基于ARM控制器和GPRS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)配變監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1、引言

配電變壓器是聯(lián)系電網(wǎng)和用戶的基礎(chǔ)，它的運行狀況直接關(guān)系到用戶能否可靠的使用電能，因此有必要對它進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控.目前國內(nèi)已出現(xiàn)的配變數(shù)據(jù)采集通信主要有有線與無線兩種方式.有線通信方式有電話線、電力線載波和光纖等，它們存在通信易受干擾、可靠性低等缺點，難以普及，而無線電臺通信方式由于需要進(jìn)行主站建設(shè)，費用較高.隨著無線通信技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，特別是基于GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)的GPRS技術(shù)的成熟，為配變監(jiān)測系統(tǒng)提供了新的通信方式。

本文提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的配變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，解決了配變參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸問題，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和實時負(fù)荷監(jiān)測的功能.并基于ARM 控制器設(shè)計了一種先進(jìn)的配變監(jiān)測器，為電力部門的專業(yè)分析(如負(fù)荷預(yù)測、線損分析、故障判斷、用電質(zhì)量等)提供實時數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高了配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2、GPRS 通信技術(shù)

通用分組無線業(yè)務(wù) (General Packet Radio Service，GPRS)是在現(xiàn)有的GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種移動分組業(yè)務(wù)，它采用分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接，與GSM的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式相比，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸.它的主要技術(shù)特點有：

(1)傳輸速率高.GPRS采用了4種不同的編碼方式：CS-l～CS-4，每個用戶最多可同時使用8個時隙，最高理論速度為l71.2kbps的傳輸速率。

(2)實時在線.即使沒有數(shù)據(jù)需要傳送，仍一直與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)接，處于“一直在線”狀態(tài)。

(3)GPRS的核心網(wǎng)絡(luò)層采用IP技術(shù)，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。

(4)費用低.在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面只須沿用現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡(luò)來發(fā)展即可，由于數(shù)據(jù)實現(xiàn)分組發(fā)送和接收，系統(tǒng)通常按流量計費，用戶可以總是在線，服務(wù)成本低。

(5)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍很廣。

GPRS的用途十分廣泛，包括通過手機(jī)發(fā)送及接收電子郵件，在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽數(shù)據(jù)等.將GPRS應(yīng)用于配變監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以滿足配變監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求，而且節(jié)約成本，實現(xiàn)靈活方便。

3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由監(jiān)控終端、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心站構(gòu)成，如圖1所示.變壓器監(jiān)控終端安裝在變壓器現(xiàn)場，采集變壓器二次端的電氣參數(shù)和一些開關(guān)量，通過GPRS modem定時上傳采集信息到位于變電所的監(jiān)控中心站，當(dāng)變壓器三相電力參數(shù)出現(xiàn)異常立即向中心站上傳報警信息;同時，當(dāng)中心站發(fā)送控制命令到監(jiān)控終端，監(jiān)控終端通過GPRS modem接收命令，可以控制變壓器的一些開關(guān)量.GPRS網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控終端與中心站通信的橋梁，監(jiān)控終端的采集信息和報警信息上傳，中心站控制命令下達(dá)都是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信.GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)是無縫鏈接的，中心站借助ADSL 專線接入Internet從而進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)，一方面與監(jiān)控終端雙向通信，另一方面提供了一個可視化界面，讓用戶足不出戶了解遠(yuǎn)方變壓器的運行狀況.當(dāng)變壓器出現(xiàn)報警信息，中心站可以及時得知并通知就近值班員排除故障，大大縮短故障排除時間，提高配電網(wǎng)運行的可靠性和安全性。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 配電變壓器監(jiān)控終端硬件組成及原理

監(jiān)控終端是系統(tǒng)的核心部件，其主要作用有：

(1)過流保護(hù)：實現(xiàn)了對配變的過流保護(hù)，保證了供電的可靠性;

(2)遠(yuǎn)程通信：實現(xiàn)終端的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸;

(3)采集模擬量：實現(xiàn)采集三相電壓和三相電流;

(4)抄表：抄取電子電度表的電度示值.

