基于GPRS和GPS的農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

匡洪海， 張曙云， 曾麗瓊， 李圣清， 周志偉

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 株洲 412007)

基于GPRS和GPS的農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

匡洪海， 張曙云， 曾麗瓊， 李圣清， 周志偉

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 株洲 412007)

針對目前農(nóng)村電網(wǎng)配電系統(tǒng)自動化程度低、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控管理方式落后等問題，本文設(shè)計了一種基于GPRS通信系統(tǒng)與GPS定位系統(tǒng)相結(jié)合的多功能智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用性價比較高的STC12系列51單片機為微控制器、以CS5463芯片為核心的電能計量模塊、以SIM908為核心的通信模塊，同時包括溫度數(shù)據(jù)采集報警、信號輸入及顯示模塊等。通過遠程通信與臺區(qū)監(jiān)控服務(wù)器以及GSM與相關(guān)工作專責(zé)人員移動終端相連，實現(xiàn)了對偏遠農(nóng)村地區(qū)電網(wǎng)運行信息的遠程監(jiān)控及故障定位，極大地促進了農(nóng)網(wǎng)配電系統(tǒng)自動化的發(fā)展，同時大大簡化了工作強度。該系統(tǒng)設(shè)計成本低、監(jiān)控效果良好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

單片機； GPRS； GPS； 智能配電網(wǎng)； 遠程監(jiān)控

1 引言

近年來隨著全球資源和環(huán)境問題的日益突出，電網(wǎng)發(fā)展面臨新課題和新挑戰(zhàn)，依靠現(xiàn)代信息、通信和控制技術(shù)，積極發(fā)展智能電網(wǎng)已倍受關(guān)注[1]。與此同時國家提出了“建設(shè)堅強智能電網(wǎng)”的宏偉目標，為加快“新農(nóng)村，新電力”建設(shè)，“十三五”農(nóng)村配電網(wǎng)改造與智能化建設(shè)成為重點。目前農(nóng)村地區(qū)智能化的建設(shè)還比較落后，因此加快農(nóng)村電網(wǎng)的智能化水平建設(shè)，對發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保障農(nóng)民生活、改善農(nóng)村環(huán)境具有重大意義，同時也是統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展、全面建設(shè)新農(nóng)村的強力支撐[2]。

在農(nóng)村電網(wǎng)的智能化建設(shè)中，實現(xiàn)電網(wǎng)信息化才能實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化，而配電系統(tǒng)遠程監(jiān)控設(shè)計是實現(xiàn)信息化的一個重要途徑[3,4]。國內(nèi)外對配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行了一些前瞻性研究。文獻[5]詳細闡述了信息技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的作用，對移動通信網(wǎng)絡(luò)及全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)技術(shù)應(yīng)用于智能輸配電網(wǎng)進行了展望；文獻[6]指出配電網(wǎng)智能監(jiān)控終端是建設(shè)智能化電網(wǎng)的一個重要組成部分，并對其在開發(fā)與應(yīng)用方面進行了探討；文獻[7]在中低壓配電網(wǎng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方面，對數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控提出各自的功能實現(xiàn)方案；文獻[8]指出了GPRS(General Packet Radio Service)網(wǎng)絡(luò)接入Internet的方法，進行配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件方案的設(shè)計，實現(xiàn)對電力數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控；文獻[9]分析了智能監(jiān)控的重要性，提出了一種使用智能移動代理的監(jiān)控系統(tǒng)；文獻[10,11]針對智能配電網(wǎng)的特點，結(jié)合GPRS通信技術(shù)，對監(jiān)控終端進行了設(shè)計。這些研究從理論到實踐對配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進行了大膽的探索，將GPRS通信應(yīng)用于其中取得了一定的研究成果。

近年來，GPS技術(shù)發(fā)展日益迅速，特別是智能手機移動終端技術(shù)的高速發(fā)展，使得人們切實感受到GPS技術(shù)為生活帶來的便利[12]。

由于偏遠農(nóng)村地區(qū)電網(wǎng)線路及地理位置復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)跳閘斷電時，工作人員往往難以迅速判定配電網(wǎng)的實際運行方式及獲取電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)信息，鎖定故障地點，從而會增加停電檢修時間和故障巡線人員的工作量，更有可能會發(fā)生誤調(diào)度、誤操作，引起配電網(wǎng)事故，甚至發(fā)生人身傷亡事故等情況，基于此本文設(shè)計了一種GPRS和GPS技術(shù)相結(jié)合的農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。所設(shè)計系統(tǒng)可提高配電網(wǎng)的供電可靠性，為用戶提供經(jīng)濟、可靠、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，減少停電時間；同時可減少檢修電網(wǎng)的運行維護工作量，提高運行管理水平與電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性，推動配電網(wǎng)綜合自動化技術(shù)的發(fā)展。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)建

