配電變壓器防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

司金麗，陳煊之朱志強(qiáng)，鐘文強(qiáng)

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東　青島　266590；2.兗礦東華物業(yè)管理有限公司，山東　濟(jì)寧　273500；3.國(guó)網(wǎng)山東平度市供電公司，山東　平度　262800）

配電變壓器防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

司金麗1，陳煊之1朱志強(qiáng)2，鐘文強(qiáng)3

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590；2.兗礦東華物業(yè)管理有限公司，山東濟(jì)寧273500；3.國(guó)網(wǎng)山東平度市供電公司，山東平度262800）

使用GSM通信技術(shù)及單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)配電變壓器防盜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了配電變壓器的停電報(bào)警，利用GPRS基站定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)防盜定位追蹤功能，有利于農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)配電變壓器的供電安全及被盜追蹤。

GSM；GPRS；單片機(jī)；停電檢測(cè)；基站定位

0　引言

由于偏遠(yuǎn)地區(qū)及農(nóng)村的特殊地理及周邊環(huán)境，導(dǎo)致供電終端的配電變壓器成為了不法分子盜竊的目標(biāo)。配電變壓器的被盜，不僅會(huì)嚴(yán)重影響周邊居民和企業(yè)用電，也給供電單位帶來(lái)了較大的工作負(fù)擔(dān)，甚至有可能引發(fā)重大安全事故。為了更好的保障偏遠(yuǎn)地區(qū)供電穩(wěn)定性及安全，設(shè)計(jì)一種新型的配電變壓器防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用單片機(jī)控制技術(shù)與GSM技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了停電報(bào)警及防盜檢測(cè)功能，在供電線(xiàn)路停電時(shí)，本系統(tǒng)可自動(dòng)使用備用電源長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；如發(fā)生盜竊，系統(tǒng)使用GPRS基站定位功能實(shí)現(xiàn)被盜定位追蹤［1］。

1　系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)由4大模塊組成，分別為單片機(jī)控制模塊、GSM模塊、被盜檢測(cè)模塊和備用電源模塊，見(jiàn)圖1。

圖1　防盜系統(tǒng)原理

當(dāng)配電變壓器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，備用電源模塊處于充電檢測(cè)狀態(tài)。如果出現(xiàn)配電線(xiàn)路或變壓器異常而導(dǎo)致的二次側(cè)停電，則備用電源模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)IO口檢測(cè)到停電狀態(tài)，發(fā)送停電報(bào)警信號(hào)到GSM模塊。系統(tǒng)管理員收到含有變壓器位置編號(hào)及停電信息的報(bào)警短信后，可迅速判斷停電范圍及位置，極大地方便供電單位及時(shí)維修并恢復(fù)供電［2］。

如果出現(xiàn)不法分子盜竊情況，在盜竊的過(guò)程中需要切斷供配電線(xiàn)路并搬運(yùn)變壓器。在搬運(yùn)的過(guò)程中，會(huì)觸發(fā)被盜檢測(cè)模塊。該模塊工作后，單片機(jī)會(huì)控制GSM模塊向系統(tǒng)管理員發(fā)送被盜報(bào)警信號(hào)，方便供電單位及時(shí)實(shí)施被盜應(yīng)急預(yù)案。為減小損失，系統(tǒng)管理員可以向本系統(tǒng)發(fā)送指令，獲取定位信息，隨時(shí)了解變壓器位置狀況，有利于加快公安機(jī)關(guān)抓獲盜竊分子，追回被盜變壓器。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)使用超低功耗單片機(jī)MSP430F149為主控制器，通過(guò)中斷IO口與被盜檢測(cè)模塊相連，通過(guò)串口與GSM模塊通信。MSP430F149單片機(jī)是美國(guó)TI公司研發(fā)的一款16位總線(xiàn)的超低功耗單片機(jī)，片上集成可自編程FLASH存儲(chǔ)模塊、USART串口通信模塊、12位ADC模塊等，并支持時(shí)鐘分頻和ISP在線(xiàn)編程，其所有片上模塊都可以通過(guò)寄存器控制，具有編程簡(jiǎn)單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)［3］。

