基于GPRS低压配电网络线损监测系统的研究与设计.pdf

Telecom Power Technology 10 Aug.25,2023,Vol.40 No.16 2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.16.004基于 GPRS 低压配电网络线损监测系统的研究与设计吴蔡茂（佛山市绿能环保有限公司，广东 佛山 528000）摘要：在我国经济蓬勃发展和全球能源供应日益紧张的背景下，提升电力质量和实施节约能源的措施非常必要。国家考核电力部门时，电能损耗率不仅是关键的经济指标，还是一项用于综合评估电力系统规划、设计和经营管理水平的重要考核指标。为简化负荷点数据采集过程，开发了一种基于通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）技术的监测系统，用于低压配电网络的线损监测，具有较好的理论意义和实际应用价值。关键词：低压配电网；线损监测；通用分组无线业务（GPRS）Research on the Low Voltage Distribution Network Line Loss Monitoring System Based on GPRSWU Caimao(Foshan Green Energy Environmental Protection Co.,Ltd.,Foshan 528000,China)Abstract:With the Chinas economy is booming and global energy supply is increasingly tight,it is necessary to improve power quality and implement energy-saving measures.In the national assessment of the power sector,the energy loss rate is not only a key economic indicator,but also an important assessment indicator used to comprehensively evaluate the planning,design,and management level of the power system.To simplify the process of load point data collection,a monitoring system based on General Packet Radio Service(GPRS)technology has been developed for line loss monitoring in low-voltage distribution networks,which has good theoretical significance and practical application value.Keywords:low-voltage distribution network;line loss monitoring;General Packet Radio Service(GPRS)0引言随着我国经济蓬勃发展和全球能源供应紧张局势日益恶化，提升电能质量和降低能源损耗已成为国家政策的重要组成部分1-4。线损率是电力在输电过程中由于电阻、电感和电容等元件引起的能量损耗占输送总能量的比例，是衡量电力系统输电效率和稳定性的重要参数5-7。与发达国家相比，我国的配电网自动化水平较低。自动化程度方面，我国配电网用户终端的数据采集仍依赖于传统的人工方式，导致数据采集效率低下且容易出错。此外，配网设备和数据传输通信技术的落后限制了配电网数据的实时性和准确性，影响线损计算等。文章开发一种基于通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）技术的创新低压配电网络线损监测系统的设计方案。1系统的硬件设计1.1监测装置单片机系统系统采用基于单片机最小系统结构设计的硬件方案，以单片机最小系统为核心，结合电力采集模块和 GPRS 模块，保障数据采集和通信功能的完整性。考虑装置主板的功能要求，系统选择 Intel 80C196 处理器作为主控板的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。1.1.1单片机与可编程外围芯片的接口设计为满足单片机外围电路的功能需求，选择型号为PSD934F2 的可编程外围芯片（Programmable System Device，PSD）。该芯片可以实现输入/输出（Input/Output，I/O）重构、逻辑组合以及芯片选择等电路设计，从而简化系统的设计过程。利用 PSDsoft 软件开发 PSD934F2 硬件平台。PSD934F2 具备高度集成和强大的在线编程功能，可以轻松完成 PSD934F2 器件的开发工作。CPU 与 PSD 芯片的电路如图 1 所示。1.1.2单片机系统复位电路设计通过触发 Reset 信号，可以控制单片机的初始化过程，并启动系统初始化软件。在10 MHz时钟频率下，为确保复位操作有效，需要保持 Reset 信号的低电平状态至少持续 600 ns，相当于 6 个系统时钟周期。因此，设计中需要特别注意 Reset 信号的时序控制，以确保设备正常运行。为实现有效的复位操作，PSD 芯片通过接收 Reset 信号可以回到初始状态，以确保正常的功能和操作。此外，为满足单片机和其他外设芯片的要求，综合考虑后，需要将 Reset 信号保持在低电平状态至少 100 ms，以确保所有设备在上电时有效复位。收稿日期：2023-06-20作者简介：吴蔡茂（1981），男，黑龙江绥化人，在职研究生，工程师，主要研究方向为电力系统控制。