基于GPRS的GIS局部放电监测系统

摘要：针对GIS传统在线监测时现场数据不能及时传输，导致故障不能及时的预测、报警和处理等问题，开发了基于GPRS的GIS远程在线监测系统。该系统以AT89S51为主控制芯片，重点阐述GPRS的组网方式以及具体实现过程，并在LabWindows／CVI下编写PC端服务器程序。通过工程实践证明，本系统能准确、可靠、实时对GIS局部放电进行测量、发送、管理。
关键词：GPRS；GIS；监测系统；AT89S51

    随着数字变电站技术的研究发展，如何实现GIS局部放电的远程监测成为巨大挑战。电力监管部门对局部放电的定位和放电量的评估提出更高要求，构建实用性强、覆盖面广、灵活性好的局部放电远程监控系统对于数字变电站技术的发展具有重要意义。随着移动通信的不断发展，一种利用公用通信网进行数据传输的方式逐渐受到重视，该方式采用GPRS终端或者GPRS终端与PC机相结合的方式传输数据，该方式使用专用的GSM模块，GPRS终端可移动，网络的覆盖范围广，接入时间短，传输速度快，通信范围更宽，资源利用率高，可接入Internet网。GPRS数据传输的高速性和使用成本的低廉性使其成为目前远程监控系统中性价比较高的通信方式。
    本文设计并实现了基于GPRS的GIS局部放电的远程数据传输系统，该系统的主要任务是借助无线通信系统，将GIS局部放电的数据采集系统与监控中心计算机系统连接起来，从而实现变电站现场数据的实时传输以及监控中心对现场的监控功能。

1 系统总体结构
    局部放电的远程监测系统分为现场数据采集终端、GPRS通信模块和监控中心3部分。由于局部放电脉冲所激发的电磁波的频带较宽，为了获得比较丰富的信息，本文采用自补结构的超宽带双臂平面等角螺旋天线，该天线在超高频频段具有非频变特性，天线阻抗近似为50 Ω，在宽频带内很容易实现天线和传输线间的阻抗匹配，避免了波形畸变。天线放置于GIS外部，靠近GIS外壳和盆式绝缘子连接处。信号传输线使用双屏蔽电缆，屏蔽铜丝网多点接地，避免信号在传输过程中引入干扰。由于GIS中的局部放电信号极为微弱，信号在电缆中也有衰减，因此，采用高频双通道前置放大器，以提高信噪比，放大器在300 MHz～1．6 GHz频带内的增益大于25 dB。现场数据采集终端通过RS232接口传输数据给GPRS通信模块；GPRS通信模块通过GPRS网络采用TCP／IP协议实现系统现场采集终端和监控中心上位机之间数据通信。监控中心为整个监控系统核心，完成系统管理控制和数据汇总、分析和处理数据，中心对接收到的数据进行存储处理，同时也能发送控制指令和数据到现场数据采集终端。系统总体结构框图如图1所示。

2 现场数据采集终端
    现场数据采集终端主要由信号获取与处理和单片机系统组成。现场数据采集终端结构框图如图2所示。主要信号处理电路、MCU、实时时钟、E2PROM和RS232串口。

    传感器将测得的信号经A／D转换后送入单片机，经单片232电平，由TCP／IP协议转换模块送入GPRS无线数据传输模块(以下简称GPRS模块)中，这时，该模块中的信号已转换为TCP／IP协议的网络信号，再传到GPRS网络(GPRS网络通过路由器与Internet相连)，最后将数据包发送到具有固定IP地址的监控中心服务器端口。MCU选用AT89S51单片机，其它组成部分大多数与单片机直接相连在其控制下工作。E2PROM存储和RS232通讯与仪器测量数据相关，保存传输系统参数和测量数据。实时时钟芯片选用美国DALLAS公司推出的DS1302芯片，可以对年、月、日、周、时、分、秒自动计时，且具有闰年补偿功能，时钟操作可通过AM／PM指示决定采用24或12小时格式，工作电压为2．5～5．5 V。单片机读取实时时钟芯片，记录各模拟量采集时的时刻，以获得GIS在对应时间下局部放电的数据。控制器采用了ATMEL公司的AT89S51，这是一个低功耗、高性能的8位单片机，片内含4 kB ISP的可反复擦写1 000次的Flash程序存储器，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚；4 k B Hash片内程序存储器；128 B的随机存取数据存储器(RAM)；32个外部双向输入／输出(I／O)口；5个中断优先级2层中断嵌套中断；2个16位可编程定时计数器：2个全双工串行通信口。

