GPRS在电能质量实时监测系统中的应用.pdf

* 河南省自然科学基金资助项目（0411015000） gprs在电能质量实时监测系统中的应用在电能质量实时监测系统中的应用 application of gprs in real-time monitoring system of power quality application of gprs in real-time monitoring system of power quality (1. 华中科技大学；2. 河南机电高等专科学校)张新成张新成 1,2 李庆亮李庆亮 1,2 吴相林吴相林 1 zhang,xincheng1,2，li, qingliang1,2，wu xianglin1 摘摘 要要：在电能质量实时监测系统中，由于电能质量的数据量大，监测范围广，传统 的数据通信方式已满足不了系统实时性的要求。 本文提出了基于 gprs 的电能质量实时监测 数据通信的新方案，该方案利用 gprs 的 internet 接入功能，在 internet 上设置一通信服务 器，负责中转主站与 gprs 终端设备之间的通信，实现数据的实时采集与传输，应用结果表 明该方案的有效性。 关键词关键词：gprs；电能质量；实时监测；数据通信；msp430 中图分类号：中图分类号：tp311 文献标识码：文献标识码：b 文章编号：文章编号： abstract: lots of data will be needed in the real-time monitoring system of power quality. data communication mode is not fit for the demand of real time. it utilizes the direct connection between gprs network and internet, setting a server in internet, witch takes charge of the transfer of the communication of the master station and the terminal units. this new system, witch is characterized by higher speed and great data throughput, satisfies the demands for reliability and real time of the data communication. keywords: gprs; power quality; monitoring system; data communication; msp430 1 引言 1 引言 随着供电系统非线性负荷大量增加，这些负荷产生的干扰也愈加严重和复杂，导致电 能质量下降，严重影响敏感用电设备正常工作，并对电网安全运行构成威胁。城市电网对电 能质量和供电可靠性要求非常高，但目前缺乏完善、有效的监测管理手段，加强对电能质量 的监测和管理，对保证城市电网优质供电和可靠运行有重要意义。目前，配电变压器的运行 数据通过配电监测终端进行数据采集， 采集到的数据通过串口传输到上位机中， 传送速度慢， 通信距离短，即使采用 pda（personal data assistant）进行抄录数据，也需要到现场进行操 作，满足不了实时性的要求。由于 gprs 具有速度快、组网灵活、扩展容易、运行费用低， 维护方便、性价比高等特点，能够满足电能质量监测数据量大、面广及实时性的要求。 2 gprs 应用分析 2 gprs 应用分析 gprs（general packet radio service）是在现有的 gsm 系统上发展出来的一种新的 分组数据承载业务，与现有的 gsm 语音系统最根本的区别是，gsm 是一种电路交换系统， 而 gprs 是一种分组交换系统。因此，gprs 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量 的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。 gprs 作为一种先进的、全新的无线网络承载手段，具有独特优势：gprs 引入分组 交换的传输方式， 使用者只要只有在发送或接收数据期间才占有资源， 按实际通信的数据流 量为计费标准，是一种面向使用的计费，计费方式更加科学合理，大幅降低使用成本； gprs 可提供 115kbit/s 传输速率（最高值为 171.2kbit/s） ，能够满足实时性的要求；gprs 提供快速及时的连接，接入时间小于 1 秒，大幅提高数据采集的效率。而且激活 gprs 应用 后，将一直保持在线即激活状态，发送信息时无需重新连接即可申请到无线资源。ip 数据 包通过分组交换技术被分成若干片段， 通过不同的路由以存储转发的方式传送到目的端， 再 组成完整的数据。 