基于GPRS的箱式變電站監控器設計

0 引 言
箱式變電站適應電力系統變電設備的發(fā)展方向，主要用于取代傳統土建型變電站，實(shí)現配變電功能。電力參數檢測既是評定電能質(zhì)量的重要指標，也是電力技術(shù)人員采取補償措施的依據。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，GPRS技術(shù)在智能儀器儀表遠程通信領(lǐng)域的應用得到迅速發(fā)展。
GSM／GPRS模塊通信通過(guò)RS 232串口與控制端相連，并將所要發(fā)送的信息，通過(guò)GSM／GPRS公眾網(wǎng)絡(luò )，將數據信息傳送到指定的終端。同時(shí)，也可以接受其他終端通過(guò) GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò )傳來(lái)的消息?；贕PRS的箱式變電站監控器，采用TMS320F2812DSP作處理芯片，適用于35／0．4 kV，10／0．4 kV／箱式變電站。不但通訊方便，不需要去架設大量通訊線(xiàn)路，而且能夠實(shí)現遠方集中控制、操作及負荷監測，經(jīng)濟簡(jiǎn)單，安全可靠。

1 總體設計方案
以保證電壓合格和無(wú)功基本就地平衡為控制目標，箱式變電站監控器安裝在箱變內部，通過(guò)電壓互感器和電流互感器對變壓器二次側的電氣參數進(jìn)行采集處理，并采集開(kāi)關(guān)量、變壓器分接頭等信息。之后定時(shí)發(fā)送給GPRS模塊，GPRS模塊再把數據發(fā)送到GPRS網(wǎng)，上傳到監控中心。
箱式變電站監控器的設計主要體現模塊化。其整機結構主要包括：對各種功能模塊進(jìn)行統一管理和數據分析的主控模塊，實(shí)現各種電參量測量的測量模塊，進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制的開(kāi)關(guān)控制模塊，顯示測量結果與鍵盤(pán)操作的人機界面模塊，以及進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸的GPRS模塊。其主要結構如圖1所示。

模塊式具有確定功能的獨立單元，可使產(chǎn)品結構具有靈活性和可變性?？紤]經(jīng)濟運行，多個(gè)鄰近箱式變電站的監測量通過(guò)CAN總線(xiàn)傳送到一個(gè)箱變上，再利用IP通過(guò)GPRS傳輸到監控中心；箱變作為一個(gè)無(wú)人堅守的變電所，其顯示模塊也可以根據需求即插即用。
設計要求：
(1)測量功能。監測箱式變電站二次測電力參數(相電壓、線(xiàn)電壓、相電流、線(xiàn)電流、功率、功率因數、頻率、電能等)。
(2)分析功能。對電壓、電流波形進(jìn)行波形采樣記錄，通過(guò)分析運算，算出波形質(zhì)量、電壓(電流)諧波總畸變率、1～25次諧波電壓、三相電壓不平衡度及負序電流。
(3)負荷控制功能。對長(cháng)期的運行參數進(jìn)行分析，對峰、谷、平的各個(gè)用電時(shí)段繪制出過(guò)程曲線(xiàn)，為最佳的補償方案提供準確數據，從而實(shí)現電費計量的自動(dòng)化管理。
(4)開(kāi)關(guān)量控制功能。對開(kāi)關(guān)的位置和狀態(tài)進(jìn)行檢測，并記錄其動(dòng)作時(shí)刻和原因?？筛鶕〞r(shí)編程或條件編程執行開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現遙測、遙信、遙調、遙控功能。
(5)傳輸功能。支持RS 232，RS 485的標準接口用于接入GPRS和人機模塊，CAN總線(xiàn)接口用于鄰近箱式變電站數據的傳輸，提供GPRS傳輸方式用于信息發(fā)送，支持各種通信信道，兼容多種通信規約。

箱式變電站二次側的信號通過(guò)電流互感器或電壓互感器后，再經(jīng)過(guò)信號調理電路進(jìn)入DSP的A／D轉換部分，然后在DSP模塊中通過(guò)軟件進(jìn)行一系列的信號處理。經(jīng)過(guò)處理的信號就可以顯示或者傳輸。
把快速傅里葉變換應用到電力參數的測量中，將電壓序列u(t)分解為基波和個(gè)次諧波分量的形式，可以得到：

式中k代表諧波的次數(k=1，2，…)，積分離散化后：

由此可以經(jīng)過(guò)計算得到第k次諧波的電壓幅值、相角和有效值。

同理，也可算出電流的幅值、相角和有效值。由于非正弦周期函數的有效值等于信號中各次諧波的有效值平方和的平方根，所以電壓、電流的總有效值分別為：

電網(wǎng)中的有效功率一般指平均功率，可定義為：

將u(t)和i(t)分別用傅里葉級數表示展開(kāi)，并考慮正弦函數的正交性，可得到：

同理，可得到無(wú)功功率的表達式：

為了方便計算，功率因數采用式(13)求得：

基于采樣定理、DSP的計算速度、諧波分析以及FFT要求，選用每周期每路采樣128點(diǎn)，共采集4個(gè)周期后，對采集波形進(jìn)行512點(diǎn)的FFT。

