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隨著無線通信技術的不斷提高，利用移動運營商提供的無線網絡實現配電網數據采集和監控SCADA，是電力系統現代化的一個重要發展方向。由于 GSM網絡的通信技術已經成熟，覆蓋面又廣，利用GSM無線通信方式來實現變壓器參數的實時采集，無疑是對現有資源的最大利用。最重要的是GSM網絡是由移動運營商投控系統，可以節省數以千億計的導線材料及人工費用，達到環保、節能、資源最大共享的目的，而且免除了網絡的日常修改和維護工作，最大限度地節省了投資。無論何時何地，只要有一部電腦和可以上網的電話線就能實現對各地變壓器進行監控；如果配備GPRS（General Packet Radio Service，通用無線分組業務）無線Modem，使能實現，便能實現移動監控。本系統用基于GPRS網絡通信技術和網絡微處理器技術相結合的方法，解決變壓器參數遠程傳輸問題，實現及時報警、實時數據采集和實時負荷監測的功能。其意義在于：通過監視變壓器的運行狀況，優化配網運行方式；發生故障或異常運行時，迅速報警，及時恢復正常供電，減少停電時間，保證變壓器的安全運行；記錄電壓越限時間，計算電壓合格率，從而合理控制電平水平，改善供電質量。 1 系統結構 本系統由現場變壓器三相電力參數采集、GPRS通信網絡和監測中心上位機軟件三大部分構成。變壓器三相電力參數采集安裝在變壓器現場，通過電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）對變壓器二次端的電氣參數進行采集監測；同時，分析、記錄采集數據供電位機查詢，并在變壓器三相電力參數出現異常事件時主動上傳告警信息。GPRS通信網絡是監測中心與現場變壓器之間的數據傳輸的橋梁，通過GPRS網絡使現場變壓器的相關參數能夠主時傳送到監測中心計算機；監測中心軟件一方面通過GPRS網絡與現場監測器進行雙向通信，另一方面為用戶提供一個可視化界面，讓用戶足不出戶即可了解遠方變壓器相對實時的運行狀況。與現場GPRS無線Modem相對應，監測中心計算機必須借助GPRS無線Modem撥號進行GPRS網絡，方可與現場監測器進行遠程通信。系統結構如圖1所示。 
變壓器三相電力參數采集包括兩大部分。一是電力參數采集模塊，對變壓器三相電氣參數進行實時采集；同時存儲歷史數據，以便監測中心要了解變壓器的電壓、電流、功率等電參數質量時，可以通過預先設定的查詢歷史數據命令獲取，然后通過監測中心軟件分析形成曲線報表等。二是智能監測與GPRS通信管理模塊。該模塊監測與分析采集模塊送出的實時參數，如果發現電壓電流超限或斷電來電，則啟動GPRS通信模塊的監測中心發送報警信息；當上位機軟件發起通信請求時，還要負責握手和建立通信鏈路。 監測中心軟件為用戶提供一個可視化的監測界面。該監測界面采用多級電子地圖的形式，讓用戶直觀、方便、快捷地了解變壓器的運行狀態。通過此界面，用戶可以及時發現變壓器出現的故障。譬如，某變壓器A相電壓過大，則在電子地圖中該變壓器處出現閃爍亮點，提示用戶該變壓器出現警情，并伴有聲音報警。用戶可以點擊變壓器圖標處查看告警詳細內容；同時，用戶通過查詢歷史數據庫，可以調出變壓器的歷史運行狀態曲線，從而預測變壓器的負荷情況。 2 系統硬件 2.1 總體結構 變壓器參數遠程監測器以單片機系統為中心，配合電力遠動采集功能模塊和GPRS Modem通信模塊，解決變壓器參數遠程傳輸問題，實現及時報警、實時數據采集和實時監測的功能。硬件結構如圖2所示。
單片機系統采用主從結構，主處理器W78E58B通過串行口與負責三相電力參數采集的從處理器80C196進行通信。通信數據幀采用 ModBus協議的數據幀格式。為為防止GPRS無線通信帶來的干擾，所有的數據幀后兩位字節都是CRC-16校驗碼。主處理器定時獲得從處理器 80C196送上來的變壓器實時參數，包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因素、總有功電度、總無功電度、頻率、實時時間。同時，該單片機系統還負責分析變壓器的運行狀態并作記錄，通過實測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；通過實測值與預先設置好的報警閥值進行實時比較，如果得到越限報警記錄，主處理器通過控制GPRS調制解調器主動向管理中心發出通信請求，管理中心應答后將數據送出。