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隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷提高，利用移動(dòng)運營(yíng)商提供的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現配電網(wǎng)數據采集和監控SCADA，是電力系統現代化的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于 GSM網(wǎng)絡(luò )的通信技術(shù)已經(jīng)成熟，覆蓋面又廣，利用GSM無(wú)線(xiàn)通信方式來(lái)實(shí)現變壓器參數的實(shí)時(shí)采集，無(wú)疑是對現有資源的最大利用。最重要的是GSM網(wǎng)絡(luò )是由移動(dòng)運營(yíng)商投控系統，可以節省數以千億計的導線(xiàn)材料及人工費用，達到環(huán)保、節能、資源最大共享的目的，而且免除了網(wǎng)絡(luò )的日常修改和維護工作，最大限度地節省了投資。無(wú)論何時(shí)何地，只要有一部電腦和可以上網(wǎng)的電話(huà)線(xiàn)就能實(shí)現對各地變壓器進(jìn)行監控；如果配備GPRS（General Packet Radio Service，通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)）無(wú)線(xiàn)Modem，使能實(shí)現，便能實(shí)現移動(dòng)監控。本系統用基于GPRS網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )微處理器技術(shù)相結合的方法，解決變壓器參數遠程傳輸問(wèn)題，實(shí)現及時(shí)報警、實(shí)時(shí)數據采集和實(shí)時(shí)負荷監測的功能。其意義在于：通過(guò)監視變壓器的運行狀況，優(yōu)化配網(wǎng)運行方式；發(fā)生故障或異常運行時(shí)，迅速報警，及時(shí)恢復正常供電，減少停電時(shí)間，保證變壓器的安全運行；記錄電壓越限時(shí)間，計算電壓合格率，從而合理控制電平水平，改善供電質(zhì)量。 1 系統結構 本系統由現場(chǎng)變壓器三相電力參數采集、GPRS通信網(wǎng)絡(luò )和監測中心上位機軟件三大部分構成。變壓器三相電力參數采集安裝在變壓器現場(chǎng)，通過(guò)電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）對變壓器二次端的電氣參數進(jìn)行采集監測；同時(shí)，分析、記錄采集數據供電位機查詢(xún)，并在變壓器三相電力參數出現異常事件時(shí)主動(dòng)上傳告警信息。GPRS通信網(wǎng)絡(luò )是監測中心與現場(chǎng)變壓器之間的數據傳輸的橋梁，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )使現場(chǎng)變壓器的相關(guān)參數能夠主時(shí)傳送到監測中心計算機；監測中心軟件一方面通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )與現場(chǎng)監測器進(jìn)行雙向通信，另一方面為用戶(hù)提供一個(gè)可視化界面，讓用戶(hù)足不出戶(hù)即可了解遠方變壓器相對實(shí)時(shí)的運行狀況。與現場(chǎng)GPRS無(wú)線(xiàn)Modem相對應，監測中心計算機必須借助GPRS無(wú)線(xiàn)Modem撥號進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò )，方可與現場(chǎng)監測器進(jìn)行遠程通信。系統結構如圖1所示。 
變壓器三相電力參數采集包括兩大部分。一是電力參數采集模塊，對變壓器三相電氣參數進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；同時(shí)存儲歷史數據，以便監測中心要了解變壓器的電壓、電流、功率等電參數質(zhì)量時(shí)，可以通過(guò)預先設定的查詢(xún)歷史數據命令獲取，然后通過(guò)監測中心軟件分析形成曲線(xiàn)報表等。二是智能監測與GPRS通信管理模塊。該模塊監測與分析采集模塊送出的實(shí)時(shí)參數，如果發(fā)現電壓電流超限或斷電來(lái)電，則啟動(dòng)GPRS通信模塊的監測中心發(fā)送報警信息；當上位機軟件發(fā)起通信請求時(shí)，還要負責握手和建立通信鏈路。 