基于GPRS的配電變壓器遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海濤 劉洋 胡欣然

（安徽理工大學(xué)安徽淮南232001）

基于GPRS的配電變壓器遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海濤 劉洋 胡欣然

（安徽理工大學(xué)安徽淮南232001）

本文以配電變壓器所具有的特點(diǎn)，諸如數(shù)量眾多、分布廣泛以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等顯著性特點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種以GPRS為支撐基礎(chǔ)的配電變壓器遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)上的實(shí)現(xiàn)。本文針對(duì)該項(xiàng)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的總體設(shè)計(jì)方案以及硬件電路組成兩部分進(jìn)行重點(diǎn)的介紹。

配電變壓器；GPRS；集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；ARM

引言

常年以來(lái)，供電企業(yè)對(duì)配電變壓器的監(jiān)測(cè)和管理僅僅是通過(guò)人工定期巡查，配電變壓器的運(yùn)行狀況、負(fù)荷變化狀況和損耗情況等僅僅憑目測(cè)和估算，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)一些不定因素。因此，研究并開(kāi)發(fā)出成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好的配電變壓器遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是勢(shì)在必行的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文采用GPRS處理方式作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接收方式，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)目的。與此同時(shí)，該系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的對(duì)象為低壓配電變壓器，以預(yù)置的GPRS模塊作為數(shù)據(jù)從而傳輸?shù)竭h(yuǎn)端管理部門，為其供配電調(diào)控提供可靠參考數(shù)據(jù)，以科學(xué)合理對(duì)遠(yuǎn)程變壓器運(yùn)行進(jìn)行調(diào)控。

1.1 配電變壓器監(jiān)測(cè)終端

該終端設(shè)備需要以實(shí)際需要為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行安裝，設(shè)計(jì)中要求其可獨(dú)立運(yùn)行，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊以方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因?yàn)檫h(yuǎn)程控制中心需對(duì)該設(shè)備運(yùn)行狀況、相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋信息，以此及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、安全隱患等，制定相應(yīng)策略予以調(diào)控。

1.2 GPRS數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)

GPRS數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)耐ǖ溃涑休d遠(yuǎn)程控制中心與終端設(shè)備之間的信息流，因此通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定高效的運(yùn)行將是系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的保證。配電變壓器的監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行良好運(yùn)行的第一步是先要對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)一系列的采集以及處理，經(jīng)過(guò)初步處理的數(shù)據(jù)量更小，干擾信息也更少，可以提升預(yù)置于遠(yuǎn)端設(shè)備的GPRS模塊所發(fā)送數(shù)據(jù)的質(zhì)量和速度，方便遠(yuǎn)程控制中心接收。控制中心接收信息后，所發(fā)送指令如查詢、控制等命令也需要通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，由終端設(shè)備接收后執(zhí)行，從而實(shí)施遠(yuǎn)程控制。

1.3 配變監(jiān)測(cè)中心

控制中心為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，由核心計(jì)算機(jī)、UPS電源及數(shù)據(jù)服務(wù)器以及打印機(jī)等相關(guān)的外圍設(shè)備組合而成。一方面配變點(diǎn)的監(jiān)測(cè)中心可以和監(jiān)測(cè)的終端之間保持較好性能的雙向通信，接收相關(guān)參數(shù)及報(bào)警信息等實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，并由監(jiān)控人員決策后想監(jiān)測(cè)終端發(fā)送控制信號(hào)；另一方面，可為監(jiān)控人員提供穩(wěn)定、清晰的監(jiān)控界面，方便進(jìn)行信息識(shí)別，從而對(duì)配電變壓器的報(bào)警信息、運(yùn)行狀態(tài)、以及參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果等進(jìn)行實(shí)時(shí)反應(yīng)。

2 配變監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

配電變壓器監(jiān)測(cè)終端保證了整個(gè)配電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要包括微處理器模塊、模擬信號(hào)采集電路模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、顯示電路模塊、鍵盤電路模塊、控制輸出電路模塊、存儲(chǔ)電路模塊和數(shù)據(jù)通信模塊等部分共同組成，相互作用，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定高效的運(yùn)行。然而配電監(jiān)測(cè)終端的核心部分采用ARM芯片S3C2430，將其配外部配加合適的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)各種功能，其硬件原理框圖如圖1所示。

配電變壓器監(jiān)測(cè)終端采用數(shù)據(jù)和信號(hào)采集電路實(shí)時(shí)的采集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各種電力參數(shù)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)等信息。隨之，監(jiān)測(cè)終端將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM核心控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理。一方面進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)以及處理并進(jìn)行存儲(chǔ)以備使用；另一方面，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集以及相關(guān)的處理結(jié)果對(duì)其按功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。與此同時(shí)，ARM核心控制器也可以接收來(lái)自于監(jiān)測(cè)控制中心的控制指令，從而完成數(shù)據(jù)的傳輸、控制和系統(tǒng)的成功組網(wǎng)。該人機(jī)接口電路主要包括鍵盤和顯示電路，從而用于終端的參數(shù)設(shè)置、顯示和查詢等功能。數(shù)據(jù)通信接口主要用于實(shí)現(xiàn)終端和監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)傳輸。控制輸出電路其主要適用于系統(tǒng)無(wú)功功率和特殊情況下的開(kāi)關(guān)分合。