2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期 11 Telecom Power TechnologyAug.25,2023,Vol.40 No.16 吴蔡茂：基于 GPRS 低压配电网络线损 监测系统的研究与设计3031323334353637394041424344454660595857565554535251504948474645656140416263644331613371212683614GNDGNDGNDGNDGNDVCCVCCVCCVCCGNDALE/RD/WR/RD/WRALEGNDGND/RESET/RESETVCC4750494815381098DB0AD0/A0U6AD1/A1AD2/A2AD3/A3AD4/A4AD5/A5AD6/A6AD7/A7AD8/A8AD9/A9AD10/A10AD11/A11AD12/A12AD13/A13AD14/A14AD15/A15CNTL0CNTL1CNTL2PD0PD1PD2VCCVCCPSD934F2RESETAD8AD9AD10AD11AD12AD13AD14AD15DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB0AD8AD9AD10AD11AD12AD13AD14AD15AD8AD9AD10AD11AD12AD13AD14(P4.7)AD15ITCLKOUTRD#WRL#/WR#WRH#/BH#ALE/ADV#INSTBUSWIDTHREADYRESET#VREFVPPVCCEA#ANGNDVSSVSSVSSNMI68-PIN-PLCC(P3.0)AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7图 1CPU 与 PSD 芯片的电路1.1.3转换器的选择采用 MAX197 型号的模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）能够有效提升电气测量系统的精度和可靠性，为数据采集和分析提供可靠的基础。采用适当的滤波电容能够降低电路中的噪声干扰，提供清晰稳定的电源信号，从而保证装置的可靠性和优化装置的性能。1.2GPRS 通信模块的硬件设计以 MC35 模块为核心，设计兼容 RS-232 标准，并利用串行异步收发器作为数据输入/输出接口的关键组件。硬件流量控制采用请求发送/允许发送协议（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）机制，软件流量控制则使用 XON/XOFF 协议。这些功能的结合使得数据的传输和控制更加可靠和灵活。此外，AT 命令被广泛支持，可实现对模块的配置和控制。2系统的软件设计2.1单片机程序设计2.1.1主程序设计监测装置软件流程如图2所示。在设置参数方面，需要配置多个寄存器。这些参数的设置对系统的运行和功能调用具有重要作用。2.1.2定时模块设计定时模块是该系统的主要模块，定义了多个核心模块任务。系统需要完成的任务包括上报线损量、日线损量以及定义定时抄送和上传。2.1.3数据采集模块设计在进行写操作时，MAX197 开启转换功能。利用写操作能够灵活选择多个通道，并确定输入范围，包括单向或双向输入模式。在进行一次写操作时，能够激活一次数据采集或初始化采样程序，从而启动MAX197 的转换过程。这种操作序列使得 MAX197 转换过程具有控制能力，确保可以根据需要准确采集数据。通过引入外部采集模式，能够提高采样间隔的准确性，并及时进行相应的调整。若新的控制字节被写入转换周期，则会导致当前转换失败，从而引发一次是否进电流显示开始系统初始化主界面菜单是否进线损显示是否进电阻显示是否进告警界面否否否否否否否否否否是是是是是是是是是是是否进通讯、时钟通信、时钟设置显示界面电阻显示/修改界面是否显示下一馈线是否显示下一馈线是否显示下一馈线是否修改告警显示界面线损显示界面电流显示界面接受中断定时中断干扰接受数据处理干返回扰启动定时中断返回将数据读入接受区图 2监测装置软件流程 2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期Aug.25,2023,Vol.40 No.16Telecom Power Technology 12 全新的采集过程。采用外部采集模式能够灵活控制数据的采样和转换过程，以满足精准数据采集的需求。用户可以通过发送 2 个写脉冲，实现更精确的数据采集和控制过程。第 1 个写脉冲发出后，应将ACQMOD 位置调整至 1，以确保操作模式的准确性。发送第 2 个写脉冲时，将 ACQMOD 位设为 0，从而触发转换并结束采集过程。需要注意，在这 2 个写脉冲之间，多路输入通道的地址位值必须保持一致。2.1.4线损计算子程序设计通过实时监控可以利用数学模型估算各个主干线的损耗情况，并将结果存储在数据库。从存储地址中提取等效电阻值，并在预定的采集时间内计算线损，然后使用提取的数据进行进一步分析和处理。线损计算软件流程，如图 3 所示。8路线损计算是否完成?线损计算入口保护现场分别读取电流、电阻地址值相应线路线损计算将结果累加到总线损值电流、电阻地址分别加2否是恢复现场中断返回图 3线损计算软件流程2.2单片机系统与 GPRS 之间的串行通信通过 8 位异步串口通信模式，可以实现 GPRS 模块、嵌入式传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）单片机系统以及其他相关设备的有效连接，从而实现对网络的实时监控。2.3软件层次模型软件层次结构中，底层是操作系统，中间层是支撑软件，上层为应用软件。2.4控制中心获取数据的方法为实现与互联网公共网络的连接，监控中心采用非对称数字用户线路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）等方式。为实施该方案，需要向互联网服务提供商申请 ADSL 等宽带业务8,9。（1）固定 IP。该方案具有稳定可靠的特点，能够实现监控系统的稳定运行，推荐使用该方案。（2）通过与域名服务器（Domain Name Server，DNS）服务提供商协商，客户可以启用动态域名服务，以确保监控点和中心之间的连接畅通无阻。使用域名搜索技术，监控系统能够高效实现数据交换与访问，同时提供安全和可靠的监测服务。（3）目前，控制中心能够使用 Socket 接口从采集器获取来自互联网的信息，轻松读取通过 GPRS 模块传输至公网的数据，从而获取采集端的数据。3结论文章提出一种基于 GPRS 技术的监测系统，并介绍系统的硬件设计和软件设计，详细阐述系统的优点和能够实现的功能。该系统能够用于低压配电网络的线损监测，具备确保数据采集的准确性和完整性，简化了负荷点数据采集过程，对电力系统的管理和评估具有重要意义。参考文献：1 翁东辉.全球性能源紧张或加剧贫困 N.经济日报，2023-03-29（4）.2 王靖.能源转型成功之道：平衡能源安全与可持续性 J.能源，2023（1）：30-32.3 朱永愉.能源动力工程及能源可持续发展的研究 J.中关村，2022（12）：94-95.4 王信敏，孙金凤.智能工业与区域能源可持续协同转型的时空演化研究 J.中国石油大学学报（社会科学版），2021，37（6）：11-20.5 牛寅生，马璐玉，杨牧燃，等.多参量修正的输电线路线损优化计算方法 J.电气应用，2023，42（4）：35-40.6 贺远，王耀晨，李军.同期线损系统在电网消缺中的智能应用 J.电世界，2023，64（1）：1-5.7 朱秀锦.输配电及用电工程中线损管理要点分析 J.科技创新与应用，2022，12（30）：105-107.8 姚辉.RTU 系统在变电站改造项目中的应用 J.电工技术，2023（1）：125-127.9 李政均.便携式 RTU 测控系统设计分析 J.光源与照明，2022（10）：137-139.