基于GPRS的箱式變電站監(jiān)控器設計

0 引 言
箱式變電站適應電力系統(tǒng)變電設備的發(fā)展方向，主要用于取代傳統(tǒng)土建型變電站，實現(xiàn)配變電功能。電力參數(shù)檢測既是評定電能質(zhì)量的重要指標，也是電力技術人員采取補償措施的依據(jù)。隨著無線通信技術的發(fā)展，GPRS技術在智能儀器儀表遠程通信領域的應用得到迅速發(fā)展。
GSM／GPRS模塊通信通過RS 232串口與控制端相連，并將所要發(fā)送的信息，通過GSM／GPRS公眾網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)信息傳送到指定的終端。同時，也可以接受其他終端通過 GSM／GPRS網(wǎng)絡傳來的消息?；贕PRS的箱式變電站監(jiān)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路，而且能夠實現(xiàn)遠方集中控制、操作及負荷監(jiān)測，經(jīng)濟簡單，安全可靠。

1 總體設計方案
以保證電壓合格和無功基本就地平衡為控制目標，箱式變電站監(jiān)控器安裝在箱變內(nèi)部，通過電壓互感器和電流互感器對變壓器二次側的電氣參數(shù)進行采集處理，并采集開關量、變壓器分接頭等信息。之后定時發(fā)送給GPRS模塊，GPRS模塊再把數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)，上傳到監(jiān)控中心。
箱式變電站監(jiān)控器的設計主要體現(xiàn)模塊化。其整機結構主要包括：對各種功能模塊進行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)分析的主控模塊，實現(xiàn)各種電參量測量的測量模塊，進行開關量控制的開關控制模塊，顯示測量結果與鍵盤操作的人機界面模塊，以及進行無線傳輸?shù)腉PRS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，多個鄰近箱式變電站的監(jiān)測量通過CAN總線傳送到一個箱變上，再利用IP通過GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；箱變作為一個無人堅守的變電所，其顯示模塊也可以根據(jù)需求即插即用。
設計要求：
(1)測量功能。監(jiān)測箱式變電站二次測電力參數(shù)(相電壓、線電壓、相電流、線電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電能等)。
(2)分析功能。對電壓、電流波形進行波形采樣記錄，通過分析運算，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。對長期的運行參數(shù)進行分析，對峰、谷、平的各個用電時段繪制出過程曲線，為最佳的補償方案提供準確數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)電費計量的自動化管理。
(4)開關量控制功能。對開關的位置和狀態(tài)進行檢測，并記錄其動作時刻和原因?？筛鶕?jù)定時編程或條件編程執(zhí)行開關控制，實現(xiàn)遙測、遙信、遙調(diào)、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總線接口用于鄰近箱式變電站數(shù)據(jù)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(guī)約。

箱式變電站二次側的信號通過電流互感器或電壓互感器后，再經(jīng)過信號調(diào)理電路進入DSP的A／D轉換部分，然后在DSP模塊中通過軟件進行一系列的信號處理。經(jīng)過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(shù)的測量中，將電壓序列u(t)分解為基波和個次諧波分量的形式，可以得到：

式中k代表諧波的次數(shù)(k=1，2，…)，積分離散化后：

由此可以經(jīng)過計算得到第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(shù)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(shù)表示展開，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可得到：

同理，可得到無功功率的表達式：

為了方便計算，功率因數(shù)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，共采集4個周期后，對采集波形進行512點的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(jù)實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(shù)目。要求所用探測裝置體積小，容易自由地取放。同時，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所示的信號電路進行調(diào)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)過調(diào)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TI公司推出C2XXX系列的新產(chǎn)品，32位定點DSP芯片。既具有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理的測控場合。該系列數(shù)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單元提供了兩個采樣保持電路，可以實現(xiàn)雙通道信號的同步采樣。
在A／D模塊的硬件資源配置好了之后，可以用軟件指令隨時啟動A／D采樣。外界的模擬量通過傳感器采集進來后，進人多路模擬選擇開關，經(jīng)過采樣保持，送到 12位的模／數(shù)轉換器，將轉換結果經(jīng)過多路選擇開關進入結果寄存器中。然后DSP對數(shù)據(jù)進行處理分析，計算出二次測的電力參數(shù)，用FFT方法分析電壓諧波，為串聯(lián)補償提供依據(jù)。開關量數(shù)據(jù)直接傳輸給DSP，記錄其位置狀態(tài)，記錄動作時刻及其原因，并通過程序設定執(zhí)行開關量的控制。
2．3 人機模塊設計
人機模塊通用RS 485接口與數(shù)據(jù)處理模塊進行連接，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，以先進的CMOS工藝制造，并包含非易失性FLAsH程序存儲器，可通過并行編程或系統(tǒng)編程(ISP)的方法進行編程。能與液晶顯示器兼容，CPU數(shù)據(jù)接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入／輸出和8條控制線與液晶相連，連接方式如圖3所示。設定菜單、確定、加、減四個鍵，進行鍵盤設計，與 DSP主控模塊通訊另需RS485轉換芯片。

