基于GPRS的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

姜 德，徐曉冬，薛 松，張 華（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

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基于GPRS的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

姜 德，徐曉冬，薛 松，張 華
（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

摘要：針對電能傳輸中電力電纜的劣化對影響電力系統(tǒng)正常運行的問題，設計了一種基于GPRS的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)。以STM32為控制核心，利用外設電路構成了電流、電壓和溫度的信號采集電路，并通過GPRS網(wǎng)絡和PC機監(jiān)測終端進行通信。經(jīng)過大量的實驗和現(xiàn)場調(diào)試，電纜監(jiān)測系統(tǒng)達到了預期效果。系統(tǒng)實現(xiàn)了對電纜運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測，為設備的安全和工作人員的人身安全提供了保障。

關鍵詞：在線監(jiān)測；電力電纜；安全；GPRS

0 引言

電力電纜接地線的在線監(jiān)測技術日益受到人們的關注，國內(nèi)外都進行了大量研究［1－3］。電纜在運行過程中將流過一定的電容電流，在劣化過程中其電容量將呈增大趨勢［4－6］，其終端的金屬外殼接地線上電流和電壓也將增大。因此，通過在線監(jiān)測電力電纜終端的金屬外殼三相接地線的電流、電壓和電纜外殼的溫度［5－7］，即可實時監(jiān)測電纜的運行狀態(tài)，對電纜進行適當、及時的維護檢修，保證電纜安全可靠運行，避免對人身安全和電纜的壽命造成影響［3］。

傳統(tǒng)的電力電纜停電預防性試驗方法，需要對電纜及電纜的供用電客戶停電，耗費大量的人力物力，試驗周期長、靈活性較差，不適應社會和企業(yè)的要求［1，8］?，F(xiàn)有的一些在線監(jiān)測系統(tǒng)有的針對局部放電現(xiàn)象進行監(jiān)測，節(jié)省資源、使用方便，但其通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冸娬镜谋O(jiān)控室內(nèi)［9］，會增加成本。因此，本文提出了一種更加經(jīng)濟簡潔的基于GPRS的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)分為兩部分，監(jiān)控中心的上位機監(jiān)測終端部分和前端的下位機監(jiān)測部分，監(jiān)測終端接受各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，并進行顯示和存儲。如有異常數(shù)據(jù)或者報警信息，則啟動無線遠傳裝置把報警信息發(fā)送到移動裝置上，提示相關人員及時做出檢修。下位機監(jiān)測部分，主要包括護套環(huán)流實施監(jiān)測裝置、電壓監(jiān)測裝置、電纜溫度監(jiān)測裝置、防盜報警裝置，以及無線收發(fā)裝置等。

下位機采集單元與上位機監(jiān)測終端是通過GPRS網(wǎng)絡傳輸進行通信。GPRS是通用分組無線業(yè)務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務［10，11］。

每個前端采集單元需要一個單獨移動設備的SIM卡，通過GPRS網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務器只需要一個獨立IP地址，通過公網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。信號采集時，由數(shù)據(jù)服務器發(fā)送采集命令，設置各種參數(shù)，逐次采集所有監(jiān)測點的各個信號，經(jīng)過處理后，通過無線網(wǎng)絡上傳到服務器，由服務器發(fā)送給遠程監(jiān)測終端，然后負責將數(shù)據(jù)存儲統(tǒng)計，生成報表及趨勢圖，同時顯示報警信息進行分析，將計算后的數(shù)據(jù)保存到中心數(shù)據(jù)庫。電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

圖1　電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)方案圖

2 系統(tǒng)硬件設計

電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分主要由電源管理單元、主控最小系統(tǒng)單元、電流信號采集電路、電壓信號采集電路、溫度采集電路、門磁開關和報警電路以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，系統(tǒng)下位機框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)下位機框圖

本方案系統(tǒng)的硬件實物圖如圖3所示。主控選用STMicroelectronics公司的STM32系列STM32F103ZET6。內(nèi)核為Cortex?M3，工作頻率是72 MHz，內(nèi)部含512 K字節(jié)的FLASH和64 K字節(jié)的SRAM。在Keil μVision4集成開發(fā)環(huán)境下，使用RealView MDK編譯器和編程器JTAG，可以方便地下載和在線調(diào)試。其片內(nèi)外設的資源豐富，性能和加密性遠遠好于一般的51單片機。例如，本系統(tǒng)中ADC通道采集數(shù)據(jù)是重要部分，而該MCU片內(nèi)含3個18通道的12位逐次逼近型ADC硬件模塊，給硬件設計帶來了方便。文中用到了6路ADC采集通道。