圖1 監(jiān)測(cè)終端硬件原理框圖

2.1 ARM微處理器系統(tǒng)

該系統(tǒng)為終端設(shè)備核心系統(tǒng)，主要由ARM核心處理器S3C2430以及發(fā)揮供電、存儲(chǔ)、復(fù)位等功能的相關(guān)模塊組成。所用系列內(nèi)核為ARM920T，采用FBGA形式進(jìn)行封裝，該系類擁有較豐富的配套內(nèi)部組件；同時(shí)兼具相互獨(dú)立的16KB數(shù)據(jù)Cache和指令Cache，采用MMU虛擬存儲(chǔ)器作為管理模塊、所用驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為L(zhǎng)CD、內(nèi)存引導(dǎo)時(shí)可支持NAND形式，定時(shí)器采用PWM形式，數(shù)量為4個(gè)，該定時(shí)器具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘IO端口，可采用觸摸屏方式進(jìn)行設(shè)備接入，另外配置有SPI接口，和USB接口，分別有兩個(gè)接口，同時(shí)配置了8路10位的ADC模塊。

2.2 模擬信號(hào)采集電路

本文所用采集電路以工業(yè)級(jí)AD7656為模數(shù)核心轉(zhuǎn)換芯片，采用集成模塊設(shè)計(jì)，具有6個(gè)可獨(dú)立采樣的ADC模塊，并設(shè)置有可供參考電壓的BUFF。各路ADC均為16位，6個(gè)信息通道同時(shí)進(jìn)行云錯(cuò)，同步轉(zhuǎn)換速度不低于250KSPS，可以較好的滿足信號(hào)采集的速率要求。

2.3 數(shù)據(jù)通訊電路

通訊模塊采用MC35i，為雙頻模塊，可同時(shí)支持GSM及GPRS通信業(yè)務(wù)。該信息處理模塊由射頻裝置、基帶處理器以及內(nèi)部FLASH和SDRAM等組成，并配置有匹配電源。GSM基帶處理器是系統(tǒng)核心功能實(shí)現(xiàn)的中心模塊，可進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而處理來(lái)自于外部系統(tǒng)的指令，該指令通常以串口形式發(fā)送。GSM模塊上的射頻天線主要用于信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，并且是基于外部射頻信號(hào)和內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。匹配電源則為處理器和射頻部分所提供的需求電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的GPRS的配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)這三部分有機(jī)組成。其中路由節(jié)點(diǎn)起到協(xié)調(diào)作用，發(fā)揮管理網(wǎng)絡(luò)連接及控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能。為提供完整路由協(xié)議，同時(shí)保證應(yīng)用層具備充分的透明性，本文所研究的軟件進(jìn)行了協(xié)議棧移植，添加了Z－Stack協(xié)議棧。本設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的程序開(kāi)發(fā)任務(wù)出發(fā)點(diǎn)為Z－Stack協(xié)議棧，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了配套的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)該部分系統(tǒng)模塊的程序設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示該網(wǎng)絡(luò)可以較好的完成相關(guān)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)地檢測(cè)一致，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸狀況良好，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完整的接收到由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的信息。表明本文所設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常，并符合該系統(tǒng)工作環(huán)境要求，可以穩(wěn)定工作。

4 結(jié)論

本文以配電變壓器側(cè)的監(jiān)測(cè)需求以及管理需求為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行先進(jìn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、電力監(jiān)測(cè)技術(shù)以及ARM綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)的融合式設(shè)計(jì)，最終形成以GPRS為基礎(chǔ)的配電變壓器的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有運(yùn)行維護(hù)方便、投資成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。為提高供電的質(zhì)量和可靠性發(fā)揮著及其重要的作用，在電力及其相關(guān)行業(yè)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1]張義華，張曙光，宋慧欣.基于GPRS技術(shù)的配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技信息，2010，13：353+352.

[2]高志強(qiáng).基于GPRS的配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].山東理工大學(xué)，2007.

[3]王涵.杭州市基于4G網(wǎng)絡(luò)配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].華北電力大學(xué)，2014.

TM421

A

1004-7344（2016）28-0088-02

2016-9-23

張海濤（1986-），男，碩士在讀，在安徽理工大學(xué)就讀電氣工程專業(yè)。

劉洋（1987-），男，碩士在讀，在安徽理工大學(xué)就讀電氣工程專業(yè)。胡欣然（1987-），男，碩士在讀，在安徽理工大學(xué)就讀電氣工程專業(yè)。