基于GSM通信的小型水電站水輪發(fā)電機(jī)組運行監(jiān)測裝置應(yīng)用

季洪波，路 奔，荊武祥

（1.遼寧省本溪滿族自治縣水務(wù)局，遼寧 本溪 117100；2.遼寧省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展中心，沈陽 110003；3.遼寧省水利廳，沈陽 110003）

GSM（Global system for mobile communication）是目前基于時分多址技術(shù)的移動通信體制中最成熟、最完善、應(yīng)用最為廣泛的一種通信模塊，具有語音調(diào)制覆蓋范圍大、容量大、短信息業(yè)務(wù)傳輸速度快、不影響語音通話、價格便宜等優(yōu)點。本文介紹一種適用于小型水電站的基于GSM通信的水輪發(fā)電機(jī)組運行監(jiān)測裝置。

1 監(jiān)測裝置的組成

為了便于發(fā)電廠管理人員及時、準(zhǔn)確地了解水文及水輪機(jī)組的運行狀態(tài)，并在緊急情況下下達(dá)停機(jī)操作指令，本設(shè)計由DSP處理器構(gòu)成整個監(jiān)測裝置電路的核心，通過信號采集卡采集包括截流壩體水位 （或?qū)Я髅髑髁浚?、水輪機(jī)運行負(fù)荷、發(fā)電機(jī)組輸出功率等運行狀態(tài)參數(shù)。驅(qū)動卡用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程停水停機(jī)操作。GSM模塊（TC35i）完成控制信號以及運行狀態(tài)參數(shù)的接收和發(fā)送。西門子的TC35i作為GSM通信模塊，以短消息互發(fā)形式進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組運行狀態(tài)及水文情況的查詢和反饋。GSM模塊通過UART接口與DSP處理器進(jìn)行連接，由DSP處理器處理有效短信息以及根據(jù)信息訪問請求內(nèi)容進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組運行狀態(tài)信息反饋。監(jiān)測裝置組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測裝置的組成

2 監(jiān)測功能及實現(xiàn)

2.1 監(jiān)測功能的實現(xiàn)原理

如圖2所示，由DSP處理器構(gòu)成整個監(jiān)測裝置電路的核心，通過信號采集卡采集包括截流壩體水位 （或?qū)Я髅髑髁浚?、水輪機(jī)運行負(fù)荷、發(fā)電機(jī)組輸出功率等運行狀態(tài)參數(shù)；驅(qū)動卡用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程停水停機(jī)操作；GSM模塊 （TC35）完成控制信號以及運行狀態(tài)參數(shù)的接收和發(fā)送；電源模塊為監(jiān)測裝置供電；LCD顯示器用于顯示當(dāng)前的運行狀態(tài)參數(shù)。監(jiān)測功能的實現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 監(jiān)測功能的實現(xiàn)原理

2.2 核心處理器的功能

核心處理器為microchip公司的16位DSP處理器，其外圍電路包括：線性DC-DC轉(zhuǎn)換單元、軟件調(diào)試接口電路、硬件看門狗電路、光電隔離單元、電平轉(zhuǎn)換電路、FLASH存儲器 （用于存儲運行參數(shù)歷史記錄）等。該處理器用于處理有效短消息的狀態(tài)查詢指令，并根據(jù)查詢內(nèi)容將相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)編輯成短消息發(fā)送給查詢終端。GSM通訊模塊接收到的短消息首先由處理器判斷其查詢終端的查詢權(quán)利，與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫比較并判斷為有效短消息后，根據(jù)查詢的內(nèi)容從狀態(tài)參數(shù)存儲單元中調(diào)用對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)，依據(jù)GSM通訊協(xié)議中短消息發(fā)送指令進(jìn)行短消息的編輯，編輯完成后通過GSM通信模塊進(jìn)行短消息發(fā)送。運行狀態(tài)記錄單元為外置FLASH存儲器，DSP處理器每隔5分鐘進(jìn)行一次有效狀態(tài)參數(shù)的存儲，其中存儲水力發(fā)電機(jī)組一年內(nèi)的運行狀態(tài)。FLASH存儲器可通過硬件開關(guān)設(shè)置成外置獨立的存儲卡，用戶可通過配套的上位機(jī)軟件讀出相應(yīng)的運行狀態(tài)參數(shù)。配套的信息采集卡和驅(qū)動卡通過RS485總線與DSP進(jìn)行連接。

2.3 GSM模塊的功能

本設(shè)計使用西門子工業(yè)GSM模塊TC35i，該模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊,工作在EGSM900和GSM1800雙頻段,電源范圍為直流3.3～4.8V,電流消耗——休眠狀態(tài)為3.5mA，空閑狀態(tài)為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA(平均)，2.5A峰值；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號,功耗在 EGSM900（4 類）和 GSM1800（1 類）分別為2W和1W,通過接口連接器、天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3V/1.8V，TC35i的數(shù)據(jù)接口（CMOS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù),可選波特率為300b/s～115kb/s,自動波特率為1.2～15kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS（Short Message Service,短消息）,可通過AT命令或關(guān)斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。TC35由供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF連接器、天線接口等6部分組成。作為TC35的核心基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音和數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。

TC35i模塊的第1～5引腳是正電源輸入腳通常推薦值4.2V；第6～10引腳是電源地；11、12為充電引腳，可以外接鋰電池；13為對外輸出電壓 （共外電路使用）；14為ACCU-TEMP接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于鋰電池充電保護(hù)控制；15腳是啟動腳IGT，系統(tǒng)加電后為使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài),必須給IGT加一個大于100ms的低脈沖,電平下降持續(xù)時間不可超過1ms；16～23為數(shù)據(jù)輸入/輸出，分別為 DSR0、RING0、RxD0、 TxD0、 CTS0、 RTS0、 DTR0 和 DCD0。tc35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標(biāo)準(zhǔn)。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗位，波特率在300bps～115kbps之間可選，默認(rèn)9600。硬件握手信號用RTS0/CTS0，軟件流量控制用XON/XOFF，CMOS電平，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。其中18腳RxD0、19腳TxD0為TTL的串口通訊腳，需要和單片機(jī)或者PC通訊。TC35i使用外接式SIM卡,24～29為SIM卡引腳，SIM卡同TC35是這樣連接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通過SIM卡閱讀器與TC35i的同名端直接相連，ZIF連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。30～32為控制腳，其中30為RTC backup，31為Power down，32為SYN。35～38為語音接口，其中35、36接揚聲器放音，37、38接駐極體話筒來采集聲音 （37是話筒正端，39是話筒負(fù)端）。

2.4 控制指令下達(dá)的安全程序

遠(yuǎn)程停機(jī)控制指令可以通過短消息下達(dá)，該指令的下達(dá)需要進(jìn)行密碼及身份信息確定和控制指令下達(dá)兩條獨立的短消息完成。

3 結(jié)語

本文介紹的基于GSM通信的監(jiān)測裝置是無人值守小型水電站設(shè)計的一個單元，適用于電站水文及水輪發(fā)電機(jī)組運行狀況的遠(yuǎn)程查詢和緊急停機(jī)控制，方便、快捷且節(jié)約運營成本。

[1]劉玉來，張利斌.基于CAN BUS的小型水輪機(jī)水門控制設(shè)計[J].中國水能及電氣化，2009（3）：30-32.