基于GPRS无线通信网络的配变远程监控系统的设计方案

1、引言

配电变压器是联系电网和用户的基础，它的运行状况直接关系到用户能否可靠的使用电 能，因此有必要对它进行数据采集和实时监控．目前国内已出现的配变数据采集通信主要有 有线与无线两种方式．有线通信方式有电话线、电力线载波和光纤等，它们存在通信易受干 扰、可靠性低等缺点，难以普及，而无线电台通信方式由于需要进行主站建设，费用较高．随着无线通信技术与通信网络的迅速发展，特别是基于GSM数字移动通信系统的GPRS技术的成熟，为配变监测系统提供了新的通信方式．

本文提出了一种基于GPRS网络的配变远程监控系统的设计方案，解决了配变参数远程传 输问题，实现实时数据采集和实时负荷监测的功能．并基于ARM 控制器设计了一种先进的配 变监测器，为电力部门的专业分析(如负荷预测、线损分析、故障判断、用电质量等)提供实 时数据，进而提高了配电网运行的经济性和安全性．

2、GPRS 通信技术

通用分组无线业务 (General Packet Radio Service，GPRS)是在现有的GSM数字移动通 信系统基础上发展起来的一种移动分组业务，它采用分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接，与GSM 的电路交换数据传送方式相比，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频 繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输．它的主要技术特点有：

(1)传输速率高．GPRS采用了4种不同的编码方式：CS-l～CS-4，每个用户最多可同时使 用8个时隙，最高理论速度为l71.2kbps的传输速率．

(2)实时在线．即使没有数据需要传送，仍一直与网络保持联接，处于“一直在线”状 态．

(3)GPRS的核心网络层采用IP技术，提供了与现有数据网的无缝连接．

(4)费用低．在网络建设方面只须沿用现有的GSM 网络来发展即可，由于数据实现分组 发送和接收，系统通常按流量计费，用户可以总是在线，服务成本低．

(5)网络的覆盖范围很广．

GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览数据等．将 GPRS应用于配变监控系统，不仅可以满足配变监控系统数据传输实时性的要求，而且节约成 本，实现灵活方便．

3、系统结构

系统由监控终端、GPRS通信网络和监控中心站构成，如图1所示．变压器监控终端安装 在变压器现场，采集变压器二次端的电气参数和一些开关量，通过GPRS modem定时上传采集 信息到位于变电所的监控中心站，当变压器三相电力参数出现异常立即向中心站上传报警信 息；同时，当中心站发送控制命令到监控终端，监控终端通过GPRS modem接收命令，可以控 制变压器的一些开关量．GPRS网络是监控终端与中心站通信的桥梁，监控终端的采集信息和 报警信息上传，中心站控制命令下达都是通过GPRS网络进行无线通信．GPRS网络与Internet 网是无缝链接的，中心站借助ADSL 专线接入Internet从而进入GPRS网络，一方面与监控终 端双向通信，另一方面提供了一个可视化界面，让用户足不出户了解远方变压器的运行状 况．当变压器出现报警信息，中心站可以及时得知并通知就近值班员排除故障，大大缩短故 障排除时间，提高配电网运行的可靠性和安全性．

图1：系统结构图

4 配电变压器监控终端硬件组成及原理

监控终端是系统的核心部件，其主要作用有：

（1）过流保护：实现了对配变的过流保护，保证了供电的可靠性；

（2）远程通信：实现终端的数据远程传输；

（3）采集模拟量：实现采集三相电压和三相电流；

（4）抄表：抄取电子电度表的电度示值．

配电监控终端是由ARM 处理器、铁电存储器、跳闸合闸继电器、抄表RS485 模块、按 键、显示模块、电能AD 芯片ATT7022B、GPRS 模块以及抄表RS485 模块组成．其方框图如图2所示．

图2：配变终端原理框

ARM 处理器通过SPI 接口读取ATT7022B 内部的数据并进行处理，将所取得的数据和通 过RS485 模块读取的电度表的电度示值存入铁电存储器，并每隔一段时间由GPRS 模块把数 据发送到主站服务器．ARM 处理器通过AD 的数据判断是否过流保护产生跳合闸信号保护配 电变压器，并将报警通过GPRS 模块发送主站．

