GPS授時的配電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王 甜，張志偉,b,c，戴一帆，魏玉蕓，朱 祥

(中北大學(xué) a.信息與工程學(xué)院；b.電子測試重點實驗室； c.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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GPS授時的配電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王 甜a，張志偉a,b,c，戴一帆a，魏玉蕓a，朱 祥a

(中北大學(xué) a.信息與工程學(xué)院；b.電子測試重點實驗室； c.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

隨著對電能傳輸過程保質(zhì)量、高效率、強可靠的要求，時間同步設(shè)備對于電力系統(tǒng)安全運行以及故障檢測尤為重要。文中介紹了以STC12C5A60S2單片微型計算機為控制器，NEO-6M 為全球定位(GPS)授時定位的配電監(jiān)測系統(tǒng)。首先，對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)做了整體框架設(shè)計；其次，著重對配電參數(shù)的采集、GPS授時定位模塊做軟硬件設(shè)計以及進行PROTEUS仿真；然后，通過液晶顯示器(LCD)12864實現(xiàn)GPS時間、地理位置顯示；最后，設(shè)計上位機軟件進行試驗，完成整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

STC12C5A60S2單片微型計算機; PROTEUS仿真; GPS授時; 液晶顯示12864; 配電監(jiān)測

0 引 言

電力公司和能源設(shè)施對時間和頻率有嚴(yán)格的要求，以便有效的傳送和分配動力。然而，由于目前我國配電變壓器分布散落，使得它們在各自的時鐘下工作造成系統(tǒng)時鐘失去同步，進而對整個電力網(wǎng)的時間同步造成嚴(yán)重影響，比如不斷出現(xiàn)的停電事故就是因為電網(wǎng)時間的不同步；此外，對故障的檢測排查也造成很大麻煩。因此，電力系統(tǒng)自動化安全運行一個重要因素就是電力網(wǎng)時間的精確和統(tǒng)一[1]?；诖?，許多電力公司將基于GPS授時的時間同步設(shè)備引入發(fā)電廠和分電站[2]。

24顆GPS衛(wèi)星以12個恒星為周期環(huán)繞地球運行，使得在地面任一點均同時接收6顆衛(wèi)星的定位信號，而我們只需要其中4顆衛(wèi)星的定位信息即可完成授時功能[3]。GPS授時相對于傳統(tǒng)授時在地理、延時等方面顯示出更加高精度[4]、低成本、易于控制等優(yōu)勢；基于此，本文介紹了基于GPS高精度授時、LCD12864液晶顯示的配電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及其功能的實現(xiàn)。

本文選擇宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/周期(1T)STC12C5A60S2單片機作為CPU構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，它自帶有高達60kb快閃只讀存儲器(Flash ROM)和1280 B的SRAM，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍[5]。設(shè)計系統(tǒng)也以STC12C5A60S2單片微型計算機(MCU)為處理器實現(xiàn)對GPS信號采集還從中解析日期、時間、經(jīng)緯度并通過液晶屏顯示。此外，通過SA9105F電度芯片進行三相電能計量和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)存儲以及和上位機進行通信等功能。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)功能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

GPS高精度授時的配電監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 基于GPS高精度授時的配電監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)實現(xiàn)以下三部分功能：

1) 單片機控制GPS模塊接收衛(wèi)星信號實現(xiàn)該系統(tǒng)的實時授時，大大提高了時間的精確度。有GPS信號時通過GPS定位自動將時間信息校準(zhǔn)到本地時間；無GPS信號時采用本地時鐘電路進行日期顯示。電源電路主要給GPS模塊和LCD液晶顯示模塊供電，其中LCD12864液晶顯示器實現(xiàn)對時間、經(jīng)緯度顯示。

2) 在功能1)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對配電參數(shù)(三相電壓、電流、功率因數(shù)等)的采集，通過上位機即用戶機(PC)對單片機發(fā)送指令，單片機對互感器相關(guān)電路進行配電參數(shù)采集并且存儲；

3) 實現(xiàn)下位機(即STC12C5A60S2單片機)與PC的USB實時通信，其速度相比于串口通信提高了100多倍。

PC上位機軟件可以儲存和管理多臺配電變壓器的名稱、容量和安裝位置等各種信息。當(dāng)GPS授時的變壓器較多時，工作人員可根據(jù)GPS授時時間和定位尋找故障。限于篇幅，下面重點介紹前兩個功能。

