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基于GPRS技术的远程配变监测系统设计
摘要：针对配变监测系统对数据传输可靠性和实时性的要求，本文介绍了一种基于移动GPRS无线通信方式的配电变压器电力参数实时监测系统的设计方案。设计了由AT89S52单片机为核心的配电变压器监测装置、GPRS模块(EP120P)和监控中心服务器等组成的监测系统。该系统利用GPRS的无线通信及Internet接入功能，实现了数据的实时采集和传输。实验证明系统具有传输速率快、可靠性高、实时性好、经济实用等优点，可以满足配电监测系统对数据传输的要求｡
关键词：GPRS；配变监测；无线通信；远程监测；单片机
1．  引言
配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分。在实际的配电网中，配电变压器数量众多，分散性大。而配电变压器作为电网末端设备，她的运行状况直接关系到用户能否可靠使用电能，因此对其运行数据进行实施采集和监控十分必要。根据配电网中配电变压器的分布特点，选择合适的通信方式进行通信，是全面实现配变管理和监测的关键问题。国内配电网现有的通信方法多种多样，比较常用的有电力线载波通信、光纤通信、无线数据通信、GSM等。现在利用率较高的是GSM的短信息服务通信，它可以节约设备投资成本和维护费用，扩容方便，使用费用较低。但其弱点为实时性较差，不适用于实时性要求很高的数据通信任务。GPRS是通用分组无线业务的简称，是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信（3G）的过渡技术。GPRS网络的技术核心是在GSM网络中传送分组数据业务。与原有的GSM相比，GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：资源利用率高、传输速率高、接入时间短、支持IP协议和X.25协议、按流量收费、计费方式更加灵活[1][4]。GPRS在数据通信领域独有的技术优势为它赢得了广泛的应用，在数据采集和监控、移动办公、调度和定位等方面有很好的应用前景。随着我国配电自动化建设的广泛开展，配电变压器监测系统的建设成为配电自动化系统的重要组成部分之一。针对配电变压器监测的量多面广和实时性要求[3]，本文提出一种维护成本低性价比较高的无线GPRS传输方式配变监测装置的设计方案。基于移动GPRS无线网络的实时配电变压器监控系统，具有可靠性高，实时性强，传输速度快，传输信息量大等特点。
2．基于GPRS配变远程监测系统简介及结构
基于GPRS配变远程监测系统是以低压配电系统为监控对象，基于GPRS公用网的无线远程监测系统。研究内容为应用GPRS通信技术对变台低压段总回路电参数及各分回路通断情况进行远程采集、传输和故障诊断；实现及时报警、实时数据采集和实时负荷监测的功能。研究目标为该系统在低压配电中的应用可以改变目前编台人工监测、变台数据测量不及时、故障处理时间长效率低的缺点。可以使低压配电管理更为完善，减轻维护人员工作量，提高电力运行维护管理效率。对于降低故障处理成本，缩短故障处理时间起到积极作用。该系统由电力参数监测装置、GPRS通信网络和监控中心三大部分构成。系统结构如图1所示。

图1  系统结构
电力参数监测装置安装在变压器现场，通过电压互感器（PT）和电流互感器（CT）对变压器二次端的电气参数进行采集后定时发送给GPRS模块，GPRS模块再把数据发送到GPRS网中[4]。同时，在变压器三相电力参数出现异常事件时主动上传报警信息，实现对配变运行状态的实时监测。GPRS通信网络是监控中心与现场变压器电力参数监测装置之间数据传输的桥梁。监控中心可以借助专线（光纤）经由INTERNET进入GPRS网络，就可与现场电力参数监测装置进行远程通信。通过GPRS网络使现场变压器的相关参数能够及时传送到监控中心计算机中。同时监控中心的查询命令或控制命令也可以通过GPRS网发送到GPRS模块，再由GPRS模块传送给相应的采集模块，对它们进行控制操作。
2.1  电力参数监测系统硬件设计
该系统的功能主要有实时监测配电变压器的运行参数,包括三相电压、三相电流、三相有功(无功)功率、功率因数、频率、有功(无功)电量等。远端数据采集监测系统包括微处理器、数据采集、LED显示器及键盘、看门狗及复位、数据及系统参数存储器、RS232电平转换及GPRS模块等组成，其硬件结构如图2所示。

