采用GPRSVPN后，实际延时小于5s。

另外，为避免将来用户数超过一定数量时引起延时，我们在采集终端中的软件上采取加时标的措施，即在测量信息中加入时标，调度端接收数据时可根据时标进行数据处理。解决了因为延时给数据处理带来的各站信息同步问题。

上述GPRS通道解决方案使中小水电信息采集通道有了经济、可行的方案。

4信息采集设备解决方案

中小水电站信息采集需要高性价比的设备。由于目前安装在电厂、变电站最简化的采集终端RTU的造价(2万元以上)小水电站也很难接受，我们把目光投向了目前在10kV及以下电力用户大量使用的电力负荷控制终端(以下简称负控终端)。该终端采集信息量与要采集的中小水电站信息量类似，带GPRS功能的设备投资才3000～5000元(包括GPRS模块)左右。

4．1负控终端特点

负控终端是一种用于用户侧电力负荷管理的数据采集终端。该终端可实时采集用户的用电信息，如有功功率、无功功率、电量及开关位置等等，并根据采集的用电信息对用户的用电进行控制(主要为切负荷)。信息采集方式有：交流采样、模拟量输入、脉冲量输入、状态量输入、电能表数据采集和控制量输出等等。目前福建省内运行的有近万套，是一种很成熟的设备。

4．2负控终端用于中小水电信息采集应解决的几个问题

由于负控终端用于用户负荷的控制，其采用的技术标准与调度自动化远动终端的标准也不一样。比照国家电网公司Q／GDW129—2005《电力负荷管理系统通用技术条件》以及小水电的运行环境，负控终端用于中小水电信息采集需解决下列问题：

1)测量精度问题：按照上述标准，负控终端电流电压测量等级为1级、功率及功率因素为2级。而调度自动化系统采集终端要求为0．5级。

2)电源输入问题：负控终端只能在额定电压-20％～ 20％偏差范围正常工作。有些小水电供电电压在与系统解列时短时间有可能到达额定电压的150％，必须提高电源适应性。

3)防雷问题：小水电运行环境一般比较恶劣，各输入、输出回路均应考虑防雷措施。

4．3解决方案

1)测量精度解决方案

提高负控终端测量精度最直接的方法就是对交流采样部分重新设计，采用较高精度的电流电压互感器单元，提高A／D转换位数。但要达到0．5级，势必要参照目前厂站的RTU重新进行设计、制造，成本也势必增加并接近RTU。这样就失去了负控终端低成本的优势，明显是不可行的。

经过分析比较，我们提出了负控终端 多功能电能表的解决方案。目前，多功能电能表除电能量数据外，还可通过RS485等通信接口输出功率、电流、电压等电气量数据，数据的测量精度可选择相应精度等级电能表实现；而通过RS485接口与电能表通信本身是负控终端的一项基本功能。负控终端、多功能电能表是很成熟、可靠的设备，因此在技术上该方案完全可行。

在成本上只增加了多功能电能表的投资。一般电站的机组、出线有相当部分已改造为多功能电能表，可直接采用，只有部分电站才需重新配置或更换。福建电网中小水电信息采集一期工程的86个站点(每个站点2～3台机组)，共配置了100只多功能电能表，平均每站1只多一点。按0．5级表配置，每站增加投资1500元。

2)电源输入、防雷改进措施

电源输入方面，对负控终端原有电源模块进行改进，采用开关电源模块并增加其它辅助措施，输入范围却可满足85～450V的范围。由于负控终端取消了控制输出模块，两者相抵，不增加投资。

防雷方面，除正常的防雷措施外，电源、RS485通信、天线均安装防雷器。

3)负控终端的功能模块配置

综合全省小水电站功能需求，终端具体配置如下：

①RS485接口：2个。其中1个RS485接口完成电气量、电能量采集；另1个RS485接口，要求可采集2个水位数据。②脉冲量输入：1路，完成雨量计输入。③模拟量输入：1路(4～20mA)，完成水位计输入。④遥信输入：2路，无源接点。⑤报警输出：当地音响、触点报警输出各一路。

上述方案负控终端(含50m天线) 多功能电能表每站实际设备投资为6000元，比以往试点方案每站节省1万元以上。按全省与省网有贸易关系及装机容量1000kW以上的1300多个水电站计算，本负控终端方案不仅功能满足中小水电站信息采集要求，成本也很低廉，是一个高性价比的解决方案。

5调度端信息接收和处理方案

5．1调度端信息接收和处理总体流程

福建电网内有县调63个，地调9个。为避免减少调度端设备及其安装调试工作量，同时也为GPRSVPN接入方便，中小水电站信息的接收宜由各地调完成。

为避免重复采集，电站的信息统一由地调端电网调度自动化系统(SCADA)采集。SCADA把水情信息、电量计费系统信息再转发至水调自动化系统、电量计费系统。具体流程(见图2)。

图2调度端信息接收和处理总体流程

如图2所示，省调EMS系统(能量管理系统)还把地方电厂上网关口电量信息传送至国调，以满足国网公司对地方电厂上网关口电量信息采集的要求。

5．2中小水电站信息在各调度端自动化系统间的交互

1)地调SCADA与省调EMS系统、县调SEADA系统通信

地调SCADA通过数据集中器采集到地方电厂、中小水电站信息后，可通过调度数据网络三级网、四级网向省调EMS系统、县调SCADA系统传送它们所辖信息。

2)地调SCADA与地调水调和电量计费系统通信

地调SCADA在各地调的安全Ⅰ区，地调水调和电量计费系统在各地调的安全Ⅱ区，它们目前已能通过网络安全设备进行数据交换，地方电厂、中小水电站信息的相互间传送也只需在软件上作相应调试即可。

3)省调EMS系统与向国调转发上网关口电量信息

省调EMS系统与国调已通过电力调度数据网络(一级网)建立通信，省调EMS系统接收到地方电厂、中小水电站上网关口电量信息后可按目前与国调通信方式传送至国调。

6实施情况及存在不足

福建省中小水电信息采集方案从2005年开始研究，2006年4月总体方案通过评审，2006年6月初设备陆续到货，6月底就完成了一期工程86个站点的设备安装及调试。虽然小水电位置分散、地处偏僻、交通不便，但由于设备及通道对水电站的高度适应性，安装调试非常方便快捷，最多的一个电业局在短短20来天完成]8个站点的安装。按计划，全省其它中小水电站的信息采集将按该方案在2006年底全部完成。

投运以来，数据采集正常，没有出现传输延时等现象。在投资方面，每站设备投资6000元左右，比以往试点方案每站节省1万元以上。按与省网有贸易关系及装机容量1000kW以上的1300多个水电站实施计算，建设阶段即可节省投资1300万元以上。

不足之处在于少数电站没有装设水位计或水位计没有外接接口，由于工期紧迫没有重新配置水位计，造成这些站水情信息采集不全，计划在二期工程中进行完善。

7结束语

本方案解决了中小水电站信息采集通道无法有效组织的难题；同时对负控终端作了适当的改进。从而使中小水电信息采集有了优质、可靠、低廉的传输通道以及高性价比的采集设备。

参考文献：

[1]钟章队，蒋文怡，李红军．GPRS通用分组无线业务[M]．北京：人民邮电出版杜，2001．

[2]李云，杨玉峰，梅顺良．ITS系统中GPRS智能移动终端的设计[J]．电讯技术，2004，4．

来源：小水电