基于GPRS無線通信的配電網(wǎng)過電壓錄波裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭　濤　張　翔　楊耿杰　李　群（. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 35008；. 國(guó)家電網(wǎng)福建長(zhǎng)樂市供電有限公司，福建 長(zhǎng)樂 35000）

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基于GPRS無線通信的配電網(wǎng)過電壓錄波裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭濤1張翔2楊耿杰1李群2
（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2. 國(guó)家電網(wǎng)福建長(zhǎng)樂市供電有限公司，福建 長(zhǎng)樂 350200）

摘要本文提出了基于GPRS無線通信的配電網(wǎng)過電壓錄波裝置的設(shè)計(jì)方法。硬件設(shè)計(jì)上由控制單元、采樣單元、通信單元組成。軟件設(shè)計(jì)上，將程序劃分為采樣程序、閾值判斷程序、數(shù)據(jù)重組程序以及數(shù)據(jù)傳輸程序。分析了裝置在GPRS通信中產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量，提出了相應(yīng)的流量控制策略。實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，能夠精確地采集和完整地上傳過電壓數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；過電壓；故障錄波；流量控制

The Design of Over-voltage Recorder based on GPRS Communication in Distribution Networks

Zheng Tao1Zhang Xiang2Yang Gengjie1Li Qun2
（1. College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou350108;
2. State Grid Fujian Changle Electric Power Supply Company Limited Changle， Changle， Fuzhou350200）

Abstract An over-voltage wave record device that is based on GPRS communication mode is designed. It is composed of the control unit， the sampling unit， the data transmission unit. The software consists of sampling procedure， threshold detection procedure， the data reorganization procedure and the data transmission procedure. Device in GPRS communication of data flow is analyzed， and the corresponding data flow of control strategy is designed. The results of the test and field operation show that the over-voltage recording terminal has the advantages of running stability， strong anti-interference ability， collecting voltage accurately and sending data completely.

Keywords：distribution networks; over-voltage; fault recorder; flow control

現(xiàn)代配電網(wǎng)系統(tǒng)中，過電壓現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生：在投切電容器組過程中，由于電容充電、斷路器電弧重燃、合閘彈跳等因素引起操作過電壓[1-2]；單相接地故障時(shí)，若接地電流較大接地電弧難以自行熄滅，出現(xiàn)間歇性弧光過電壓[3-4]；在配電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊時(shí)，PT發(fā)生飽和，導(dǎo)致PT的等效電感與線路的對(duì)地電容在一定程度上匹配，產(chǎn)生諧振過電壓[5-6]。對(duì)于不同過電壓類型，處理的要求也不同，如單相接地故障允許系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行兩個(gè)小時(shí)，而發(fā)生鐵磁諧振過電壓時(shí)必須立即切除故障，因此故障過電壓監(jiān)測(cè)和類型識(shí)別是十分重要的。

現(xiàn)有的過電壓監(jiān)測(cè)裝置主要是就地型，而過電壓信號(hào)中存在著復(fù)雜的特性信息，最好能將信息記錄下來，由主站進(jìn)行識(shí)別[7-9]。本文設(shè)計(jì)了一種配電網(wǎng)過電壓錄波裝置（以下簡(jiǎn)稱“過電壓錄波裝置”），它能準(zhǔn)確記錄故障的暫態(tài)信息、故障波形和發(fā)生時(shí)刻，通過通信網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳送給主站進(jìn)行分析。

考慮到配電網(wǎng)系統(tǒng)通信條件的限制，過電壓錄波裝置支持GPRS通信方式（同時(shí)保留了有線以太網(wǎng)通信接口）。在與主站通信時(shí)，過電壓錄波裝置作為客戶機(jī)，用戶可通過短信修改主站服務(wù)器的IP地址和通信方式。若裝置發(fā)生了通信故障，報(bào)文與短信都無法傳輸，則用戶可在現(xiàn)場(chǎng)通過RS484接口查看裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息并進(jìn)行故障處理。