所采集的接地電流范圍為三相交流0～100 A，電壓也是三相交流0～50 V。這樣的交流電流和電壓無法直接測量，因此使用間接測量法。分別采用電流互感器和電壓互感器感應出二次電流和電壓，再經(jīng)整流芯片轉(zhuǎn)換為直流參數(shù)進行測量，必要時加上運算放大器進行放大后再測量。

圖3　系統(tǒng)硬件實物圖

文中采集的接地電纜外殼溫度范圍約為－20 ～60℃，因此本文采用一種數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20是由DALLAS半導體公司推出的一種單總線接口的溫度傳感器，測量溫度范圍為－55～＋125℃，精度為±0. 5℃。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，其具有經(jīng)濟簡潔的特點，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

還有一個相當關鍵的部分就是GSM／GPRS通信的實現(xiàn)。由于本系統(tǒng)需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程終端，并且在監(jiān)測指標超標的情況下發(fā)送短信通知維修人員，因此選擇SIM900A模塊。SIM900A是SIMCom公司推出新款緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM／GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ?S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。更關鍵的是，SIM900A內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，通過MCU的串口給其發(fā)送相應的AT指令能實現(xiàn)TCP／IP通訊功能，用起來更加方便和高效。

3 系統(tǒng)軟件設計

3. 1 上位機軟件設計

上位機遠程監(jiān)測終端是用Python語言編寫，調(diào)用Python開源庫里面的各種功能模塊。監(jiān)測終端簡潔友好，使用方便，如表1所示。

表1 監(jiān)測終端顯示功能表

___設備號　　電流／A　　電壓／V　　溫度／℃001　56. 01　0. 14　8. 3 55. 82　0. 15　8. 6 55. 24　0. 08　8. 6 9. 1 002　56. 36　0. 22　9. 4 56. 82　0. 19　9. 0 56. 20　0. 14　8. 8 ____________________________________________________15._4

3. 2 下位機軟件設計

3. 2. 1 算法的設計

由于電流和電壓采集采用的是間接測量法，因此ADC采集到的數(shù)據(jù)需根據(jù)硬件電路結(jié)構編寫算法，再經(jīng)過算法換算才能得到實際值。圖4、圖5分別為電流、電壓信號采集電路圖。

圖4　電流信號采集電路圖

如圖4所示，由電流信號采集電路的結(jié)構和采集原理，可以得到式（1）：

式中：adcx＿I為采集電流的ADC通道得到的值；ΔU＝UREF＋－UREF－；UREF＋為參考電壓正端；UREF－為參考電壓負端；n為單片機ADC的位數(shù)；Rs1為采樣電阻阻值；K為電流互感器的變比；I為最終得到的電流值。推導得到電流值的公式如下：

由圖5可得到電壓等式如下式：

式中：adcx＿U為采集電壓的ADC通道得到的值；Rs2為采樣電阻值；Gain為運放增益；Rc為限流電阻值；U為最終得到的電壓值。

推導得到電壓的公式如式（4）所示：

圖5　電壓信號采集電路圖

溫度采集部分是直接測量，但從數(shù)字溫度傳感器得到的數(shù)據(jù)也需經(jīng)過換算，公式如下：

式中：T為最終的溫度值；TH為從溫度傳感器采集到的高八位數(shù)據(jù)；TL為低八位數(shù)據(jù)。

由于ADC采集到的數(shù)據(jù)具有隨機誤差，因此這里采用均值濾波的方式消除隨機誤差。

3. 2. 2 控制程序的設計

下位機的控制程序分為系統(tǒng)的初始化、ADC數(shù)據(jù)和溫度的采集、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、門磁異常報警以及數(shù)據(jù)超標發(fā)短信報警幾個部分?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖6所示。

圖6　下位機程序流程圖

由圖6可知，系統(tǒng)的初始化主要是對STM32的片內(nèi)外設進行初始化，包括I／O口、ADC模塊、串口和GPRS模塊等。

系統(tǒng)初始化完成以后，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法轉(zhuǎn)為實際值后，由MCU控制GPRS模塊經(jīng)GPRS網(wǎng)絡將其發(fā)送至上位機，并檢測網(wǎng)絡連接是否正常，不正常則重新連接。

如果電流、電壓和溫度中的某一項超標，則會產(chǎn)生報警。報警分為兩種方式：一是上位機界面顯示報警；另一方面下位機會通過GSM模塊，定時發(fā)送報警短信到預設的移動設備上。

