基于GPRS的變壓器在線實時監控一體化設計

楊　興，崔鵬飛，盧　濤，邰振躍，張　謙

（國網山東青島市黃島區供電公司，山東　青島　266400）

基于GPRS的變壓器在線實時監控一體化設計

楊興，崔鵬飛，盧濤，邰振躍，張謙

（國網山東青島市黃島區供電公司，山東青島266400）

針對當前變壓器數量多、地理位置分散、通信距離遠等問題，以ARM7為核心運算單元，以GPRS為通信方式設計一套在線實時監控變壓器參數的方案，介紹監控系統軟、硬件設計，并進行實驗室仿真試驗，驗證系統硬件設計的準確性與可靠性。

GPRS；集中控制器；數據采集終端；ARM7

0　引言

由于變壓器數目多、地理位置分散、通信距離遠，實現電力系統在線實時監控比較困難。隨著電力配套工程的不斷完善，信息網絡及各種應用系統得到大力發展。電力專用通信網和電力企業局域網（LAN）一般采用電話線、通信電纜等通信手段，但是這些通信方式存在著覆蓋率窄、組網成本高、維護工作量大等不足［1］。采用GPRS作為通信手段，將現代通信技術、電能測量技術結合在一起，設計一套變壓器在線實時監控系統。

監控系統硬件部分主要包括集中控制器和數據采集終端兩部分，集中控制器的一端通過RS232連接管理軟件，另一端連接GPRS網絡，主要實現管理軟件和GPRS網絡之間的數據傳輸；數據采集終端的一端通過RS485連接配變電監控終端，另一端連接GPRS網絡，主要實現GPRS網絡和表計之間的數據通信，同時接收GPRS集中控制器轉發的管理中心指令，實現對配變電監控終端數據的實時采集，為電力的專業分析（如負荷預測、線損分析、故障判斷、線損分析、用電質量分析等）提供實時數據，進而提高電網運行的經濟性和安全性。

1　GPRS網絡技術

通用分組無線服務技術 （General Packet Radio Service）［2］，是全球移動通信用戶常用的一種移動數據業務。網絡原理如圖1所示。

圖1　GPRS網絡結構

GPRS是利用分組交換概念發展出來的一種無線數據傳輸方式，它采用與GSM相同的調頻規則和標準，利用的頻段、頻段寬度、TDMA幀結構也和GSM相同。此外GPRS還利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，可以有效地傳輸高速數據和信令并且能兼容GSM網絡［3］。

GPRS將8個時隙組合在一起，提供171.2kbit/s的帶寬，傳輸速度提高10倍，傳輸數據量和速度得到提高。

GPRS是一種面向非連接的技術，用戶只有在收發數據時才需要保持與網絡的連接，閑置狀態時不需要建立網絡連接［4］，這樣可以節省GPRS流量，與電路交換方式相比，可以節省有限的信道資源。因此GPRS網絡能夠提高頻段利用率，避免網絡資源的浪費。

2　硬件設計

2.1硬件結構

該系統的硬件平臺由 GPRS模塊、微控制器LPC2132、電平轉換模塊、電壓轉換模塊、配變電監控終端和電源組成，如圖2所示。

圖2　系統的硬件結構

主控制器LPC2132是一個具有嵌入式跟蹤和實時仿真的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，帶有64 kB的嵌入高速Flash存儲器［5］、2個32位定時器、1個10位A/D轉換器、1個10位D/A轉換器、47個GPIO、6路PWM通道及9個邊沿或電平觸發的外部中斷，非常適用于控制系統，其存儲器接口帶有128位寬度和其自身獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。在系統中微控制器有兩方面的作用，一是將配變電監控終端采集到的電流、電壓、無功功率、有功功率等參數利用其串口傳輸到GPRS模塊；二是處理管理軟件發送到GPRS模塊的命令，并通過串口發出AT指令來判斷GPRS模塊是否有新消息［6］，如果有新消息，則立即進入串口中斷，對接收來的數據進行處理。

2.2GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用內嵌 TCP/IP協議棧的SIM300C，SIM300C是一款可以在3種頻段下工作的GPRS模塊，利用AT指令可以設置其頻段頻率，默認頻段是EGSM900和DCS1800。SIM300C可以提供10～20個GPRS信道類型，具有CS-1、CS-2、CS-3和CS-4 4種GPRS編碼方案，監控終端采集數據或管理軟件發送的命令經過微處理器LPC2132處理后通過串口傳輸到SIM300C模塊中，SIM300C再將數據利用與其連接的天線發射出去，實現配變電監控終端與管理中心之間的數據通信。SIM300C的外圍電路主要包括電源供電電路、串口、音頻接口、天線接口、SIM卡接口、顯示接口、鍵盤接口等，SIM300C的外圍電路如圖3所示。

圖3　SIM300C外圍電路

圖4　SIM卡接口電路

使用SIM300C收發信息、傳輸GPRS數據，必須準備1張可用的SIM卡，并將其放入SIM300C的SIM卡座中。SIM卡內部邏輯電路與移動終端的連接通過SIM卡面上的覆銅接口來實現。SIM卡主要完成2種功能，一是對數據進行存儲，二是授權身份和利用加密算法對信息進行處理。圖4即為SIM300C控制SIM卡的電路原理圖。

