基于GPRS的變電站遠(yuǎn)程報(bào)警與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熊天毅，唐厚君，葉子晟

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活對(duì)供電可靠性要求的逐步提高，電力線路需要得到實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和快速的應(yīng)急保障，一旦發(fā)生較為嚴(yán)重的異常故障，需要盡快予以排除，及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，將可能造成的損失和影響降至最低。然而，我國(guó)電力輸電線路分布面積廣、線路長(zhǎng)、沿線地形復(fù)雜，僅憑監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)，往往不易準(zhǔn)確判斷出事地點(diǎn)；而通過(guò)架設(shè)有線監(jiān)測(cè)線路的方法，成本較大且易受外界環(huán)境的影響，一旦檢測(cè)線路通道受阻或中斷，則監(jiān)測(cè)失去作用；而依賴(lài)地面人工主動(dòng)巡查，效率也較低。

GPRS（General Packet Radio Service通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）具有傳輸速率高、實(shí)時(shí)在線、覆蓋范圍廣、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以滿足遠(yuǎn)程無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，而且節(jié)約成本、可靠性高，若將其用于變電站的監(jiān)測(cè)預(yù)警，將有助于解決上述問(wèn)題［1］。

1 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于每個(gè)較為重要的大中型變電站，安裝一套故障檢測(cè)報(bào)警裝置（下位機(jī)），每套裝置預(yù)先錄入?yún)^(qū)域監(jiān)測(cè)中心（上位機(jī)）接收端及負(fù)責(zé)巡檢人員的手機(jī)號(hào)碼。由于是借助已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)行的較為成熟的GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)，故中轉(zhuǎn)樞紐即GPRS基站。變電站設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，由下位機(jī)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)警短信至區(qū)域監(jiān)測(cè)中心和巡檢人員，相關(guān)人員可先行趕往現(xiàn)場(chǎng)以節(jié)省時(shí)間。監(jiān)測(cè)中心分析短信內(nèi)容，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出故障電站的所在位置及故障原因；巡檢人員可通過(guò)回復(fù)短信給變電站，進(jìn)行緊急操作。如果故障排除，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行，則 人員接收到修復(fù)成功的短信，可停止趕往現(xiàn)場(chǎng)，即實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制；若 遠(yuǎn)程控制無(wú)效、巡檢人員必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，即巡檢人員和監(jiān)測(cè)中心將收到修復(fù)失敗的短信，監(jiān)測(cè)中心用參考短信告知巡檢人員可能的故障原因及解決方法，并添加故障電站位置以供檢修人員二次核對(duì)前往的地點(diǎn)［2］。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包含上位機(jī)和下位機(jī)，二者基本原理及所需模塊大體一致，故以下位機(jī)為例詳細(xì)講述。

下位機(jī)硬件主要由單片機(jī)、電源轉(zhuǎn)換、無(wú)線傳感器、CAN通訊總線、串行口SP3232、GPRS模塊（含獨(dú)立SIM卡）構(gòu)成，采用模塊化思想設(shè)計(jì)的電路原理，系統(tǒng)框圖如圖2所示。首先由傳感器檢測(cè)電信號(hào)參數(shù)，一旦某處電力參數(shù)出現(xiàn)異常，安裝在該處的傳感器將發(fā)送特定信號(hào)，傳感器接收模塊根據(jù)接收到的信號(hào)，發(fā)送CAN報(bào)文至站內(nèi)總線，單片機(jī)讀取報(bào)文信息之后通過(guò)串口控制GPRS模塊發(fā)送特定的報(bào)警短信。遠(yuǎn)程控制時(shí)，接收巡檢人員發(fā)來(lái)的短信，根據(jù)短信內(nèi)容發(fā)送包含特定數(shù)據(jù)的CAN報(bào)文至站內(nèi)總線，變電站內(nèi)部二次側(cè)控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)繼電操作的工作模塊讀取CAN總線上信息，若與預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)參數(shù)匹配成功，立即執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，操作結(jié)果再通過(guò)CAN通信反饋回下位機(jī)。

圖2 下位機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 無(wú)線傳感器

一般電力設(shè)備故障最終表現(xiàn)為電壓或電流不在正常范圍內(nèi)（缺相、斷路、短路等），傳感器就是通過(guò)檢測(cè)這類(lèi)狀態(tài)量（如三相不平衡度）來(lái)判斷系統(tǒng)是否工作正常以及故障類(lèi)型［3］。此外，考慮到變電站內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境，必須盡量減少檢測(cè)線路的排布，所以采用無(wú)線傳感器更為便捷可靠。而在本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)階段，也正是采用無(wú)線傳感信號(hào)觸發(fā)裝置來(lái)模擬電壓檢測(cè)出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出的信號(hào)。

