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配電變壓器參數(shù)的GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
摘要：主要介紹一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的變壓器負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變壓器參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)具有建網(wǎng)方便、無(wú)需布線(xiàn)和幾乎不受區(qū)域限制，一次性投資少，日常運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：GPRS Modem 單片機(jī)系統(tǒng) 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè) AT命令集
隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷提高，利用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控SCADA，是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于GSM網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)已經(jīng)成熟，覆蓋面又廣，利用GSM無(wú)線(xiàn)通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓器參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，無(wú)疑是對(duì)現(xiàn)有資源的最大利用。最重要的是GSM網(wǎng)絡(luò)是由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商投控系統(tǒng)，可以節(jié)省數(shù)以千億計(jì)的導(dǎo)線(xiàn)材料及人工費(fèi)用，達(dá)到環(huán)保、節(jié)能、資源最大共享的目的，而且免除了網(wǎng)絡(luò)的日常修改和維護(hù)工作，最大限度地節(jié)省了投資。無(wú)論何時(shí)何地，只要有一部電腦和可以上網(wǎng)的電話(huà)線(xiàn)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)各地變壓器進(jìn)行監(jiān)控；如果配備GPRS（General Packet Radio Service，通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)）無(wú)線(xiàn)Modem，使能實(shí)現(xiàn)，便能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控。本系統(tǒng)用基于GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)微處理器技術(shù)相結(jié)合的方法，解決變壓器參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)負(fù)荷監(jiān)測(cè)的功能。其意義在于：通過(guò)監(jiān)視變壓器的運(yùn)行狀況，優(yōu)化配網(wǎng)運(yùn)行方式；發(fā)生故障或異常運(yùn)行時(shí)，迅速報(bào)警，及時(shí)恢復(fù)正常供電，減少停電時(shí)間，保證變壓器的安全運(yùn)行；記錄電壓越限時(shí)間，計(jì)算電壓合格率，從而合理控制電平水平，改善供電質(zhì)量。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)變壓器三相電力參數(shù)采集、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件三大部分構(gòu)成。變壓器三相電力參數(shù)采集安裝在變壓器現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）對(duì)變壓器二次端的電氣參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)；同時(shí)，分析、記錄采集數(shù)據(jù)供電位機(jī)查詢(xún)，并在變壓器三相電力參數(shù)出現(xiàn)異常事件時(shí)主動(dòng)上傳告警信息。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)測(cè)中心與現(xiàn)場(chǎng)變壓器之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄海ㄟ^(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)使現(xiàn)場(chǎng)變壓器的相關(guān)參數(shù)能夠主時(shí)傳送到監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)；監(jiān)測(cè)中心軟件一方面通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)器進(jìn)行雙向通信，另一方面為用戶(hù)提供一個(gè)可視化界面，讓用戶(hù)足不出戶(hù)即可了解遠(yuǎn)方變壓器相對(duì)實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀況。與現(xiàn)場(chǎng)GPRS無(wú)線(xiàn)Modem相對(duì)應(yīng)，監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)必須借助GPRS無(wú)線(xiàn)Modem撥號(hào)進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)，方可與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)器進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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變壓器三相電力參數(shù)采集包括兩大部分。