基于GPRS的箱式变电站监控器设计

0 引 言
    箱式变电站适应电力系统变电设备的发展方向，主要用于取代传统土建型变电站，实现配变电功能。电力参数检测既是评定电能质量的重要指标，也是电力技术人员采取补偿措施的依据。随着无线通信技术的发展，GPRS技术在智能仪器仪表远程通信领域的应用得到迅速发展。
    GSM／GPRS模块通信通过RS 232串口与控制端相连，并将所要发送的信息，通过GSM／GPRS公众网络，将数据信息传送到指定的终端。同时，也可以接受其他终端通过 GSM／GPRS网络传来的消息。基于GPRS的箱式变电站监控器，采用TMS320F2812DSP作处理芯片，适用于35／0．4 kV，10／0．4 kV／箱式变电站。不但通讯方便，不需要去架设大量通讯线路，而且能够实现远方集中控制、操作及负荷监测，经济简单，安全可靠。

1 总体设计方案
    以保证电压合格和无功基本就地平衡为控制目标，箱式变电站监控器安装在箱变内部，通过电压互感器和电流互感器对变压器二次侧的电气参数进行采集处理，并采集开关量、变压器分接头等信息。之后定时发送给GPRS模块，GPRS模块再把数据发送到GPRS网，上传到监控中心。
    箱式变电站监控器的设计主要体现模块化。其整机结构主要包括：对各种功能模块进行统一管理和数据分析的主控模块，实现各种电参量测量的测量模块，进行开关量控制的开关控制模块，显示测量结果与键盘操作的人机界面模块，以及进行无线传输的GPRS模块。其主要结构如图1所示。

    模块式具有确定功能的独立单元，可使产品结构具有灵活性和可变性。考虑经济运行，多个邻近箱式变电站的监测量通过CAN总线传送到一个箱变上，再利用IP通过GPRS传输到监控中心；箱变作为一个无人坚守的变电所，其显示模块也可以根据需求即插即用。
    设计要求：
    (1)测量功能。监测箱式变电站二次测电力参数(相电压、线电压、相电流、线电流、功率、功率因数、频率、电能等)。
    (2)分析功能。对电压、电流波形进行波形采样记录，通过分析运算，算出波形质量、电压(电流)谐波总畸变率、1～25次谐波电压、三相电压不平衡度及负序电流。
    (3)负荷控制功能。对长期的运行参数进行分析，对峰、谷、平的各个用电时段绘制出过程曲线，为最佳的补偿方案提供准确数据，从而实现电费计量的自动化管理。
    (4)开关量控制功能。对开关的位置和状态进行检测，并记录其动作时刻和原因。可根据定时编程或条件编程执行开关控制，实现遥测、遥信、遥调、遥控功能。
    (5)传输功能。支持RS 232，RS 485的标准接口用于接入GPRS和人机模块，CAN总线接口用于邻近箱式变电站数据的传输，提供GPRS传输方式用于信息发送，支持各种通信信道，兼容多种通信规约。
    箱式变电站二次侧的信号通过电流互感器或电压互感器后，再经过信号调理电路进入DSP的A／D转换部分，然后在DSP模块中通过软件进行一系列的信号处理。经过处理的信号就可以显示或者传输。
    把快速傅里叶变换应用到电力参数的测量中，将电压序列u(t)分解为基波和个次谐波分量的形式，可以得到：

