電力變壓器遠(yuǎn)程負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 曉，張春生，牟曉波，張希文，楊 剛

(塔里木油田天然氣事業(yè)部，庫爾勒 841000)

1 引言

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)建設(shè)和改造工程的深入，電能早已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚牟糠帧ｋ娔艿膽?yīng)用程度是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，保障用電安全對(duì)工、農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大意義。長期以來我國大部分地區(qū)電力網(wǎng)主要靠巡線工人來檢測，很難做到實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，直接影響了人們的生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。因此完善電網(wǎng)的監(jiān)控對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展有重要意義。

近年來，通用無線分組業(yè)務(wù)(GPRS)是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，給移動(dòng)用戶提供高速的IP通信功能，從而將控制信息以IP包的形式通過internet/GPRS發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用先進(jìn)的GPRS無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)構(gòu)建。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)分為監(jiān)控中心和監(jiān)控分站兩個(gè)部分;監(jiān)控中心和監(jiān)控分站實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的三相電壓、電流的有效值、最大值，有功功率，無功功率等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

監(jiān)控中心主要由內(nèi)部局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、中心站服務(wù)器等設(shè)備組成;監(jiān)控分站由MSP430F247硬件信號(hào)檢測系統(tǒng)和GPRS模塊構(gòu)成［1］;監(jiān)控中心站和分站之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線通信。內(nèi)部局域網(wǎng)主要提供一個(gè)相對(duì)固定的DTU登錄的IP地址，而且可在網(wǎng)內(nèi)查詢系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，便于分析設(shè)備的運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供一個(gè)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可以不斷地接收并存儲(chǔ)監(jiān)控分站所采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的另一個(gè)重要作用就是便于我們隨時(shí)查詢，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總處理，為優(yōu)化電網(wǎng)控制提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

中心站服務(wù)器的基本功能:

(1)可發(fā)送控制和查詢命令，并隨時(shí)接收和保存下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù);

(2)對(duì)遠(yuǎn)程分站和主站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況能及時(shí)報(bào)警;

(3)管理數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r(shí)顯示各監(jiān)控分站的運(yùn)行情況，打印和備份數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)工作方式

當(dāng)分站、監(jiān)控中心開始工作后，首先以手機(jī)短信的方式給所有的DTU發(fā)IP配置地址，然后DTU模塊就登錄到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，并和擁有固定IP地址的監(jiān)控中心連接，在系統(tǒng)運(yùn)行中始終保持這種連接而不斷開，一旦斷開就自動(dòng)重新連接，這樣就保證了DTU模塊永遠(yuǎn)在線。其次監(jiān)控中心以固定IP接到internet網(wǎng)絡(luò)中，然后通過GPRS網(wǎng)關(guān)連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控分站的通信，這樣就可以對(duì)各監(jiān)控分站進(jìn)行遠(yuǎn)程集中管理和監(jiān)測。并可在監(jiān)控中心對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和存儲(chǔ);當(dāng)監(jiān)控分站接受到命令后就對(duì)現(xiàn)場的交流電壓電流等信號(hào)進(jìn)行采集和處理;并通過DTU完成和監(jiān)控中心的通信，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 監(jiān)控分站硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)中監(jiān)控分站主要完成以下功能:

(1)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場電網(wǎng)的電壓和電流信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理并保存;

(2)完成LCD顯示鍵盤輸入的功能命令和執(zhí)行已接收到的主站命令;

(3)當(dāng)分站出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)報(bào)警。

硬件系統(tǒng)中信號(hào)的準(zhǔn)確檢測是關(guān)鍵部分，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸是只有在串口接到監(jiān)控中心的查詢命令時(shí)才執(zhí)行并于轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)上傳所有數(shù)據(jù);為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)幀以”n＊＊＊”開頭(n表示分站號(hào))，對(duì)沒有數(shù)據(jù)返回的分站每10秒重發(fā)一次查詢命令，如果長時(shí)間沒有應(yīng)答，則進(jìn)行檢修報(bào)警處理，以期保證通信暢通。紅外通信模塊主要用來完成現(xiàn)場觀察數(shù)據(jù)和設(shè)置電壓、電流的最大值以及脈沖的誤差范圍。因?yàn)槊總€(gè)分站的負(fù)荷不同及所用的輸電材料的差異，所以需要紅外通信模塊方便地針對(duì)不同的分站情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整。

圖2 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 GPRSDTU通信模塊設(shè)計(jì)

