基于GPRS的變壓器在線實(shí)時(shí)監(jiān)控一體化設(shè)計(jì)

楊　興，崔鵬飛，盧　濤，邰振躍，張　謙

（國網(wǎng)山東青島市黃島區(qū)供電公司，山東　青島　266400）

基于GPRS的變壓器在線實(shí)時(shí)監(jiān)控一體化設(shè)計(jì)

楊興，崔鵬飛，盧濤，邰振躍，張謙

（國網(wǎng)山東青島市黃島區(qū)供電公司，山東青島266400）

針對(duì)當(dāng)前變壓器數(shù)量多、地理位置分散、通信距離遠(yuǎn)等問題，以ARM7為核心運(yùn)算單元，以GPRS為通信方式設(shè)計(jì)一套在線實(shí)時(shí)監(jiān)控變壓器參數(shù)的方案，介紹監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與可靠性。

GPRS；集中控制器；數(shù)據(jù)采集終端；ARM7

0　引言

由于變壓器數(shù)目多、地理位置分散、通信距離遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控比較困難。隨著電力配套工程的不斷完善，信息網(wǎng)絡(luò)及各種應(yīng)用系統(tǒng)得到大力發(fā)展。電力專用通信網(wǎng)和電力企業(yè)局域網(wǎng)（LAN）一般采用電話線、通信電纜等通信手段，但是這些通信方式存在著覆蓋率窄、組網(wǎng)成本高、維護(hù)工作量大等不足［1］。采用GPRS作為通信手段，將現(xiàn)代通信技術(shù)、電能測量技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)一套變壓器在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要包括集中控制器和數(shù)據(jù)采集終端兩部分，集中控制器的一端通過RS232連接管理軟件，另一端連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)管理軟件和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)采集終端的一端通過RS485連接配變電監(jiān)控終端，另一端連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)和表計(jì)之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)接收GPRS集中控制器轉(zhuǎn)發(fā)的管理中心指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)配變電監(jiān)控終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，為電力的專業(yè)分析（如負(fù)荷預(yù)測、線損分析、故障判斷、線損分析、用電質(zhì)量分析等）提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1　GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

通用分組無線服務(wù)技術(shù) （General Packet Radio Service）［2］，是全球移動(dòng)通信用戶常用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)原理如圖1所示。

圖1　GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GPRS是利用分組交換概念發(fā)展出來的一種無線數(shù)據(jù)傳輸方式，它采用與GSM相同的調(diào)頻規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，利用的頻段、頻段寬度、TDMA幀結(jié)構(gòu)也和GSM相同。此外GPRS還利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，可以有效地傳輸高速數(shù)據(jù)和信令并且能兼容GSM網(wǎng)絡(luò)［3］。

GPRS將8個(gè)時(shí)隙組合在一起，提供171.2kbit/s的帶寬，傳輸速度提高10倍，傳輸數(shù)據(jù)量和速度得到提高。

GPRS是一種面向非連接的技術(shù)，用戶只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才需要保持與網(wǎng)絡(luò)的連接，閑置狀態(tài)時(shí)不需要建立網(wǎng)絡(luò)連接［4］，這樣可以節(jié)省GPRS流量，與電路交換方式相比，可以節(jié)省有限的信道資源。因此GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠提高頻段利用率，避免網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由 GPRS模塊、微控制器LPC2132、電平轉(zhuǎn)換模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、配變電監(jiān)控終端和電源組成，如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