   式中k代表谐波的次数(k=1，2，…)，积分离散化后：

  
    由此可以经过计算得到第k次谐波的电压幅值、相角和有效值。

    同理，也可算出电流的幅值、相角和有效值。由于非正弦周期函数的有效值等于信号中各次谐波的有效值平方和的平方根，所以电压、电流的总有效值分别为：

  
    电网中的有效功率一般指平均功率，可定义为：

  
    将u(t)和i(t)分别用傅里叶级数表示展开，并考虑正弦函数的正交性，可得到：

  
    同理，可得到无功功率的表达式：

  
    为了方便计算，功率因数采用式(13)求得：

  
    基于采样定理、DSP的计算速度、谐波分析以及FFT要求，选用每周期每路采样128点，共采集4个周期后，对采集波形进行512点的FFT。

2 硬件设计
2．1 交流量采集模块设计
    交流量采集模块可以根据实际的箱式变电站的需求，改变电压互感器和电流互感器的数目。要求所用探测装置体积小，容易自由地取放。同时，具有精度高，抗冲击电压，冲击电流能力。电流互感器精度0．2 级，输入电流20 A，输出电压5 V。电压互感器采用电压互感器精密互感器，精度0．2级，输入电压240 V，输出电压0～8 V。
    该设计对互感器中传出的信号采用图2所示的信号电路进行调理。前面为电流信号变为电压信号，经滤波放大后，信号为-1．5～+1．5 V，后面为加法电路，该电路对信号起抬位的作用，使其范围变为0～3 V。信号经过调理后送入TMS320F2812的A／D转换模块，完成A／D采样。

2．2 主控模块设计
    主控模块采用TMS320F2812，为TI公司推出C2XXX系列的新产品，32位定点DSP芯片。既具有数据信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合。该系列数字信号处理器还集成了128 KB的FLASH存储器，4 KB的引导ROM。16通道、高性能、12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号的同步采样。
    在A／D模块的硬件资源配置好了之后，可以用软件指令随时启动A／D采样。外界的模拟量通过传感器采集进来后，进人多路模拟选择开关，经过采样保持，送到 12位的模／数转换器，将转换结果经过多路选择开关进入结果寄存器中。然后DSP对数据进行处理分析，计算出二次测的电力参数，用FFT方法分析电压谐波，为串联补偿提供依据。开关量数据直接传输给DSP，记录其位置状态，记录动作时刻及其原因，并通过程序设定执行开关量的控制。
2．3 人机模块设计
    人机模块通用RS 485接口与数据处理模块进行连接，完成液晶显示和按键操作功能。人机模块采用Philips公司生产的P89C61单片机。P89C61器件采用高性能的静态80C51设计，以先进的CMOS工艺制造，并包含非易失性FLAsH程序存储器，可通过并行编程或系统编程(ISP)的方法进行编程。能与液晶显示器兼容，CPU数据接口采用8位数据总线并行输入／输出和8条控制线与液晶相连，连接方式如图3所示。设定菜单、确定、加、减四个键，进行键盘设计，与 DSP主控模块通讯另需RS485转换芯片。
2．4 GPRS无线通讯模块设计
    GPRS无线通信模块采用Simcom公司的SIM300GSM／GPRS双频模块。主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。适合于开发一些 GSM／GPRS的无线应用产品。同时，SIM300模块中集成了TCP／IP协议栈，并为用户提供了扩展的TCP／IP AT命令，使用户可以轻松地使用TCP／IP协议，实现GPRs网络与Internet网络的顺利接入。
    SIM300模块与主控模块和计算机通信的协议即AT命令是专门用来控制调制解调器的指令集，一般称之为“AT指令集”。AT指令集一开始由美国 Hayes公司推出，专门用于数据传输通信领域，目前己成为全球通用的标准，任何与Hayes兼容的调制解调器都可使用这些指令。