DTU(data transmit unit)即數(shù)據(jù)傳輸單元，相當(dāng)于串口數(shù)據(jù)流和TCP/IP協(xié)議直接互相轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器，內(nèi)嵌GPRS通信模塊和TCP/IP協(xié)議棧，采用透明傳輸，為不帶TCP/IP協(xié)議處理能力的設(shè)備提供無線通信能力。通過DTU通信服務(wù)器與分站控制模塊自定義幀協(xié)議，完成對(duì)終端設(shè)備的電流、電壓、電能等狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸格式

因?yàn)镈TU采用的是透明傳輸方式，所以根據(jù)透明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)方向，分為數(shù)據(jù)下行和數(shù)據(jù)上行。

數(shù)據(jù)下行:在信息管理中心將電能、電壓、電流等信息的查詢命令，根據(jù)自定義協(xié)議幀格式，封裝成包，通過internet/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給DTU，DTU收到這個(gè)IP包后，通過串口透明傳輸給分站控制模塊。

數(shù)據(jù)上行:DTU收到監(jiān)控中心自定義幀格式的查詢命令后，將所采集的數(shù)據(jù)封裝成IP包，通過internet/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息管理中心;數(shù)據(jù)中心軟件收到數(shù)據(jù)包后根據(jù)自定義幀格式，將相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)通過客戶端軟件或?yàn)g覽器的方式呈現(xiàn)給工作人員，方便工作人員對(duì)信息進(jìn)行判斷，做出決策。

自定義幀格式:

幀頭 幀類型 幀長度 數(shù)據(jù) 校驗(yàn)值1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 2字節(jié) 1字節(jié)

系統(tǒng)的DTU模塊選用廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的ZWG－23DP，通過DTU系統(tǒng)可以直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心只需要通過寬帶、ISDN或撥號(hào)上網(wǎng)即可，比基于GSM的短消息解決方案大大節(jié)省了成本，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心最好使用固定公網(wǎng)IP，如果沒有固定的IP地址但有注冊(cè)的域名也可以對(duì)GPRS數(shù)據(jù)終端域名來登錄［2］。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和程序的修改和移植，系統(tǒng)主要有五個(gè)模塊構(gòu)成:系統(tǒng)初始化模塊、I/O口設(shè)置模塊、人機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及通信模塊。

數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間間隔由上位機(jī)決定，在上位機(jī)軟件中可實(shí)現(xiàn)定時(shí)查詢和在任意時(shí)刻人為發(fā)送查詢命令，待下位機(jī)接收到查詢命令后便將采集的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，整個(gè)通信模塊是采用中斷服務(wù)程序完成的，這樣設(shè)計(jì)主要是考慮到對(duì)電力設(shè)備的監(jiān)測不需要時(shí)時(shí)上傳，同時(shí)也減小了數(shù)據(jù)流量，降低了成本，數(shù)據(jù)處理模塊主要對(duì)數(shù)據(jù)采集部分得到的離散信號(hào)進(jìn)行處理，離散信號(hào)經(jīng)過FFT和小波運(yùn)算可得到基波和各次諧波分量［3］，利用此結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的計(jì)算。DTU模塊和MSP430的通信是基于串口命令完成的，只要完成對(duì)串口命令或數(shù)據(jù)的封裝即可實(shí)現(xiàn)分站與中心站之間的通信。

監(jiān)控中心人機(jī)接口為用戶提供一個(gè)可視化的監(jiān)控界面，可直觀、方便、快捷地了解電力設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，圖形化編程界面用VC++開發(fā)，主要功能完成無線通信處理、數(shù)據(jù)處理和報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析等［4］。

6 結(jié)束語

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行時(shí)DTU有死機(jī)的現(xiàn)象，主要原因是給DTU供電的電源不穩(wěn)定，另外DTU在配置好后應(yīng)關(guān)閉回饋顯示，因?yàn)樵趩?dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的串口數(shù)據(jù)從而影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。經(jīng)改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此系統(tǒng)能完成對(duì)信號(hào)的測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芤约爱惓?bào)警功能。基于嵌入式GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)基于有線連接或者GSM短信的監(jiān)控系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢特性，如實(shí)時(shí)性強(qiáng)、永遠(yuǎn)在線、通信費(fèi)用低，支持本地或者遠(yuǎn)程固件升級(jí)，可操作性好等優(yōu)勢，在實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

［1］洪耀球，李香泉，劉浪.基于MSP430F149的電動(dòng)轎車電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011(4):124－127.

［2］高春艷，劉彬彬，王斌.Visual Basic開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

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