基于GPRS的箱式變電站監(jiān)控器設(shè)計(jì)

0 引 言
箱式變電站適應(yīng)電力系統(tǒng)變電設(shè)備的發(fā)展方向，主要用于取代傳統(tǒng)土建型變電站，實(shí)現(xiàn)配變電功能。電力參數(shù)檢測(cè)既是評(píng)定電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是電力技術(shù)人員采取補(bǔ)償措施的依據(jù)。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，GPRS技術(shù)在智能儀器儀表遠(yuǎn)程通信領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)據(jù)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(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(shè)大量通訊線路，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)方集中控制、操作及負(fù)荷監(jiān)測(cè)，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，安全可靠。

1 總體設(shè)計(jì)方案
以保證電壓合格和無(wú)功基本就地平衡為控制目標(biāo)，箱式變電站監(jiān)控器安裝在箱變內(nèi)部，通過(guò)電壓互感器和電流互感器對(duì)變壓器二次側(cè)的電氣參數(shù)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(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(shè)計(jì)主要體現(xiàn)模塊化。其整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括：對(duì)各種功能模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)分析的主控模塊，實(shí)現(xiàn)各種電參量測(cè)量的測(cè)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(cè)量結(jié)果與鍵盤(pán)操作的人機(jī)界面模塊，以及進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)腉PRS模塊。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模塊式具有確定功能的獨(dú)立單元，可使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有靈活性和可變性?？紤]經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，多個(gè)鄰近箱式變電站的監(jiān)測(cè)量通過(guò)CAN總線傳送到一個(gè)箱變上，再利用IP通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；箱變作為一個(gè)無(wú)人堅(jiān)守的變電所，其顯示模塊也可以根據(jù)需求即插即用。
設(shè)計(jì)要求：
(1)測(cè)量功能。監(jiān)測(cè)箱式變電站二次測(cè)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(duì)電壓、電流波形進(jìn)行波形采樣記錄，通過(guò)分析運(yùn)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(fù)序電流。
(3)負(fù)荷控制功能。對(duì)長(zhǎng)期的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)峰、谷、平的各個(gè)用電時(shí)段繪制出過(guò)程曲線，為最佳的補(bǔ)償方案提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)電費(fèi)計(jì)量的自動(dòng)化管理。
(4)開(kāi)關(guān)量控制功能。對(duì)開(kāi)關(guān)的位置和狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并記錄其動(dòng)作時(shí)刻和原因?？筛鶕?jù)定時(shí)編程或條件編程執(zhí)行開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控功能。
(5)傳輸功能。支持RS 232，RS 485的標(biāo)準(zhǔn)接口用于接入GPRS和人機(jī)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(cè)的信號(hào)通過(guò)電流互感器或電壓互感器后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入DSP的A／D轉(zhuǎn)換部分，然后在DSP模塊中通過(guò)軟件進(jìn)行一系列的信號(hào)處理。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)就可以顯示或者傳輸。
把快速傅里葉變換應(yīng)用到電力參數(shù)的測(cè)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(shù)(k=1，2，…)，積分離散化后：

由此可以經(jīng)過(guò)計(jì)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(hào)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(jí)數(shù)表示展開(kāi)，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可得到：

同理，可得到無(wú)功功率的表達(dá)式：

為了方便計(jì)算，功率因數(shù)采用式(13)求得：

基于采樣定理、DSP的計(jì)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(duì)采集波形進(jìn)行512點(diǎn)的FFT。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 交流量采集模塊設(shè)計(jì)
交流量采集模塊可以根據(jù)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(shù)目。要求所用探測(cè)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(jí)，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(jí)，輸入電壓240 V，輸出電壓0～8 V。
該設(shè)計(jì)對(duì)互感器中傳出的信號(hào)采用圖2所示的信號(hào)電路進(jìn)行調(diào)理。前面為電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)濾波放大后，信號(hào)為-1．5～+1．5 V，后面為加法電路，該電路對(duì)信號(hào)起抬位的作用，使其范圍變?yōu)?～3 V。信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后送入TMS320F2812的A／D轉(zhuǎn)換模塊，完成A／D采樣。

