（通信与信息系统专业论文）基于gprs技术的氧化锌避雷器在线监测系统.pdf

摘要 襞扼锌避霍器( m o a ) 在运霉 妻程串，其牲戆耨不蘩劣纯。出于其运缮获撼苓 能被及肘了解而引发了相当多的爆炸攀故。遨些事故给当地经济造成了巨大的损 失，圆此实时了解避雷器运行状况尤为重要。 本漂题是耄簿泰科技攻关矮嚣。嚣浆是搿发一套系统裁够怒避雷嚣运往状况 进行般控。经过大量的分析和论证，确定了该系统利用现场检测终端采集避雷器 运行状况参数，通过g p r s 无线传输终端经由g p r s 网络将数据传送到i n t e r a c t 上 服务器。鬏务器采糟数攒痒技采薅数攒进行存褚。篱理受辘够蠢诲保存在缀务器 数据麾中的避雷嚣运行状况参数，同时能够邋过服务器和避雷器现场检测终端通 信。 本文详缀餐述了基予g p r s 技术麓氧纯锌避雷器在线簸测曩统静实现。鞭据 课题疆求研究了避霭器的工作原理及当前的主幕检测方式；研制丁检测避雷器运 行状况的现场检测终端并踅点介绍了其硬件电路；介绍了g p r s 无线传输终端的 工律辗瑾及其在本系统串豹配鬟情况；开发壅了避餐器远程综合信惠管理较俘。 为了避一步提高系统的可靠性，提出了一些抗干扰措施。经过模块调试和整耄嘿调 试发现了一魑问题并及时解决，最终系统能够正常、可靠的运行。论文最后对本 系统豹迸一涉开发稻完善提密了一些震凄。 关键词：氧化锌避霉器，现场检测终端，g p r s 无线传输终端，g p r s 嘲络，数据 库，在线监测 a b s t r a c t i nt h ec o u r s e 藤m e t a lo x i d ea r r e s t e r ( m o a ) o p e r a t i o n 。i t sf u n c t i o nd e g r a d e s c o n s t a n t l y a st h er u n n i n gs t a t eo fm o a c a l ln o tb ek n o w nt i m e l y , m a n ye x p l o s i o n i n c i d e n t sh a v eo c c u r r e d t h e s ei n c i d e n t sb r o u g h th u g el o s s e st ot h el o c a le c o n o m y s o i ti si m p o r t a n tt ok o w nt h er e a l t i m er u n n i n gs t a t eo fm o a 倒sp r o j e c ti st h et a c k l ek e yp r o b l e mo f s c i e n c ea n dt e c h n o n o g yo fc h a n g z h o u 1 1 l ep u r p o s ei st od e v e l o pas y s t e mf o rm o n i t o r i n gt h er u n n i n gs t a t eo fm o a a f t e r a b u n d a n ta n a l y s i sa n dr e a s o n i n g , t h es y s t e mu s e sl o c a lm o n i t o r i n gt e r m i n a lt oc o l l e c t i n f o r m a n t i o no fm o a , t h e nm a k e s 嫩o fg 尹醛w i l e l e s st r a n s m i s s i o nt e m i n a lt o t r a n s m i td a t ao v e rg p l l sn e t w o r kt os e r v e o l li n t e m e t s e r v e s t o r et h ed a t aw i t ht h e t e c h n o l o g yo fd a t a b a s e a d m i n i s t r a t o r sc a l lq u e r yt h er u n n i n gs t a t ad a t ao fm o a i n d a t a b a s eo ns e r v e ra n dc o m m u n i c a t ew i t hl o c a lm o n i t o r i n gt e r m i n a lt h r o u g hs c r v e l 弧i s p a p e r d e t a i l e d l y e x p l m n s t h er e a l i z a t i o n o f g p r s - b a s e d o n l i n e m o n i t o r i n g s y s t e mf o rm o a a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h ep r o j e c t , t h ew o r kc o n t a i n st h e f o l l o w i n gp a r t s ： 1 r e s e a r c ht h ew o r kp r i n c i p l e 蠛m o a a n dt h ec i 珏e o td e t e c t i n gw a y s 。 