2 硬件設計
2．1 交流量采集模塊設計
交流量采集模塊可以根據實(shí)際的箱式變電站的需求，改變電壓互感器和電流互感器的數目。要求所用探測裝置體積小，容易自由地取放。同時(shí)，具有精度高，抗沖擊電壓，沖擊電流能力。電流互感器精度0．2 級，輸入電流20 A，輸出電壓5 V。電壓互感器采用電壓互感器精密互感器，精度0．2級，輸入電壓240 V，輸出電壓0～8 V。
該設計對互感器中傳出的信號采用圖2所示的信號電路進(jìn)行調理。前面為電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)濾波放大后，信號為-1．5～+1．5 V，后面為加法電路，該電路對信號起抬位的作用，使其范圍變?yōu)?～3 V。信號經(jīng)過(guò)調理后送入TMS320F2812的A／D轉換模塊，完成A／D采樣。

2．2 主控模塊設計
主控模塊采用TMS320F2812，為T(mén)I公司推出C2XXX系列的新產(chǎn)品，32位定點(diǎn)DSP芯片。既具有數據信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于大批量數據處理的測控場(chǎng)合。該系列數字信號處理器還集成了128 KB的FLASH存儲器，4 KB的引導ROM。16通道、高性能、12位ADC單元提供了兩個(gè)采樣保持電路，可以實(shí)現雙通道信號的同步采樣。
在A(yíng)／D模塊的硬件資源配置好了之后，可以用軟件指令隨時(shí)啟動(dòng)A／D采樣。外界的模擬量通過(guò)傳感器采集進(jìn)來(lái)后，進(jìn)人多路模擬選擇開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)采樣保持，送到 12位的模／數轉換器，將轉換結果經(jīng)過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)入結果寄存器中。然后DSP對數據進(jìn)行處理分析，計算出二次測的電力參數，用FFT方法分析電壓諧波，為串聯(lián)補償提供依據。開(kāi)關(guān)量數據直接傳輸給DSP，記錄其位置狀態(tài)，記錄動(dòng)作時(shí)刻及其原因，并通過(guò)程序設定執行開(kāi)關(guān)量的控制。
2．3 人機模塊設計
人機模塊通用RS 485接口與數據處理模塊進(jìn)行連接，完成液晶顯示和按鍵操作功能。人機模塊采用Philips公司生產(chǎn)的P89C61單片機。P89C61器件采用高性能的靜態(tài)80C51設計，以先進(jìn)的CMOS工藝制造，并包含非易失性FLAsH程序存儲器，可通過(guò)并行編程或系統編程(ISP)的方法進(jìn)行編程。能與液晶顯示器兼容，CPU數據接口采用8位數據總線(xiàn)并行輸入／輸出和8條控制線(xiàn)與液晶相連，連接方式如圖3所示。設定菜單、確定、加、減四個(gè)鍵，進(jìn)行鍵盤(pán)設計，與 DSP主控模塊通訊另需RS485轉換芯片。

2．4 GPRS無(wú)線(xiàn)通訊模塊設計
GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊采用Simcom公司的SIM300GSM／GPRS雙頻模塊。主要為語(yǔ)音傳輸、短消息和數據業(yè)務(wù)提供無(wú)線(xiàn)接口。適合于開(kāi)發(fā)一些 GSM／GPRS的無(wú)線(xiàn)應用產(chǎn)品。同時(shí)，SIM300模塊中集成了TCP／IP協(xié)議棧，并為用戶(hù)提供了擴展的TCP／IP AT命令，使用戶(hù)可以輕松地使用TCP／IP協(xié)議，實(shí)現GPRs網(wǎng)絡(luò )與Internet網(wǎng)絡(luò )的順利接入。
SIM300模塊與主控模塊和計算機通信的協(xié)議即AT命令是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制調制解調器的指令集，一般稱(chēng)之為“AT指令集”。AT指令集一開(kāi)始由美國 Hayes公司推出，專(zhuān)門(mén)用于數據傳輸通信領(lǐng)域，目前己成為全球通用的標準，任何與Hayes兼容的調制解調器都可使用這些指令。