1　設(shè)計(jì)方案

過電壓錄波裝置由控制單元、采樣單元、數(shù)據(jù)傳輸單元組成，負(fù)責(zé)處理電壓互感器輸出的信號(hào)，完成信號(hào)的調(diào)理、采樣、存儲(chǔ)和傳輸?shù)墓δ埽Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　裝置結(jié)構(gòu)

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1控制單元選型

控制單元需要3個(gè)SPI串口與采樣芯片、以太網(wǎng)芯片以及存儲(chǔ)芯片實(shí)時(shí)地交互數(shù)據(jù)；需要2個(gè)USART串口與GPRS和RS485模塊進(jìn)行連接；能夠快速的采集數(shù)據(jù)并通過交流采樣算法計(jì)算幅值。

意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F407芯片具有Cortex-M4內(nèi)核，3個(gè)SPI，3個(gè)USART。芯片由外部8M晶振提供時(shí)鐘源，經(jīng)過內(nèi)部倍頻后可達(dá)168M，并且擁有1MB的程序存儲(chǔ)器，192kB的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）和4kB的備份存儲(chǔ)區(qū)，完全可以滿足復(fù)雜以及多任務(wù)的程序設(shè)計(jì)[10-11]。該芯片還可以支持部分DSP功能，通過調(diào)用DSP庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)濾波處理、矩陣處理、FFT變換等數(shù)據(jù)處理。

2.2GPRS模塊應(yīng)用

GPRS模塊選擇中興ME3000，它支持AT指令，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議[12]。模塊的上行速率為42.8kbps，下行速率在85.6kps，發(fā)射功率為2W。

如圖2所示，VIN與GND為電源引腳，電壓范圍在3.3～4.25V；RXD與TXD為串口的收發(fā)引腳，CPU可通過串口直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)，不必執(zhí)行繁瑣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；RESET為復(fù)位引腳，在開機(jī)2s后，給該引腳提供不小于500ms的低電平脈沖使之復(fù)位（該引腳如果不使用必須懸空）；ON/OFF為關(guān)機(jī)引腳，若要關(guān)機(jī)，必須提供2000～5000ms的低電平脈沖。

圖2　GPRS接口電路

UIM_VD、UIM_DAT、UIM_CLK與UIM_RES引腳連接到SIM卡接口上，如圖3所示。中興模塊通過UIM_DAT引腳與SIM卡交互數(shù)據(jù)；UIM_VDD為電源引腳?？紤]到不同的SIM卡的工作電流存在較大的的區(qū)別，UIM_DAT引腳通過10k?的上拉電阻連接到UIM_VDD。

圖3　SIM卡接口電路

2.3以太網(wǎng)模塊應(yīng)用

以太網(wǎng)模塊采用韓國(guó)WIZnet生產(chǎn)的W5200模塊，其支持硬件的TCP/IP協(xié)議以及高速的SPI傳輸接口。如圖4所示，MISO、MOSI、SCLK、NSCS分別為SPI的接收、發(fā)送、時(shí)鐘和片選引腳；nINT是外部中斷引腳，正常狀態(tài)下是高電平，接收到數(shù)據(jù)后會(huì)輸出一個(gè)負(fù)的脈沖，可以通過中斷方式判斷是否接收到數(shù)據(jù)；nRESET是芯片的復(fù)位引腳，低電平復(fù)位。

圖4　以太網(wǎng)模塊接口電路

3　通信規(guī)約設(shè)計(jì)

3.1通信流程

在通信鏈路建立后，主站與監(jiān)測(cè)裝置的采用應(yīng)答機(jī)制的平衡式通信。終端先發(fā)送心跳包，主站接收后發(fā)送確認(rèn)報(bào)文。當(dāng)需要裝置執(zhí)行非數(shù)據(jù)類型操作如對(duì)時(shí)，修改閾值等，主站發(fā)起命令，終端回復(fù)確認(rèn)報(bào)文。當(dāng)執(zhí)行的是數(shù)據(jù)類型報(bào)文傳輸時(shí)，終端發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文，主站回復(fù)一次數(shù)據(jù)確認(rèn)報(bào)文。通信流程見圖5所示。