一是電力參數(shù)采集模塊，對(duì)變壓器三相電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；同時(shí)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，以便監(jiān)測(cè)中心要了解變壓器的電壓、電流、功率等電參數(shù)質(zhì)量時(shí)，可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定的查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)命令獲取，然后通過(guò)監(jiān)測(cè)中心軟件分析形成曲線(xiàn)報(bào)表等。二是智能監(jiān)測(cè)與GPRS通信管理模塊。該模塊監(jiān)測(cè)與分析采集模塊送出的實(shí)時(shí)參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)電壓電流超限或斷電來(lái)電，則啟動(dòng)GPRS通信模塊的監(jiān)測(cè)中心發(fā)送報(bào)警信息；當(dāng)上位機(jī)軟件發(fā)起通信請(qǐng)求時(shí)，還要負(fù)責(zé)握手和建立通信鏈路。
監(jiān)測(cè)中心軟件為用戶(hù)提供一個(gè)可視化的監(jiān)測(cè)界面。該監(jiān)測(cè)界面采用多級(jí)電子地圖的形式，讓用戶(hù)直觀、方便、快捷地了解變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)此界面，用戶(hù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器出現(xiàn)的故障。譬如，某變壓器A相電壓過(guò)大，則在電子地圖中該變壓器處出現(xiàn)閃爍亮點(diǎn)，提示用戶(hù)該變壓器出現(xiàn)警情，并伴有聲音報(bào)警。用戶(hù)可以點(diǎn)擊變壓器圖標(biāo)處查看告警詳細(xì)內(nèi)容；同時(shí)，用戶(hù)通過(guò)查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，可以調(diào)出變壓器的歷史運(yùn)行狀態(tài)曲線(xiàn)，從而預(yù)測(cè)變壓器的負(fù)荷情況。
2 系統(tǒng)硬件
2.1 總體結(jié)構(gòu)
變壓器參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)器以單片機(jī)系統(tǒng)為中心，配合電力遠(yuǎn)動(dòng)采集功能模塊和GPRS Modem通信模塊，解決變壓器參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
單片機(jī)系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，主處理器W78E58B通過(guò)串行口與負(fù)責(zé)三相電力參數(shù)采集的從處理器80C196進(jìn)行通信。通信數(shù)據(jù)幀采用ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式。為為防止GPRS無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)的干擾，所有的數(shù)據(jù)幀后兩位字節(jié)都是CRC-16校驗(yàn)碼。主處理器定時(shí)獲得從處理器80C196送上來(lái)的變壓器實(shí)時(shí)參數(shù)，包括三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因素、總有功電度、總無(wú)功電度、頻率、實(shí)時(shí)時(shí)間。同時(shí)，該單片機(jī)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)分析變壓器的運(yùn)行狀態(tài)并作記錄，通過(guò)實(shí)測(cè)值不斷與最新記錄比較的方法，得到電壓、電流的一天最大最小值記錄；通過(guò)實(shí)測(cè)值與預(yù)先設(shè)置好的報(bào)警閥值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，如果得到越限報(bào)警記錄，主處理器通過(guò)控制GPRS調(diào)制解調(diào)器主動(dòng)向管理中心發(fā)出通信請(qǐng)求，管理中心應(yīng)答后將數(shù)據(jù)送出。管理中心對(duì)收到的數(shù)據(jù)包解包后進(jìn)行CRC-16校驗(yàn)，得到正確數(shù)據(jù)后發(fā)出數(shù)收完畢指令，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)束通信，釋放資源，同時(shí)主處理器發(fā)送報(bào)警短消息到預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)。
2.2 單片機(jī)系統(tǒng)
單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是單片機(jī)最基本、最通常的外圍電路設(shè)計(jì)，如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、RAM擴(kuò)展電路等。本系統(tǒng)硬件以W78E58B單片為核心，以時(shí)鐘芯片DS12887構(gòu)成時(shí)鐘電路，以X25045構(gòu)成程序運(yùn)行監(jiān)視定時(shí)器電路，以UART 16C550為系統(tǒng)擴(kuò)展一個(gè)串行口，以存儲(chǔ)芯片628128構(gòu)成大容量的歷史數(shù)據(jù)保存電路，以CPLD EPM7032構(gòu)成系統(tǒng)接口器件協(xié)調(diào)工作的控制電路和指示燈的驅(qū)動(dòng)電路。這樣，構(gòu)成了一個(gè)集自診斷、時(shí)鐘功能、大容量存儲(chǔ)、雙串行口通信功能的系統(tǒng)。
