電力變壓器遠程負荷監控系統設計

周 曉，張春生，牟曉波，張希文，楊 剛

(塔里木油田天然氣事業部，庫爾勒 841000)

1 引言

隨著電力技術的發展，城網、農網建設和改造工程的深入，電能早已成為人們日常生活中不可缺少的部分。電能的應用程度是一個國家經濟發展水平的重要標志之一，保障用電安全對工、農業發展具有重大意義。長期以來我國大部分地區電力網主要靠巡線工人來檢測，很難做到實時發現故障，直接影響了人們的生活和經濟建設。因此完善電網的監控對現代社會的發展有重要意義。

近年來，通用無線分組業務(GPRS)是在現有的GSM系統上發展出來的一種新的分組數據網絡連接，給移動用戶提供高速的IP通信功能，從而將控制信息以IP包的形式通過internet/GPRS發送，實現對終端設備的無線遠程監控。

2 系統總體結構設計

系統采用先進的GPRS無線通信技術、計算機控制技術、數據采集技術構建。遠程監測系統平臺分為監控中心和監控分站兩個部分;監控中心和監控分站實現對變壓器的三相電壓、電流的有效值、最大值，有功功率，無功功率等運行參數進行實時遠程監控功能。

監控中心主要由內部局域網、數據庫服務器、中心站服務器等設備組成;監控分站由MSP430F247硬件信號檢測系統和GPRS模塊構成［1］;監控中心站和分站之間通過GPRS網絡實現無線通信。內部局域網主要提供一個相對固定的DTU登錄的IP地址，而且可在網內查詢系統運行的實時數據，便于分析設備的運行情況。數據庫服務器提供一個大容量的數據存儲空間，可以不斷地接收并存儲監控分站所采集的數據，數據庫服務器的另一個重要作用就是便于我們隨時查詢，對數據進行分類匯總處理，為優化電網控制提供科學依據。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

中心站服務器的基本功能:

(1)可發送控制和查詢命令，并隨時接收和保存下位機上傳的數據;

(2)對遠程分站和主站進行實時監控，出現異常情況能及時報警;

(3)管理數據庫，能夠實時顯示各監控分站的運行情況，打印和備份數據。

3 監控系統工作方式

當分站、監控中心開始工作后，首先以手機短信的方式給所有的DTU發IP配置地址，然后DTU模塊就登錄到GPRS網絡中，并和擁有固定IP地址的監控中心連接，在系統運行中始終保持這種連接而不斷開，一旦斷開就自動重新連接，這樣就保證了DTU模塊永遠在線。其次監控中心以固定IP接到internet網絡中，然后通過GPRS網關連接到GPRS網絡中，從而實現與監控分站的通信，這樣就可以對各監控分站進行遠程集中管理和監測。并可在監控中心對各種數據進行收集、處理和存儲;當監控分站接受到命令后就對現場的交流電壓電流等信號進行采集和處理;并通過DTU完成和監控中心的通信，從而對整個系統的運行情況進行實時監控。

4 監控分站硬件系統

硬件系統結構圖如圖2所示。

系統中監控分站主要完成以下功能:

(1)實時采集現場電網的電壓和電流信號，對采集的信號進行處理并保存;

(2)完成LCD顯示鍵盤輸入的功能命令和執行已接收到的主站命令;

(3)當分站出現異常情況時及時報警。

硬件系統中信號的準確檢測是關鍵部分，對數據的傳輸是只有在串口接到監控中心的查詢命令時才執行并于轉換結束時上傳所有數據;為了保證數據的準確性和實時性，數據幀以”n＊＊＊”開頭(n表示分站號)，對沒有數據返回的分站每10秒重發一次查詢命令，如果長時間沒有應答，則進行檢修報警處理，以期保證通信暢通。紅外通信模塊主要用來完成現場觀察數據和設置電壓、電流的最大值以及脈沖的誤差范圍。因為每個分站的負荷不同及所用的輸電材料的差異，所以需要紅外通信模塊方便地針對不同的分站情況進行適當的參數調整。