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計

設(shè)計中配電參數(shù)采集主要是三相電壓、電流等信號的采集。首先，采集電路采集到變壓器低壓側(cè)的電壓和電流量；然后，通過調(diào)理運放電路并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；最后，傳送給單片機進行數(shù)據(jù)處理。ADC0809對輸入信號要求是單極性，電壓范圍為0～5 V。為防止信號太小須進行放大，本文設(shè)計出以下采集電路：

1)電流信號采集采用三個精密微型電流互感器，電流信號采用差分輸入(可減小誤差)。以A相電流采集為例，如圖2所示：從互感器TR1經(jīng)過并聯(lián)的滑動變阻器RV1得到輸入電壓要求范圍內(nèi)的電壓，再經(jīng)過電容器C1濾波后，得到的小信號經(jīng)過LM324放大器放大后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。B相、C相電流采集與A相原理相同[6]。

圖2 電流調(diào)理運放電路圖

2)電壓信號采集則采用三個精密微型電壓互感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809中電流、電壓信號均為單端輸入“A相”原理如圖3所示。由火線接入電壓互感器TR2后經(jīng)過變阻器RV2分壓使輸出電壓符合ADC0809要求的輸入范圍，再經(jīng)過濾波，對地接電容C2以穩(wěn)定讀點電位，此處LM324為電壓跟隨器，使電壓信號不衰減地傳到負(fù)載，將輸出穩(wěn)定電壓輸入到ADC0809輸入端。B相、C相電壓采集與A相原理相同。

圖3 電壓調(diào)理運放電路圖

1.3 GPS接收模塊設(shè)計

GPS接收模塊是接收機最重要、最關(guān)鍵的部分，這里采用瑞士U-Blox公司生產(chǎn)的NEO-6M系列NEO-6M-0-001作為接收模塊，具有24引腳，工作電壓2.7 V～3.6 V；它是以高性能U-Blox 6定位引擎為特色的獨立GPS接收機，且尺寸小巧，在16 mm×12.2 mm×2.4 mm的微型封裝內(nèi)提供了眾多連接選項，200多萬個相關(guān)器首次使用定位時間不到1 s，更新速率達到5 Hz；其緊湊的結(jié)構(gòu)和斷點記憶功能使得NEO-6模塊非常適用于電池供電且具有嚴(yán)格尺寸和成本要求的大眾市場終端產(chǎn)品[6]。

該GPS接收模塊主要參數(shù)有:TIMEPULSE信號精度為30 ns；水平精度以圓概率誤差(CEP)，即GPS定位在2.5 m精度的概率為50%；支持UART、USB、SPI接口通信，文中采用串口與外部設(shè)備MCU通信；它支持NAME、UBX、RTCM協(xié)議，在這里選擇應(yīng)用比較廣泛的NAME 0183協(xié)議。

圖4為GPS接收模塊硬件連接原理圖，VCC引腳接3.3V電源；TIMEPULSE引腳接藍(lán)色LED指示燈，模塊上電后指示燈亮，開始接收GPS信號時指示燈閃爍；RF_IN引腳接天線；SCL2和SDA2分別與電可擦可編程存儲器24AA32A的SCL和SDA相連，每次掉電重啟后，GPS模塊會從中加載配置信息；V_BCKP引腳接備用電源；由于單片機和u-blox芯片輸出均為TTL電平，則RXD1與單片機的RXD直接相連即可，用于單片機控制其接收信號；TXD1和單片機的TXD直接相連，用于向單片機發(fā)送采集到的GPS信號，單片機按照NAME 0183協(xié)議解析信號從中分離提取出時間信號通從而得到自主授時[7]。

圖4 GPS接收模塊硬件連接原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)主流程設(shè)計

如圖5所示，系統(tǒng)主程序工作流程與硬件電路設(shè)計中各模塊相對應(yīng)，系統(tǒng)開始工作時，首先對STC12C5A60S2單片機、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等進行初始化，讀時鐘的日期和時分，記錄開測日期和時分并開始對三相電壓電流進行采樣，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)計算無功投切相應(yīng)參數(shù)，通過該參數(shù)確定系統(tǒng)是否需要調(diào)用無功投切子程序，如果需要則調(diào)用該子程序；如果不需要執(zhí)行該程序，則判斷時間是否到達一分鐘并執(zhí)行讀表指令，判斷該指令內(nèi)容，繼而循環(huán)此過程；軟件采用C語言編寫和結(jié)構(gòu)化設(shè)計程序，在Keil uVision4集成開發(fā)環(huán)境中完成，再經(jīng)過不斷地調(diào)試、修改、仿真。最后，通過上位機軟件完成對配電參數(shù)的監(jiān)測。