本監(jiān)測(cè)器正是以該系統(tǒng)為中心，配合電路遠(yuǎn)動(dòng)采集模塊和無(wú)線(xiàn)Modem完成采集和通信的功能。由于電力遠(yuǎn)動(dòng)采集模塊、無(wú)線(xiàn)Modem都提供了串行的通信接口，因此該系統(tǒng)必須具有2個(gè)串行口，而單片機(jī)只有1個(gè)串行口（Rx和Tx），因此采用通用異步收發(fā)器（UART）將并行口轉(zhuǎn)換成串行口，供控制與驅(qū)動(dòng)GSM模塊使用。由于變壓器參數(shù)記錄需要具備時(shí)間信息，因此采用時(shí)鐘芯片給系統(tǒng)提供時(shí)鐘，89C52每秒從時(shí)鐘芯片那里獲得最新時(shí)間，這樣系統(tǒng)就具有時(shí)間了。有了時(shí)間后，系統(tǒng)很方便對(duì)變壓器常規(guī)記錄進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定。為了使監(jiān)測(cè)器里面保存幾天乃至一個(gè)月的歷史記錄，必須有大容量的RAM。本系統(tǒng)中采用了128KB RAM完成此功能，使歷史記錄在10min/次的采樣頻率下儲(chǔ)存一個(gè)星期的記錄。由于上述UART、時(shí)鐘芯片和RAM都通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)（P0口）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，因此需對(duì)它們的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)。采用CPLD邏輯譯碼產(chǎn)生它們的片選信號(hào)的方法解決這個(gè)問(wèn)題，使它們共享數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)。
2.3 GPRS調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動(dòng)和控制
本系統(tǒng)中采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息的遠(yuǎn)程傳輸，并采用短消息業(yè)務(wù)發(fā)送報(bào)警信息到調(diào)度人員的手機(jī)上作為補(bǔ)充。該功能由無(wú)線(xiàn)Modem來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)GPRS Modem進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制采用AT命令集。AT命令集是Hayes公司建立的最普遍且廣為支持的命令集，大部分廠家生產(chǎn)的Modem都能執(zhí)行此Hayes命令集，包括普通Modem和無(wú)線(xiàn)Modem。AT命令集是由一個(gè)特定的“命令前綴”開(kāi)始，由一個(gè)“命令結(jié)束標(biāo)志”結(jié)束。命令前綴通常由AT兩個(gè)字符組合，它是Attention的縮寫(xiě)，意思是“引起注意”，因此我們稱(chēng)該Modem命令為AT命令。命令結(jié)束標(biāo)志是一個(gè)單字符，其值存儲(chǔ)在寄存器S3中，通常為回車(chē)符<CR>。
圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖
為了達(dá)到數(shù)據(jù)通信的目的，我們必須掌握如何建立和拆除通信鏈路，如何自動(dòng)應(yīng)答數(shù)據(jù)來(lái)電等。下面介紹常用的AT命令。
①ATDxxxx。該命令使Modem立即進(jìn)入摘機(jī)狀態(tài)，并撥出隨后的號(hào)碼（撥號(hào)串）以建立連接。撥號(hào)串由撥號(hào)修飾符和電話(huà)號(hào)碼組成。撥號(hào)修飾符用于指示Modem何時(shí)撥號(hào)以及如何撥號(hào)的操作。例如撥號(hào)修飾符T、P分別表示Modem以音頻方式和脈沖方式撥號(hào)。值得一提的是，撥號(hào)修飾符“,”起延遲處理下一字符的作用。該修改符在要撥外線(xiàn)的場(chǎng)合特別有用。警如，機(jī)關(guān)、企業(yè)要撥市話(huà)或者長(zhǎng)途電話(huà)時(shí)，首先要撥“9”（或者“0”等），則采用如下AT指令：ATD9，8888888<CR>，（8888888為待撥電話(huà)號(hào)碼）。
②ATS0=R。該命令控制應(yīng)答方式：自動(dòng)或手動(dòng)、R=0，手工應(yīng)答;R≠0，表示在響鈴R次之后Modem自動(dòng)摘機(jī)并試圖連接。R值范圍為1～255。手工應(yīng)答下，每次電話(huà)鈴響時(shí)，Modem返回RING結(jié)果碼，但不應(yīng)答呼叫（除非此時(shí)執(zhí)行ATA指令）。
③+++。該指令讓Modem從在線(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)切換到在線(xiàn)命令狀態(tài)。它其實(shí)是一個(gè)換碼序列（轉(zhuǎn)義序列），不是普通AT指令，因而前面不加AT，后面也不用跟回車(chē)符。在發(fā)出+++命令之前和之后，停頓由S12寄存器定制的時(shí)間（稱(chēng)為保證時(shí)間，缺省為1s），以保證Modem接收到該命令；否則，+++將被當(dāng)作普通數(shù)據(jù)處理。該命令不掛斷線(xiàn)路而是讓Modem進(jìn)入命令狀態(tài)，即在線(xiàn)命令狀態(tài)。
④ATHn。該命令執(zhí)行掛機(jī)操作。在在線(xiàn)命令狀態(tài)時(shí)，使用該命令迫使Modem掛機(jī)，拆除通信鏈路。n=0，掛機(jī)，并將Modem置于命令狀態(tài)；n=1，摘機(jī)。
需要特別指出的是，GPRS Modem只是兼容了Hayes制式的AT指令集，但是在GPRS應(yīng)用中，GPRS Modem對(duì)AT指令集做了擴(kuò)充。以西門(mén)子的MC35模塊為例，它的撥號(hào)指令是ATDT*99***1#；接入GPRS狀態(tài)的指令是AT+CGDATA=PPP。
3 系統(tǒng)軟件
3.1 模塊化設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)器軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。按功能可分為：初始化器件模塊、進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊、實(shí)時(shí)測(cè)量模塊（與電力遠(yuǎn)動(dòng)采集模塊之間通信獲取實(shí)時(shí)參數(shù)）、歷史數(shù)據(jù)記錄模塊和GPRS遠(yuǎn)程通信模塊。GPRS遠(yuǎn)程通信模塊包括呼叫管理中心建立通信鏈路模塊、發(fā)送常規(guī)記錄子模塊、發(fā)送1天最大最小值記錄子模塊、發(fā)送越限報(bào)警記錄子模塊、發(fā)送來(lái)停電報(bào)警記錄子模塊以及命令字分析子模塊。命令字分析子模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)分析GPRS Modem傳送過(guò)來(lái)的命令字符，從而決定如何響應(yīng)監(jiān)測(cè)中心的請(qǐng)求，給予相應(yīng)的應(yīng)答信息。各模塊之間通過(guò)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)進(jìn)行溝通。