3　軟件設計

使用AT指令向SIM300C發送命令，通信傳輸模式為透明傳輸，透明模式下建立連接后，GPRS模塊就會進入數據模式，所有從串口接收到的數據都被封裝成數據包通過天線轉發出去。AT指令提供了數據在傳輸過程中，數據模式和命令模式之間切換的方法。

3.1集中控制器的軟件設計

GPRS集中控制器主要負責管理軟件與SIM300C模塊的通信，同時完成對GPRS模塊的初始化及與GPRS數據采集終端的之間通信的連接工作。管理軟件與微控制器通過RS232接口連接，將管理中心的抄表命令通過串口1傳輸到微控制器，再通過微控制器的串口0傳輸到SIM300C，SIM300C利用天線將數據發送出去。圖5為GPRS數據集中器軟件設計流程圖。

3.2數據采集終端的軟件設計

數據采集終端主要負責現場采集終端與GPRS模塊的通信，同時完成對GPRS模塊的初始化及與GPRS集中控制器通信的連接工作。微處理器LPC2132具有2個串口，既能向GPRS集中控制器收發數據，又能向監控終端收發數據。監控采集終端與微控制器通過RS485總線連接，將采集到的數據通過串口1傳輸到微控制器，再通過微控制器的串口0傳輸到SIM300C，SIM300C利用天線將數據發送出去。圖6為數據采集終端軟件設計流程圖。

4　測試結果

基于GPRS的變壓器在線實時監控一體化系統已在實驗室進行了模擬測試。

首先測試的是串口部分，對LPC2132的兩個串口進行調試，包括其發送和接收。圖7為將串口0發送的數據通過串口1接收并將結果顯示出來的界面。將PC機通過串口連在硬件設備留出的232接口上，向單片機發送數據，微處理器將收到的數據再發回PC機，從結果上看出，發送的13個數據都能夠被成功的接收，正確率達到了100%，實現了GPRS通信功能。

圖5　GPRS數據集中器　工作流程　

圖6　數據采集終端　工作流程

圖7　串口調試界面

其次，對SIM300C進行調試，設置GPRS連接方式 （命令為AT+CIPCSGP=1，“CMNET”）；設置UDP端口號為20（命令為AT+CLPORT=“UDP”，“20”）；啟動TCP任務（命令為AT+CSTT）；激活場景（命令為AT+CIICR）；獲得本地IP地址（命令為AT+CIFSR），如圖8～10。

圖8　GPRS接入

圖9　發送短信

圖10　解析短信

圖9中，AT+CMGF=1表示設置短信發送格式為文本模式，AT+CMGS=“+8615969806482”表示設置目的SIM卡號碼，即短信的接收方號碼，＞號后輸入短信內容，Ctrl+Z輸入完畢后發送，返回+CMGS：208表示發送成功。

圖10中“+CMTI：“SM”，8”表示收到一條短信，存儲地址為8；“AT+CMGR=8”表示讀取存儲地址為8處的短信。下面兩行是SIM300C返回的短信信息，包括短信的發送者號碼和內容。可以看出收到的IP地址為192.168.100.101，將其讀取出來保存在單片機里即可。

5　結語

該系統操作簡單，易于使用，界面友好，工作人員只需具備基本的電腦操作技能即可使用；信息及時可見，數據庫更新及時，為電力系統工作人員提供最新的數據；功能齊全，該系統可提供信息管理、自動抄表、報表查詢等功能，最大限度的滿足要求。

［1］張忠會，章璟，歐峻彰.基于GPRS的一種新型電力系統在線檢測系統的設計［J］.電力系統保護與控制，2010，9（38）：105-108.

［2］呂捷.GPRS技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2001.

［3］陳凱旋，謝海滔.GPRS原理及應用［J］.鐵道通信信號，2003（7）：30-33.

［4］黃宇紅，孫少陵.通用分組無線業務（GPRS）［J］.電信科學，2000，10 （5）：7-10.

［5］周潔，楊心懷.32位RISC CPU ARM芯片的應用和選型［J］.電子技術應用，2002（8）：50-52.

［6］林晨.基于GPRS的無線監控系統［J］.太原城市職業技術學院學報，2007，10（5）：141-142.

Design of Transformer Integrated Real-time Monitoring System Based on ARM7 and GPRS

YANG Xing，CUI Pengfei，LU Tao，TAI Zhenyue，ZHANG Qian
（State Grid Huangdao Power Supply Company，Qingdao 266400，China）

In view of problems such as the large number of current transformers，the dispersion of locations，and the long communication distances，a real-time online monitoring system is designed for transformer parameters with ARM7 and GPRS as computing center and way of communication respectively.Designs of hardware and software are introduced.Results of simulation test verify the accuracy and reliability of the system.

GPRS；integrated controller；data acquisition terminal；ARM7

TM734

B

1007-9904（2015）09-0060-04

2015-06-26

楊興（1987），女，從事電力系統通信研究工作；

崔鵬飛（1986），男，從事電網電壓監測工作；

盧濤（1981），男，工程師，從事變電檢修工作；

邰振躍（1970），男，從事輸電檢修工作；

張謙（1981），男，從事配網檢修工作。