关键词:GPRS;数据采集终端;监控中心;抗干扰
Abstract: With its high transmission rate, real-time online and resource-efficient, GPRS has been widely used in the powermonitoringsystem. Utilizing the feature of GPRS, this paper designs a wireless power-monitoring system, which canmonitor remotely the power, voltage, power rate, phase sequence, frequency, power factor and other load parameters andoperating conditions of power system at real-time. It is applied to automatic management of power system.
Key words: GPRS; data collection terminal; monitoring center; anti-interference
1 引言
随着电力电子技术和通信技术的飞速发展,电力监控系统的自动化水平得到了不断的提高。传统的电力监控系统一般采用电话线、电力载波、光纤通信以及数传电台等作为通信手段,存在着网络结构复杂、成本高、覆盖率窄、技术要求高及维护难度大等缺点[1]。GPRS是在现有全球移动通信系统(GSM)上发展起来的一种新的承载业务。其传输速率高、实时在线、资源利用率高、通信覆盖范围大,从根本上解决了传统数据传输的弊端, 在电力监控系统中得到了广泛的应用。
2 GPRS 技术简介
GPRS 是通用分组无线服务技术(General PacketRadio Service)的简称,它是在现有全球移动通信系统(global system for mobile communications,GSM)基础上发展起来的一种移动数据业务[2],具有与GSM 相同的无线调制标准、频带及T D M A 帧结构。G P R S 网络采用分组交换和分组传输的概念,以实现用户数据与无线网络资源的最佳结合以及IP 协议的透明传送。
相对于原有的GSM 而言,GPRS 在数据业务的承载和支持方面有了更加明显的优势:
(1) 传输速度快。相对于GSM 9.6kbps 的传输速度而言,GPRS 拥有最高达171.2kbps 的访问速度。
(2) 资源利用率高。GSM 采用电路交换技术,利用率低,而GPRS 采用分组交换技术,通过多用户的业务服用, 更有效地利用了无线网络信道资源。
(3) 建立时间短。GSM 需要10-30S 的时间才能建立连接,而GPRS 只需要极短的时间就可访问相关请求。
(4) 费用低。GSM 是按连接时间计费的,而GPRS仅按数据流量计费, 具有低廉的接入费用。
3 总体方案设计
基于GPRS 的无线电力监控系统由监控中心和智能数据采集终端两大部分组成,智能数据采集终端将检测到的电力负荷情况通过GPRS 发送到监控中心服务器,监控中心对数据进行处理后,向数据采集终端发回必要的控制信息。系统组成框图如图1 所示。
监控中心服务器采用固定的公网IP 地址,与智能数据采集终端通过TCP/UDP 建立数据连接, 主要负责数据的接收和保存, 统计、分析一段时期电力负荷情况,并对异常情况进行报警。关于监控中心软件在这里不作详细介绍。
智能数据采集终端负责电力负荷情况的采集以及GPRS 的发送, 将检测到的电量、三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、相序等参数通过G P R S 发送到数据监控中心。
4 智能数据采集终端的设计
4.1 硬件设计
图2 是智能数据采集终端的结构框图, 它由信号检测及调理、智能电量计量、M C U 处理以及G P R S 模块四大环节构成。
1. 信号检测环节
采用互感器方式进行信号检测,将电网与电量计量芯片进行隔离, 提高了抗干扰性能。电流检测C T 采用双电流比互感器,根据母线电流大小自动切换互感器的电流比, 可提高小电流情况下电能计量精度, 电压互感器P T 检测进线电压。
2. 智能电量计量环节
智能电量计量采用高精度的三相电能专用计量芯片ATT7022B。它内部集成了六路二阶ADC、参考电压电路以及功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路;能够测量各相及合相的功率、能量以及电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数;支持纯软件校表,校表后测量精度有功可达0.2 级;提供SPI接口, 可与M C U 进行计量参数及校表参数的传递。
3. MCU 处理环节
MCU 处理环节以C8051F410 单片机为核心,扩展了L C D 显示、相序切换、报警电路以及掉电存储电路等外围电路。本论文由无忧论文网www.51lunwen.org整理提供MCU 通过SPI 口读取ATT7022B 的计量数据,进行处理后,控制GPRS 模块GTM900 将数据传送到数据监控中心,在检测到异常情况时驱动报警电路进行报警。同时, 当检测到相序错误时, 驱动相序切换电路对主电路进行相序的切换。为了防止突然掉电时数据丢失, 采用了掉电存储电路对数据进行保存。
4. GPRS 模块
GPRS 模块采用GTM900C 无线模块,它是一款两频段的GSM/GPRS 无线模块, 支持标准的AT 命令, 是高速数据传输等应用解决方案的理想选择[3]。GTM900C对外提供了UART 接口,最大波特率可设为115200bps,MCU 只需要通过该接口向其发送AT 指令, 就可以进行相关操作。具体操作参见下节软件设计部分。此外,G T M 9 0 0 带有S I M 卡接口, 只要外接的S I M 卡开通了GPRS,即可实现GPRS 功能。
4.2 智能数据采集终端的软件设计
智能数据采集终端的软件设计流程图如图3 所示,主要包括系统初始化、定时数据采集和G P R S 发送、GPRS 接收、相序切换控制及掉电保存等几大部分。其中系统初始化主要包括单片机的初始化、IO 端口的配置、ATT7022B 的软件校表、GTM900 的初始化等操作。这里重点介绍一下GTM900 的初始化。
GTM900 的初始化包括APN(接入点名称)的配置、数据模式的选择、TCP/IP 功能的进入以及TCP 链接的打开等操作。A P N 的配置主要有C M W A P 和C M N E T 两种, C M W A P 主要指移动内网, 而C M N E T 为G P R S 连接互联网。数据模式设置的不同可以选择是否对发送的数据进行转换, 这里采用不对数据进行转换的方式。当MCU 向GTM900 发送下列指令时, 如果模块返回“OK”或“CONNECT ”, 则可以进行GPRS 的发送和接收了。AT+CGDCONT=1,”IP”,”CMNET”\r // 配置A P N 命令, G P R S 连接互联网AT%IOMODE=0,1,1\r // 设置数据模式命令, 不对数据进行转换AT%ETCPIP\r // 进入TCP/IP 功能AT%IPOPEN=”TCP”,”202.103.66.65”,50,,4098\r // 打开一条TCP 链接,监控中心IP 地址为202.103.66.65
4.3 抗干扰设计
在电力系统这种存在高压放电、电源谐波、强电磁辐射的恶劣环境中[4],抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。本系统从硬件电路和软件两方面来提高系统的抗干扰性能。
1.硬件抗干扰设计
(1) 在电压、电流信号检测输入电路中,接入1.2K