監測中心軟件為用戶(hù)提供一個(gè)可視化的監測界面。該監測界面采用多級電子地圖的形式，讓用戶(hù)直觀(guān)、方便、快捷地了解變壓器的運行狀態(tài)。通過(guò)此界面，用戶(hù)可以及時(shí)發(fā)現變壓器出現的故障。譬如，某變壓器A相電壓過(guò)大，則在電子地圖中該變壓器處出現閃爍亮點(diǎn)，提示用戶(hù)該變壓器出現警情，并伴有聲音報警。用戶(hù)可以點(diǎn)擊變壓器圖標處查看告警詳細內容；同時(shí)，用戶(hù)通過(guò)查詢(xún)歷史數據庫，可以調出變壓器的歷史運行狀態(tài)曲線(xiàn)，從而預測變壓器的負荷情況。 2 系統硬件 2.1 總體結構 變壓器參數遠程監測器以單片機系統為中心，配合電力遠動(dòng)采集功能模塊和GPRS Modem通信模塊，解決變壓器參數遠程傳輸問(wèn)題，實(shí)現及時(shí)報警、實(shí)時(shí)數據采集和實(shí)時(shí)監測的功能。硬件結構如圖2所示。
單片機系統采用主從結構，主處理器W78E58B通過(guò)串行口與負責三相電力參數采集的從處理器80C196進(jìn)行通信。通信數據幀采用 ModBus協(xié)議的數據幀格式。為為防止GPRS無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)的干擾，所有的數據幀后兩位字節都是CRC-16校驗碼。主處理器定時(shí)獲得從處理器 80C196送上來(lái)的變壓器實(shí)時(shí)參數，包括三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因素、總有功電度、總無(wú)功電度、頻率、實(shí)時(shí)時(shí)間。同時(shí)，該單片機系統還負責分析變壓器的運行狀態(tài)并作記錄，通過(guò)實(shí)測值不斷與最新記錄比較的方法，得到電壓、電流的一天最大最小值記錄；通過(guò)實(shí)測值與預先設置好的報警閥值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，如果得到越限報警記錄，主處理器通過(guò)控制GPRS調制解調器主動(dòng)向管理中心發(fā)出通信請求，管理中心應答后將數據送出。管理中心對收到的數據包解包后進(jìn)行CRC-16校驗，得到正確數據后發(fā)出數收完畢指令，單片機系統結束通信，釋放資源，同時(shí)主處理器發(fā)送報警短消息到預先設置好的手機。 2.2 單片機系統 單片機系統設計是單片機最基本、最通常的外圍電路設計，如時(shí)鐘電路、復位電路、RAM擴展電路等。本系統硬件以W78E58B單片為核心，以時(shí)鐘芯片DS12887構成時(shí)鐘電路，以X25045構成程序運行監視定時(shí)器電路，以UART 16C550為系統擴展一個(gè)串行口，以存儲芯片628128構成大容量的歷史數據保存電路，以CPLD EPM7032構成系統接口器件協(xié)調工作的控制電路和指示燈的驅動(dòng)電路。這樣，構成了一個(gè)集自診斷、時(shí)鐘功能、大容量存儲、雙串行口通信功能的系統。 本監測器正是以該系統為中心，配合電路遠動(dòng)采集模塊和無(wú)線(xiàn)Modem完成采集和通信的功能。由于電力遠動(dòng)采集模塊、無(wú)線(xiàn)Modem都提供了串行的通信接口，因此該系統必須具有2個(gè)串行口，而單片機只有1個(gè)串行口（Rx和Tx），因此采用通用異步收發(fā)器（UART）將并行口轉換成串行口，供控制與驅動(dòng)GSM模塊使用。由于變壓器參數記錄需要具備時(shí)間信息，因此采用時(shí)鐘芯片給系統提供時(shí)鐘，89C52每秒從時(shí)鐘芯片那里獲得最新時(shí)間，這樣系統就具有時(shí)間了。有了時(shí)間后，系統很方便對變壓器常規記錄進(jìn)行時(shí)間標定。為了使監測器里面保存幾天乃至一個(gè)月的歷史記錄，必須有大容量的RAM。本系統中采用了 128KB RAM完成此功能，使歷史記錄在10min/次的采樣頻率下儲存一個(gè)星期的記錄。由于上述UART、時(shí)鐘芯片和RAM都通過(guò)數據總線(xiàn)（P0口）進(jìn)行數據傳輸，采用分時(shí)復用技術(shù)，因此需對它們的工作進(jìn)行協(xié)調。采用CPLD邏輯譯碼產(chǎn)生它們的片選信號的方法解決這個(gè)問(wèn)題，使它們共享數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)。 