基于GPRS無線通信的配電網過電壓錄波裝置的設計與實現

鄭　濤　張　翔　楊耿杰　李　群（. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 35008；. 國家電網福建長樂市供電有限公司，福建 長樂 35000）

?

基于GPRS無線通信的配電網過電壓錄波裝置的設計與實現

鄭濤1張翔2楊耿杰1李群2
（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108；2. 國家電網福建長樂市供電有限公司，福建 長樂 350200）

摘要本文提出了基于GPRS無線通信的配電網過電壓錄波裝置的設計方法。硬件設計上由控制單元、采樣單元、通信單元組成。軟件設計上，將程序劃分為采樣程序、閾值判斷程序、數據重組程序以及數據傳輸程序。分析了裝置在GPRS通信中產生數據流量，提出了相應的流量控制策略。實驗以及現場運行結果表明，裝置運行穩定，抗干擾能力強，能夠精確地采集和完整地上傳過電壓數據。

關鍵詞：配電網；過電壓；故障錄波；流量控制

The Design of Over-voltage Recorder based on GPRS Communication in Distribution Networks

Zheng Tao1Zhang Xiang2Yang Gengjie1Li Qun2
（1. College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou350108;
2. State Grid Fujian Changle Electric Power Supply Company Limited Changle， Changle， Fuzhou350200）

Abstract An over-voltage wave record device that is based on GPRS communication mode is designed. It is composed of the control unit， the sampling unit， the data transmission unit. The software consists of sampling procedure， threshold detection procedure， the data reorganization procedure and the data transmission procedure. Device in GPRS communication of data flow is analyzed， and the corresponding data flow of control strategy is designed. The results of the test and field operation show that the over-voltage recording terminal has the advantages of running stability， strong anti-interference ability， collecting voltage accurately and sending data completely.

Keywords：distribution networks; over-voltage; fault recorder; flow control

現代配電網系統中，過電壓現象時有發生：在投切電容器組過程中，由于電容充電、斷路器電弧重燃、合閘彈跳等因素引起操作過電壓[1-2]；單相接地故障時，若接地電流較大接地電弧難以自行熄滅，出現間歇性弧光過電壓[3-4]；在配電網產生瞬時沖擊時，PT發生飽和，導致PT的等效電感與線路的對地電容在一定程度上匹配，產生諧振過電壓[5-6]。對于不同過電壓類型，處理的要求也不同，如單相接地故障允許系統繼續運行兩個小時，而發生鐵磁諧振過電壓時必須立即切除故障，因此故障過電壓監測和類型識別是十分重要的。

現有的過電壓監測裝置主要是就地型，而過電壓信號中存在著復雜的特性信息，最好能將信息記錄下來，由主站進行識別[7-9]。本文設計了一種配電網過電壓錄波裝置（以下簡稱“過電壓錄波裝置”），它能準確記錄故障的暫態信息、故障波形和發生時刻，通過通信網絡將信號傳送給主站進行分析。

考慮到配電網系統通信條件的限制，過電壓錄波裝置支持GPRS通信方式（同時保留了有線以太網通信接口）。在與主站通信時，過電壓錄波裝置作為客戶機，用戶可通過短信修改主站服務器的IP地址和通信方式。若裝置發生了通信故障，報文與短信都無法傳輸，則用戶可在現場通過RS484接口查看裝置的運行狀態信息并進行故障處理。

1　設計方案

過電壓錄波裝置由控制單元、采樣單元、數據傳輸單元組成，負責處理電壓互感器輸出的信號，完成信號的調理、采樣、存儲和傳輸的功能，結構如圖1所示。

圖1　裝置結構

2　硬件設計

2.1控制單元選型

控制單元需要3個SPI串口與采樣芯片、以太網芯片以及存儲芯片實時地交互數據；需要2個USART串口與GPRS和RS485模塊進行連接；能夠快速的采集數據并通過交流采樣算法計算幅值。