2.2 單片機(jī)和CAN模塊

單片機(jī)是硬件核心，主要作用是完成與各個(gè)模塊的對(duì)接，并實(shí)現(xiàn)無(wú)線和串口通訊數(shù)據(jù)、指令的發(fā)送和接收?？紤]到預(yù)期功能所需、復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力和芯片性?xún)r(jià)比等因素，本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)采用Freescale的MC9S08DZ60MLF，該芯片外部管腳足夠，內(nèi)部資源豐富，實(shí)用功能健全，特別是具備完善的CAN總線和快速、穩(wěn)定的雙串口輸入、輸出功能，從而有助于簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)。

CAN總線使得變電站內(nèi)包括下位機(jī)在內(nèi)的各個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)通信具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。CAN總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)接口芯片的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連。CAN總線還具備抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制、可自動(dòng)重發(fā)損毀信息、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文等優(yōu)勢(shì)。因此，CAN總線非常適合變電站內(nèi)的工作環(huán)境和功能需求。本系統(tǒng)中CAN通訊模塊的接口芯片采用TJA1040T，總線波特率定為9 600bps。

2.3 串口模塊

GPRS模塊采用RS232串行口通信，是現(xiàn)在主流的串行通信接口之一。SP3232系列是RS232的一種2驅(qū)動(dòng)器／2接收器的改進(jìn)方案，擁有一個(gè)高效的電荷泵，工作電壓為3.3V時(shí)只需0.1μF電容就可進(jìn)行操作。在本設(shè)計(jì)中，基于SP3232的串口電路原理圖如圖3所示。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊SIM300S＿V6.02具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口，尺寸小，功耗低，通過(guò)雙頻或四頻通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌GPRS／GSM通訊協(xié)議。工作電壓為3.4～4.5V，提供RS232數(shù)據(jù)接口，使用AT指令集，支持BLOCK、文本、PDU短信模式，具有完整標(biāo)準(zhǔn)的SIM卡閱讀器［4］。包含獨(dú)立SIM卡的GPRS模塊通過(guò)RS232串口受控于單片機(jī)，連接示意如圖4所示。為實(shí)現(xiàn)較為便捷的中文短信通訊，采用基于AT指令集的PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元Protocol Data Unit）模式設(shè)定短信發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)流編碼［5］。作為一種數(shù)據(jù)單元，它包含源／目的地址、保護(hù)（有效）時(shí)間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類(lèi)型和正文內(nèi)容，正文長(zhǎng)度可達(dá)140字節(jié)，均以十六進(jìn)制表示。其中中文字符按照國(guó)際UNICODE進(jìn)行編碼。

圖3 串口電路原理圖

當(dāng)下位機(jī)向監(jiān)控中心和巡檢人員的手機(jī)發(fā)送異常報(bào)警短信時(shí)，PDU格式為：

圖4 GPRS模塊連接單片機(jī)示意圖

SMSC MODE MR DA PID DCS VP UDL UD

當(dāng)下位機(jī)接收巡檢人員手機(jī)的遠(yuǎn)程控制短信時(shí)，PDU格式為：

SMSC MODE OA PID DCS SCTS UDL UD

其中，SMSC為短消息業(yè)務(wù)中心地址，MODE為短信模式，MR指明是發(fā)送信息，DA／OA為源／目的地址，PID為協(xié)議識(shí)別，DCS為數(shù)據(jù)編碼，SCTS指明短信到達(dá)業(yè)務(wù)中心時(shí)間，VP為有效時(shí)間，UDL為用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，UD為用戶數(shù)據(jù)。下面分別給出發(fā)送和接收的實(shí)例：

某地區(qū)移動(dòng)短消息業(yè)務(wù)中心地址號(hào)碼為＋8613800210500，假設(shè)監(jiān)控中心或接收人員的手機(jī)號(hào)碼為13700000001，消息內(nèi)容為“【警示】一號(hào)變電站異常！類(lèi)別：電壓缺相”，則發(fā)送的PDU串為08 91 68 31 08 20 01 05F0 11 00 0D91 68 31 07 00 00 00F1 00 08 00 26 30 10 8B66 79 3A30 11 4E00 53F7 53D8 75 35 7A D9 5F02 5E38FF 01 7C7B52 2BFF 1A75 35 53 8B7F3A76 F8。對(duì)照格式規(guī)范，將發(fā)送PDU串編碼具體分析如表1。

某地區(qū)移動(dòng)短消息業(yè)務(wù)中心地址號(hào)碼為＋8613800210500，假設(shè)人員的手機(jī)號(hào)碼為13700000001，消息內(nèi)容為“重合閘”，則接收到的PDU串為08 91 68 31 08 20 01 05F0 84 0D91 68 31 07 00 00 00F1 00 08 11 21 30 41 60 15 23 06 91CD 54 08 95F8。對(duì)照格式規(guī)范，將接收PDU串編碼具體分析如表2。