2.2被盜檢測(cè)模塊

被盜檢測(cè)模塊由紅外對(duì)管傳感器及振動(dòng)傾斜傳感器組成。紅外對(duì)管傳感器安裝時(shí)緊貼在安裝面（可為地面或支架），正常情況下接收管接收不到發(fā)射管的紅外信號(hào)，如圖2（a）所示。當(dāng)發(fā)生盜竊并搬運(yùn)變壓器時(shí)，接收管會(huì)離開(kāi)安裝面并接收到經(jīng)安裝面反射的紅外信號(hào)，如圖2（b）所示，進(jìn)而觸發(fā)單片機(jī)IO中斷。

圖2　紅外對(duì)管安裝位置及報(bào)警動(dòng)作

振動(dòng)傾斜傳感器在搬運(yùn)變壓器或傾斜時(shí)會(huì)直接觸發(fā)單片機(jī)IO口中斷。只有紅外對(duì)管傳感器與振動(dòng)傳感器同時(shí)響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)認(rèn)定發(fā)生了盜竊情況，從而大大減小了單一傳感器誤動(dòng)作而導(dǎo)致系統(tǒng)誤判的概率。

2.3GSM通信模塊

本系統(tǒng)使用GSM模塊板載工業(yè)級(jí)雙頻GSM/ GPRS模塊SIM900A，其工作頻段為雙頻：GSM900/ DCS1800，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS短信、數(shù)據(jù)信息傳輸及基站定位等功能。特別的是SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，其擴(kuò)展的TCP/IP AT指令可以讓用戶(hù)輕松的實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議通信［4］。

GSM模塊使用通用的5V2A電源供電，并聯(lián)1 000 μF鉭電容提高模塊工作穩(wěn)定性，在外部供電和備用電源供電情況下均可正常工作。模塊采用抗電磁干擾設(shè)計(jì)，信號(hào)收發(fā)端裝有2.4 GHz吸盤(pán)天線(xiàn)，可以適應(yīng)配電變壓器周?chē)鷱?qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境。模塊安裝SIM卡后，可以通過(guò)9針標(biāo)準(zhǔn)232串口連接單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送接收。

2.4備用電源模塊

備用電源模塊采用的是市面較易采購(gòu)的單功能車(chē)載備用電源，容量為10 000 mAh的鋰聚合物電池，優(yōu)點(diǎn)有體積小、容量大、電流輸出穩(wěn)定、工作時(shí)間長(zhǎng)。在間斷發(fā)送定位數(shù)據(jù)時(shí)，工作時(shí)間可達(dá)72 h，極大地保障了變壓器停電或被盜后的定位數(shù)據(jù)傳輸。備用電源安裝時(shí)用絕熱材料包裹，避免變壓器周邊的溫度環(huán)境導(dǎo)致備用電源工作不穩(wěn)定和使用壽命衰減等問(wèn)題。

備用電源模塊通過(guò)接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)KM與變壓器二次側(cè)三相中任意一相連接，如圖3所示。供電正常時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制繼電器KA實(shí)現(xiàn)接觸器KM的自鎖，接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，備用電源模塊進(jìn)入充電檢測(cè)狀態(tài)，同時(shí)單片機(jī)IO口檢測(cè)到低電平信號(hào)。當(dāng)供電異常出現(xiàn)停電時(shí)，KM自鎖失效，備用電源模塊開(kāi)始向報(bào)警系統(tǒng)供電，如圖3中虛線(xiàn)回路所示，同時(shí)單片機(jī)IO口檢測(cè)到高電平信號(hào)。

當(dāng)供電恢復(fù)正常且未超過(guò)72 h，系統(tǒng)管理員可通過(guò)短信遠(yuǎn)程控制KA，恢復(fù)正常供電時(shí)的KM自鎖，備用電源供電回路中斷，恢復(fù)充電檢查狀態(tài)。

圖3　備用電源連接電路及停電檢測(cè)電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由3部分組成：初始設(shè)置部分、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理部分和GSM控制部分。模塊化設(shè)計(jì)是指在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足市場(chǎng)不同需求的設(shè)計(jì)方法。模塊化的目的是降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡(jiǎn)單化。