意法半導體公司生產的STM32F407芯片具有Cortex-M4內核，3個SPI，3個USART。芯片由外部8M晶振提供時鐘源，經過內部倍頻后可達168M，并且擁有1MB的程序存儲器，192kB的靜態隨機存儲器（SRAM）和4kB的備份存儲區，完全可以滿足復雜以及多任務的程序設計[10-11]。該芯片還可以支持部分DSP功能，通過調用DSP庫，可以實現濾波處理、矩陣處理、FFT變換等數據處理。

2.2GPRS模塊應用

GPRS模塊選擇中興ME3000，它支持AT指令，內嵌TCP/IP協議[12]。模塊的上行速率為42.8kbps，下行速率在85.6kps，發射功率為2W。

如圖2所示，VIN與GND為電源引腳，電壓范圍在3.3～4.25V；RXD與TXD為串口的收發引腳，CPU可通過串口直接實現數據的互聯，不必執行繁瑣的網絡協議；RESET為復位引腳，在開機2s后，給該引腳提供不小于500ms的低電平脈沖使之復位（該引腳如果不使用必須懸空）；ON/OFF為關機引腳，若要關機，必須提供2000～5000ms的低電平脈沖。

圖2　GPRS接口電路

UIM_VD、UIM_DAT、UIM_CLK與UIM_RES引腳連接到SIM卡接口上，如圖3所示。中興模塊通過UIM_DAT引腳與SIM卡交互數據；UIM_VDD為電源引腳。考慮到不同的SIM卡的工作電流存在較大的的區別，UIM_DAT引腳通過10k?的上拉電阻連接到UIM_VDD。

圖3　SIM卡接口電路

2.3以太網模塊應用

以太網模塊采用韓國WIZnet生產的W5200模塊，其支持硬件的TCP/IP協議以及高速的SPI傳輸接口。如圖4所示，MISO、MOSI、SCLK、NSCS分別為SPI的接收、發送、時鐘和片選引腳；nINT是外部中斷引腳，正常狀態下是高電平，接收到數據后會輸出一個負的脈沖，可以通過中斷方式判斷是否接收到數據；nRESET是芯片的復位引腳，低電平復位。

圖4　以太網模塊接口電路

3　通信規約設計

3.1通信流程

在通信鏈路建立后，主站與監測裝置的采用應答機制的平衡式通信。終端先發送心跳包，主站接收后發送確認報文。當需要裝置執行非數據類型操作如對時，修改閾值等，主站發起命令，終端回復確認報文。當執行的是數據類型報文傳輸時，終端發起數據傳輸，每發送一個數據報文，主站回復一次數據確認報文。通信流程見圖5所示。

圖5　主站與裝置通信流程

3.2與主站規約設計

裝置與主站的通信命令有電壓數據召測、對時、系統重啟、電壓起動閾值設置、數據自動上傳設置等。與以太網通信相比，GPRS通信需要在空閑時傳輸心跳包。

正常情況下，主站與裝置通過心跳包保持聯系，格式見表1。裝置識別電壓越限后，主動向主站發送數據報文，格式見表2。若裝置連續多次沒有收到主站的心跳包，會斷開連接并重新向主站發起連接，直至成功連接。功能碼見表3。

表1　心跳包報文格式

表2　電壓數據報文格式

表3　功能碼信息

3.3短信規約設計

中興ME3000模塊可支持短信服務，CPU通過向串口USART2發送AT指令可實現對短信的確認、讀取、發送、刪除以及號碼設置等操作。裝置收到短信后，根據規約判斷短信報文，一致則回復短信響應報文，否則不應答。短信規約見表4。

表4　短信規約設計

3.4串口通信規約設計

當系統無法進行報文與短信傳輸時，用戶可以在現場利用裝置上RS485-USB轉接口實現與個人電腦的通信。通過串口調試軟件顯示當前裝置運行狀態信息，并可以發送一定格式的報文命令裝置進行自檢。串口規約見表5。