本文設(shè)計的農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)是基于終端檢測設(shè)備、GPRS和GPS技術(shù)于一體的智能化系統(tǒng)裝置，該裝置安裝在故障率較高地區(qū)的桿上變壓器上，系統(tǒng)將實時顯示10kV配電線路的柱上變壓器開關(guān)分/合閘狀態(tài)，實時顯示所檢測電網(wǎng)運行的電壓、設(shè)備溫度、電流、功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)變位或異常狀況則配電終端主動上報，及時通知臺區(qū)主站或通過GSM短信方式將故障地理位置和其他信息通知給有關(guān)專責(zé)人員的移動終端上，使故障得到盡快解決。

利用GPRS和GPS實現(xiàn)農(nóng)村配電網(wǎng)遠程監(jiān)控智能化的基本原理是：電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備采集電量基本信息，同時利用 GPS 定位技術(shù)采集電網(wǎng)故障的位置、時間、地理環(huán)境等信息，通過GPRS無線傳輸方式傳送到臺區(qū)監(jiān)控中心及同時通過GSM將信息發(fā)送到專責(zé)工作人員的移動終端上。臺區(qū)監(jiān)控調(diào)度中心對數(shù)據(jù)進行匯集、分析、綜合，對電網(wǎng)運行進行實時監(jiān)控。農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of distributed remote monitoring system

圖1系統(tǒng)由配電網(wǎng)遠程監(jiān)測裝置和地面服務(wù)器組成，其中，配電網(wǎng)遠程監(jiān)測裝置是其研究的重點，主要由電能計量模塊和GPS/GPRS無線通信模塊等組成。同時電能計量模塊主要由傳感器、互感器、微處理器等全面感知的設(shè)備組成，它是信息的源頭，負責(zé)采集配電臺區(qū)桿上變壓器所在地區(qū)電網(wǎng)運行狀態(tài)的各個指標和電能參數(shù)；GPS/GPRS通信模塊負責(zé)GPS坐標信息的采集和數(shù)據(jù)的遠程傳輸；地面服務(wù)器負責(zé)監(jiān)測電網(wǎng)的運行狀態(tài)和故障信息，具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)管理、遠程控制、用戶管理等功能[13]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由采樣電路、電能計量芯片CS5463測量模塊、STC12系列單片機微處理器STC12C5A60S2主控制模塊、LCD顯示電路、RS485通信模塊、RS232通信模塊、SIM908為核心的GPS/GPRS通信模塊、溫度采集報警模塊等其他電路組成。

圖2 農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)裝置總體框圖Fig.2 Overall block diagram of remote monitoring system of intelligent power distribution

采樣電路選用差動放大電路，用于變換電流和電壓信號；電能計量芯片CS5463采集配電網(wǎng)運行的電流和電壓信號；微處理器STC12C5A60S2主要處理CS5463采集到的配電網(wǎng)的電流和電壓信號，并將其電流、電壓、功率和電量數(shù)據(jù)通過GPS/GPRS通信模塊進行發(fā)送；LCD12864實時顯示所采集的信息，如此時電網(wǎng)運行的電壓、電流、溫度、功率等信息；報警通過程序設(shè)置，實現(xiàn)電網(wǎng)運行不正?；蚬收蠒r做出緊急應(yīng)答；GPS/GPRS通信模塊實現(xiàn)GPS定位、GPRS遠程傳輸以及GSM短信收發(fā)等功能。

4 主要硬件模塊設(shè)計

4.1 STC12C5A60S2主控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)的主控制電路核心芯片采用STC12C5A60S2/AD/PWM型號單片機，其性價比高，功能滿足設(shè)計需要。該型號是一種高速/低功耗/超強抗干擾的新一代增強型8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，具有2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S,即25萬次/s)，片上還集成有1280字節(jié)RAM，I/O口驅(qū)動能力均可達20mA，具有優(yōu)良的控制性能[14]。

為了能使STC12C5A60S2單片機正常工作，該控制電路模塊主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路采用手動按鍵的上電復(fù)位，而時鐘電路采用外部晶振電路，利用12MHz的晶體振蕩器和兩個33pF的電容構(gòu)成，其中晶體振蕩器起振蕩作用，兩個電容起到去耦的作用，這些共同組成系統(tǒng)的主控制電路[15]。STC12C5A60S2主控制電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 STC12C5A60S2主控制電路設(shè)計圖Fig.3 STC12C5A60S2 master control circuit design