4.1 CPU 模块

CPU 是终端的核心部分，采用的是ST 公司的STR710 处理器具有ARM7 内核，ARM7 处理器 具有低功耗的32 位RISC 处理器，支持16 位压缩指令集Thumb，具有嵌入式ICE－RT 逻辑， 调试开发方便．STR710 处理器具有丰富的外设以及I/O 接口，内部具有大容量的程序存储 器FLASH 和RAM,功能强大的ARM 处理器可以处理许多复杂控制的应用场合，由于其丰富的 外设和众多的I/O 口可以简化许多外设，降低成本，具有低成本、低功耗和高性能等优点．因 此STR710 可以处理数据的采集以及分析数据，还要进行通讯以及其它工作的控制和协调．

4.2 AD 模块

AD 模块采用以电能AD 芯片ATT7022B 为基础的采样模块．ATT7022B 是一款具有高可靠性、 高精度、高稳定性的三相基波/谐波电能计量芯片，在1000:1 的动态范围内功率测量精度优 于0.1%，电流和电压的有效值测量精度优于0.5％．ATT7022B 可以单独计量基波电能，消 除谐波对电能计量的负面影响，为电力部门公平计费提供参考依据．其内部集成7 通道的 16 位高精度ADC 和24 位高速DSP，第七路ADC 可用于防窃电，片上集成有温度传感器，通 过SPI 通讯接口输出三相多功能电表所需的各项电能参数．ATT7022B 可以同时给出总有功/ 无功电能、基波有功/无功电能、谐波有功/无功电能、视在电能等参数．电压采集方式以电 压传感器，电流采集方式以电流传感器．

4.3 抄表485 模块

STR710 处理器本身外设的串口与MAX3485 连接转为485 通讯，通过485 通讯与电度表 相接读出符合DL/T645 多功能电能表通信规约电度表的电度示值．

4.4 数据保存

使用铁电存储器FM3164 来保存各种数据，防止这些数据掉电丢失．这些数据包含终端 采集的数据、主站的IP 地址、校表精度参数以及其他参数的设置．铁电存储器也可以保证 掉电时终端时钟运行．STR710 处理器利用IIC 总线连接FM3164．

4.5 GPRS 模块

GPRS 模块是基于配电变压器监控系统数据传输的基础，终端稳定的传输对于系统正常 的运行有至关重要的作用．其工作时间要大于系统运行时间的99%，工作温度在-15 度－60 度范围．

配电变压器监控终端ARM 处理器外设中232 接口作为处理器与GPRS 模块通信接口，GPRS 无线通讯模块采用SIMCOM 公司的ITM-100 增强型．该模块内置TCP/IP 协议栈，支持CMNET 接入，CPU 对GPRS 模块控制采用AT 指令集，利用AT 指令集将数据以TCP 协议形式发到主 站上．在实际运行中为了保证数据的可靠性采取了补测和重发机制．

5、配电管理系统主站软件和终端软件

配电主站软件主要提供以下功能:

（1）运行曲线：每天三相96 点的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电度 等的曲线图；

（2）每日报告：电压电流最大值、最小值发生时间及数值、变压器运行时间、供电质 量分析、功率因数越限时间、停电记录、日抄表、电压合格率等；

（3）负荷曲线、电能计量等管理功能；

（4）异常报警功能． 配电终端的软件流程图3 所示：

图 3：配电终端的软件流程图

6 结束语

GPRS 通信有着接入快、价格低廉、稳定可靠和实时性强等优点，比其他方式通讯有着 不可替代优点．基于GPRS 配电变压器管理系统为电力公司实现自动抄表、线损分析、配变 监测、异常报警等功能．系统实际运用良好，工作稳定．

本文作者创新点：1）通过GPRS 模块的无线数据传输功能实现了对配变信息的无线远 程监测。2）通过合理的软硬件设计搭建了远程监测平台，可以实现电力安全监控系统的安 全性、可靠性、兼容性和经济性。