2．4 GPRS無線通訊模塊設計
GPRS無線通信模塊采用Simcom公司的SIM300GSM／GPRS雙頻模塊。主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務提供無線接口。適合于開發(fā)一些 GSM／GPRS的無線應用產(chǎn)品。同時，SIM300模塊中集成了TCP／IP協(xié)議棧，并為用戶提供了擴展的TCP／IP AT命令，使用戶可以輕松地使用TCP／IP協(xié)議，實現(xiàn)GPRs網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡的順利接入。
SIM300模塊與主控模塊和計算機通信的協(xié)議即AT命令是專門用來控制調(diào)制解調(diào)器的指令集，一般稱之為“AT指令集”。AT指令集一開始由美國 Hayes公司推出，專門用于數(shù)據(jù)傳輸通信領域，目前己成為全球通用的標準，任何與Hayes兼容的調(diào)制解調(diào)器都可使用這些指令。

其特點：
(1)幾乎所有的AT指令(除了“A／”及“A++”兩個指令除外)都以一個特定的“命令前綴”開始，以一個命令結束標志符結束。命令前綴一般由AT兩個字符組成，命令結束符通常為CR>LF>。
(2)每一條AT指令執(zhí)行完后，調(diào)制解調(diào)器都會返回一個結果，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，則自動關閉模塊，而且在進行TCP／IP傳輸時，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(tǒng)用一個電源供電，減小干擾。通過比較，選擇MICREL公司生產(chǎn)的可調(diào)電壓穩(wěn)壓芯片MIC29302BU，這款芯片提供3 A的輸出能力，而且滿負載的壓降只有350 mV，輸入和輸出之間只要滿足1 V的壓差即可工作。
2．4．2 串口通信設計
SIM300提供兩個標準的RS 232串行接口，用戶可以通過串行口使用AT命令完成對模塊的操作。串口一有7個引腳，包括：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換服務，發(fā)送傳真、GPRS服務和發(fā)送AT指令。串口二只包括兩個引腳TXD和RXD，使用串口二之前一定要通過AT指令“AT+UART”啟用。串口一和串口二不能同時使用?？紤]到需要通過模塊上網(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需要電平轉換。
2．4．3 SIM卡設計
SIM卡與SIM300模塊通過板對板連接器進行連接。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、數(shù)據(jù)線、 SIM卡時鐘、復位線和狀態(tài)線，SIM卡的供電電壓為3．O V或1．8 V，由SIM300模塊進行供電，根據(jù)通信公司提供的SIM卡模塊自動進行選擇。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)絡指示燈、SPILCD接口、蜂鳴器、音頻通道和鍵盤等。

利用SIM300的LED電路可方便地了解模塊的網(wǎng)絡狀態(tài)。LED可通過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)絡的狀態(tài)下，該LED亮64 ms、滅800 ms；在SIM300找到網(wǎng)絡的狀態(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；其連接電路見圖4。
SIM300的Buzzer可以設計來電呼入指示，該芯片?？梢则寗臃澍Q器指示來電呼入，輸出的聲音可通過“AT+CRSL”設定，電路如圖4所示。當SIM300的Buzzer有信號輸出時，電流被晶體管放大，進入蜂鳴器線圈，從而驅動蜂鳴器發(fā)聲。

3 軟件設計
在以上的硬件基礎上進行軟件編寫，所有軟件均采用C語言編程，包括：主程序、中斷服務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、記錄開關量信息等功能。中斷處理程序包括定時中斷處理程序、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。在軟件編寫時，其難點在于GPRS模塊的設計部分。主要包括：模塊的初始化和數(shù)據(jù)的TCP傳輸。模塊初始化采用上電自動復位開機，所以初始化要完成GPRS網(wǎng)絡登陸的初始化過程，通過串行口發(fā)送AT命令來完成，具體的簡化流程如圖5所示。

4 連接舉例
建立2個SIM300模塊A，B進行無線通信測試。過程為建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)，關閉連接，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(shù)據(jù)輸入，將數(shù)據(jù)發(fā)出應答：SEND OK

5 結 語
GPRS技術有著其他通信方式無可比擬的優(yōu)勢。在此，提出一種基于GPRS的箱式變電站監(jiān)控，能及時準確獲取完整的配電網(wǎng)運行參數(shù)，正確地對箱變實施監(jiān)控和管理。裝置采用FFT對電力參數(shù)進行分析，經(jīng)過測試證明，采集的數(shù)據(jù)指標都達到較高的測量精度，滿足了用戶需要。適應現(xiàn)場長期運行，具有檢測數(shù)據(jù)量大，傳輸速度快等特點，具備較強的市場開發(fā)潛力。