4.2 電能計量模塊設(shè)計

4.2.1 采樣電路設(shè)計

在進行桿上變壓器端的電網(wǎng)交流信號采樣時，選取10kV變壓器的低壓側(cè)380V供電系統(tǒng)中電量信息通過互感器的送入電能計量芯片采集端。電壓互感器輸出電壓信號100V，本文采用電阻分壓，同時通過電容濾波電路將其變換為100mV以內(nèi)的電壓信號，取該電壓信號作為電能計量芯片的電壓信號輸入端，如圖4所示。

圖4 交流電壓采樣電路Fig.4 AC voltage sampling circuit

圖5 交流電流采樣電路Fig.5 AC current sampling circuit

在變壓器的低壓側(cè)，采用電流互感器使得輸出電流信號為1A，經(jīng)過信號調(diào)理電路將電網(wǎng)電流信號轉(zhuǎn)換為1mA電流信號，該電流信號作為電能計量芯片的IIN電流信號輸入端，如圖5所示。IIN為1mA時VIN為100mV。

4.2.2 電能計量單元設(shè)計

電能計量單元CS5463內(nèi)部集成2個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、功率計算器、電能頻率轉(zhuǎn)換器以及一個串行接口，它能準確測量瞬時電流、瞬時電壓、有功功率、無功功率、諧波功率、溫度以及功率因數(shù)等，具有電壓檢測、校表、可編程測量、電能脈沖輸出、串口通信、片上校準、溫度檢測、相位補償?shù)裙δ躘16]。配電網(wǎng)電量數(shù)據(jù)采集裝置以電能計量單元為核心，它的性能將直接影響計量精度的高低。因此，本裝置通過電能計量芯片CS5463采集各種電能參數(shù)，再經(jīng)過微處理器STC12C5A60S2處理，實現(xiàn)實時電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的采集功能。CS5463計量電路設(shè)計圖如圖6所示，首先對CS5463進行初始化操作，利用按鍵開關(guān)將復(fù)位程序輸入到微處理器中，然后微處理器將設(shè)定好的指令傳輸?shù)紺S5463電能計量芯片中，CS5463利用相關(guān)指令采集采樣電路所輸出的電壓和電流信號，并計算出用電信息，同時通過微處理器將此電量信息在LCD12864顯示出來。

圖6 CS5463計量電路Fig.6 CS5463 measuring circuit

4.3 GPS/GPRS通信模塊硬件電路設(shè)計

由于農(nóng)村配電網(wǎng)運行環(huán)境惡劣，經(jīng)常處于偏遠的山區(qū)，存在較大的自然干擾，因此系統(tǒng)使用具有多功能的新開發(fā)SIM908無線通信模塊，該通信模塊支持GPS定位、GPRS無線傳輸以及GSM短消息收發(fā)，具有半速率、全速率、增強型全速率等三種碼率，在GSM和GPS網(wǎng)絡(luò)信號范圍內(nèi)，可以實時對設(shè)備進行定位跟蹤，具有定位效率高、實時性好、數(shù)據(jù)傳輸快、觀察時間短等優(yōu)點[17,18]。本文GPS/GPRS通信模塊通過采集GPS定位信息提供給電能計量模塊，再通過GPRS無線方式或GSM短消息方式將GPS定位信息與配電網(wǎng)實時運行狀態(tài)信息傳輸?shù)降孛娣?wù)器或?qū)Ｘ?zé)工作人員的移動終端，其電路原理圖如圖7所示。SIM908通信模塊的RXD信號輸入端、TXD信號輸出端分別和STC12C5A60S2微處理器相連，實現(xiàn)信號的無線傳輸。

圖7 GPS/GPRS電路原理圖Fig.7 GPS/GPRS circuit diagram

4.4 其他電路模塊設(shè)計

(1)電源電路設(shè)計

根據(jù)農(nóng)村配電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的供電要求，系統(tǒng)采用供電電源和備用電源兩種方式，以保證監(jiān)控裝置的不間斷供電，能實時地對配電網(wǎng)運行狀態(tài)信息監(jiān)控，有效預(yù)防了用電信息丟失，具體電源設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。將兩種電源的供電方式通過整流、濾波后并聯(lián)起來，利用整流和濾波兩種方式將兩種供電方式隔離，這樣對二者供電不會產(chǎn)生影響。電路計量模塊與GPS/GPRS通信模塊的電源也需相互隔離，本文采用DC-DC方式使其相互隔離。輸入電壓選用直流24V的穩(wěn)壓電源，通過設(shè)計自適應(yīng)電路和壓敏電阻保護電路，增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖8 電源模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Power module structural diagram