對(duì)于變電站下位機(jī)，接收到巡檢人員的遠(yuǎn)程控制短信之后，首先對(duì)PDU串編碼進(jìn)行讀取，從中提取出用戶信息，在本例中，就是提取表示“重合閘”操作命令的”91CD 54 08 95F8”字符串，如提取成功，則發(fā)送特定報(bào)文至站內(nèi)CAN總線，變電站內(nèi)部二次側(cè)控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)繼電控制閘刀開(kāi)關(guān)的操作工作模塊讀取報(bào)文數(shù)據(jù)，一旦與預(yù)定數(shù)據(jù)匹配，立即執(zhí)行重合閘的操作，并返回操作結(jié)果，至此，即完成了巡檢人員通過(guò)短信對(duì)變電站的遠(yuǎn)程操作；對(duì)于巡檢人員，接收到下位機(jī)的報(bào)警短信和上位機(jī)的參考短信，以及向下位機(jī)發(fā)送遠(yuǎn)程控制短信，均以中文顯示，較為便捷；對(duì)于監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)，由GPRS模塊、串行口RS232、主控單片機(jī)及PC構(gòu)成，其接收下位機(jī)報(bào)警短信以及向巡檢人員發(fā)送參考短信的方法，與下位機(jī)工作流程基本一致，故不再贅述。

表1 短信發(fā)送PDU字符串對(duì)照表

表2 短信接收PDU字符串對(duì)照表

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序

下位機(jī)的主要任務(wù)是接收傳感器的異常信號(hào)并發(fā)送報(bào)警短信，接收遠(yuǎn)程控制短信，發(fā)送CAN報(bào)文至站內(nèi)總線。程序首先啟動(dòng)GPRS、傳感接收、CAN通訊、串口通信等模塊，進(jìn)行初始化，等待接收異常信號(hào)，一旦接收到則根據(jù)信號(hào)來(lái)源向CAN總線發(fā)送報(bào)文，單片機(jī)根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)選擇短信內(nèi)容，向區(qū)域監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)及巡檢人員手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，然后等待遠(yuǎn)程控制短信，收到后向CAN總線發(fā)送包含操作命令數(shù)據(jù)的報(bào)文，操作成功發(fā)送成功修復(fù)的短信，操作失敗則發(fā)送修復(fù)失敗的短信。其主要軟件流程如圖5所示。

3.2 上位機(jī)程序

圖5 下位機(jī)程序流程框圖

上位機(jī)的主要任務(wù)是接收下位機(jī)發(fā)送的報(bào)警短信和修復(fù)結(jié)果的短信，如果修復(fù)失敗，需要將從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取準(zhǔn)備好的包含故障原因、解決方案及故障地點(diǎn)等內(nèi)容的參考短信發(fā)送到巡檢人員的手機(jī)，其主要軟件流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)，使用PC機(jī)模擬監(jiān)測(cè)中心，啟動(dòng)作為下位機(jī)，象征變電站運(yùn)行正常的紅色LED燈點(diǎn)亮。按下無(wú)線傳感器按鈕發(fā)送故障模擬信號(hào)，這時(shí)LED燈會(huì)熄滅，表示變電站出現(xiàn)異常，一般在一分鐘內(nèi)，手機(jī)就會(huì)收到內(nèi)容為“【警示】一號(hào)變電站異常！類(lèi)別：電壓缺相”的短信，而模擬監(jiān)測(cè)中心的PC機(jī)的串口調(diào)試助手窗口會(huì)顯示AT指令操作成功的返回值及收到的短信PDU編碼。

隨后通過(guò)手機(jī)直接回復(fù)“重合閘”的短信，一至兩分鐘內(nèi)，下位機(jī)的LED燈會(huì)重新亮起，表示變電站故障設(shè)備修復(fù)成功，隨后手機(jī)會(huì)收到內(nèi)容為“修復(fù)成功”的短信。同理，啟動(dòng)代表監(jiān)測(cè)中心的系統(tǒng)，向其發(fā)送“修復(fù)失敗”的短信，則監(jiān)測(cè)中心隨后向手機(jī)發(fā)送參考短信。

圖6 上位機(jī)程序流程框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍廣、運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，并依據(jù)上位機(jī)、下位機(jī)聯(lián)合通訊配合的思路，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制和GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程報(bào)警應(yīng)急系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，故障報(bào)警和遠(yuǎn)程控制等功能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，較好地提升了分散管理、集中監(jiān)測(cè)的作用［6］。相信本系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中電力系統(tǒng)特別是廣泛分布的變電站的具體工作環(huán)境，加以完善和改進(jìn)，對(duì)于快速發(fā)現(xiàn)異常、通知檢修人員、及時(shí)排除故障，將會(huì)起到良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

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