基于GPRS的配变监控系统的设计与实现

　　摘要：针对配电变压器具有数量大、地理分布广、布局分散性强的特点,结合GPRS通讯技术的特点,提出了一种基于GPRS配电监控管理系统的设计方案.介绍了基于ARM处理器及GPRS通信模块的配变监测器的硬件实现方法及系统软件的设计与实现.系统成本低、稳定性好,具有很好的实用价值。

　　1、引言

　　配电变压器是联系电网和用户的基础，它的运行状况直接关系到用户能否可靠的使用电 能，因此有必要对它进行数据采集和实时监控．目前国内已出现的配变数据采集通信主要有 有线与无线两种方式．有线通信方式有电话线、电力线载波和光纤等，它们存在通信易受干 扰、可靠性低等缺点，难以普及，而无线电台通信方式由于需要进行主站建设，费用较高．随 着无线通信技术与通信网络的迅速发展，特别是基于GSM数字移动通信系统的GPRS技术的成熟，为配变监测系统提供了新的通信方式．

　　本文提出了一种基于GPRS网络的配变远程监控系统的设计方案，解决了配变参数远程传 输问题，实现实时数据采集和实时负荷监测的功能．并基于ARM 控制器设计了一种先进的配 变监测器，为电力部门的专业分析(如负荷预测、线损分析、故障判断、用电质量等)提供实 时数据，进而提高了配电网运行的经济性和安全性．

　　2、GPRS 通信技术

　　通用分组无线业务 (General Packet Radio Service，GPRS)是在现有的GSM数字移动通 信系统基础上发展起来的一种移动分组业务，它采用分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接，与GSM 的电路交换数据传送方式相比，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频 繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输．它的主要技术特点有：

　　(1)传输速率高．GPRS采用了4种不同的编码方式：CS-l～CS-4，每个用户最多可同时使 用8个时隙，最高理论速度为l71.2kbps的传输速率．

　　(2)实时在线．即使没有数据需要传送，仍一直与网络保持联接，处于“一直在线”状 态．

　　(3)GPRS的核心网络层采用IP技术，提供了与现有数据网的无缝连接．

　　(4)费用低．在网络建设方面只须沿用现有的GSM 网络来发展即可，由于数据实现分组 发送和接收，系统通常按流量计费，用户可以总是在线，服务成本低．

　　（5）网络的覆盖范围很广．

　　GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览数据等．将 GPRS应用于配变监控系统，不仅可以满足配变监控系统数据传输实时性的要求，而且节约成 本，实现灵活方便．

　　3、系统结构

　　系统由监控终端、GPRS通信网络和监控中心站构成，如图1所示．变压器监控终端安装 在变压器现场，采集变压器二次端的电气参数和一些开关量，通过GPRS modem定时上传采集 信息到位于变电所的监控中心站，当变压器三相电力参数出现异常立即向中心站上传报警信 息；同时，当中心站发送控制命令到监控终端，监控终端通过GPRS modem接收命令，可以控 制变压器的一些开关量．GPRS网络是监控终端与中心站通信的桥梁，监控终端的采集信息和 报警信息上传，中心站控制命令下达都是通过GPRS网络进行无线通信．GPRS网络与Internet 网是无缝链接的，中心站借助ADSL 专线接入Internet从而进入GPRS网络，一方面与监控终 端双向通信，另一方面提供了一个可视化界面，让用户足不出户了解远方变压器的运行状 况．当变压器出现报警信息，中心站可以及时得知并通知就近值班员排除故障，大大缩短故 障排除时间，提高配电网运行的可靠性和安全性．

　　图1：系统结构图

　　4 配电变压器监控终端硬件组成及原理

　　监控终端是系统的核心部件，其主要作用有：

　　（1）过流保护：实现了对配变的过流保护，保证了供电的可靠性；

　　（2）远程通信：实现终端的数据远程传输；

　　（3）采集模拟量：实现采集三相电压和三相电流；

　　（4）抄表：抄取电子电度表的电度示值．

　　配电监控终端是由ARM 处理器、铁电存储器、跳闸合闸继电器、抄表RS485 模块、按 键、显示模块、电能AD 芯片ATT7022B、GPRS 模块以及抄表RS485 模块组成．其方框图如图 2 所示．