数据包可连续发送， 从而能够保证实时传输的可靠性； gprs 支持 internet 上最广泛使用的 ip 协议和 x.25 协议， 提供了一个完备的基于 tcp/ip 协议的通信解决方案， 能够提供 internet 和其它网络的全球性无线接入，真正实现移动办公。目前，gprs 数据传 输终端在工业上许多领域得到了较好的应用， 随着 gprs 在电力系统配电变压器数据采集与 传输中的应用， 对 gprs 数据传输终端有了更高的要求。 数据传输的实时性与可靠性成了设 1 计该系统的关键。 3 电能质量实时监测系统设计电能质量实时监测系统设计 由于 gprs 通信是基于 ip 地址的数据分组通信网络，监测中心计算机主机配置固定的 ip 地址，各个数据采集点采用 gprs 模块和该主机进行通信。 3.1 系统组成系统组成 电能质量实时监测系统由配电监测终端、监测中心与 gprs/gsm 移动数据传输网络等 组成，如图 1 所示。 图 1系统结构图 （1）数据采集 配电监测终端以数字信号处理器 dsp 为核心，采用交流取样技术，集数据采集、无功 补偿、电网参数与分析等功能于一体，可监测的电能质量指标包括：频率偏差、电压偏差、 电压动态变化指标，如电压波动、短时闪变、长时闪变、电压跌落、短时断电、长时断电、 过电压、电压不平衡（负序分量）、电压各次谐波、电流各次谐波、波形畸变率、线路有功 功率、线路无功功率、谐波功率等。采集的数据通过 rs232 接口与 gprs 透明数据传输终 端相连， 通过 gprs 透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、 协议封装后发送 到 gsm 网络。 （2）gprs/gsm 移动数据传输网络 配电监测终端采集的数据经 gsm 网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理， 转 换成在公网数据传送的格式， 通过中国移动的 gprs 无线数据网络进行传输， 最终传送到监 测中心 ip 地址。 （3）监测中心 服务器申请配置固定 ip 地址，采用 ddn 专线，与 gprs 网络相连。监测中心管理软 件负责对数据进行汇总、整理和综合分析。主要包括：监测设备管理功能（设备台帐管理； 设备维护管理；设备历史记录；远方参数设定）、查询统计功能（一次设备查询统计； 重 要负荷查询统计；电能质量监测点查询统计； 历史记录查询统计）、数据分析功能、监测 量变化曲线绘制 （包括电压、 电流基波有效值曲线、 有功功率变化曲线、 无功功率变化曲线、 功率因数变化曲线、系统频率曲线、电压电流总谐波畸变率变化曲线、谐波电压、电流含有 率变化曲线）、统计报表输出（包括电压合格率报表、电流量电压量的最大值和最小值及出 现的时间、频率合格率报表、频率的最大值和最小值及出现的时间、不平衡度越限率报表、 总谐波畸变越限率、奇次谐波越限率、偶次谐波越限率报表）、统计报表输出（月报表、季 报表、年报表）以及高级数据分析及辅助治理方案等分析功能。 3.2gprs 数据传输终端设计数据传输终端设计 3.2.1 硬件设计硬件设计 整个系统的设计内容包括 gprs 数据传输终端的硬件与软件设计、tcp/ip 协议处理、 gprs 数传终端与监测中心的互连、监测中心的网络接入与软件参数设置。gprs 数据传输 终端的硬件组成如图 2 所示。 图 2 gprs 数据传输终端的硬件组成 cpu 采用 msp430f149 单片机， 该单片机属于德州仪器公司 msp430f13x /14x flash 系列。 该系列是一组超低功耗的微控制器， 由多种针对不同应用而以不同模块组成的型号组 成，微控制器可使用电池长期工作，电压范围 1.83.6。由于具有 16 位 risc 结构，16 位寄存器和常数寄存器，msp430 达到了最大的代码效率。数字控制的振荡器提供快速从所 有低功耗模式苏醒到活动模式的能力时间少于 6ms。 msp430f14x 带有两个 16 位定时器 （带 2 看门狗功能） 、速度极快的 8 通道 12 位 a/d 转换器(adc)(带内部参考电压、采样保持和自 动扫描功能)、 一个内部比较器和两个通用同步/异步发射接收器、 48 个 i/o 口(均可独立控制) 的微处理器结构。硬件乘法器提高了单片机的性能并使单片机在编码和硬件上可兼容。 msp430 flash 擦写次数高达 10 万次， 强力抗干扰。 msp430f149 有 60kb 的 flash rom 和 2kb 的 ram。其中 flash 又分为 120 段(每段 512b)的主存储器和两段(每段 128b)的信 息存储器。flash 可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软、硬件设计都带来了极大 的便利和灵活性。 