2.2 GPS接收模塊軟件設(shè)計

GPS授時技術(shù)就是利用接收機接收衛(wèi)星不斷發(fā)出的時鐘參數(shù)，GPS接收機接收后發(fā)送給單片機再傳給LCD12864液晶顯示，而單片機如何從接收機中提取出我們需要的事件信息就是該部分的關(guān)鍵,因此了解與解析協(xié)議格式關(guān)系到整個授時功能的實現(xiàn)。

圖5 主程序流程圖

GPS數(shù)據(jù)的傳輸采用NMEA0183數(shù)據(jù)格式，是美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式[8]，它定義了GPS接收機信號的輸出格式，共有十多種，輸出均為ASCII碼，包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、時間、航向、以及衛(wèi)星信號情況等大量信息，如果單片機全部接收再處理數(shù)據(jù)將會占用特別大的RAM，編寫程序時就需要數(shù)據(jù)存儲程序，由于該系統(tǒng)還有數(shù)據(jù)采集部分程序會導(dǎo)致開發(fā)成本高、調(diào)試難度加大；因此，在這里采用選擇接收的方式，根據(jù)需求按照特定的格式編寫相應(yīng)的程序從中解析出有用信息，大大節(jié)約了RAM并較少程序處理時間，提高系統(tǒng)運行速度。

在此次設(shè)計中根據(jù)所需要的GPS授時功能只運用到了＄GPRMC定位數(shù)據(jù)語句，其結(jié)構(gòu)為：

＄GPRMC,<1>,<2>,<2>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh

其中“＄”幀首，標(biāo)志信息起始；GP為發(fā)送者ID,表示為GPS信號；RMC為句子ID，表明接下來<1>～<11>數(shù)據(jù)域包含的信息,這個句子中依次為定位點(UTC)時間、定位狀態(tài)、緯度、緯度方向、經(jīng)度、經(jīng)度方向、對地航速、航向、定位點UTC日期、磁偏角、磁偏角方向；*hh為數(shù)據(jù)域各位的校驗和；代表協(xié)議幀結(jié)束[9]。綜上所述，GPS模塊的軟件流程如圖6所示。

圖6 讀GPS信息流程圖

2.3 PC機界面設(shè)計

上位機程序主要作用是實現(xiàn)對下位機的控制，即數(shù)據(jù)的雙向傳輸。上位機通過寫命令控制下位機采集配電參數(shù)，采集到的數(shù)據(jù)存儲在USB接口芯片的緩沖區(qū)(端點)，當(dāng)再次接到PC機對其發(fā)送命令時則將端點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PC機實現(xiàn)監(jiān)測。這就需要相關(guān)的PC機界面實現(xiàn)相應(yīng)的顯示、查詢功能?？梢愿鶕?jù)不同的要求編寫相應(yīng)的人機界面。

采用VC++6.0針對采集要求設(shè)計的人機界面，如圖7所示。界面上設(shè)計了“采集”，“查詢”，“整理”，“報表”等8個控制項，每一項下又可以實現(xiàn)其相關(guān)功能?！安杉卑粹o實現(xiàn)配電參數(shù)采集以及存庫；“整理”則實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的備份、清除、恢復(fù)等功能；“查詢”則根據(jù)具體編號變壓器在具體時間的具體配電參數(shù)的查詢，不僅可以對A、B、C相電壓電流進行監(jiān)測，還可以分別對其三相功率因數(shù)進行測量；“參數(shù)”按鈕實現(xiàn)對變壓器編號、變比、容量等參數(shù)的記錄設(shè)置；“報表”按鈕可查詢負(fù)荷分析表、日負(fù)荷記錄表、電量統(tǒng)計表、配變參數(shù)管理表等，除此之外，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)抄功能。點擊“退出”則退出程序。

圖7 配電參數(shù)采集人機界面

3 GPS授時顯示仿真

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，能夠仿真單片機及外圍電路的仿真，對于驗證程序以及電路的正確性有很大幫助。

仿真主要有三個步驟：(1) 按照原理圖布圖，在這里所有的器件必須可以在庫里找到仿真原型，找不到的可以找兼容的器件代替。由于STC12C5A60S2單片機與51單片機代碼完全兼容，在本次的仿真以51系列單片機AT89C51代替STC12C5A60S2單片機進行仿真；(2) 代碼調(diào)試，在Keil uVision4編寫完成后進行調(diào)試，成功后再進行編譯生成.hex文件，下載到圖7中單片機；(3) 本次仿真只對GPS輸出的信息進行解析，使得授時信息顯示在LCD上，因此需要將單片機與外圍電路協(xié)同仿真，這里利用虛擬串口VSPD通過圖7中的COMPIN串口接收來自GPS接收機的信號，設(shè)置好COMPIN的波特率和COM口后點擊仿真按鈕[10-11]。表示仿真成功，如圖8所示。