3 基于MC55的终端通信单元硬件设计
    MC55模块对外有两个通信接口，一个通过RS232接口与主控MCU连接，另一个利用GPRS模块拨号登陆至GPRS网络。两个接口之间采用数据直接转发的透明机制，实现数据采集终端和GPRS无线网络的互联。主站发送的数据通过天线进入MC55模块，经过TCP／IP协议解析提取有用数据，根据通信规约重新组帧发给MCU，MCU响应的数据经过MC55模块调制成GSM信号，通过外部数据网以TCP／IP传输协议传送至主站。

4 系统软件设计
    系统软件实现的核心是单片机与GPRS模块之间的通信：首先定义通信协议，并规定帧的格式，再通过AT指令实现GPRS网络附着并激活TCP数据链路，完成数据传输任务。单片机上电后，系统对串口、多路转换开关初始化，并通过AT指令对GPRS模块初始化，包括获得IP地址、监控中心计算机的IP地址以及检查端口、配置GPRS服务号码等。单片机通过循环方式采集电路的参数并存入数据缓冲区，利用串口中断程序判断是否有来自GPRS模块的数据。如果有，就将数据发送到GPRS模块，由内置的TCP／IP协议进行处理并发送。GPRS终端通过GPRS模块实现无线上网功能。系统主程序流程如图3所示。

    在对GPRS模块控制时采用AT指令，AT指令集是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的。GPRS指令是用于模块连接到GPRS网络上的指令，通过这些指令可以设置模块在连上INTERNET之前模块的各种参数，AT+CGCONT用于设置模块所附着的网络。AT+ CGACT激活网络。TCP／IP指令是用于应用TCP／IP服务的指令，主要功能是通过GPRS网络连接上INTERNET后建立建链接，完成数据传输。

5 监控中心
    监控中心是整个监控系统的核心，它在系统中所起的作用是系统管理控制和数据汇总、分析和处理。对于监控单位来说，普通的服务器或P C机就能够胜任监控中心的全部工作。服务器端软件采用LabWindows／CVI作为设计平台。采用WinSock控件接收远程数据，并将数据存到access数据库中。Microsoft提供的Winsock控件对用户而言是不可见的，用户不需要了解TCP或底层Winsock API函数，通过设置Winsock控件的属性和调用该控件的方法，就可以很容易地连接到远程计算机并进行双向的数据交换。Winsock创建服务器应用程序，先设置一个本地端口(LocalPort属性)，用Listen方法监听这个端口，当客户机连接到该端口，就会发生ConnectionRequest事件，调用Accept方法完成连接过程。建立连接后，下位机发送数据过来时，产生DataArrival事件，调用GetData方法就可获取数据。

6 结束语
    本系统实现了GIS局部放电远程监控，节约了人力成本。当然，在进行系统测试过程中，发现仍有值得改进之处，最明显的问题就是对于移动运营商提供的通信信道的要求较高，在一些移动信号覆盖较弱的区域，可能出现无法登陆GPRS网络的现象。此外，基于TCP／IP协议的数据传输过程中，通双方先握手建立可靠连接，这造成传输数据时出现明显的延时，系统实时性降低。对于实时性要求较高的系统而言，可以考虑采用U D P协议进行传输，省去通信双方建立可靠连接的过程，但要求数据传输格式更加严格，编写程序更加完整。通过这套系统可以建立起实用性强、覆盖面广、实时性好、灵活性好的GIS局部放电数据采集系统，已在测试过程中取得良好效果，运行稳定。随着数字变电站技术的不断发展和GPRS网络的不断完善，该系统将有更广阔的前景。