圖2 下位機系統結構圖

4.1 GPRSDTU通信模塊設計

DTU(data transmit unit)即數據傳輸單元，相當于串口數據流和TCP/IP協議直接互相轉換的轉換器，內嵌GPRS通信模塊和TCP/IP協議棧，采用透明傳輸，為不帶TCP/IP協議處理能力的設備提供無線通信能力。通過DTU通信服務器與分站控制模塊自定義幀協議，完成對終端設備的電流、電壓、電能等狀態參數的監控。

4.2 數據傳輸格式

因為DTU采用的是透明傳輸方式，所以根據透明傳輸的數據方向，分為數據下行和數據上行。

數據下行:在信息管理中心將電能、電壓、電流等信息的查詢命令，根據自定義協議幀格式，封裝成包，通過internet/GPRS網絡發送給DTU，DTU收到這個IP包后，通過串口透明傳輸給分站控制模塊。

數據上行:DTU收到監控中心自定義幀格式的查詢命令后，將所采集的數據封裝成IP包，通過internet/GPRS網絡發送到信息管理中心;數據中心軟件收到數據包后根據自定義幀格式，將相關信息存入數據庫，將數據通過客戶端軟件或瀏覽器的方式呈現給工作人員，方便工作人員對信息進行判斷，做出決策。

自定義幀格式:

幀頭 幀類型 幀長度 數據 校驗值1字節 1字節 2字節 2字節 1字節

系統的DTU模塊選用廣州致遠電子生產的ZWG－23DP，通過DTU系統可以直接訪問互聯網，數據監控中心只需要通過寬帶、ISDN或撥號上網即可，比基于GSM的短消息解決方案大大節省了成本，數據監控中心最好使用固定公網IP，如果沒有固定的IP地址但有注冊的域名也可以對GPRS數據終端域名來登錄［2］。

5 系統軟件設計

本系統軟件采用模塊化結構設計，有利于實現功能擴展和程序的修改和移植，系統主要有五個模塊構成:系統初始化模塊、I/O口設置模塊、人機驅動模塊、數據處理模塊以及通信模塊。

數據上傳的時間間隔由上位機決定，在上位機軟件中可實現定時查詢和在任意時刻人為發送查詢命令，待下位機接收到查詢命令后便將采集的數據上傳到監控中心，整個通信模塊是采用中斷服務程序完成的，這樣設計主要是考慮到對電力設備的監測不需要時時上傳，同時也減小了數據流量，降低了成本，數據處理模塊主要對數據采集部分得到的離散信號進行處理，離散信號經過FFT和小波運算可得到基波和各次諧波分量［3］，利用此結果可以實現電壓、電流、功率等參數的計算。DTU模塊和MSP430的通信是基于串口命令完成的，只要完成對串口命令或數據的封裝即可實現分站與中心站之間的通信。

監控中心人機接口為用戶提供一個可視化的監控界面，可直觀、方便、快捷地了解電力設備的運行情況，及時發現并處理異常情況，圖形化編程界面用VC++開發，主要功能完成無線通信處理、數據處理和報表統計分析等［4］。

6 結束語

調試過程中發現系統長時間運行時DTU有死機的現象，主要原因是給DTU供電的電源不穩定，另外DTU在配置好后應關閉回饋顯示，因為在啟動時會產生大量的串口數據從而影響測量數據的準確性。經改進系統設計后，實驗結果證明此系統能完成對信號的測量和數據傳輸的功能以及異常報警功能。基于嵌入式GPRS的遠程監控系統相對于傳統基于有線連接或者GSM短信的監控系統具有很多優勢特性，如實時性強、永遠在線、通信費用低，支持本地或者遠程固件升級，可操作性好等優勢，在實時遠程監控系統中將會得到廣泛的應用。

［1］洪耀球，李香泉，劉浪.基于MSP430F149的電動轎車電控系統設計［J］.制造業自動化，2011(4):124－127.

［2］高春艷，劉彬彬，王斌.Visual Basic開發技術大全［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［3］陳強，強寶民，蔣威.基于ProDave的PLC數據采集系統的設計［J］.儀表技術，2008(5):35－36.

［4］姜拓，張劍平.基于C#的數據采集系統上微機軟件設計與實現［J］.電子測試，2009(9):58－60.