在程序的設(shè)計(jì)方面，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)管理人員的維護(hù)操作，用戶(hù)可直接通過(guò)計(jì)算機(jī)串口與本系統(tǒng)通信，利用系統(tǒng)預(yù)設(shè)通訊指令，可輕松設(shè)置管理人員手機(jī)號(hào)碼及變壓器位置參數(shù)。同時(shí)，系統(tǒng)管理員還可通過(guò)設(shè)定好的手機(jī)號(hào)碼遠(yuǎn)程控制本系統(tǒng)，讀取系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)安裝并使用后，會(huì)先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化的工作主要包括GSM模塊初始化、單片機(jī)FLASH初始化、USART串口初始化、外部接口檢查。如果尚未設(shè)置初始信息，則需設(shè)置系統(tǒng)管理員號(hào)碼及變壓器位置參數(shù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到單片機(jī)Flash中并校驗(yàn)一次，校驗(yàn)通過(guò)后才可完成設(shè)置工作。隨后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行1次GSM短信測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)。驗(yàn)證通過(guò)后，系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)（即空循環(huán)）。如果系統(tǒng)進(jìn)入備用電源工作狀態(tài)，則主循環(huán)更改為保留IO中斷和串口中斷的低功耗模式，延長(zhǎng)備用電源工作時(shí)間。當(dāng)發(fā)生相應(yīng)中斷時(shí)，單片機(jī)被喚醒并處理消息。程序流程圖如圖4所示。當(dāng)用戶(hù)需要設(shè)置參數(shù)時(shí)，需先使用9針串口線(xiàn)連接系統(tǒng)主板串口與計(jì)算機(jī)串口，按下設(shè)置鍵（K1），計(jì)算機(jī)上的串口調(diào)試助手會(huì)顯示系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，可根據(jù)提示輸入系統(tǒng)各參數(shù)并設(shè)定。設(shè)定好的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到單片機(jī)Flash中并通過(guò)串口調(diào)試助手顯示。其余中斷響應(yīng)處理流程如圖5所示。

圖4　系統(tǒng)主程序流程

圖5　外部中斷程序流程

4　結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的配電變壓器防盜報(bào)警系統(tǒng)很好地解決了配變停電及被盜的報(bào)警問(wèn)題，極大地方便了供電部門(mén)的維護(hù)工作和公安機(jī)關(guān)的破案工作。該系統(tǒng)已在小區(qū)配電系統(tǒng)中通過(guò)測(cè)試，可準(zhǔn)確響應(yīng)信號(hào)并精確定位。為今后的變壓器維護(hù)及防盜提供了一種可靠的解決方案。

［1］張建東，向鐵元.GSM短信技術(shù)在電力線(xiàn)防盜裝置中的應(yīng)用［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006（9）：35-41.

［2］上官甲天，薛軍.智能型配電變壓器防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2009（3）：131-133.

［3］沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［4］黃欣榮.基于GSM短信模塊的家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)新通訊，2010（9）：83-85.

［5］李光，張鐵壁，張學(xué)軍.基于單片機(jī)和GPRS技術(shù)的農(nóng)用變壓器防盜報(bào)警系統(tǒng)［J］.河北工程技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010（2）：50-52.

Anti-Theft System Design of Distribution Transformer

SI Jinli1，CHEN Xuanzhi1，ZHU Zhiqiang2，ZHONG Wenqiang3
（1.College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Yankuang Donghua Property Management Ltd，Jining 273500，China；3.State Grid Shandong Pingdu Power Supply Company，Pingdu 262800，China）

An anti-theft system of distribution transformer is designed，which is based on GSM communication technology and microcomputer control technology.The system realizes the distribution transformer power failure alarm and uses GPRS base station positioning technology to achieve the anti-theft tracking function.It is beneficial to power supply reliability of the power system and theft tracking of distribution transformer in rural and remote area.

GSM；GPRS；MCU；power failure detection；base station location

TM41

B

1007-9904（2015）11-0057-03

2015-07-02

司金麗（1988），女，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制方面的研究；

陳煊之（1993），男，從事電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)；

朱志強(qiáng)（1989），男，從事供配電系統(tǒng)運(yùn)行與智能控制方面的管理工作；

鐘文強(qiáng)（1988），男，從事供配電系統(tǒng)管理工作。

青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)重點(diǎn)科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013-1-44）；青島市企業(yè)研發(fā)中心培育計(jì)劃（13-8-2-48-gx）。