图2  数据采集监测系统的硬件结构
2.1.1  微处理器基本系统
微处理器基本系统是以ATMEL公司的单片机AT89S52及其外围接口芯片构成的一个8位微机系统[5]。其中LED显示器及键盘电路是通过一片CH451 负责动态扫描8位LED显示器和20个键， CH451和CPU的P1 口串行连接，LED显示器用于循环显示每一路的电压、电流值。键盘用于各种参数的输入和各种控制功能的选择。扩展1片非易失32K×8RAM芯片用于存贮一个月的各种参数和实时测量数据，以防数据丢失。DS12887是DALLAS公司生产的实时日历时钟芯片,其主要功能包括非易失性时日历时钟、报警器、百年历、可编程中断、方波发生器和114字节的非易失静态RAM。主要用于记录数据采集的日期、时间。看门狗采用MAXIM公司的MAX1232芯片,监视电源电压和微处理器CPU的工作状态, 当模拟电源VDD低于4Ｖ时，停止工作并产生掉电中断通知CPU，防止在上电下电过程中出现错误计量。提高系统的可靠性和准确度。
2.1.2  数据采集及保存
模数转换器采用是MAX197，主要对多路电压、电流进行模数转换及波形数据采集。 MAX197是8路12位并行比较式A/D转换器，单+5V供电，内部参考电源，内部时钟，转换时间6US ，输入电压范围为：±5V、±10V、0-5V、0-10V。本系统模拟量输入为0-5V。处理器对各路ADC采集的数据进行计算和分析,得出各相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量,同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数, 采集频率为10s。每天统计(并保存30天)以下数据：三相电压最值及发生时刻、三相电流最值及发生时刻、三相电量的最大需量、三相电压越限及合格率统计，此外还可记录每天零时(时间可以设定)有功的尖峰、峰、平、谷表码及无功总表码。
各相参数的信号取样通过电压互感器（PT）和电流互感器（CT）对变压器二次端的交流信号，经过精密整流、低通滤波等处理后送A/D转换器MAX197进行A/D转换。图3是精密整流、低通滤波电路，VI是传感器输出信号，VO是经过精密整流、低通滤波等处理后的输出信号。

图3  精密整流、低通滤波原理图
2.2　GPRS无线网络数据通信实现
互联网数据通讯的核心协议是TCP/IP协议，GPRS为了实现与互联网设备的数据通信，也将TCP/IP协议作为了它的核心协议。在链路层，GPRS网络采用了PPP协议来支持各个节点的动态登录，其主要特点是节点设备启动PPP登录过程，GPRS节点服务器为该节点动态配置IP地址。一般来讲，设备一旦获得了动态IP，就可以以客户端方式与互联网上的服务器设备进行数据通讯了。因此系统内必须要实现TCP/IP协议(包括网络层IP协议)和PPP协议。GPRS模块与移动中心之间以及微处理器与GPRS模块之间的通信都遵循PPP协议。GPRS模块在拨号后首先要与GPRS网关(GGSN)进行通信链路的协商，即协商点到点的各种链路参数配置，获取IP地址。协商过程遵守LCP､PAP和IPC等协议。本系统选用上海毅加智能设备有限公司的EP120P作为GPRS模块[6]，该产品是针对工业测控这一需求专门开发得GPRS IP MODEM。它是即插即用，完成TCP/IP协议转换并能提供透明通道的专用产品，主要为远程数据通讯提供接口。用户只需设置一些参数就可以实现将嵌入式系统直接与INTERNET相连，实现网络的互连互通。系统示意图如图4所示：