(2)顯示電路模塊

本系統(tǒng)的顯示部分采用12864液晶顯示，12864液晶是一塊128×64點陣可顯示漢字的圖形型液晶顯示模塊，與微機的接口主要有8位并行及串行兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。由于并行傳輸數(shù)據(jù)速度相對較快，同時考慮到本系統(tǒng)所采集的信息時刻變化，需要及時地在液晶上更新顯示，因此采用并行接口與STC12C5A60S2單片機的數(shù)據(jù)相傳輸。

(3)溫度數(shù)據(jù)采集報警模塊

本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器芯片，DS18B20是美國DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，測溫分辨率可達0.0625℃，具有結(jié)構(gòu)簡單、誤差率低、功耗低、擴展性強等優(yōu)點；可以采集臺區(qū)的油溫以及出線側(cè)的接線柱溫度，并通過程序設(shè)置實時報警，改變了以往通過人工測試或者通過紅外測試儀測試的手段，大大簡化了工作強度，節(jié)省了工作時間，并可以得到相對準確的溫度，直觀反映臺區(qū)運行情況。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了使系統(tǒng)能正常地實現(xiàn)所有功能，除了設(shè)計出合理的硬件電路，還必須具有能在此硬件平臺上實現(xiàn)預(yù)期功能的程序，采用C語言編寫系統(tǒng)程序。該系統(tǒng)的程序設(shè)計主要包括三個方面的內(nèi)容：①主程序設(shè)計；②二是電能參數(shù)及溫度采集程序設(shè)計；③通信及其數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.9 System main program flow chart

6 系統(tǒng)測試

所設(shè)計的基于GPRS通信系統(tǒng)與GPS定位系統(tǒng)相結(jié)合的多功能智能配電遠程監(jiān)控系統(tǒng)，基本實現(xiàn)相應(yīng)功能，達到預(yù)期目標，系統(tǒng)裝置實物圖及測試結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

圖10 系統(tǒng)裝置實物圖Fig.10 System device physical map

圖11 系統(tǒng)測試顯示圖Fig.11 System test display

7 結(jié)論

測試表明，本文所設(shè)計的系統(tǒng)采用單片機作為主控制，利用GPRS無線通信模塊將所監(jiān)控區(qū)域配電網(wǎng)實時運行的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)脚_區(qū)的服務(wù)系統(tǒng)或?qū)Ｘ?zé)工作人員的移動終端上，并帶有GPS定位功能，能鎖定地理位置，便于在出現(xiàn)故障時工作人員能迅速到達現(xiàn)場，第一時間排除故障，避免了工作的盲目性，降低了工作強度，可節(jié)約大量的電網(wǎng)成本支出，也使電網(wǎng)運行的可靠性得到一定保證。同時系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，有良好的市場實用性，便于在農(nóng)村地區(qū)推廣使用，極大地推動了農(nóng)村電網(wǎng)的智能化工程建設(shè)。

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Design of rural intelligent distribution network remote monitoring system based on GPRS and GPS

KUANG Hong-hai, ZHANG Shu-yun, ZENG Li-qiong, LI Sheng-qing, ZHOU Zhi-wei

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007,China)

In view of the problems of low level of automation, data acquisition and monitoring management of rural power distribution system, this paper designs a kind of intelligent power distribution remote monitoring system based on GPRS communication system and GPS positioning system. The system uses STC12 Series 51 microcontroller as a microcontroller, CS5463 chip as the core of the electric energy measurement module, and SIM908 as the core communication module, and includes temperature data acquisition, signal input and display module, etc. Through the remote communication and the master server and GSM and related staffs the remote rural area power network operation information of remote monitoring and fault location can be acquired. The system can greatly promotes the development of rural distribution automation system, and greatly reduce the work intensity. The system has low cost and good control effect, and has broad application prospect.

MCU； GPRS； GPS； intelligent distribution network； remote monitor

2016-03-25

湖南省自然科學(xué)基金項目(2015JJ5009)、 湖南省教育廳科研項目(15C0395)、 湖南工業(yè)大學(xué)研究生校級創(chuàng)新基金(CX1502)

匡洪海(1972-)， 女， 湖南籍， 副教授， 博士， 研究方向為配電網(wǎng)停電管理、 新能源并網(wǎng)； 張曙云(1992-)， 男， 湖南籍， 碩士研究生， 研究方向為智能配電網(wǎng)技術(shù)。

TN713

A

1003-3076(2017)04-0083-06