圖5　主站與裝置通信流程

3.2與主站規(guī)約設(shè)計(jì)

裝置與主站的通信命令有電壓數(shù)據(jù)召測(cè)、對(duì)時(shí)、系統(tǒng)重啟、電壓起動(dòng)閾值設(shè)置、數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳設(shè)置等。與以太網(wǎng)通信相比，GPRS通信需要在空閑時(shí)傳輸心跳包。

正常情況下，主站與裝置通過心跳包保持聯(lián)系，格式見表1。裝置識(shí)別電壓越限后，主動(dòng)向主站發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，格式見表2。若裝置連續(xù)多次沒有收到主站的心跳包，會(huì)斷開連接并重新向主站發(fā)起連接，直至成功連接。功能碼見表3。

表1　心跳包報(bào)文格式

表2　電壓數(shù)據(jù)報(bào)文格式

表3　功能碼信息

3.3短信規(guī)約設(shè)計(jì)

中興ME3000模塊可支持短信服務(wù)，CPU通過向串口USART2發(fā)送AT指令可實(shí)現(xiàn)對(duì)短信的確認(rèn)、讀取、發(fā)送、刪除以及號(hào)碼設(shè)置等操作。裝置收到短信后，根據(jù)規(guī)約判斷短信報(bào)文，一致則回復(fù)短信響應(yīng)報(bào)文，否則不應(yīng)答。短信規(guī)約見表4。

表4　短信規(guī)約設(shè)計(jì)

3.4串口通信規(guī)約設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)無法進(jìn)行報(bào)文與短信傳輸時(shí)，用戶可以在現(xiàn)場(chǎng)利用裝置上RS485-USB轉(zhuǎn)接口實(shí)現(xiàn)與個(gè)人電腦的通信。通過串口調(diào)試軟件顯示當(dāng)前裝置運(yùn)行狀態(tài)信息，并可以發(fā)送一定格式的報(bào)文命令裝置進(jìn)行自檢。串口規(guī)約見表5。

表5　串口規(guī)約設(shè)計(jì)

4　GPRS數(shù)據(jù)流量分析

4.1流量分析

相比較以太網(wǎng)通信按照時(shí)間的計(jì)費(fèi)方式，GPRS通信是以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)流量實(shí)行計(jì)費(fèi)。不僅如此，移動(dòng)公司還對(duì)數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)實(shí)行了一些限制：對(duì)設(shè)備在線空閑時(shí)間限制、流量不一定按照實(shí)際使用流量計(jì)費(fèi)[13]。

在傳統(tǒng)移動(dòng)GPRS數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)中，用戶使用流量不足1KB則按照1KB計(jì)算。假設(shè)監(jiān)測(cè)裝置使用GPRS通信并建立TCP/IP連接，每180s傳輸一次心跳包以保證通信鏈路不被斷開，可計(jì)算出1天需要流量960KB，1個(gè)月需要流量28M?，F(xiàn)在數(shù)據(jù)流量套餐雖然可以滿足上述流量需求，但是考慮到裝置安裝地點(diǎn)可能信號(hào)不佳，心跳包傳輸間隔時(shí)間小于180s；并且在無法與主站進(jìn)行通信時(shí)，裝置在短時(shí)間內(nèi)發(fā)送通信連接請(qǐng)求，會(huì)產(chǎn)生大量額外流量。所以實(shí)現(xiàn)GPRS流量控制是十分必要的。

4.2數(shù)據(jù)流量控制策略

數(shù)據(jù)流量控制策略分為心跳包傳輸時(shí)間控制、通信連接請(qǐng)求控制與定時(shí)休眠控制三個(gè)部分。

1）在通信鏈路建立初期，為了保證裝置穩(wěn)定占用通信信道，心跳包的傳輸時(shí)間間隔可設(shè)為30s。經(jīng)過1h后，若通信鏈路依舊穩(wěn)定，則將心跳包傳輸間隔時(shí)間每1h增加30s，直至240s。