2.3 GPRS調制解調器的驅動(dòng)和控制 本系統中采用GPRS網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行歷史數據、實(shí)時(shí)數據以及報警信息的遠程傳輸，并采用短消息業(yè)務(wù)發(fā)送報警信息到調度人員的手機上作為補充。該功能由無(wú)線(xiàn)Modem來(lái)實(shí)現。對GPRS Modem進(jìn)行驅動(dòng)和控制采用AT命令集。AT命令集是Hayes公司建立的最普遍且廣為支持的命令集，大部分廠(chǎng)家生產(chǎn)的Modem都能執行此Hayes 命令集，包括普通Modem和無(wú)線(xiàn)Modem。AT命令集是由一個(gè)特定的“命令前綴”開(kāi)始，由一個(gè)“命令結束標志”結束。命令前綴通常由AT兩個(gè)字符組合，它是Attention的縮寫(xiě)，意思是“引起注意”，因此我們稱(chēng)該Modem命令為AT命令。命令結束標志是一個(gè)單字符，其值存儲在寄存器S3中，通常為回車(chē)符 為了達到數據通信的目的，我們必須掌握如何建立和拆除通信鏈路，如何自動(dòng)應答數據來(lái)電等。下面介紹常用的AT命令。 ①ATDxxxx。該命令使Modem立即進(jìn)入摘機狀態(tài)，并撥出隨后的號碼（撥號串）以建立連接。撥號串由撥號修飾符和電話(huà)號碼組成。撥號修飾符用于指示Modem何時(shí)撥號以及如何撥號的操作。例如撥號修飾符T、P分別表示Modem以音頻方式和脈沖方式撥號。值得一提的是，撥號修飾符“,”起延遲處理下一字符的作用。該修改符在要撥外線(xiàn)的場(chǎng)合特別有用。警如，機關(guān)、企業(yè)要撥市話(huà)或者長(cháng)途電話(huà)時(shí)，首先要撥“9”（或者“0”等），則采用如下AT 指令：ATD9，8888888 ②A(yíng)TS0=R。該命令控制應答方式：自動(dòng)或手動(dòng)、R=0，手工應答;R≠0，表示在響鈴R次之后Modem自動(dòng)摘機并試圖連接。R值范圍為 1～255。手工應答下，每次電話(huà)鈴響時(shí)，Modem返回RING結果碼，但不應答呼叫（除非此時(shí)執行ATA指令）。 ③+++。該指令讓Modem從在線(xiàn)數據狀態(tài)切換到在線(xiàn)命令狀態(tài)。它其實(shí)是一個(gè)換碼序列（轉義序列），不是普通AT指令，因而前面不加AT，后面也不用跟回車(chē)符。在發(fā)出+++命令之前和之后，停頓由S12寄存器定制的時(shí)間（稱(chēng)為保證時(shí)間，缺省為1s），以保證Modem接收到該命令；否則，+++將被當作普通數據處理。該命令不掛斷線(xiàn)路而是讓Modem進(jìn)入命令狀態(tài)，即在線(xiàn)命令狀態(tài)。 ④ATHn。該命令執行掛機操作。在在線(xiàn)命令狀態(tài)時(shí)，使用該命令迫使Modem掛機，拆除通信鏈路。n=0，掛機，并將Modem置于命令狀態(tài)；n=1，摘機。 需要特別指出的是，GPRS Modem只是兼容了Hayes制式的AT指令集，但是在GPRS應用中，GPRS Modem對AT指令集做了擴充。以西門(mén)子的MC35模塊為例，它的撥號指令是ATDT*99***1#；接入GPRS狀態(tài)的指令是 AT+CGDATA=PPP。 3 系統軟件 3.1 模塊化設計 監測器軟件采用模塊化的設計方法，用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。按功能可分為：初始化器件模塊、進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò )模塊、實(shí)時(shí)測量模塊（與電力遠動(dòng)采集模塊之間通信獲取實(shí)時(shí)參數）、歷史數據記錄模塊和GPRS遠程通信模塊。GPRS遠程通信模塊包括呼叫管理中心建立通信鏈路模塊、發(fā)送常規記錄子模塊、發(fā)送1天最大最小值記錄子模塊、發(fā)送越限報警記錄子模塊、發(fā)送來(lái)停電報警記錄子模塊以及命令字分析子模塊。命令字分析子模塊負責實(shí)時(shí)分析GPRS Modem傳送過(guò)來(lái)的命令字符，從而決定如何響應監測中心的請求，給予相應的應答信息。各模塊之間通過(guò)相關(guān)聯(lián)的參數進(jìn)行溝通。 3.2 GPRS網(wǎng)絡(luò )通信的實(shí)現 GPRS作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM向第三代移動(dòng)通信（3G）的過(guò)渡技術(shù)，是由英國B(niǎo)T Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+(1997年)規范實(shí)現的內容之一，是一種基于GSM的移動(dòng)分組數據業(yè)務(wù)。