管理中心對收到的數據包解包后進行CRC-16校驗，得到正確數據后發出數收完畢指令，單片機系統結束通信，釋放資源，同時主處理器發送報警短消息到預先設置好的手機。 2.2 單片機系統 單片機系統設計是單片機最基本、最通常的外圍電路設計，如時鐘電路、復位電路、RAM擴展電路等。本系統硬件以W78E58B單片為核心，以時鐘芯片DS12887構成時鐘電路，以X25045構成程序運行監視定時器電路，以UART 16C550為系統擴展一個串行口，以存儲芯片628128構成大容量的歷史數據保存電路，以CPLD EPM7032構成系統接口器件協調工作的控制電路和指示燈的驅動電路。這樣，構成了一個集自診斷、時鐘功能、大容量存儲、雙串行口通信功能的系統。 本監測器正是以該系統為中心，配合電路遠動采集模塊和無線Modem完成采集和通信的功能。由于電力遠動采集模塊、無線Modem都提供了串行的通信接口，因此該系統必須具有2個串行口，而單片機只有1個串行口（Rx和Tx），因此采用通用異步收發器（UART）將并行口轉換成串行口，供控制與驅動GSM模塊使用。由于變壓器參數記錄需要具備時間信息，因此采用時鐘芯片給系統提供時鐘，89C52每秒從時鐘芯片那里獲得最新時間，這樣系統就具有時間了。有了時間后，系統很方便對變壓器常規記錄進行時間標定。為了使監測器里面保存幾天乃至一個月的歷史記錄，必須有大容量的RAM。本系統中采用了 128KB RAM完成此功能，使歷史記錄在10min/次的采樣頻率下儲存一個星期的記錄。由于上述UART、時鐘芯片和RAM都通過數據總線（P0口）進行數據傳輸，采用分時復用技術，因此需對它們的工作進行協調。采用CPLD邏輯譯碼產生它們的片選信號的方法解決這個問題，使它們共享數據總線和地址總線。 2.3 GPRS調制解調器的驅動和控制 本系統中采用GPRS網絡進行歷史數據、實時數據以及報警信息的遠程傳輸，并采用短消息業務發送報警信息到調度人員的手機上作為補充。該功能由無線Modem來實現。對GPRS Modem進行驅動和控制采用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，大部分廠家生產的Modem都能執行此Hayes 命令集，包括普通Modem和無線Modem。AT命令集是由一個特定的“命令前綴”開始，由一個“命令結束標志”結束。命令前綴通常由AT兩個字符組合，它是Attention的縮寫，意思是“引起注意”，因此我們稱該Modem命令為AT命令。命令結束標志是一個單字符，其值存儲在寄存器S3中，通常為回車符 為了達到數據通信的目的，我們必須掌握如何建立和拆除通信鏈路，如何自動應答數據來電等。下面介紹常用的AT命令。 ①ATDxxxx。該命令使Modem立即進入摘機狀態，并撥出隨后的號碼（撥號串）以建立連接。撥號串由撥號修飾符和電話號碼組成。撥號修飾符用于指示Modem何時撥號以及如何撥號的操作。例如撥號修飾符T、P分別表示Modem以音頻方式和脈沖方式撥號。值得一提的是，撥號修飾符“,”起延遲處理下一字符的作用。該修改符在要撥外線的場合特別有用。警如，機關、企業要撥市話或者長途電話時，首先要撥“9”（或者“0”等），則采用如下AT 指令：ATD9，8888888 ②ATS0=R。該命令控制應答方式：自動或手動、R=0，手工應答;R≠0，表示在響鈴R次之后Modem自動摘機并試圖連接。R值范圍為 1～255。手工應答下，每次電話鈴響時，Modem返回RING結果碼，但不應答呼叫（除非此時執行ATA指令）。 ③+++。該指令讓Modem從在線數據狀態切換到在線命令狀態。它其實是一個換碼序列（轉義序列），不是普通AT指令，因而前面不加AT，后面也不用跟回車符。在發出+++命令之前和之后，停頓由S12寄存器定制的時間（稱為保證時間，缺省為1s），以保證Modem接收到該命令；否則，+++將被當作普通數據處理。該命令不掛斷線路而是讓Modem進入命令狀態，即在線命令狀態。 ④ATHn。該命令執行掛機操作。在在線命令狀態時，使用該命令迫使Modem掛機，拆除通信鏈路。n=0，掛機，并將Modem置于命令狀態；n=1，摘機。 