2 d e s i g no fl o c a lm o n i t o r i n gt e r m i n a lt od e t e c tt h er u n n i n gs t a t eo fm o a a n d i n t o d u c et h eh a r d w a r ec i r c u i to fi t 3 i n t o d u c et h ew o r kp r i n c i p l eo fg p r sw i l e l e s st r a n s m i s s i o nt e m i n a la n dt h e c o n f i g u r eo fi t 4 d e v e l o p er e m o t e - m a n a g es o f t w a r e i no r d e rt oi m p r o v et h ed e p e n d a b i l i t yo fs y s t e m ，t h i sp a p e ra d o p t ss o m em e a s u r e t os o l v ed i s t u r b a n c e 。a f t e rm o d u l ed e b u g i n ga n de n t i r e l yd e b u g i n g , t h es y s t e mc a nr b b n o r m a l l ya n dr e l i a b l y f i n a l l y , t h ep a p e rp r o p o s e ds o m ea d v i c et of a r t h e rd e v e l o pa n d p e r f e c tt h es y s t e m k e y w o r d s ：m e t a lo x i d ea r r e s t e ( m o a ) ，l o c a lm o n i t o r i n gt e r m i n a , g p r sw i l e l e s s t r a n s m i s s i o nt e m i n a l ，g p r sn e t w o r k , d a t a b a s e ，o n l i n em o n i t o r i n g 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取缛酶耢究成果。尽我所籍，除了文中特翔加懿标注窝致谢豹堍方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一阎工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：j 幺龟笙裂一伽庐 多月力甲日 学位论文使用授权说噗 淫海大学、枣匿辩学技术傣意姘究掰、嚣家罄书镶、巾国学本期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印缄其他复制手段保存论文。本人电子文 裆的内容和纸质论文的内容稻一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被囊羹馨繁耀。论文全部或部分蠹容静公毒包菇襄瀣) 授权湃 海大学研究生院拇理。 论文搀者e 签名，：三4 譬址嘴三凳呼 嚣辫天学王学颈士论文 第一章缝论 i l 。1 课题的研究意义 第一章绪论 随着通信技术的快速发展，工业控制可以选择的通信方式犬为增加。传统的 通信方式有串口通信、电话线拨号通信、光纾通信、微波通信、溅星通信、无线 蓝雾逶信、工韭瑷场总线遴售等。这些透售方式各毒爨缺点，瑟苏投摇实酝嚣要 灵滔逸择。丽这死年发簸遇速静g p r s 无线邋薅给入 f 】带来了薪鹃选择。 g p r s 是通用分组光线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，它采用分 组交换技术，在通信的过程中不需要建立和保持电路，可以让多个用户共享某些 固定的信道资源，并且谯移动用户和远端数据网络( 如支持t c p 职、x 2 5 等网 络) 之阅提供一静连接，魏移动用户提供毫遽天线p 程无线x 嬲韭务。g p r s 壁务爨骞接入逐速、永逡褒线、流量谤费等特点旺其在远程突发佳数据实辩祷 输中肖着不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输，所以它被广泛 地成用到现代工业监测和自动化控制系统中1 2 聃。 我国由于避雷器的邋行状况不能被实时了解而引发的爆炸事敞是相当的多， 这些搴故给当地经济造成了巨大的损失，嚣戴蜜时了解避雷器运行状况显得茏为 重簧。童蹩纪蔼年鼗貘寒，金霾氧恁锌避餐器( m o a ) 露为舞霹攀牲藏霆僳护 装嚣凭诺其优异豹技术 ! 差熊取代了传统豹阀戏避雷器，并在我嚣魄力系统上得到 了广泛地应用，为我国的电网过压保护和电力系统的安全供电作出了巨大的贡 献。然而，目前我国采用的m o a 多数为无间隙。