圖8 GPS授時仿真顯示

4 實驗結(jié)果

測試結(jié)果主要是基于GPS授時的數(shù)據(jù)監(jiān)測，因此，要完成兩部分的功能即GPS接收模塊時間顯示及上位機對相關(guān)配電數(shù)據(jù)的顯示。

4.1 GPS模塊實驗結(jié)果

測試時給STC12C5A60S2單片機上電后，將NEO-6M-0-001接收模塊(帶天線)放置在可接收到信號的地方，GPS模塊與單片機在電源模塊供電下，首次定位時間稍長一點，當(dāng)沒有GPS信號時本地時鐘電路提供時間，如圖9a)所示，當(dāng)有GPS信號時顯示GPS授時時間，如圖9b)所示。測試地點為中北大學(xué)，顯示信息如圖9所示。

圖9 無GPS信號和有GPS信號時授時

4.2 配電監(jiān)測實驗結(jié)果

配電參數(shù)的監(jiān)測查詢結(jié)果如圖10所示，利用設(shè)計好的USB接口實現(xiàn)PC機與配電采集系統(tǒng)的通信，選擇所要測量變壓器編號，在GPS授時顯示為12月19日15:28:08時，點擊“查表”按鈕，選擇負(fù)荷分析選項，選擇所要查詢的條件，點擊查詢則出現(xiàn)圖10所示的負(fù)荷分析結(jié)果，限于篇幅實驗結(jié)果只給出負(fù)荷分析查詢結(jié)果，該監(jiān)測系統(tǒng)還可對電流、功率以及功率因數(shù)等進行實時監(jiān)測，至此實現(xiàn)了GPS授時的配電裝置電參數(shù)的監(jiān)測。

圖10 10106號變壓器負(fù)荷分析查詢

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)分別在硬件、軟件上將GPS授時和配電數(shù)據(jù)采集結(jié)合，完成基于GPS授時的配電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。測試結(jié)果顯示系統(tǒng)很好的實現(xiàn)授時、監(jiān)測功能，使用嵌入式NEO-6M-0-001 GPS模塊，確保信號接受的精確性，當(dāng)眾多配電變壓器分布在不同位置時，則能夠精確得到統(tǒng)一的時間和各變壓器位置信息，利于獲取故障位置信息以便于排查。由于電力系統(tǒng)對時間同步嚴(yán)格性與迫切性要求，加上該GPS模塊體積特別小、精度高等優(yōu)點，實用性強，可推廣并應(yīng)用于其他電力同步設(shè)備。

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王 甜 女，1991年生，碩士研究生。研究方向為配電參數(shù)采集及傳輸系統(tǒng)設(shè)計。

張志偉 男，1964年生，教授，博士。研究方向為光電探測理論與技術(shù)和自動化儀器與儀表。

戴一帆 女，1993年生，碩士研究生。研究方向為光電探測理論與技術(shù)。

魏玉蕓 女，1992年生，碩士研究生。研究方向為聲光調(diào)制通信技術(shù)。

朱 祥 男，1991年生，男，研究生。研究方向為光外差干涉信號，通信系統(tǒng)與應(yīng)用。

The Design of Distribution Monitoring System Based on the GPS Timing

WANG Tiana，ZHANG Zhiweia,b,c，DAI Yifana，WEI Yuyuna,ZHU Xianga

(a.School of Information and Communication Engineering; b.Key Laboratiory of Electronic Testing Technology; c.Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Test, North University of China,Taiyuan 030051,China)

With the power transfer requiring ensuring quality,high efficiency,strong reliability,time synchronization equipments are particularly important for the safe operation and fault detection of power system.The distribution monitoring system based on single-chip controller STC12C5A60S2 and NEO-6M GPS timing module is introduced.First,the overall framework of the system is designed to achieve the paticular functions; second,hardware and software design is made mainly on the acquisition system of distribution parameters ，GPS timing and positioning module,PROTEUS simulation is done; then,GPS time and position displaying through LCD12864 is realized; finally,PC software is designed to achieve the the entire system function.

STC12C5A60S2 micro controller unit; PROTEUS simulation; GPS timing; LCD12864; distribution monitoring

??技術(shù)·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.017

王甜 Email：1165542838@qq.com

2016-07-05

2016-09-18

TM93

A

1004-7859(2016)10-0074-05