图4   GPRS模块示意图
EP120P在每次开机后会自动拨号，接入GPRS并动态获得一个IP地址，此IP地址为移动骨干网内地址（10.xx.xx.xx），在未进入连接状态时，服务器是无法直接与EP120P通讯的。必须先有EP120P主动向服务器发送数据，进行连接。当连接的路由建立之后，服务器和终端设备才可以双工地进行数据传输。该路由具有时间限制，一般仅有几十秒，为了确保链路一直畅通，EP120P具有链路保活功能，通过定时发送“心跳”数据包，维持终端和服务器间的路由，确保服务器与终端间可以及时相互通讯。另外，“心跳”数据包中包含了设备的ID信息，使得服务器可以很容易判别路由和数据包的来源。
针对服务器不同接入方法，EP120P可提供多种方案：对于具有静态IP地址的服务器，使用相对简单，用户只要设置好固定IP地址和端口号，使EP120P指向远程服务器即可发送数据。如果服务器采用ADSL、CABLE  MODEM或ISDN等接入方法，由于每次接入所获得的IP地址不是固定的，EP120P无法直接指向远程服务器。EP120P可利用发送短信息（SMS）方法，在开机时请求远程服务器的IP地址。服务器收到请求的SMS后，将本机获得的IP地址以SMS方式应答；EP120P收到应答即可指向此IP地址的远程服务器。终端设备通过串口向GPRS IP MODEM发送工作指令和数据时，数据经由协议转换芯片进行TCP/IP协议转换，快速打成IP数据包，再由GPRS模块发送到无线基站。GPRS IP MODEM使用户可在缺少TCP/IP协议栈功能的设备，如单片机等嵌入式系统上很简便地利用GPRS进行无线方式地透明数据传输，组建远程测控网络[7]。通讯过程如下：
（1）服务器接入Internet，获得IP地址A。
（2）设置EP120P为短信（SMS）方式查询远程服务器IP地址，ID号为“SEN1”。
（3）EP120P通过SMS向服务器139X发送请求短信息。
（4）服务器将本机IP地址A回应到139Y，EP120P收到该回复消息后即指向远程服务器IP地址A。
（5）EP120P拨号接入GPRS，按固定时间间隔发送“心跳包”。
（6）“心跳包”经过网关，到达服务器。在服务器端显示的路由为B
（7）路由B的保持时间由网关决定，一般为30秒～几分钟。在保持时间内，会不断有“心跳包”到来，使路由一直保存。
（8）如果服务器发查询命令给SEN1，经过查找映射表，得到路由B。
（9）数据包经过网关转发，到达EP120P，经过解包处理，通过RS232发送给传感器1。
（10）监测设备将应答数据包通过RS232传到EP120P。经过打包处理，发送到远程服务器IP地址A，完成一次通讯过程。
3．监控中心管理信息系统设计[2]
    信息管理系统设计是整个系统的核心。系统的功能都是通过监控中心计算机显示、打印出来的。监控中心是系统最重要的人机界面。要为用户提供一个可视化的监测界面。该机面采用电子地图的形式，让用户直观、方便、快捷地了解变压器的运行状态。通过此界面，用户可以及时发现变压器出现的故障。如，变压器C相电压过大，则在电子地图中该变压器处出现闪烁亮点，提示用户该变压器出现故障，并伴有声音报警。用户可以点击变压器图标处查看告警详细内容；同时，用户通过查询历史数据库，可以调出变压器的历史运行状态曲线，从而预测变压器的负荷情况。用户也可以对电力参数采集装置进行遥控，对其某些参数进行修改、重新设定。整个信息管理系统设计基于Windows2000操作系统，以Delphi7.0为软件开发平台，SQL Sever 2000为后台数据库。
3.1 数据库中数据种类
软件设计的关键是数据库系统，只有从系统的角度仔细设计数据库，才能把不同的应用软件联成有机整体，并能适应低压配电系统的扩展和软件功能的扩展。数据可分为以下几种：
（1）实时测量数据，如电压、电流、有功功率、无功功率等。
（2）基本数据，低压配电系统中基本不变或缓慢变换的数据。低压配电设备及其控制系统的参数、测量设备的配置及其参数等等。
（3）历史数据，一种是正常运行状态的保存，一种是非正常状态的保存（事故记录）。历史数据主要用于低压配电系统运行状态的分析、预测等。
（4）系统的登录信息、实时数据和故障记录都写入数据库中，建立用户信息库、数据记录库、故障记录库等各种数据库。
3.2 模块化设计
    信息管理系统设计遵循模块化设计思想，采用结构化程序设计方案，具有较好的模块性、可移植性和可修改性。系统软件可分为8大模块，如图5所示。

图5 信息管理系统软件流程图
4．结论
本文提出的GPRS配变监测系统适应电力系统中大数据量､实时性数据采集的要求。该系统已在山东省滨州供电公司安装运行，效果良好。本文创新点如下：
（1）稳定可靠：本文采用的是单片机AT89S52和EP120P模块等组成的数据采集和数据传输系统，下位机设计了看门狗和电源电压检控电路，使系统工作稳定可靠。动态IP地址管理，自动设别终端设备，保证虚拟专用网络的连接和安全性。
（2）高速传输：GPRS网络的传输速度最快将达到171.2Kbps，目前可提供20~40Kbps的稳定数据传输｡
（3）实时数据传输：当RS232口接收到配变监测数据或接收到配变监测开关量变化时，通过GPRS将数据传送到中心服务器，或接收中心服务器发送的串口数据或开关量输出，实现对配变监测终端设备的控制｡
（4）经济实用：控制中心和GPRS模块采用定时联机，断线重拨连接；按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量传递时，不收费用｡使系统运行稳定可靠，经济实用。
参考文献：
1．雷海浜等，基于GPRS的电力变压器负荷监控系统设计与实现，仪表技术与传感器，2005.NO.4，30-32
2．张胜辉等，基于GPRS配变远程监控报警管理信息系统设计，电气开关，2005.NO.2 ，11-15
3．李涛等，基于GPRS无线通信的配变监测系统的设计与实现, 继电器，2004.NO.24 ，37-40　
4．吕捷， GPRS技术 [M]，北京:北京邮电大学出版社，2001
5．毛洋林等，用MCS-51单片机实现基于GPRS的Internet接入，微计算机信息，2004.NO.20.3 ，92-93
6．WWW
7．付保川等，基于嵌入式WEB的远程监控系统设计，微计算机信息，2005年第21卷第7-2期，58