gprs 模块采用 centel 推出的 piml-900/1800 系列模块， piml-900/1800 是 gsm/dcs 双频模块，性能稳定，价格低廉，带 gprs 功能，主要为语音传输、短消息和 数据业务提供无线接口。集成了完整的射频电路和 gsm 的基带处理电路，及充电电路。 gprs 模块与 cpu 之间通过串行口进行通信。 3.2.2 系统软件系统软件 系统软件分上层软件和下层软件两部分。上层软件收到监测中心数据采集命令后，通 过射频无线通讯方式向 gprs 数据传输终端发送命令， 同时开始计时。 如果终端没有数据返 回，超时后上层软件会重新发送命令。如果超过三次仍未有数据返回，则认为是终端工作异 常，向监测中心返回异常信号。 gprs 数据传输终端收到监测中心发来的数据采集命令后， 首先检查地址。 如果地址不 符，说明命令是发给其它模块的，则丢弃命令，继续等待。如果地址符合，则将监测中心发 来的命令转发给配电监测终端，等待数据返回。如果超时则重新发送，超时三次则认为监测 设备故障，向上层返回异常信号。数据正常接收完毕后，模块按照协议规定检验数据，如数 据出现错误， 则重新向设备发送命令， 如果正确则向上层发送数据， 之后重新进入等待状态。 数据帧的协议格式如下： 68 c l d cs 16 其中， 68h 表示数据帧的起始符， 表示 1 帧的开始。 c 为控制码， 占 1 个字节， 取值 09， 分别代表不同的数据帧。l 为数据域的长度，d 为数据域， cs 为校验码，即各字节二进制 位的和。16h 为结束标志，标识一帧的结束。在差错检测方面，字节校验为偶校验，帧校验 为纵向信息校验和， 接收方无论检测到偶校验出错或纵向信息校验和出错， 均放弃该信息帧， 不予响应。数据帧的协议内容见表 1 所示。 表 1 数据帧的协议内容 序号 数据帧名称 控制码 c数据域长度 l 数据域 d 备注 1 掉线重拨次数 0 1 00ff 2 时间间隔 1 2 0000ffff 3 端口地址 2 6 6 位 4 ip 地址 3 16 12 位 5 dns 域名 4 32 32 位 6 tcp 心跳时间 5 2 0000ffff 7 报警手机号 6 16 手机号码 8 振铃唤醒/直接连接 7 1 0/1 9 tcp/dns 8 1 0/1 10 召测参数 9 1 4c 3.2.3 参数设置参数设置 要实现微处理器通过 gprs 模块上网，必须先对 gprs 模块进行参数设置。参数设置 必须断开连接才能进行，通过串口设置以下参数： （1）id 号：gprs 数据传输终端的 id 号，用来区分不同的终端信息。 （2）掉线重拨次数：如果 gprs 数据传输终端设置为直接连接方式上网时，某种意外 使网络断开连接后，终端会在 3 分钟内监测到，并启动网络连接，连接成功时，终端进入正 常的在线通讯状态，否则每隔 30 秒钟重新连接一次，如果连接的次数达到设置值还没有连 3 接成功，则将在重拨时间间隔后开始新一轮的连接。 (3)重拨时间间隔：gprs 数据传输终端试图连接到 gprs 网络上，启动每一轮连接的 时间间隔。 (4)端口地址：监测中心的监测的端口地址，0000-1023 为计算机保留地址，1024-65535 为用户开放地址。 (5)ip 地址：监测中心主机的 ip 地址。 (6)报警手机号：当报警信息发生时，系统通过短消息服务中心将报警信息发送到指定 的手机上。 (7)振铃唤醒/直接连接：指 gprs 数据传输终端连接上网方式。振铃唤醒方式费用低， 但不能保证实时在线，直接连接方式能够保证实时在线，但通讯费用相对较高。 (8)tcp/dns：gprs 数据传输终端连接监测中心的方式。 (9)通信端口设置：gprs 数据传输终端 rs232 支持 1200、2400、4800、9600、19200 速率，可以是无校验、奇校验、偶校验。默认设置参数为 9600 波特率，无校验。 (10)短信中心号码：设置发送短信时，短信中心号码。 4 结论结论 本文作者创新点在于提出了基于 gprs 的电能质量实时监测数据通信的新方案，该方案 利用 gprs 的 internet 接入功能，实现数据的实时采集与传输。目前，该系统已在电力系统 配电变压器数据采集与传输中投入运行， 运行结果表明该系统具有通信实时性强、 可靠性高 等特点，取得了较好的应用效果。随着 gprs 技术应用的不断扩大，将在工业控制领域中有 着较好的应用前景。 参考文献参考文献 1王然， 刘子英， 张有光.石油测井远程数据传输系统的设计与实现j.计算机工程， 2006 （4） ： 236-237 2.李涛， 徐建政.基于 gprs 无线技术的配电变压器监测系统j.电测与仪表， 2004 （6） ： 5557 3.马增强， 燕延， 井海明. 基于 gprs 的数据采集系统的研究j.微计算机信息， 2005 （8-3） ： 104-106 4.田小辉， 李明远，田昕.基于 gprs 的远程无线透传终端系统的设计与实现j.现代电子技 术,2005（4） ：9799 5.lin chinee.wu chih-