　　图2：配变终端原理框

　　ARM 处理器通过SPI 接口读取ATT7022B 内部的数据并进行处理，将所取得的数据和通 过RS485 模块读取的电度表的电度示值存入铁电存储器，并每隔一段时间由GPRS 模块把数 据发送到主站服务器．ARM 处理器通过AD 的数据判断是否过流保护产生跳合闸信号保护配 电变压器，并将报警通过GPRS 模块发送主站．

　　4.1 CPU 模块

　　CPU 是终端的核心部分，采用的是ST 公司的STR710 处理器具有ARM7 内核，ARM7 处理器 具有低功耗的32 位RISC 处理器，支持16 位压缩指令集Thumb，具有嵌入式ICE－RT 逻辑， 调试开发方便．STR710 处理器具有丰富的外设以及I/O 接口，内部具有大容量的程序存储 器FLASH 和RAM,功能强大的ARM 处理器可以处理许多复杂控制的应用场合，由于其丰富的 外设和众多的I/O 口可以简化许多外设，降低成本，具有低成本、低功耗和高性能等优点．因 此STR710 可以处理数据的采集以及分析数据，还要进行通讯以及其它工作的控制和协调．

　　4.2 AD 模块

　　AD 模块采用以电能AD 芯片ATT7022B 为基础的采样模块．ATT7022B 是一款具有高可靠性、 高精度、高稳定性的三相基波/谐波电能计量芯片，在1000:1 的动态范围内功率测量精度优 于0.1%，电流和电压的有效值测量精度优于0.5％．ATT7022B 可以单独计量基波电能，消 除谐波对电能计量的负面影响，为电力部门公平计费提供参考依据．其内部集成7 通道的 16 位高精度ADC 和24 位高速DSP，第七路ADC 可用于防窃电，片上集成有温度传感器，通 过SPI 通讯接口输出三相多功能电表所需的各项电能参数．ATT7022B 可以同时给出总有功/ 无功电能、基波有功/无功电能、谐波有功/无功电能、视在电能等参数．电压采集方式以电 压传感器，电流采集方式以电流传感器．

　　4.3 抄表485 模块

　　STR710 处理器本身外设的串口与MAX3485 连接转为485 通讯，通过485 通讯与电度表 相接读出符合DL/T645 多功能电能表通信规约电度表的电度示值．

　　4.4 数据保存

　　使用铁电存储器FM3164 来保存各种数据，防止这些数据掉电丢失．这些数据包含终端 采集的数据、主站的IP 地址、校表精度参数以及其他参数的设置．铁电存储器也可以保证 掉电时终端时钟运行．STR710 处理器利用IIC 总线连接FM3164．

　　4.5 GPRS 模块

　　GPRS 模块是基于配电变压器监控系统数据传输的基础，终端稳定的传输对于系统正常 的运行有至关重要的作用．其工作时间要大于系统运行时间的99%，工作温度在-15 度－60 度范围．

　　配电变压器监控终端ARM 处理器外设中232 接口作为处理器与GPRS 模块通信接口，GPRS 无线通讯模块采用SIMCOM 公司的ITM-100 增强型．该模块内置TCP/IP 协议栈，支持CMNET 接入，CPU 对GPRS 模块控制采用AT 指令集，利用AT 指令集将数据以TCP 协议形式发到主 站上．在实际运行中为了保证数据的可靠性采取了补测和重发机制．

　　5、配电管理系统主站软件和终端软件

　　配电主站软件主要提供以下功能:

　　（1）运行曲线：每天三相96 点的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电度 等的曲线图；

　　（2）每日报告：电压电流最大值、最小值发生时间及数值、变压器运行时间、供电质 量分析、功率因数越限时间、停电记录、日抄表、电压合格率等；

　　（3）负荷曲线、电能计量等管理功能；

　　（4）异常报警功能． 配电终端的软件流程图3 所示：

　　图 3：配电终端的软件流程图

　　6 结束语

　　GPRS 通信有着接入快、价格低廉、稳定可靠和实时性强等优点，比其他方式通讯有着 不可替代优点．基于GPRS 配电变压器管理系统为电力公司实现自动抄表、线损分析、配变 监测、异常报警等功能．系统实际运用良好，工作稳定．

　　本文作者创新点：1）通过GPRS 模块的无线数据传输功能实现了对配变信息的无线远 程监测。2）通过合理的软硬件设计搭建了远程监测平台，可以实现电力安全监控系统的安 全性、可靠性、兼容性和经济性。