2．2 主控模塊設(shè)計(jì)
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(diǎn)DSP芯片。既具有數(shù)據(jù)信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)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(cè)控場(chǎng)合。該系列數(shù)字信號(hào)處理器還集成了128 KB的FLASH存儲(chǔ)器，4 KB的引導(dǎo)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(xiàn)雙通道信號(hào)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(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(shù)轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)入結(jié)果寄存器中。然后DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計(jì)算出二次測(cè)的電力參數(shù)，用FFT方法分析電壓諧波，為串聯(lián)補(bǔ)償提供依據(jù)。開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)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(shè)定執(zhí)行開(kāi)關(guān)量的控制。
2．3 人機(jī)模塊設(shè)計(jì)
人機(jī)模塊通用RS 485接口與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行連接，完成液晶顯示和按鍵操作功能。人機(jī)模塊采用Philips公司生產(chǎn)的P89C61單片機(jī)。P89C61器件采用高性能的靜態(tài)80C51設(shè)計(jì)，以先進(jìn)的CMOS工藝制造，并包含非易失性FLAsH程序存儲(chǔ)器，可通過(guò)并行編程或系統(tǒng)編程(ISP)的方法進(jìn)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(shè)定菜單、確定、加、減四個(gè)鍵，進(jìn)行鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，與 DSP主控模塊通訊另需RS485轉(zhuǎn)換芯片。

2．4 GPRS無(wú)線通訊模塊設(shè)計(jì)
GPRS無(wú)線通信模塊采用Simcom公司的SIM300GSM／GPRS雙頻模塊。主要為語(yǔ)音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無(wú)線接口。適合于開(kāi)發(fā)一些 GSM／GPRS的無(wú)線應(yīng)用產(chǎn)品。同時(shí)，SIM300模塊中集成了TCP／IP協(xié)議棧，并為用戶提供了擴(kuò)展的TCP／IP AT命令，使用戶可以輕松地使用TCP／IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)通信的協(xié)議即AT命令是專門用來(lái)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(kāi)始由美國(guó) Hayes公司推出，專門用于數(shù)據(jù)傳輸通信領(lǐng)域，目前己成為全球通用的標(biāo)準(zhǔn)，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(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(jié)束標(biāo)志符結(jié)束。命令前綴一般由AT兩個(gè)字符組成，命令結(jié)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(huì)返回一個(gè)結(jié)果，以對(duì)接收到的命令作出應(yīng)答。
2．4．1 電源設(shè)計(jì)
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(tǒng)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(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(fù)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(shè)計(jì)
SIM300提供兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS 232串行接口，用戶可以通過(guò)串行口使用AT命令完成對(duì)模塊的操作。串口一有7個(gè)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(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(hào)引腳，當(dāng)模塊與主控模塊通信時(shí)需要電平轉(zhuǎn)換。
2．4．3 SIM卡設(shè)計(jì)
SIM卡與SIM300模塊通過(guò)板對(duì)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、數(shù)據(jù)線、 SIM卡時(shí)鐘、復(fù)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(jìn)行供電，根據(jù)通信公司提供的SIM卡模塊自動(dòng)進(jìn)行選擇。設(shè)計(jì)中，SIM卡上的：RST,I／O，CLK，VCC和GND分別連接到SIM300的相應(yīng)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(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)來(lái)電呼入指示，該芯片。可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器指示來(lái)電呼入，輸出的聲音可通過(guò)“AT+CRSL”設(shè)定，電路如圖4所示。當(dāng)SIM300的Buzzer有信號(hào)輸出時(shí)，電流被晶體管放大，進(jìn)入蜂鳴器線圈，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。

3 軟件設(shè)計(jì)
在以上的硬件基礎(chǔ)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(zhuǎn)換、計(jì)算測(cè)量值、串行通訊處理、CAN通訊處理、存儲(chǔ)事件順序記錄、存儲(chǔ)電能累計(jì)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(duì)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(shè)計(jì)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(dòng)復(fù)位開(kāi)機(jī)，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)線通信測(cè)試。過(guò)程為建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)，關(guān)閉連接，再次建立連接等測(cè)試。
4．1 SIM300 A設(shè)置
SIM300 A設(shè)置如下：

發(fā)送：TEST //（以CTRL+Z鍵結(jié)束數(shù)據(jù)輸入，將數(shù)據(jù)發(fā)出應(yīng)答：SEND OK

5 結(jié) 語(yǔ)
GPRS技術(shù)有著其他通信方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。在此，提出一種基于GPRS的箱式變電站監(jiān)控，能及時(shí)準(zhǔn)確獲取完整的配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，正確地對(duì)箱變實(shí)施監(jiān)控和管理。裝置采用FFT對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)測(cè)試證明，采集的數(shù)據(jù)指標(biāo)都達(dá)到較高的測(cè)量精度，滿足了用戶需要。適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行，具有檢測(cè)數(shù)據(jù)量大，傳輸速度快等特點(diǎn)，具備較強(qiáng)的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力。