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配電變壓器參數(shù)的GPRS網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)測系統(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)實現(xiàn)的變壓器負荷監(jiān)測系統(tǒng)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)變壓器參數(shù)的遠程監(jiān)測。該系統(tǒng)具有建網(wǎng)方便、無需布線和幾乎不受區(qū)域限制，一次性投資少，日常運行費用低等特點。關(guān)鍵詞：GPRS Modem 單片機系統(tǒng) 遠程監(jiān)測 AT命令集
隨著無線通信技術(shù)的不斷提高，利用移動運營商提供的無線網(wǎng)絡(luò)實現(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無線通信方式來實現(xiàn)變壓器參數(shù)的實時采集，無疑是對現(xiàn)有資源的最大利用。最重要的是GSM網(wǎng)絡(luò)是由移動運營商投控系統(tǒng)，可以節(jié)省數(shù)以千億計的導(dǎo)線材料及人工費用，達到環(huán)保、節(jié)能、資源最大共享的目的，而且免除了網(wǎng)絡(luò)的日常修改和維護工作，最大限度地節(jié)省了投資。無論何時何地，只要有一部電腦和可以上網(wǎng)的電話線就能實現(xiàn)對各地變壓器進行監(jiān)控；如果配備GPRS（General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務(wù)）無線Modem，使能實現(xiàn)，便能實現(xiàn)移動監(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)遠程傳輸問題，實現(xiàn)及時報警、實時數(shù)據(jù)采集和實時負荷監(jiān)測的功能。其意義在于：通過監(jiān)視變壓器的運行狀況，優(yōu)化配網(wǎng)運行方式；發(fā)生故障或異常運行時，迅速報警，及時恢復(fù)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(zhì)量。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由現(xiàn)場變壓器三相電力參數(shù)采集、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心上位機軟件三大部分構(gòu)成。變壓器三相電力參數(shù)采集安裝在變壓器現(xiàn)場，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(shù)進行采集監(jiān)測；同時，分析、記錄采集數(shù)據(jù)供電位機查詢，并在變壓器三相電力參數(shù)出現(xiàn)異常事件時主動上傳告警信息。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)測中心與現(xiàn)場變壓器之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄�，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)使現(xiàn)場變壓器的相關(guān)參數(shù)能夠主時傳送到監(jiān)測中心計算機；監(jiān)測中心軟件一方面通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場監(jiān)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(xiàn)場GPRS無線Modem相對應(yīng)，監(jiān)測中心計算機必須借助GPRS無線Modem撥號進行GPRS網(wǎng)絡(luò)，方可與現(xiàn)場監(jiān)測器進行遠程通信。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，對變壓器三相電氣參數(shù)進行實時采集；同時存儲歷史數(shù)據(jù)，以便監(jiān)測中心要了解變壓器的電壓、電流、功率等電參數(shù)質(zhì)量時，可以通過預(yù)先設(shè)定的查詢歷史數(shù)據(jù)命令獲取，然后通過監(jiān)測中心軟件分析形成曲線報表等。二是智能監(jiān)測與GPRS通信管理模塊。該模塊監(jiān)測與分析采集模塊送出的實時參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)電壓電流超限或斷電來電，則啟動GPRS通信模塊的監(jiān)測中心發(fā)送報警信息；當(dāng)上位機軟件發(fā)起通信請求時，還要負責(zé)握手和建立通信鏈路。
監(jiān)測中心軟件為用戶提供一個可視化的監(jiān)測界面。該監(jiān)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(tài)。通過此界面，用戶可以及時發(fā)現(xiàn)變壓器出現(xiàn)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(xiàn)閃爍亮點，提示用戶該變壓器出現(xiàn)警情，并伴有聲音報警。用戶可以點擊變壓器圖標(biāo)處查看告警詳細內(nèi)容；同時，用戶通過查詢歷史數(shù)據(jù)庫，可以調(diào)出變壓器的歷史運行狀態(tài)曲線，從而預(yù)測變壓器的負荷情況。
2 系統(tǒng)硬件
2.1 總體結(jié)構(gòu)
變壓器參數(shù)遠程監(jiān)測器以單片機系統(tǒng)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(shù)遠程傳輸問題，實現(xiàn)及時報警、實時數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)測的功能。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
單片機系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，主處理器W78E58B通過串行口與負責(zé)三相電力參數(shù)采集的從處理器80C196進行通信。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無線通信帶來的干擾，所有的數(shù)據(jù)幀后兩位字節(jié)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(shù)，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(tǒng)還負責(zé)分析變壓器的運行狀態(tài)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(yù)先設(shè)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(diào)制解調(diào)器主動向管理中心發(fā)出通信請求，管理中心應(yīng)答后將數(shù)據(jù)送出。管理中心對收到的數(shù)據(jù)包解包后進行CRC-16校驗，得到正確數(shù)據(jù)后發(fā)出數(shù)收完畢指令，單片機系統(tǒng)結(jié)束通信，釋放資源，同時主處理器發(fā)送報警短消息到預(yù)先設(shè)置好的手機。
2.2 單片機系統(tǒng)
單片機系統(tǒng)設(shè)計是單片機最基本、最通常的外圍電路設(shè)計，如時鐘電路、復(fù)位電路、RAM擴展電路等。本系統(tǒng)硬件以W78E58B單片為核心，以時鐘芯片DS12887構(gòu)成時鐘電路，以X25045構(gòu)成程序運行監(jiān)視定時器電路，以UART 16C550為系統(tǒng)擴展一個串行口，以存儲芯片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)動電路。這樣，構(gòu)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(tǒng)。