2）當(dāng)通信鏈路不穩(wěn)定時(shí)，裝置無法連接至主站，將每10s發(fā)送1次連接請(qǐng)求。若在1h內(nèi)無法連接主站，則裝置將停止發(fā)送連接請(qǐng)求并發(fā)送休眠提醒短信至用戶，進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3）裝置進(jìn)入休眠狀態(tài)后，會(huì)等待用戶短信退出休眠指令，直至4h后自動(dòng)退出并重新發(fā)送連接請(qǐng)求。

5　軟件設(shè)計(jì)

5.1主程序設(shè)計(jì)

裝置的主程序模塊分為采樣、閾值判斷、數(shù)據(jù)重組以及數(shù)據(jù)傳輸四個(gè)階段，流程圖如圖6所示。

圖6　主程序流程圖

1）利用CPU定時(shí)器2與外部中斷實(shí)現(xiàn)10kHz的采樣頻率。設(shè)置定時(shí)器中斷周期為0.1ms，在中斷函數(shù)中開啟AD轉(zhuǎn)換；利用外部中斷監(jiān)測(cè)AD轉(zhuǎn)換是否完成，并在中斷函數(shù)中讀取采樣數(shù)據(jù)；

2）閾值判斷程序是在每次采樣后將電壓的采樣值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較；

3）在發(fā)生過電壓故障后，數(shù)據(jù)重組程序?qū)⒅亟M采樣程序中的數(shù)據(jù)緩存數(shù)組，實(shí)現(xiàn)記錄故障前2個(gè)周波、故障后8個(gè)周波的電壓數(shù)據(jù)；

4）在完成數(shù)據(jù)重組后，將封裝數(shù)據(jù)信息并通過以太網(wǎng)或GPRS將數(shù)據(jù)傳輸給主站。

5.2閾值判斷起動(dòng)設(shè)計(jì)

利用三相五柱式電壓互感器三相電壓與開口三角側(cè)零序電壓值作為閾值判斷對(duì)象。當(dāng)任意一相電壓或者零序電壓有1個(gè)采樣點(diǎn)超過閾值，若其后20個(gè)點(diǎn)的平均值也超過閾值，則裝置將起動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。

5.3數(shù)據(jù)重組設(shè)計(jì)

采樣數(shù)據(jù)緩存區(qū)長(zhǎng)度為4800，每單位長(zhǎng)度占用1個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)容量，一個(gè)電壓數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié)。根據(jù)10kHz的采樣頻率可計(jì)算出一個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)存儲(chǔ)了12個(gè)工頻周波的數(shù)據(jù)。然而定義的數(shù)據(jù)緩存區(qū)是有限的，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)超過2400點(diǎn)后，新的的數(shù)據(jù)將覆蓋緩存區(qū)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息在時(shí)間上是非連續(xù)的。而過電壓數(shù)據(jù)必須按照時(shí)間的順序傳輸，所以就必須進(jìn)行數(shù)據(jù)重組。

當(dāng)判斷發(fā)生過電壓后，裝置將繼續(xù)采樣直至數(shù)據(jù)覆蓋緩存區(qū)中地址為400的整數(shù)倍。設(shè)采樣數(shù)據(jù)緩存區(qū)為DataBuffer[4800]、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為SendBuffer[4800]和最后數(shù)據(jù)覆蓋緩存區(qū)地址為add。下面將分三種情況來闡述數(shù)據(jù)重組：

1）當(dāng)add＜1200。將DataBuffer中起始地址為（4800-3200/add），長(zhǎng)度為（3200/add）的數(shù)據(jù)順序賦值給SendBuffer[0]至SendBuffer [3200/add-1]。最后將DataBuffer中起始地址為0，長(zhǎng)度為（3200＋add）的數(shù)據(jù)順序賦值給緩存區(qū)SendBuffer其余部分；

2）當(dāng)add＜1600≥1200。將DataBuffer中起始地址為（add-800），長(zhǎng)度為4000的數(shù)據(jù)順序賦值緩存區(qū)SendBuffer；