它面向用戶(hù)提供移動(dòng)分組的IP或者X.25連接。 GPRS撥號上網(wǎng)時(shí)，移動(dòng)GGSN分配手機模塊一個(gè)IP地址（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)、公用或私有），目前中國移動(dòng)提供的是動(dòng)態(tài)的IP。為了提高數據傳輸的可靠性和穩定性，我們可以向移動(dòng)公司申請APN服務(wù)。移動(dòng)公司可以為接入用戶(hù)建立VPN（X虛擬專(zhuān)用網(wǎng)），而且移動(dòng)公司為每個(gè)APN客戶(hù)提供一個(gè)綁定網(wǎng)內 IP的SIM卡。以廣州為例：申請APN服務(wù)時(shí)，可以申請接入GZTEST01測試網(wǎng)，并由此獲得廣州移動(dòng)提供的網(wǎng)內IP，它是10.101.X.X網(wǎng)段的一個(gè)固定IP。這樣，系統的所有數據都是在GZTEST01測試網(wǎng)傳輸。該系統的管理中心也用一個(gè)GPRS Modem來(lái)接入GPRS網(wǎng)內。其實(shí)，GZTEST01測試網(wǎng)可以理解為一個(gè)大型的無(wú)線(xiàn)GPRS局域網(wǎng)，而且這個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)給每個(gè)GPRS終端用戶(hù)提供的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的IP地址，當GPRS數據采集終端想要實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸時(shí)，就必須知道對方分配到的動(dòng)態(tài)IP地址。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們的管理中心使用了綁定網(wǎng)內IP的SIM卡撥號上網(wǎng)，所有數據采集模塊撥號上網(wǎng)時(shí)首先要到管理中心進(jìn)行注冊。只要注冊以后雙方才能建立通信。由于整個(gè)數據傳輸都是在基于 GPRS網(wǎng)絡(luò )建立的VPN上傳輸的，系統的實(shí)時(shí)性和安全性都得到了保障。由于通信鏈路的建立是基于TCP/IP的，所以，我們采集終端的GPRS無(wú)線(xiàn)調制解調器的驅動(dòng)處理器還必須帶有TCP/IP協(xié)議棧。我們選用了UBICOM公司的SX52BD，這是UBICOM公司的一款8位高速單片機。此芯片支持在線(xiàn)編程（ISP）功能，可以方便地修改和下載CPU的程序。這款單片機以其優(yōu)異的性能，可以廣泛應用在需要網(wǎng)絡(luò )支持的場(chǎng)合，尤其適合于需要網(wǎng)絡(luò )遠程控制或遠程監控的應用中。本系統的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（IP、ARP、UDP、TCP）就是通過(guò)此芯片TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現的。 4 結論與展望 采用GPRS網(wǎng)絡(luò )遠程數據通信方法解決了遠程監測系統通信問(wèn)題，比起其它有線(xiàn)通信方式有著(zhù)不可比擬的優(yōu)越性。由于采用的是無(wú)線(xiàn)模式，數據傳輸的安全性得到了很大的提高。當然，萬(wàn)事有利必有弊。該方法的實(shí)施也還在一些缺陷，如GPRS通信方式比起CSD（電路撥號）通信方式的可靠性和實(shí)時(shí)性還有待提高。但是，隨著(zhù)GPRS網(wǎng)絡(luò )的逐漸完整和應用技術(shù)的不斷成熟，GPRS在其它工業(yè)領(lǐng)域的應用必將越來(lái)越廣闊。 參考文獻 1. 陳堅.孫志月 Modem 通信編程技術(shù) 1998 2. 何立民 單片機高級教程 1999 3. 李華.李學(xué)云.區細成 現代移動(dòng)通信新技術(shù)--GPRS系統 2001 4. 宋萬(wàn)杰.羅豐.吳順君 CPLD 技術(shù)及其應用 1999 5. SCENIX User' s Manual 6. SIEMENS MC35 User' s Manual 作 者：華南理工大學(xué) 葉力勤 羅飛 熊勇 來(lái) 源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2003（10） |
