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

1、引言

配電變壓器是聯(lián)系電網(wǎng)和用戶(hù)的基礎(chǔ)，它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到用戶(hù)能否可靠的使用電能，因此有必要對(duì)它進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控.目前國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)的配變數(shù)據(jù)采集通信主要有有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)兩種方式.有線(xiàn)通信方式有電話(huà)線(xiàn)、電力線(xiàn)載波和光纖等，它們存在通信易受干擾、可靠性低等缺點(diǎn)，難以普及，而無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通信方式由于需要進(jìn)行主站建設(shè)，費(fèi)用較高.隨著無(wú)線(xiàn)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(dòng)通信系統(tǒng)的GPRS技術(shù)的成熟，為配變監(jiān)測(cè)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(jì)方案，解決了配變參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)負(fù)荷監(jiān)測(cè)的功能.并基于ARM 控制器設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的配變監(jiān)測(cè)器，為電力部門(mén)的專(zhuān)業(yè)分析(如負(fù)荷預(yù)測(cè)、線(xiàn)損分析、故障判斷、用電質(zhì)量等)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高了配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2、GPRS 通信技術(shù)

通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù) (General Packet Radio Service，GPRS)是在現(xiàn)有的GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種移動(dòng)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(wú)線(xiàn)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(diǎn)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(gè)用戶(hù)最多可同時(shí)使用8個(gè)時(shí)隙，最高理論速度為l71.2kbps的傳輸速率。

(2)實(shí)時(shí)在線(xiàn).即使沒(méi)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(xiàn)”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(wú)縫連接。

(4)費(fèi)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(lái)發(fā)展即可，由于數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送和接收，系統(tǒng)通常按流量計(jì)費(fèi)，用戶(hù)可以總是在線(xiàn)，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(guò)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(mǎn)足配變監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求，而且節(jié)約成本，實(shí)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(chǎng)，采集變壓器二次端的電氣參數(shù)和一些開(kāi)關(guān)量，通過(guò)GPRS modem定時(shí)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(bào)警信息;同時(shí)，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(guò)GPRS modem接收命令，可以控制變壓器的一些開(kāi)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(bào)警信息上傳，中心站控制命令下達(dá)都是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信.GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)是無(wú)縫鏈接的，中心站借助ADSL 專(zhuān)線(xiàn)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(gè)可視化界面，讓用戶(hù)足不出戶(hù)了解遠(yuǎn)方變壓器的運(yùn)行狀況.當(dāng)變壓器出現(xiàn)報(bào)警信息，中心站可以及時(shí)得知并通知就近值班員排除故障，大大縮短故障排除時(shí)間，提高配電網(wǎng)運(yùn)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(guò)流保護(hù)：實(shí)現(xiàn)了對(duì)配變的過(guò)流保護(hù)，保證了供電的可靠性;

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

(3)采集模擬量：實(shí)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(chǔ)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(guò)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(guò)RS485模塊讀取的電度表的電度示值存入鐵電存儲(chǔ)器，并每隔一段時(shí)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(guò)AD的數(shù)據(jù)判斷是否過(guò)流保護(hù)產(chǎn)生跳合閘信號(hào)保護(hù)配 電變壓器，并將報(bào)警通過(guò)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(kāi)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(chǔ) 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(chǎng)合，由于其豐富的 外設(shè)和眾多的I/O 口可以簡(jiǎn)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(diǎn).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(jì)量芯片，在1000:1 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)功率測(cè)量精度優(yōu)于0.1%，電流和電壓的有效值測(cè)量精度優(yōu)于0.5%.ATT7022B 可以單獨(dú)計(jì)量基波電能，消除諧波對(duì)電能計(jì)量的負(fù)面影響，為電力部門(mén)公平計(jì)費(fèi)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(guò)SPI 通訊接口輸出三相多功能電表所需的各項(xiàng)電能參數(shù).ATT7022B 可以同時(shí)給出總有功/ 無(wú)功電能、基波有功/無(wú)功電能、諧波有功/無(wú)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(guò)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(chǔ)器FM3164 來(lái)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(chǔ)器也可以保證 掉電時(shí)終端時(shí)鐘運(yùn)行.STR710 處理器利用IIC 總線(xiàn)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(duì)于系統(tǒng)正常的運(yùn)行有至關(guān)重要的作用.其工作時(shí)間要大于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(wú)線(xiàn)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(duì)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(shí)際運(yùn)行中為了保證數(shù)據(jù)的可靠性采取了補(bǔ)測(cè)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(yùn)行曲線(xiàn)：每天三相96 點(diǎn)的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電度 等的曲線(xiàn)圖;

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

(3)負(fù)荷曲線(xiàn)、電能計(jì)量等管理功能;

(4)異常報(bào)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(yǔ)

GPRS 通信有著接入快、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，比其他方式通訊有著 不可替代優(yōu)點(diǎn).基于GPRS 配電變壓器管理系統(tǒng)為電力公司實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、線(xiàn)損分析、配變 監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警等功能.系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用良好，工作穩(wěn)定。

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