表5　串口規約設計

4　GPRS數據流量分析

4.1流量分析

相比較以太網通信按照時間的計費方式，GPRS通信是以統計數據流量實行計費。不僅如此，移動公司還對數據流量計費實行了一些限制：對設備在線空閑時間限制、流量不一定按照實際使用流量計費[13]。

在傳統移動GPRS數據流量計費中，用戶使用流量不足1KB則按照1KB計算。假設監測裝置使用GPRS通信并建立TCP/IP連接，每180s傳輸一次心跳包以保證通信鏈路不被斷開，可計算出1天需要流量960KB，1個月需要流量28M。現在數據流量套餐雖然可以滿足上述流量需求，但是考慮到裝置安裝地點可能信號不佳，心跳包傳輸間隔時間小于180s；并且在無法與主站進行通信時，裝置在短時間內發送通信連接請求，會產生大量額外流量。所以實現GPRS流量控制是十分必要的。

4.2數據流量控制策略

數據流量控制策略分為心跳包傳輸時間控制、通信連接請求控制與定時休眠控制三個部分。

1）在通信鏈路建立初期，為了保證裝置穩定占用通信信道，心跳包的傳輸時間間隔可設為30s。經過1h后，若通信鏈路依舊穩定，則將心跳包傳輸間隔時間每1h增加30s，直至240s。

2）當通信鏈路不穩定時，裝置無法連接至主站，將每10s發送1次連接請求。若在1h內無法連接主站，則裝置將停止發送連接請求并發送休眠提醒短信至用戶，進入休眠狀態。

3）裝置進入休眠狀態后，會等待用戶短信退出休眠指令，直至4h后自動退出并重新發送連接請求。

5　軟件設計

5.1主程序設計

裝置的主程序模塊分為采樣、閾值判斷、數據重組以及數據傳輸四個階段，流程圖如圖6所示。

圖6　主程序流程圖

1）利用CPU定時器2與外部中斷實現10kHz的采樣頻率。設置定時器中斷周期為0.1ms，在中斷函數中開啟AD轉換；利用外部中斷監測AD轉換是否完成，并在中斷函數中讀取采樣數據；

2）閾值判斷程序是在每次采樣后將電壓的采樣值與設定的閾值進行比較；

3）在發生過電壓故障后，數據重組程序將重組采樣程序中的數據緩存數組，實現記錄故障前2個周波、故障后8個周波的電壓數據；

4）在完成數據重組后，將封裝數據信息并通過以太網或GPRS將數據傳輸給主站。

5.2閾值判斷起動設計

利用三相五柱式電壓互感器三相電壓與開口三角側零序電壓值作為閾值判斷對象。當任意一相電壓或者零序電壓有1個采樣點超過閾值，若其后20個點的平均值也超過閾值，則裝置將起動數據傳輸。

5.3數據重組設計

采樣數據緩存區長度為4800，每單位長度占用1個字節的存儲容量，一個電壓數據占用2個字節。根據10kHz的采樣頻率可計算出一個數據緩存區存儲了12個工頻周波的數據。然而定義的數據緩存區是有限的，當采樣點數超過2400點后，新的的數據將覆蓋緩存區，導致數據信息在時間上是非連續的。而過電壓數據必須按照時間的順序傳輸，所以就必須進行數據重組。

當判斷發生過電壓后，裝置將繼續采樣直至數據覆蓋緩存區中地址為400的整數倍。設采樣數據緩存區為DataBuffer[4800]、發送數據緩沖區為SendBuffer[4800]和最后數據覆蓋緩存區地址為add。下面將分三種情況來闡述數據重組：

1）當add＜1200。將DataBuffer中起始地址為（4800-3200/add），長度為（3200/add）的數據順序賦值給SendBuffer[0]至SendBuffer [3200/add-1]。最后將DataBuffer中起始地址為0，長度為（3200＋add）的數據順序賦值給緩存區SendBuffer其余部分；

