基于GPRS低壓配電網(wǎng)絡(luò)線損監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

吳蔡茂

（佛山市綠能環(huán)保有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展和全球能源供應(yīng)緊張局勢日益惡化，提升電能質(zhì)量和降低能源損耗已成為國家政策的重要組成部分[1-4]。線損率是電力在輸電過程中由于電阻、電感和電容等元件引起的能量損耗占輸送總能量的比例，是衡量電力系統(tǒng)輸電效率和穩(wěn)定性的重要參數(shù)[5-7]。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的配電網(wǎng)自動化水平較低。自動化程度方面，我國配電網(wǎng)用戶終端的數(shù)據(jù)采集仍依賴于傳統(tǒng)的人工方式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集效率低下且容易出錯。此外，配網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸通信技術(shù)的落后限制了配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，影響線損計算等。文章開發(fā)一種基于通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）技術(shù)的創(chuàng)新低壓配電網(wǎng)絡(luò)線損監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 監(jiān)測裝置單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用基于單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的硬件方案，以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，結(jié)合電力采集模塊和GPRS模塊，保障數(shù)據(jù)采集和通信功能的完整性?？紤]裝置主板的功能要求，系統(tǒng)選擇Intel 80C196處理器作為主控板的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。

1.1.1 單片機(jī)與可編程外圍芯片的接口設(shè)計

為滿足單片機(jī)外圍電路的功能需求，選擇型號為PSD934F2的可編程外圍芯片（Programmable System Device，PSD）。該芯片可以實現(xiàn)輸入/輸出（Input/Output，I/O）重構(gòu)、邏輯組合以及芯片選擇等電路設(shè)計，從而簡化系統(tǒng)的設(shè)計過程。利用PSDsoft軟件開發(fā)PSD934F2硬件平臺。PSD934F2具備高度集成和強(qiáng)大的在線編程功能，可以輕松完成PSD934F2器件的開發(fā)工作。CPU與PSD芯片的電路如圖1所示。

圖1 CPU與PSD芯片的電路

1.1.2 單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計

通過觸發(fā)Reset信號，可以控制單片機(jī)的初始化過程，并啟動系統(tǒng)初始化軟件。在10 MHz時鐘頻率下，為確保復(fù)位操作有效，需要保持Reset信號的低電平狀態(tài)至少持續(xù)600 ns，相當(dāng)于6個系統(tǒng)時鐘周期。因此，設(shè)計中需要特別注意Reset信號的時序控制，以確保設(shè)備正常運(yùn)行。為實現(xiàn)有效的復(fù)位操作，PSD芯片通過接收Reset信號可以回到初始狀態(tài)，以確保正常的功能和操作。此外，為滿足單片機(jī)和其他外設(shè)芯片的要求，綜合考慮后，需要將Reset信號保持在低電平狀態(tài)至少100 ms，以確保所有設(shè)備在上電時有效復(fù)位。

1.1.3 轉(zhuǎn)換器的選擇

采用MAX197型號的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）能夠有效提升電氣測量系統(tǒng)的精度和可靠性，為數(shù)據(jù)采集和分析提供可靠的基礎(chǔ)。采用適當(dāng)?shù)臑V波電容能夠降低電路中的噪聲干擾，提供清晰穩(wěn)定的電源信號，從而保證裝置的可靠性和優(yōu)化裝置的性能。

1.2 GPRS通信模塊的硬件設(shè)計

以MC35模塊為核心，設(shè)計兼容RS-232標(biāo)準(zhǔn)，并利用串行異步收發(fā)器作為數(shù)據(jù)輸入/輸出接口的關(guān)鍵組件。硬件流量控制采用請求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）機(jī)制，軟件流量控制則使用XON/XOFF協(xié)議。這些功能的結(jié)合使得數(shù)據(jù)的傳輸和控制更加可靠和靈活。此外，AT命令被廣泛支持，可實現(xiàn)對模塊的配置和控制。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 單片機(jī)程序設(shè)計

