基于物聯(lián)網(wǎng)的電力線路漏電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計＊

田 蒙，張 亞，周騰飛，陳善榮，王小云

（吉首大學(xué)物理與機電工程學(xué)院，湖南吉首 416000）

基于物聯(lián)網(wǎng)的電力線路漏電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計＊

田 蒙，張 亞，周騰飛，陳善榮，王小云

（吉首大學(xué)物理與機電工程學(xué)院，湖南吉首 416000）

采用Cortex－M4微控制器STM32F407、GSM網(wǎng)絡(luò)通信模塊和固定IP主機作為硬件系統(tǒng)平臺，構(gòu)建了一個實時采集電力線路參數(shù)的無線監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng).該系統(tǒng)在對電力線路參數(shù)進行實時監(jiān)測的同時，能夠及時發(fā)現(xiàn)意外漏電事故并做出反應(yīng)，盡可能地減少因線路故障而造成的人身傷害及財產(chǎn)損失.系統(tǒng)設(shè)計采用可視化編程，操作界面友好，GSM通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，監(jiān)控距離不受限制，GPRS通信可免布線，方便快捷且實時性好.

電力線路；實時；數(shù)據(jù)采集；GPRS；遠(yuǎn)程控制

隨著電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電力在生活中得到了廣泛的應(yīng)用.然而，因電力線路老化、天災(zāi)等原因造成的電力線路異常漏電，引發(fā)火災(zāi)、導(dǎo)致電能浪費、造成人員傷亡等嚴(yán)重事故時有發(fā)生［1］.現(xiàn)有的過流、漏電保護裝置只是將發(fā)生觸電、漏電的線路切斷，確保了人身安全，但是對于線路發(fā)生的地點、故障的時間、漏電電流的大小則缺乏監(jiān)測，因而對于故障的排除仍有困難，對于事故的原因也無從得知.因此，開發(fā)實現(xiàn)漏電監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對線路的上述參數(shù)進行監(jiān)測并及時切斷事故線路的電力供應(yīng)，已是智能電網(wǎng)建設(shè)的一項重要內(nèi)容［2］.

1 系統(tǒng)工作原理

電力線路漏電監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)備和服務(wù)器設(shè)備2個部分.遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)備安裝于需要監(jiān)測電流的節(jié)點上，如圖1所示.

圖1中Lf為干路，F(xiàn)為一個監(jiān)控設(shè)備即父節(jié)點，Lc1，Lc2為從節(jié)點F分出的2個支路，C1，C2為節(jié)點F的子節(jié)點.同理，在C1，C11，C12組成的結(jié)構(gòu)中，C1為父節(jié)點，C11，C12為子節(jié)點，Lc1為干路，Lc11和Lc12為從節(jié)點C1分出的2個支路.遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)備以STM32F407為核心，通過電流互感器和高精度A／D實時采集電力線路電流峰值在5個周期內(nèi)的平均值數(shù)據(jù)ˉI，并通過GPRS模塊將電流數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，再對數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)集總參數(shù)電路原理，考慮到大氣的放電現(xiàn)象和線路輕微漏電現(xiàn)象，則父節(jié)點的電流為ˉIF＝

圖1 監(jiān)控終端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.該系統(tǒng)主要由服務(wù)器和監(jiān)控終端2個部分組成.監(jiān)控終端通過互感器采集電流模擬信號，由高精度A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由其控制器通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器經(jīng)由因特網(wǎng)接收各監(jiān)控終端傳來的電流數(shù)據(jù)，并按照采集時間存儲到數(shù)據(jù)庫，同時自動巡檢各父節(jié)點電流與其子節(jié)點電流的代數(shù)關(guān)系是否在允許的范圍之內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)超出閾值范圍，服務(wù)器通過手機模塊對故障線路的父節(jié)點發(fā)出撥號連接，建立實時通信，向該監(jiān)控終端發(fā)出斷電指令.監(jiān)控終端負(fù)責(zé)接收此指令并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，實施斷電操作.服務(wù)器定期對各監(jiān)控終端校時，并根據(jù)巡檢的結(jié)果生成報表、發(fā)出警報.監(jiān)控終端還負(fù)責(zé)執(zhí)行由服務(wù)器通過電話撥號建立的通信連接后下達(dá)的時鐘校準(zhǔn)以及開關(guān)控制等指令.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)模塊如圖3所示.硬件系統(tǒng)由監(jiān)控終端由STM32F407微控制器電路、DTMF解碼電路、繼電器開關(guān)電路、電流采樣電路、SIM300模塊等組成.