3）當(dāng)add＜4800≥1600。將DataBuffer起始地址為（add-800），長(zhǎng)度為（4000-add）的數(shù)據(jù)順序賦值SendBuffer[0]至SendBuffer[4000-add-1]。接著將DataBuffer起始地址為0，長(zhǎng)度為（add-1600）的數(shù)據(jù)順序賦值給緩存區(qū)SendBuffer其余部分。

6　實(shí)測(cè)波形分析

裝置已安裝與福建省長(zhǎng)樂市110kV長(zhǎng)限變內(nèi)三相五柱式電壓互感器二次側(cè)，其變比為10kV/100V，并多次采集到過電壓故障波形。圖7和圖8為2015 年4月21日21時(shí)02分采集到的故障波形。

圖7　三相電壓故障波形

圖8　零序電壓故障波形

上位機(jī)分析得出結(jié)論為兩相短路故障與單相接地故障。供電公司確認(rèn)發(fā)生了用戶內(nèi)部電容器爆炸事故，證明了此次故障活動(dòng)的存在。從圖7中第11周波前可以看出：BC兩相電壓下降，A相電壓升高，發(fā)生了兩相短路故障；第11周波至第14周波，B相電壓呈馬鞍形狀，AC兩相升高為線電壓，發(fā)生了B相單相電弧接地故障；第14周波之后，A相電壓降低呈馬鞍形狀，BC兩相升高為線電壓，又發(fā)生了A相單相電弧接地故障。

7　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS無線通信的配電網(wǎng)過電壓錄波裝置。通過分析裝置在GPRS通信中產(chǎn)生的流量，提出相應(yīng)的流量控制策略，減少了流量使用。為了準(zhǔn)確地記錄故障波形，對(duì)采樣數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)重組。通過所采集到的故障波形、上位機(jī)的分析和現(xiàn)場(chǎng)故障確認(rèn)說明了該監(jiān)測(cè)裝置的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]周海. 電力系統(tǒng)操作過電壓類型識(shí)別的研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué)， 2008.

[2]秦立明， 張明達(dá)， 莊建勇， 等. 并聯(lián)電容器分閘過電壓過程研究[J]. 華東電力， 2014， 42（5）: 1044-1047.

[3]代姚， 孫才新， 袁濤， 等. 采用過電壓波形識(shí)別的單相接地暫態(tài)過電壓抑制方法[J]. 高電壓技術(shù)， 2010，36（5）: 1136-1142.

[4]譚術(shù)， 侯世英， 肖旭. 10kV系統(tǒng)單相接地弧光過電壓的仿真與實(shí)例分析[J]. 電工技術(shù)， 2013（9）: 58-60.

[5]張海斌. 3～10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓的識(shí)別[J]. 電工技術(shù)， 2012（9）: 59-60.

[6]楊鳴， 司馬文霞， 段盼， 等. 鐵磁諧振過電壓柔性控制的試驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù)， 2015， 41（2）: 647-653.

[7]黃艷玲， 司馬文霞， 楊慶， 等. 電力系統(tǒng)實(shí)測(cè)過電壓信號(hào)的特征量提取與驗(yàn)證[J]. 高電壓技術(shù)， 2013，39（1）: 60-66.

[8]陳寰. 基于極性鑒別與暫態(tài)特征分布特性的電網(wǎng)過電壓識(shí)別研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué)， 2014.

[9]王乃會(huì). 基于LabVIEW的電力系統(tǒng)過電壓監(jiān)測(cè)研究[D]. 成都: 西華大學(xué)， 2008.

[10]鄭一維， 李長(zhǎng)俊， 吳訊馳， 等. 基于STM32的電能質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)， 2011，30（6）: 72-74， 78.

[11]張晗. 基于STM32F4的故障錄波系統(tǒng)研究[D]. 天津:河北工業(yè)大學(xué)， 2012.

[12]李小江， 郭謀發(fā)， 高偉. 用于低壓配網(wǎng)負(fù)荷及漏電流監(jiān)控的通信管理機(jī)研制[J]. 電工電氣， 2014（5）: 18-22.

[13]尹鋒. 基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué)， 2009.

鄭濤（1989-），男，福建福州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)及其自動(dòng)化技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介