2.1.1 主程序設(shè)計

監(jiān)測裝置軟件流程如圖2所示。在設(shè)置參數(shù)方面，需要配置多個寄存器。這些參數(shù)的設(shè)置對系統(tǒng)的運(yùn)行和功能調(diào)用具有重要作用。

圖2 監(jiān)測裝置軟件流程

2.1.2 定時模塊設(shè)計

定時模塊是該系統(tǒng)的主要模塊，定義了多個核心模塊任務(wù)。系統(tǒng)需要完成的任務(wù)包括上報線損量、日線損量以及定義定時抄送和上傳。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

在進(jìn)行寫操作時，MAX197開啟轉(zhuǎn)換功能。利用寫操作能夠靈活選擇多個通道，并確定輸入范圍，包括單向或雙向輸入模式。在進(jìn)行一次寫操作時，能夠激活一次數(shù)據(jù)采集或初始化采樣程序，從而啟動MAX197的轉(zhuǎn)換過程。這種操作序列使得MAX197轉(zhuǎn)換過程具有控制能力，確?？梢愿鶕?jù)需要準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)。通過引入外部采集模式，能夠提高采樣間隔的準(zhǔn)確性，并及時進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。若新的控制字節(jié)被寫入轉(zhuǎn)換周期，則會導(dǎo)致當(dāng)前轉(zhuǎn)換失敗，從而引發(fā)一次全新的采集過程。采用外部采集模式能夠靈活控制數(shù)據(jù)的采樣和轉(zhuǎn)換過程，以滿足精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集的需求。用戶可以通過發(fā)送2個寫脈沖，實現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)采集和控制過程。第1個寫脈沖發(fā)出后，應(yīng)將ACQMOD位置調(diào)整至1，以確保操作模式的準(zhǔn)確性。發(fā)送第2個寫脈沖時，將ACQMOD位設(shè)為0，從而觸發(fā)轉(zhuǎn)換并結(jié)束采集過程。需要注意，在這2個寫脈沖之間，多路輸入通道的地址位值必須保持一致。

2.1.4 線損計算子程序設(shè)計

通過實時監(jiān)控可以利用數(shù)學(xué)模型估算各個主干線的損耗情況，并將結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫。從存儲地址中提取等效電阻值，并在預(yù)定的采集時間內(nèi)計算線損，然后使用提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。線損計算軟件流程，如圖3所示。

圖3 線損計算軟件流程

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)與GPRS之間的串行通信

通過8位異步串口通信模式，可以實現(xiàn)GPRS模塊、嵌入式傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）單片機(jī)系統(tǒng)以及其他相關(guān)設(shè)備的有效連接，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控。

2.3 軟件層次模型

軟件層次結(jié)構(gòu)中，底層是操作系統(tǒng)，中間層是支撐軟件，上層為應(yīng)用軟件。

2.4 控制中心獲取數(shù)據(jù)的方法

為實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)公共網(wǎng)絡(luò)的連接，監(jiān)控中心采用非對稱數(shù)字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）等方式。為實施該方案，需要向互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)[8,9]。

（1）固定IP。該方案具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，推薦使用該方案。

（2）通過與域名服務(wù)器（Domain Name Server，DNS）服務(wù)提供商協(xié)商，客戶可以啟用動態(tài)域名服務(wù)，以確保監(jiān)控點(diǎn)和中心之間的連接暢通無阻。使用域名搜索技術(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠高效實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與訪問，同時提供安全和可靠的監(jiān)測服務(wù)。

（3）目前，控制中心能夠使用Socket接口從采集器獲取來自互聯(lián)網(wǎng)的信息，輕松讀取通過GPRS模塊傳輸至公網(wǎng)的數(shù)據(jù)，從而獲取采集端的數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 論

文章提出一種基于GPRS技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，并介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。該系統(tǒng)能夠用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)的線損監(jiān)測，具備確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和完整性，簡化了負(fù)荷點(diǎn)數(shù)據(jù)采集過程，對電力系統(tǒng)的管理和評估具有重要意義。