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應用中，GPRS Modem對AT指令集做了擴充。以西門子的MC35模塊為例，它的撥號指令是ATDT*99***1#；接入GPRS狀態的指令是 AT+CGDATA=PPP。 3 系統軟件 3.1 模塊化設計 監測器軟件采用模塊化的設計方法，用匯編語言編寫。按功能可分為：初始化器件模塊、進入GPRS網絡模塊、實時測量模塊（與電力遠動采集模塊之間通信獲取實時參數）、歷史數據記錄模塊和GPRS遠程通信模塊。GPRS遠程通信模塊包括呼叫管理中心建立通信鏈路模塊、發送常規記錄子模塊、發送1天最大最小值記錄子模塊、發送越限報警記錄子模塊、發送來停電報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責實時分析GPRS Modem傳送過來的命令字符，從而決定如何響應監測中心的請求，給予相應的應答信息。各模塊之間通過相關聯的參數進行溝通。 3.2 GPRS網絡通信的實現 GPRS作為第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信（3G）的過渡技術，是由英國BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+(1997年)規范實現的內容之一，是一種基于GSM的移動分組數據業務。它面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接。 GPRS撥號上網時，移動GGSN分配手機模塊一個IP地址（靜態或動態、公用或私有），目前中國移動提供的是動態的IP。為了提高數據傳輸的可靠性和穩定性，我們可以向移動公司申請APN服務。移動公司可以為接入用戶建立VPN（X虛擬專用網），而且移動公司為每個APN客戶提供一個綁定網內 IP的SIM卡。以廣州為例：申請APN服務時，可以申請接入GZTEST01測試網，并由此獲得廣州移動提供的網內IP，它是10.101.X.X網段的一個固定IP。這樣，系統的所有數據都是在GZTEST01測試網傳輸。該系統的管理中心也用一個GPRS Modem來接入GPRS網內。其實，GZTEST01測試網可以理解為一個大型的無線GPRS局域網，而且這個無線局域網給每個GPRS終端用戶提供的是一個動態的IP地址，當GPRS數據采集終端想要實現點對點的數據傳輸時，就必須知道對方分配到的動態IP地址。為了解決這個問題，我們的管理中心使用了綁定網內IP的SIM卡撥號上網，所有數據采集模塊撥號上網時首先要到管理中心進行注冊。只要注冊以后雙方才能建立通信。由于整個數據傳輸都是在基于 GPRS網絡建立的VPN上傳輸的，系統的實時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無線調制解調器的驅動處理器還必須帶有TCP/IP協議棧。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。此芯片支持在線編程（ISP）功能，可以方便地修改和下載CPU的程序。這款單片機以其優異的性能，可以廣泛應用在需要網絡支持的場合，尤其適合于需要網絡遠程控制或遠程監控的應用中。本系統的網絡協議（IP、ARP、UDP、TCP）就是通過此芯片TCP/IP協議棧實現的。 4 結論與展望 采用GPRS網絡遠程數據通信方法解決了遠程監測系統通信問題，比起其它有線通信方式有著不可比擬的優越性。由于采用的是無線模式，數據傳輸的安全性得到了很大的提高。當然，萬事有利必有弊。該方法的實施也還在一些缺陷，如GPRS通信方式比起CSD（電路撥號）通信方式的可靠性和實時性還有待提高。但是，隨著GPRS網絡的逐漸完整和應用技術的不斷成熟，GPRS在其它工業領域的應用必將越來越廣闊。 參考文獻 1. 陳堅.孫志月 Modem 通信編程技術 1998 2. 何立民 單片機高級教程 1999 3. 李華.李學云.區細成 現代移動通信新技術--GPRS系統 2001 4. 宋萬杰.羅豐.吳順君 CPLD 技術及其應用 1999 5. SCENIX User' s Manual 6. SIEMENS MC35 User' s Manual 作 者：華南理工大學 葉力勤 羅飛 熊勇 來 源：單片機與嵌入式系統應用 2003（10） |