    其特点：
    (1)几乎所有的AT指令(除了“A／”及“A++”两个指令除外)都以一个特定的“命令前缀”开始，以一个命令结束标志符结束。命令前缀一般由AT两个字符组成，命令结束符通常为<CR><LF>。
    (2)每一条AT指令执行完后，调制解调器都会返回一个结果，以对接收到的命令作出应答。
2．4．1 电源设计
    SIM300模块1～8引脚采用3．4～4．5 V直流电源供电，低于3．4 V时，则自动关闭模块，而且在进行TCP／IP传输时，消耗的功率很大，所以要求电源必须能提供2 A的峰值电流。输入电压和输出电压差要小于1 V，这样才能使系统用一个电源供电，减小干扰。通过比较，选择MICREL公司生产的可调电压稳压芯片MIC29302BU，这款芯片提供3 A的输出能力，而且满负载的压降只有350 mV，输入和输出之间只要满足1 V的压差即可工作。
2．4．2 串口通信设计
    SIM300提供两个标准的RS 232串行接口，用户可以通过串行口使用AT命令完成对模块的操作。串口一有7个引脚，包括：数据引脚TXD和RXD，状态引脚RTS和CTS以及控制引脚DTR，DCD，RING。串口一可用于数据交换服务，发送传真、GPRS服务和发送AT指令。串口二只包括两个引脚TXD和RXD，使用串口二之前一定要通过AT指令“AT+UART”启用。串口一和串口二不能同时使用。考虑到需要通过模块上网，所以使用全部的串口信号引脚，当模块与主控模块通信时需要电平转换。
2．4．3 SIM卡设计
    SIM卡与SIM300模块通过板对板连接器进行连接。目前，有6针和8针两种连接，该方案中采用的是6针连接器。其主要包括SIM卡的电源线、数据线、 SIM卡时钟、复位线和状态线，SIM卡的供电电压为3．O V或1．8 V，由SIM300模块进行供电，根据通信公司提供的SIM卡模块自动进行选择。设计中，SIM卡上的：RST,I／O，CLK，VCC和GND分别连接到SIM300的相应引脚，VPP悬空，其连接电路如图4所示。

2．4．4 其他的外围电路的设计
    SIM300还提供许多其他接口，如输入／输出接口、网络指示灯、SPILCD接口、蜂鸣器、音频通道和键盘等。
    利用SIM300的LED电路可方便地了解模块的网络状态。LED可通过不同的闪烁显示四种不同的工作状态。在SIM300不工作状态下，该LED是灭的；在SIM300找不到网络的状态下，该LED亮64 ms、灭800 ms；在SIM300找到网络的状态下，该LED亮64 ms，灭3 000 ms；在SIM300通信状态下，该LED亮64 ms，灭300 ms；其连接电路见图4。
    SIM300的Buzzer可以设计来电呼入指示，该芯片。可以驱动蜂鸣器指示来电呼入，输出的声音可通过“AT+CRSL”设定，电路如图4所示。当SIM300的Buzzer有信号输出时，电流被晶体管放大，进入蜂鸣器线圈，从而驱动蜂鸣器发声。

3 软件设计
    在以上的硬件基础上进行软件编写，所有软件均采用C语言编程，包括：主程序、中断服务程序和用于完成各种算法的功能模块。主程序完成初始化、A／D转换、计算测量值、串行通讯处理、CAN通讯处理、存储事件顺序记录、存储电能累计值、记录开关量信息等功能。中断处理程序包括定时中断处理程序、串行中断处理程序、CAN中断处理程序、外中断处理程序。功能算法包括FFT、算法对谐波的分析，以及 GPRS模块发送AT指令等。在软件编写时，其难点在于GPRS模块的设计部分。主要包括：模块的初始化和数据的TCP传输。模块初始化采用上电自动复位开机，所以初始化要完成GPRS网络登陆的初始化过程，通过串行口发送AT命令来完成，具体的简化流程如图5所示。

4 连接举例
    建立2个SIM300模块A，B进行无线通信测试。过程为建立连接，发送数据，关闭连接，再次建立连接等测试。
4．1 SIM300 A设置
    SIM300 A设置如下：

   发送：TEST  //（以CTRL+Z键结束数据输入，将数据发出应答：SEND OK

5 结 语
    GPRS技术有着其他通信方式无可比拟的优势。在此，提出一种基于GPRS的箱式变电站监控，能及时准确获取完整的配电网运行参数，正确地对箱变实施监控和管理。装置采用FFT对电力参数进行分析，经过测试证明，采集的数据指标都达到较高的测量精度，满足了用户需要。适应现场长期运行，具有检测数据量大，传输速度快等特点，具备较强的市场开发潜力。