圖3 硬件系統(tǒng)模塊

電網(wǎng)電流經(jīng)電流采樣電路［3］轉(zhuǎn)換，送入STM32F407微控制器的A／D端口，再經(jīng)微控制器處理后，通過SIM300模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器經(jīng)因特網(wǎng)獲取各監(jiān)控終端的實時電流數(shù)據(jù).服務(wù)器定期通過SIM300手機模塊向各監(jiān)控終端發(fā)出撥號命令，監(jiān)控終端的SIM300通信模塊收到撥號請求后發(fā)送，建立實時語音信道，服務(wù)器將校時、遠(yuǎn)程控制等命令編碼與DTMF碼由DTMF語音信號到監(jiān)控終端，監(jiān)控終端的DTMF解碼電路將解碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送微控制器，微控制器根據(jù)指令執(zhí)行校時或遠(yuǎn)程控制命令送校時指令.當(dāng)是校時命令時，控制器修改時鐘模塊的當(dāng)前時間數(shù)據(jù)，以保持監(jiān)控終端與服務(wù)器時間同步；當(dāng)是遠(yuǎn)程控制命令時，微控制器發(fā)出通、斷電磁繼電器的信號，通過交流接觸器實現(xiàn)通、斷電力供電.監(jiān)控終端的電路原理如圖4所示.

圖4 監(jiān)控終端硬件電路原理

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)包括服務(wù)器端的軟件和監(jiān)控終端的固件監(jiān)控終端程序流程如圖5所示.

圖5 監(jiān)控終端程序流程

服務(wù)器端的軟件采用VB.NET可視化編程工具進行編程.其中WINSOCK組件從因特網(wǎng)獲取監(jiān)控終端傳回的電流數(shù)據(jù)，timer組件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的巡檢，通過MSCOMM組件控制與之相連接的SIM300手機通信模塊，實現(xiàn)撥號、發(fā)送DTMF指令等操作，由水晶報表組件生成事故報告，以提示值班人員.

監(jiān)控終端的固件程序借助IAR6.0軟件平臺用C語言編寫［4］.固件程序首先執(zhí)行設(shè)備初始化，啟動看門狗定時器，開啟定時采集電流數(shù)據(jù)中斷，通過中斷監(jiān)測SIM300通信模塊的撥號請求，一旦有撥號請求則接通連接，并讀取DTMF解碼數(shù)據(jù)，根據(jù)DTMF解碼的指令執(zhí)行校時、遠(yuǎn)程控制等命令，同時將命令的執(zhí)行結(jié)果通過GPRS網(wǎng)絡(luò)返回給服務(wù)器.

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計需要考慮準(zhǔn)確性和實時性［5］，在數(shù)據(jù)的頭和尾分別加入“?！碧柡汀埃碧枺⑶覍⒆詈蟮?位作為校驗位，具體協(xié)議如下：

5 結(jié)語

設(shè)計的電力線路漏電監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以STM32F407為嵌入式開發(fā)平臺，以GSM手機模塊及GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)載體，采用先進的GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)作為電流數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，具有傳輸速度快、傳輸穩(wěn)定、運行成本低等特點，非常適合現(xiàn)代社會的大規(guī)模電力線路監(jiān)測.該系統(tǒng)通過SIM300撥號傳送斷電及校時指令，傳輸指令快、無延遲、準(zhǔn)確度高，且有需要時可以快速建立連接，節(jié)省了平時無指令時連接的不必要費用，是一款集電流監(jiān)測、事故判斷、遠(yuǎn)程控制于一體的新型系統(tǒng).

［1］ 謝 開，劉永奇，朱治中，等.面向未來的智能電網(wǎng)［J］.中國電力，2008，41（6）：19－22.

［2］ 余貽鑫.面向21世紀(jì)的智能配電網(wǎng)［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)研究，2006，2（6）：14－16.

［3］ JAEGAR R C，BLALOCK T N.微電子電路設(shè)計［M］.第4版.北京：電子工業(yè)出版社，2011：132－158.

［4］ 尼克漢.C語言編程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006：30－98.

［5］ 陳振宇，王 鋼，李海鋒，等.基于智能多代理技術(shù)的廣域電網(wǎng)協(xié)調(diào)保護系統(tǒng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（5）：42－45.

（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

Design of Leakage Monitoring System of Power Lines Based on Internet of Things

TIAN Meng，ZHANG Ya，ZHOU Teng-fei，CHEN Shan-rong，WANG Xiao-yun
（College of Physics and Mechanical ＆Electrical Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China）

A wireless monitoring and remote control system of real-time acquisition of circuit parameters is build by using Cortex-M4STM32F407microcontroller core board as the main body，combined with the hardware platform of GSM network communication module and fixed IP host.The system can automatically discover and react to unexpected leakage accidents，while real-time monitoring the parameters on power lines；as a result，this will reduce life injuries and property damage possibly caused by line faults.There are many advantages in our systems，such as visual programming，friendly interface，GSM communication network coverage，monitoring distance unrestricted，GPRS communications wiring-free.In summary，the system is quick，easy and real-time.

power lines；real-time；data collection；GPRS；remote control

TN86

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.06.011

1007－2985（2013）06－0037－04

2013－09－21

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目（JSU－CX－2013－06）

陳善榮（1973－），男，湖南懷化人，吉首大學(xué)物理科學(xué)與機電工程學(xué)院高級實驗師，主要從事電路與系統(tǒng)、電力電子電路和嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究.