3.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)
GPRS作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM向第三代移動(dòng)通信（3G）的過(guò)渡技術(shù)，是由英國(guó)BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+(1997年)規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，是一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它面向用戶(hù)提供移動(dòng)分組的IP或者X.25連接。
GPRS撥號(hào)上網(wǎng)時(shí)，移動(dòng)GGSN分配手機(jī)模塊一個(gè)IP地址（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)、公用或私有），目前中國(guó)移動(dòng)提供的是動(dòng)態(tài)的IP。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头�(wěn)定性，我們可以向移動(dòng)公司申請(qǐng)APN服務(wù)。移動(dòng)公司可以為接入用戶(hù)建立VPN（X虛擬專(zhuān)用網(wǎng)），而且移動(dòng)公司為每個(gè)APN客戶(hù)提供一個(gè)綁定網(wǎng)內(nèi)IP的SIM卡。以廣州為例：申請(qǐng)APN服務(wù)時(shí)，可以申請(qǐng)接入GZTEST01測(cè)試網(wǎng)，并由此獲得廣州移動(dòng)提供的網(wǎng)內(nèi)IP，它是10.101.X.X網(wǎng)段的一個(gè)固定IP。這樣，系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都是在GZTEST01測(cè)試網(wǎng)傳輸。該系統(tǒng)的管理中心也用一個(gè)GPRS Modem來(lái)接入GPRS網(wǎng)內(nèi)。其實(shí)，GZTEST01測(cè)試網(wǎng)可以理解為一個(gè)大型的無(wú)線(xiàn)GPRS局域網(wǎng)，而且這個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)給每個(gè)GPRS終端用戶(hù)提供的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的IP地址，當(dāng)GPRS數(shù)據(jù)采集終端想要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，就必須知道對(duì)方分配到的動(dòng)態(tài)IP地址。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們的管理中心
使用了綁定網(wǎng)內(nèi)IP的SIM卡撥號(hào)上網(wǎng)，所有數(shù)據(jù)采集模塊撥號(hào)上網(wǎng)時(shí)首先要到管理中心進(jìn)行注冊(cè)。只要注冊(cè)以后雙方才能建立通信。由于整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸都是在基于GPRS網(wǎng)絡(luò)建立的VPN上傳輸?shù)�，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性都得到了保障。由于通信鏈路的建立是基于TCP/IP的，所以，我們采集終端的GPRS無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動(dòng)處理器還必須帶有TCP/IP協(xié)議棧。我們選用了UBICOM公司的SX52BD，這是UBICOM公司的一款8位高速單片機(jī)。此芯片支持在線(xiàn)編程（ISP）功能，可以方便地修改和下載CPU的程序。這款單片機(jī)以其優(yōu)異的性能，可以廣泛應(yīng)用在需要網(wǎng)絡(luò)支持的場(chǎng)合，尤其適合于需要網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制或遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用中。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP、ARP、UDP、TCP）就是通過(guò)此芯片TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的。
4 結(jié)論與展望
采用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信方法解決了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信問(wèn)題，比起其它有線(xiàn)通信方式有著不可比擬的優(yōu)越性。由于采用的是無(wú)線(xiàn)模式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘玫搅撕艽蟮奶岣�。�?dāng)然，萬(wàn)事有利必有弊。該方法的實(shí)施也還在一些缺陷，如GPRS通信方式比起CSD（電路撥號(hào)）通信方式的可靠性和實(shí)時(shí)性還有待提高。但是，隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的逐漸完整和應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，GPRS在其它工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來(lái)越廣闊。
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