主控制器LPC2132是一個(gè)具有嵌入式跟蹤和實(shí)時(shí)仿真的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，帶有64 kB的嵌入高速Flash存儲(chǔ)器［5］、2個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器、47個(gè)GPIO、6路PWM通道及9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，非常適用于控制系統(tǒng)，其存儲(chǔ)器接口帶有128位寬度和其自身獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。在系統(tǒng)中微控制器有兩方面的作用，一是將配變電監(jiān)控終端采集到的電流、電壓、無功功率、有功功率等參數(shù)利用其串口傳輸?shù)紾PRS模塊；二是處理管理軟件發(fā)送到GPRS模塊的命令，并通過串口發(fā)出AT指令來判斷GPRS模塊是否有新消息［6］，如果有新消息，則立即進(jìn)入串口中斷，對(duì)接收來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用內(nèi)嵌 TCP/IP協(xié)議棧的SIM300C，SIM300C是一款可以在3種頻段下工作的GPRS模塊，利用AT指令可以設(shè)置其頻段頻率，默認(rèn)頻段是EGSM900和DCS1800。SIM300C可以提供10～20個(gè)GPRS信道類型，具有CS-1、CS-2、CS-3和CS-4 4種GPRS編碼方案，監(jiān)控終端采集數(shù)據(jù)或管理軟件發(fā)送的命令經(jīng)過微處理器LPC2132處理后通過串口傳輸?shù)絊IM300C模塊中，SIM300C再將數(shù)據(jù)利用與其連接的天線發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)配變電監(jiān)控終端與管理中心之間的數(shù)據(jù)通信。SIM300C的外圍電路主要包括電源供電電路、串口、音頻接口、天線接口、SIM卡接口、顯示接口、鍵盤接口等，SIM300C的外圍電路如圖3所示。

圖3　SIM300C外圍電路

圖4　SIM卡接口電路

使用SIM300C收發(fā)信息、傳輸GPRS數(shù)據(jù)，必須準(zhǔn)備1張可用的SIM卡，并將其放入SIM300C的SIM卡座中。SIM卡內(nèi)部邏輯電路與移動(dòng)終端的連接通過SIM卡面上的覆銅接口來實(shí)現(xiàn)。SIM卡主要完成2種功能，一是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，二是授權(quán)身份和利用加密算法對(duì)信息進(jìn)行處理。圖4即為SIM300C控制SIM卡的電路原理圖。

3　軟件設(shè)計(jì)

使用AT指令向SIM300C發(fā)送命令，通信傳輸模式為透明傳輸，透明模式下建立連接后，GPRS模塊就會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，所有從串口接收到的數(shù)據(jù)都被封裝成數(shù)據(jù)包通過天線轉(zhuǎn)發(fā)出去。AT指令提供了數(shù)據(jù)在傳輸過程中，數(shù)據(jù)模式和命令模式之間切換的方法。

3.1集中控制器的軟件設(shè)計(jì)

GPRS集中控制器主要負(fù)責(zé)管理軟件與SIM300C模塊的通信，同時(shí)完成對(duì)GPRS模塊的初始化及與GPRS數(shù)據(jù)采集終端的之間通信的連接工作。管理軟件與微控制器通過RS232接口連接，將管理中心的抄表命令通過串口1傳輸?shù)轿⒖刂破?，再通過微控制器的串口0傳輸?shù)絊IM300C，SIM300C利用天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。圖5為GPRS數(shù)據(jù)集中器軟件設(shè)計(jì)流程圖。

3.2數(shù)據(jù)采集終端的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場采集終端與GPRS模塊的通信，同時(shí)完成對(duì)GPRS模塊的初始化及與GPRS集中控制器通信的連接工作。微處理器LPC2132具有2個(gè)串口，既能向GPRS集中控制器收發(fā)數(shù)據(jù)，又能向監(jiān)控終端收發(fā)數(shù)據(jù)。監(jiān)控采集終端與微控制器通過RS485總線連接，將采集到的數(shù)據(jù)通過串口1傳輸?shù)轿⒖刂破鳎偻ㄟ^微控制器的串口0傳輸?shù)絊IM300C，SIM300C利用天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。圖6為數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)流程圖。

4　測試結(jié)果

基于GPRS的變壓器在線實(shí)時(shí)監(jiān)控一體化系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬測試。

首先測試的是串口部分，對(duì)LPC2132的兩個(gè)串口進(jìn)行調(diào)試，包括其發(fā)送和接收。圖7為將串口0發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口1接收并將結(jié)果顯示出來的界面。將PC機(jī)通過串口連在硬件設(shè)備留出的232接口上，向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，微處理器將收到的數(shù)據(jù)再發(fā)回PC機(jī)，從結(jié)果上看出，發(fā)送的13個(gè)數(shù)據(jù)都能夠被成功的接收，正確率達(dá)到了100%，實(shí)現(xiàn)了GPRS通信功能。