為了讓門磁報警及時可靠，本設計將MCU的外部中斷用于門磁信號報警。一旦下位機接地箱箱門被非法打開，MCU檢測到中斷信號，將會立即報警。報警有兩種方式：一是上位機界面顯示門磁被打開；另外喇叭會發(fā)出刺耳響聲［12，13］。

4 結(jié)果分析

4. 1 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

由于本系統(tǒng)軟硬件具有一定復雜程度，調(diào)試過程中難免會暴露問題。在經(jīng)過多次修改和調(diào)試之后，終于達到了預期的效果。系統(tǒng)在現(xiàn)場調(diào)試時軟件終端生成的電流曲線圖如圖7所示。

圖7　電流曲線圖

圖7中，橫坐標表示采集電流的時間，s；縱坐標表示電流的大小，A。這里以電流采集的曲線圖為例，電壓和溫度曲線圖也與其類似。系統(tǒng)每間隔5 s采集一次數(shù)據(jù)，曲線直觀地反映了參數(shù)的變化趨勢，便于監(jiān)控人員察覺異常情況?，F(xiàn)場采集的電流值大小約為56 A，由表1和圖7可知本系統(tǒng)的采集精度較高。

4. 2 測試結(jié)果分析

調(diào)試過程中，對各種不同的狀態(tài)進行一一測試。由軟件終端存儲所采集各參數(shù)的數(shù)據(jù)，并生成參數(shù)的部分數(shù)據(jù)報表，如表2所示。

表2　各參數(shù)部分數(shù)據(jù)表

由表2可看出，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存及時，管理方式合理，有利于研究人員做進一步調(diào)查和數(shù)據(jù)挖掘。最終得出結(jié)論，本系統(tǒng)實現(xiàn)了在線實時監(jiān)測，報警及時，運行穩(wěn)定。且即使網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，也能自動連接，即系統(tǒng)對網(wǎng)絡故障狀態(tài)能實現(xiàn)自恢復。實踐證明，設計集成度高，體積小，采集精度、時間等也均能符合要求，適合運用到實際。

4. 3 特色和創(chuàng)新

（1）本系統(tǒng)是全自動的設備，無需依賴運行人員持相關儀器人工監(jiān)測的方式，能高效、實時地反映接地電流等指標，方便地進行主網(wǎng)電纜線路的健康水平監(jiān)測。

（2）GPRS能定時檢測網(wǎng)絡連接情況，防止網(wǎng)絡意外斷開時，能夠重新自動連接。

（3）本電纜監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)一主多從通信，可以有多個下位機同時向上位機傳輸數(shù)據(jù)，只需要區(qū)別設備號。

（4）上位機能根據(jù)日期，自動將下位機采集到的數(shù)據(jù)以Excel表格形式保存到PC機的固定文件夾下，方便相關人員隨時調(diào)查。

5 結(jié)論

（1）本文介紹了對電纜運行時進行監(jiān)測的相關原理，并依據(jù)其設計了電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括上位機和下位機兩個部分。上位機監(jiān)測終端主要實現(xiàn)界面的顯示和數(shù)據(jù)的處理；下位機部分由硬件電路以及控制程序和算法組成，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、與上位機的通信以及一些報警情況的處理。

（2）該系統(tǒng)克服了人工巡檢和預防性試驗的弊端，可有效解決無法實時遠程監(jiān)測的問題，具有節(jié)省人力物力和使用方便等優(yōu)點。

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Design of Online Monitoring System of Cable Based on GPRS

JIANG De，XU Xiaodong，XUE Song，ZHANG Hua

（School of Optical?Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：In view of the problem that deterioration of the power cable in the electric power transmission affects the normal operation of the power system，an on?line monitoring system of cable based on GPRS is designed．It takes STM32 as a control core，constructs the signal acquisition circuit of current，voltage and temperature with peripher?al circuit，and communicates with the PC monitoring terminal by GPRS network．After a large amount of experi?ments and on?site debugging，the effect of the cable monitoring system is satisfactory．It has realized the remote re?al?time monitoring of the cable，and guarantees the safety of equipment and personal staff．

Keywords：online monitoring；power cable；safety；GPRS

作者簡介：姜德（1991－），男，碩士研究生，研究方向為控制科學與工程，E?mail：503302865＠qq. com。

收稿日期：2015－11－06。

中圖分類號：TM769

文獻標識碼：A

DOI：10. 3969／j. issn. 1672-0792. 2016. 01. 014