配電監(jiān)控終端是由ARM 處理器、鐵電存儲器、跳閘合閘繼電器、抄表RS485 模塊、按 鍵、顯示模塊、電能AD芯片ATT7022B、GPRS 模塊以及抄表RS485 模塊組成.其方框圖如圖 2 所示。

圖2：配變終端原理框

ARM 處理器通過SPI 接口讀取ATT7022B 內(nèi)部的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，將所取得的數(shù)據(jù)和通過RS485模塊讀取的電度表的電度示值存入鐵電存儲器，并每隔一段時間由GPRS 模塊把數(shù) 據(jù)發(fā)送到主站服務(wù)器.ARM 處理器通過AD的數(shù)據(jù)判斷是否過流保護(hù)產(chǎn)生跳合閘信號保護(hù)配 電變壓器，并將報警通過GPRS 模塊發(fā)送主站。

4.1 CPU 模塊

CPU 是終端的核心部分，采用的是ST 公司的STR710 處理器具有ARM7 內(nèi)核，ARM7 處理器 具有低功耗的32位RISC 處理器，支持16 位壓縮指令集Thumb，具有嵌入式ICE-RT 邏輯， 調(diào)試開發(fā)方便.STR710 處理器具有豐富的外設(shè)以及I/O 接口，內(nèi)部具有大容量的程序存儲 器FLASH 和RAM,功能強(qiáng)大的ARM處理器可以處理許多復(fù)雜控制的應(yīng)用場合，由于其豐富的 外設(shè)和眾多的I/O 口可以簡化許多外設(shè)，降低成本，具有低成本、低功耗和高性能等優(yōu)點.因此STR710可以處理數(shù)據(jù)的采集以及分析數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行通訊以及其它工作的控制和協(xié)調(diào)。

4.2 AD 模塊

AD 模塊采用以電能AD 芯片ATT7022B 為基礎(chǔ)的采樣模塊.ATT7022B 是一款具有高可靠性、高精度、高穩(wěn)定性的三相基波/諧波電能計量芯片，在1000:1 的動態(tài)范圍內(nèi)功率測量精度優(yōu)于0.1%，電流和電壓的有效值測量精度優(yōu)于0.5%.ATT7022B 可以單獨計量基波電能，消除諧波對電能計量的負(fù)面影響，為電力部門公平計費提供參考依據(jù).其內(nèi)部集成7 通道的 16 位高精度ADC 和24位高速DSP，第七路ADC 可用于防竊電，片上集成有溫度傳感器，通 過SPI 通訊接口輸出三相多功能電表所需的各項電能參數(shù).ATT7022B 可以同時給出總有功/ 無功電能、基波有功/無功電能、諧波有功/無功電能、視在電能等參數(shù).電壓采集方式以電壓傳感器，電流采集方式以電流傳感器。

4.3 抄表485 模塊

STR710 處理器本身外設(shè)的串口與MAX3485 連接轉(zhuǎn)為485 通訊，通過485 通訊與電度表相接讀出符合DL/T645 多功能電能表通信規(guī)約電度表的電度示值。

4.4 數(shù)據(jù)保存

使用鐵電存儲器FM3164 來保存各種數(shù)據(jù)，防止這些數(shù)據(jù)掉電丟失.這些數(shù)據(jù)包含終端 采集的數(shù)據(jù)、主站的IP地址、校表精度參數(shù)以及其他參數(shù)的設(shè)置.鐵電存儲器也可以保證 掉電時終端時鐘運行.STR710 處理器利用IIC 總線連接FM3164。

4.5 GPRS模塊

GPRS 模塊是基于配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，終端穩(wěn)定的傳輸對于系統(tǒng)正常的運行有至關(guān)重要的作用.其工作時間要大于系統(tǒng)運行時間的99%，工作溫度在-15 度-60 度范圍.配電變壓器監(jiān)控終端ARM 處理器外設(shè)中232 接口作為處理器與GPRS 模塊通信接口，GPRS 無線通訊模塊采用SIMCOM 公司的ITM-100 增強(qiáng)型.該模塊內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，支持CMNET 接入，CPU 對GPRS 模塊控制采用AT 指令集，利用AT 指令集將數(shù)據(jù)以TCP 協(xié)議形式發(fā)到主 站上.在實際運行中為了保證數(shù)據(jù)的可靠性采取了補(bǔ)測和重發(fā)機(jī)制。

5、配電管理系統(tǒng)主站軟件和終端軟件

配電主站軟件主要提供以下功能:

(1)運行曲線：每天三相96 點的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電度 等的曲線圖;

(2)每日報告：電壓電流最大值、最小值發(fā)生時間及數(shù)值、變壓器運行時間、供電質(zhì)量分析、功率因數(shù)越限時間、停電記錄、日抄表、電壓合格率等;

(3)負(fù)荷曲線、電能計量等管理功能;

(4)異常報警功能. 配電終端的軟件流程圖3 所示：

圖 3：配電終端的軟件流程圖

6 、結(jié)束語

GPRS 通信有著接入快、價格低廉、穩(wěn)定可靠和實時性強(qiáng)等優(yōu)點，比其他方式通訊有著 不可替代優(yōu)點.基于GPRS 配電變壓器管理系統(tǒng)為電力公司實現(xiàn)自動抄表、線損分析、配變 監(jiān)測、異常報警等功能.系統(tǒng)實際運用良好，工作穩(wěn)定。

責(zé)任編輯：gt