圖5　GPRS數(shù)據(jù)集中器　工作流程　

圖6　數(shù)據(jù)采集終端　工作流程

圖7　串口調(diào)試界面

其次，對(duì)SIM300C進(jìn)行調(diào)試，設(shè)置GPRS連接方式 （命令為AT+CIPCSGP=1，“CMNET”）；設(shè)置UDP端口號(hào)為20（命令為AT+CLPORT=“UDP”，“20”）；啟動(dòng)TCP任務(wù)（命令為AT+CSTT）；激活場景（命令為AT+CIICR）；獲得本地IP地址（命令為AT+CIFSR），如圖8～10。

圖8　GPRS接入

圖9　發(fā)送短信

圖10　解析短信

圖9中，AT+CMGF=1表示設(shè)置短信發(fā)送格式為文本模式，AT+CMGS=“+8615969806482”表示設(shè)置目的SIM卡號(hào)碼，即短信的接收方號(hào)碼，＞號(hào)后輸入短信內(nèi)容，Ctrl+Z輸入完畢后發(fā)送，返回+CMGS：208表示發(fā)送成功。

圖10中“+CMTI：“SM”，8”表示收到一條短信，存儲(chǔ)地址為8；“AT+CMGR=8”表示讀取存儲(chǔ)地址為8處的短信。下面兩行是SIM300C返回的短信信息，包括短信的發(fā)送者號(hào)碼和內(nèi)容?？梢钥闯鍪盏降腎P地址為192.168.100.101，將其讀取出來保存在單片機(jī)里即可。

5　結(jié)語

該系統(tǒng)操作簡單，易于使用，界面友好，工作人員只需具備基本的電腦操作技能即可使用；信息及時(shí)可見，數(shù)據(jù)庫更新及時(shí)，為電力系統(tǒng)工作人員提供最新的數(shù)據(jù)；功能齊全，該系統(tǒng)可提供信息管理、自動(dòng)抄表、報(bào)表查詢等功能，最大限度的滿足要求。

［1］張忠會(huì)，章璟，歐峻彰.基于GPRS的一種新型電力系統(tǒng)在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，9（38）：105-108.

［2］呂捷.GPRS技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

［3］陳凱旋，謝海滔.GPRS原理及應(yīng)用［J］.鐵道通信信號(hào)，2003（7）：30-33.

［4］黃宇紅，孫少陵.通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）［J］.電信科學(xué)，2000，10 （5）：7-10.

［5］周潔，楊心懷.32位RISC CPU ARM芯片的應(yīng)用和選型［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2002（8）：50-52.

［6］林晨.基于GPRS的無線監(jiān)控系統(tǒng)［J］.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，10（5）：141-142.

Design of Transformer Integrated Real-time Monitoring System Based on ARM7 and GPRS

YANG Xing，CUI Pengfei，LU Tao，TAI Zhenyue，ZHANG Qian
（State Grid Huangdao Power Supply Company，Qingdao 266400，China）

In view of problems such as the large number of current transformers，the dispersion of locations，and the long communication distances，a real-time online monitoring system is designed for transformer parameters with ARM7 and GPRS as computing center and way of communication respectively.Designs of hardware and software are introduced.Results of simulation test verify the accuracy and reliability of the system.

GPRS；integrated controller；data acquisition terminal；ARM7

TM734

B

1007-9904（2015）09-0060-04

2015-06-26

楊興（1987），女，從事電力系統(tǒng)通信研究工作；

崔鵬飛（1986），男，從事電網(wǎng)電壓監(jiān)測工作；

盧濤（1981），男，工程師，從事變電檢修工作；

邰振躍（1970），男，從事輸電檢修工作；

張謙（1981），男，從事配網(wǎng)檢修工作。