本監(jiān)測器正是以該系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)器（UART）將并行口轉(zhuǎn)換成串行口，供控制與驅(qū)動GSM模塊使用。由于變壓器參數(shù)記錄需要具備時間信息，因此采用時鐘芯片給系統(tǒng)提供時鐘，89C52每秒從時鐘芯片那里獲得最新時間，這樣系統(tǒng)就具有時間了。有了時間后，系統(tǒng)很方便對變壓器常規(guī)記錄進行時間標(biāo)定。為了使監(jiān)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(tǒng)中采用了128KB RAM完成此功能，使歷史記錄在10min/次的采樣頻率下儲存一個星期的記錄。由于上述UART、時鐘芯片和RAM都通過數(shù)據(jù)總線（P0口）進行數(shù)據(jù)傳輸，采用分時復(fù)用技術(shù)，因此需對它們的工作進行協(xié)調(diào)。采用CPLD邏輯譯碼產(chǎn)生它們的片選信號的方法解決這個問題，使它們共享數(shù)據(jù)總線和地址總線。
2.3 GPRS調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動和控制
本系統(tǒng)中采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及報警信息的遠程傳輸，并采用短消息業(yè)務(wù)發(fā)送報警信息到調(diào)度人員的手機上作為補充。該功能由無線Modem來實現(xiàn)。對GPRS Modem進行驅(qū)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(chǎn)的Modem都能執(zhí)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(jié)束標(biāo)志”結(jié)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(jié)束標(biāo)志是一個單字符，其值存儲在寄存器S3中，通常為回車符<CR>。
圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖
為了達到數(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，如何自動應(yīng)答數(shù)據(jù)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(tài)，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(guān)、企業(yè)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<CR>，（8888888為待撥電話號碼）。
②ATS0=R。該命令控制應(yīng)答方式：自動或手動、R=0，手工應(yīng)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(yīng)答下，每次電話鈴響時，Modem返回RING結(jié)果碼，但不應(yīng)答呼叫（除非此時執(zhí)行ATA指令）。
③+++。該指令讓Modem從在線數(shù)據(jù)狀態(tài)切換到在線命令狀態(tài)。它其實是一個換碼序列（轉(zhuǎn)義序列），不是普通AT指令，因而前面不加AT，后面也不用跟回車符。在發(fā)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(dāng)作普通數(shù)據(jù)處理。該命令不掛斷線路而是讓Modem進入命令狀態(tài)，即在線命令狀態(tài)。
④ATHn。該命令執(zhí)行掛機操作。在在線命令狀態(tài)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(tài)；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(yīng)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(tài)的指令是AT+CGDATA=PPP。
3 系統(tǒng)軟件
3.1 模塊化設(shè)計
監(jiān)測器軟件采用模塊化的設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(shù)）、歷史數(shù)據(jù)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(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)送越限報警記錄子模塊、發(fā)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(zé)實時分析GPRS Modem傳送過來的命令字符，從而決定如何響應(yīng)監(jiān)測中心的請求，給予相應(yīng)的應(yīng)答信息。各模塊之間通過相關(guān)聯(lián)的參數(shù)進行溝通。
3.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)
GPRS作為第二代移動通信技術(shù)GSM向第三代移動通信（3G）的過渡技術(shù)，是由英國BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+(1997年)規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一，是一種基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接。
GPRS撥號上網(wǎng)時，移動GGSN分配手機模塊一個IP地址（靜態(tài)或動態(tài)、公用或私有），目前中國移動提供的是動態(tài)的IP。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头�(wěn)定性，我們可以向移動公司申請APN服務(wù)。移動公司可以為接入用戶建立VPN（X虛擬專用網(wǎng)），而且移動公司為每個APN客戶提供一個綁定網(wǎng)內(nèi)IP的SIM卡。以廣州為例：申請APN服務(wù)時，可以申請接入GZTEST01測試網(wǎng)，并由此獲得廣州移動提供的網(wǎng)內(nèi)IP，它是10.101.X.X網(wǎng)段的一個固定IP。這樣，系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都是在GZTEST01測試網(wǎng)傳輸。該系統(tǒng)的管理中心也用一個GPRS Modem來接入GPRS網(wǎng)內(nèi)。其實，GZTEST01測試網(wǎng)可以理解為一個大型的無線GPRS局域網(wǎng)，而且這個無線局域網(wǎng)給每個GPRS終端用戶提供的是一個動態(tài)的IP地址，當(dāng)GPRS數(shù)據(jù)采集終端想要實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸時，就必須知道對方分配到的動態(tài)IP地址。為了解決這個問題，我們的管理中心
使用了綁定網(wǎng)內(nèi)IP的SIM卡撥號上網(wǎng)，所有數(shù)據(jù)采集模塊撥號上網(wǎng)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(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(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動處理器還必須帶有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。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(yōu)異的性能，可以廣泛應(yīng)用在需要網(wǎng)絡(luò)支持的場合，尤其適合于需要網(wǎng)絡(luò)遠程控制或遠程監(jiān)控的應(yīng)用中。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP、ARP、UDP、TCP）就是通過此芯片TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)的。
4 結(jié)論與展望
采用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠程數(shù)據(jù)通信方法解決了遠程監(jiān)測系統(tǒng)通信問題，比起其它有線通信方式有著不可比擬的優(yōu)越性。由于采用的是無線模式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘玫搅撕艽蟮奶岣�。�?dāng)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(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)用必將越來越廣闊。
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