2）當add＜1600≥1200。將DataBuffer中起始地址為（add-800），長度為4000的數據順序賦值緩存區SendBuffer；

3）當add＜4800≥1600。將DataBuffer起始地址為（add-800），長度為（4000-add）的數據順序賦值SendBuffer[0]至SendBuffer[4000-add-1]。接著將DataBuffer起始地址為0，長度為（add-1600）的數據順序賦值給緩存區SendBuffer其余部分。

6　實測波形分析

裝置已安裝與福建省長樂市110kV長限變內三相五柱式電壓互感器二次側，其變比為10kV/100V，并多次采集到過電壓故障波形。圖7和圖8為2015 年4月21日21時02分采集到的故障波形。

圖7　三相電壓故障波形

圖8　零序電壓故障波形

上位機分析得出結論為兩相短路故障與單相接地故障。供電公司確認發生了用戶內部電容器爆炸事故，證明了此次故障活動的存在。從圖7中第11周波前可以看出：BC兩相電壓下降，A相電壓升高，發生了兩相短路故障；第11周波至第14周波，B相電壓呈馬鞍形狀，AC兩相升高為線電壓，發生了B相單相電弧接地故障；第14周波之后，A相電壓降低呈馬鞍形狀，BC兩相升高為線電壓，又發生了A相單相電弧接地故障。

7　結論

本文設計了一種基于GPRS無線通信的配電網過電壓錄波裝置。通過分析裝置在GPRS通信中產生的流量，提出相應的流量控制策略，減少了流量使用。為了準確地記錄故障波形，對采樣數據實現了數據重組。通過所采集到的故障波形、上位機的分析和現場故障確認說明了該監測裝置的有效性。

參考文獻

[1]周海. 電力系統操作過電壓類型識別的研究[D]. 重慶: 重慶大學， 2008.

[2]秦立明， 張明達， 莊建勇， 等. 并聯電容器分閘過電壓過程研究[J]. 華東電力， 2014， 42（5）: 1044-1047.

[3]代姚， 孫才新， 袁濤， 等. 采用過電壓波形識別的單相接地暫態過電壓抑制方法[J]. 高電壓技術， 2010，36（5）: 1136-1142.

[4]譚術， 侯世英， 肖旭. 10kV系統單相接地弧光過電壓的仿真與實例分析[J]. 電工技術， 2013（9）: 58-60.

[5]張海斌. 3～10kV中性點不接地系統鐵磁諧振過電壓的識別[J]. 電工技術， 2012（9）: 59-60.

[6]楊鳴， 司馬文霞， 段盼， 等. 鐵磁諧振過電壓柔性控制的試驗研究[J]. 高電壓技術， 2015， 41（2）: 647-653.

[7]黃艷玲， 司馬文霞， 楊慶， 等. 電力系統實測過電壓信號的特征量提取與驗證[J]. 高電壓技術， 2013，39（1）: 60-66.

[8]陳寰. 基于極性鑒別與暫態特征分布特性的電網過電壓識別研究[D]. 重慶: 重慶大學， 2014.

[9]王乃會. 基于LabVIEW的電力系統過電壓監測研究[D]. 成都: 西華大學， 2008.

[10]鄭一維， 李長俊， 吳訊馳， 等. 基于STM32的電能質量檢測技術研究[J]. 國外電子測量技術， 2011，30（6）: 72-74， 78.

[11]張晗. 基于STM32F4的故障錄波系統研究[D]. 天津:河北工業大學， 2012.

[12]李小江， 郭謀發， 高偉. 用于低壓配網負荷及漏電流監控的通信管理機研制[J]. 電工電氣， 2014（5）: 18-22.

[13]尹鋒. 基于GPRS的遠程數據傳輸系統研究和設計[D]. 長沙: 湖南大學， 2009.

鄭濤（1989-），男，福建福州人，碩士研究生，研究方向為配電網及其自動化技術。

作者簡介