其特點(diǎn)：
(1)幾乎所有的AT指令(除了“A／”及“A++”兩個(gè)指令除外)都以一個(gè)特定的“命令前綴”開(kāi)始，以一個(gè)命令結束標志符結束。命令前綴一般由AT兩個(gè)字符組成，命令結束符通常為CR>LF>。
(2)每一條AT指令執行完后，調制解調器都會(huì )返回一個(gè)結果，以對接收到的命令作出應答。
2．4．1 電源設計
SIM300模塊1～8引腳采用3．4～4．5 V直流電源供電，低于3．4 V時(shí)，則自動(dòng)關(guān)閉模塊，而且在進(jìn)行TCP／IP傳輸時(shí)，消耗的功率很大，所以要求電源必須能提供2 A的峰值電流。輸入電壓和輸出電壓差要小于1 V，這樣才能使系統用一個(gè)電源供電，減小干擾。通過(guò)比較，選擇MICREL公司生產(chǎn)的可調電壓穩壓芯片MIC29302BU，這款芯片提供3 A的輸出能力，而且滿(mǎn)負載的壓降只有350 mV，輸入和輸出之間只要滿(mǎn)足1 V的壓差即可工作。
2．4．2 串口通信設計
SIM300提供兩個(gè)標準的RS 232串行接口，用戶(hù)可以通過(guò)串行口使用AT命令完成對模塊的操作。串口一有7個(gè)引腳，包括：數據引腳TXD和RXD，狀態(tài)引腳RTS和CTS以及控制引腳DTR，DCD，RING。串口一可用于數據交換服務(wù)，發(fā)送傳真、GPRS服務(wù)和發(fā)送AT指令。串口二只包括兩個(gè)引腳TXD和RXD，使用串口二之前一定要通過(guò)AT指令“AT+UART”啟用。串口一和串口二不能同時(shí)使用?？紤]到需要通過(guò)模塊上網(wǎng)，所以使用全部的串口信號引腳，當模塊與主控模塊通信時(shí)需要電平轉換。
2．4．3 SIM卡設計
SIM卡與SIM300模塊通過(guò)板對板連接器進(jìn)行連接。目前，有6針和8針兩種連接，該方案中采用的是6針連接器。其主要包括SIM卡的電源線(xiàn)、數據線(xiàn)、 SIM卡時(shí)鐘、復位線(xiàn)和狀態(tài)線(xiàn)，SIM卡的供電電壓為3．O V或1．8 V，由SIM300模塊進(jìn)行供電，根據通信公司提供的SIM卡模塊自動(dòng)進(jìn)行選擇。設計中，SIM卡上的：RST,I／O，CLK，VCC和GND分別連接到SIM300的相應引腳，VPP懸空，其連接電路如圖4所示。

2．4．4 其他的外圍電路的設計
SIM300還提供許多其他接口，如輸入／輸出接口、網(wǎng)絡(luò )指示燈、SPILCD接口、蜂鳴器、音頻通道和鍵盤(pán)等。

利用SIM300的LED電路可方便地了解模塊的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。LED可通過(guò)不同的閃爍顯示四種不同的工作狀態(tài)。在SIM300不工作狀態(tài)下，該LED是滅的；在SIM300找不到網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)下，該LED亮64 ms、滅800 ms；在SIM300找到網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)下，該LED亮64 ms，滅3 000 ms；在SIM300通信狀態(tài)下，該LED亮64 ms，滅300 ms；其連接電路見(jiàn)圖4。
SIM300的Buzzer可以設計來(lái)電呼入指示，該芯片?？梢则寗?dòng)蜂鳴器指示來(lái)電呼入，輸出的聲音可通過(guò)“AT+CRSL”設定，電路如圖4所示。當SIM300的Buzzer有信號輸出時(shí)，電流被晶體管放大，進(jìn)入蜂鳴器線(xiàn)圈，從而驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。

3 軟件設計
在以上的硬件基礎上進(jìn)行軟件編寫(xiě)，所有軟件均采用C語(yǔ)言編程，包括：主程序、中斷服務(wù)程序和用于完成各種算法的功能模塊。主程序完成初始化、A／D轉換、計算測量值、串行通訊處理、CAN通訊處理、存儲事件順序記錄、存儲電能累計值、記錄開(kāi)關(guān)量信息等功能。中斷處理程序包括定時(shí)中斷處理程序、串行中斷處理程序、CAN中斷處理程序、外中斷處理程序。功能算法包括FFT、算法對諧波的分析，以及 GPRS模塊發(fā)送AT指令等。在軟件編寫(xiě)時(shí)，其難點(diǎn)在于GPRS模塊的設計部分。主要包括：模塊的初始化和數據的TCP傳輸。模塊初始化采用上電自動(dòng)復位開(kāi)機，所以初始化要完成GPRS網(wǎng)絡(luò )登陸的初始化過(guò)程，通過(guò)串行口發(fā)送AT命令來(lái)完成，具體的簡(jiǎn)化流程如圖5所示。

4 連接舉例
建立2個(gè)SIM300模塊A，B進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信測試。過(guò)程為建立連接，發(fā)送數據，關(guān)閉連接，再次建立連接等測試。
4．1 SIM300 A設置
SIM300 A設置如下：

發(fā)送：TEST //（以CTRL+Z鍵結束數據輸入，將數據發(fā)出應答：SEND OK

5 結 語(yǔ)
GPRS技術(shù)有著(zhù)其他通信方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢。在此，提出一種基于GPRS的箱式變電站監控，能及時(shí)準確獲取完整的配電網(wǎng)運行參數，正確地對箱變實(shí)施監控和管理。裝置采用FFT對電力參數進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)測試證明，采集的數據指標都達到較高的測量精度，滿(mǎn)足了用戶(hù)需要。適應現場(chǎng)長(cháng)期運行，具有檢測數據量大，傳輸速度快等特點(diǎn)，具備較強的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力。