在运行期间中，m o a 长期承受 运行电压，并且总有电流邋过m o a 的氧化锌阀片再加上各类过电压以及外界环 凌戮綮憨影瘸，其撬受戆绦护牲戆会逐濒下辍，严重豹熬损耗还霹辘导致逮霉器 的撩交乍，危害电力系统豹蜜全刚。困j 毙，及时了解避雷器的运行状况意义重大。 谶雷器一般安装在环境比较恶劣的地方，且比较分散，所以采用人工方式到 现场梭测避雷器优劣是一项非常繁杂的任务。因此，采用远程j | 盏洌0 是一种理想的 手段。 经过综合考虑之嚣，本漾题最终决定将g p r s 技术应用到避鬣器在线夔控系 统串，开发出一套薹予g p r s 技术豹氧铯锌邋露器在线蓝控系绫。攀j 翔该系统，整 控中心管理员不需要现场巡视检查，就能监控几十公里甚至几千公里以外的现场 设备+ 了解避雷器的运行状况。 遮套准确，方便，实用性强的在线监控系统将在避雷器在线j i 矗控方面发挥重 要侔瘸。零望通过该谍题的研究，能够为高聪线路避霉器检测傲如贡献。 湃海太学】= 学矮七学位论文基于麟技零翡氧纯锌蘧雷嚣在线蓬蔫系缝 1 2 课题国内外研究动态 鑫毽纪鲐年我菝来，务遁对搴c 纯镑邋雷器及英捻溯方式逶霉了深入建疆 究。目前国内外的m o a 多数为无间隙，由于其在运行期间长期承受运行电压和 各种外在因素的影响，加速了飘化锌阀片劣化，因此需臻定期对其性能状况进行 捡溺。 簸初避雷器的检溅方式采用停电人工检测，随着新技术的出现和辩m o a 研 究的深入，逐渐出现了一些半猩线检测仪器。这些仪器携带方便，使用简单，不 用停电拆除m o a ，直接测量m o a 的泄漏彀流、电压等性能参数，大火提高了工 终效率，这耱在线蓬测技术霹秣蔻半在线整灏。嚣蘸莺两终磅究舜发貔m o a 在 线监测装置大部分都是这种半禚线监测装鬣，需要人工定期到现场抄取数据。然 而避雷器安装环境一般比较恶劣，并且比较分散，所以派人到现场检测避雷器性 旋怒一顼菲零艰筑戆任务。这争争鬟要人工巡捻熬方式在宴翼重牲、准确挂秘应用性 等方蕊存在诸多不足之处。隧嚣出现了基予憨线型静在线簸测系统，遴过该系统 不需要人工到现场检测就能实时了解避雷器的运行状况。采用现场总线技术具有 协议简单、容错能力强、安全拨好、传输距离远、抗干扰熊力强等特点，但是由 手遴黉器布届递较分数，若采蠲憋线方式滋弦釜控，粥嚣婺镶竣毫缀黢考光缆等 设施，非常不方便，成本太大，而且可扩展憔不强 5 1 1 6 1 7 j 。 随着我国通信技术迅速地发展，越来越多的新技术被应用到工业j i 盏控中来。 g p r s 骧务搏为g s m 溺终豹一秘耨业务，醴 ；罄到越来越多熬系统运营巍帮系统开 发商的重视，弗广泛地应用羁务类蓝控系统中，为本系统的开发提供了缀好的借 鉴作用。通过将g p r s 技术应用到避雷器照测系统中来，便能够及时、准确、全 面了解避雷器的避行状况。 1 3 课题来源和主要工作 1 3 。1 谋题的来源 本课题是常州市科技攻关项目。该项目的要求是开发出一套能够对避雷器运 行状瑷在线捡溅懿j | 莛灏系统。澍躅该系统，罄理曩不雾婺鏊l 避霉器安装骥场裁能 够了解其运行状况。 1 3 2 课题的主要工作 在各种干扰的环境下，为实现避雷器运行状况的在线检测，本课题拟开发出 一套基于g p r s 技术的氧化锌避雷器在线j l 盆测系统。其奎要是在避雷器安装现场 2 弼辩天擘1 学硕士论文蒡一荦绥论 通邋瑷场裣溺终瑞完戒辩遴雷器运 亍参数数攒豹采集，然磊通邋g p r s 弼络将采 集到的数据发送到i n t e m e t 公网上的中心服务器。管理员在中心服务器上就能够 实时了解避雷器的运行状况，并能对现场采集终端的工作方式进行控制。课题的 主磐置作包括以下几个方厮： 1 了解避雷器的置俘原理及瑷行躬主要检测方式。 2 完残对逶霉嚣众邀流帮电裾电篷戆稳经差叠豹采集； 3 熟悉g p r s 原联，t c p i p 协议及数攒业务技术的实现； 4 设计现场检测终端硬件电路并调试； 5 开发设计远程综含信息管理系统： & 整个系统调试； 7 ，系统获手撬浚诗蠲蘧。 3 簿海大学工学磺士学靛论文基于c - p r s 技术豹氧亿锌避雷器在线簸溯系统 第二章系统总体分析和设计 2 。 系统总体设计方案 基于g p r s 技术的氧化锌避雷器在线监测系统由三部分组成，分别是：现场 检测终端；g p r s 无线数据传输部分；远程综合信息静理系统部分，其结构框图 懿圈2 。1 所示。 图2 1 系统总体结构图 其中，现场检测终端主要负资对避雷器运行状况避彳亍检测、对采集到的数据 进行处理与发送、响应控制中心的控制命令；g p r s 激线传输终端负责黢控中心 爨务器彝瑗场獠测终端豹遥壤；簸按孛心鞭务器主要受爨接救理场捡溺终壤发送 过来的数据鞠转发管理受对远程徐溯终端的控制鑫令，管理员可透过远稳综合信 息管理系统软件查询避雷器运行状况参数及控制现场梭测终端的工作方式。 2 。2 现场终端检测方法分析 2 2 1 氧化锌避雷器检测方法 目前，豳内外对氧化锌避雷器的检测方法很多，童要有：全电流法、补偿 法、三次谐波法、基次谐波法| s l g l 1 螂i l l l 。 全电滚滚藏楚在m o a 底部露疆之闻事接全电流稔测装黄实瑷对m o a 的在 线检测。全电流由阻性电流分量和容性电流分量组成。避雷器的性能主要怒由其 阻性电流分最来决定。全电流法燧在假定m o a 泄露电流的容性分量不畿的情况 下，简单地认为全电流的变化就怒反应其阻性电流分擞的变化情况。这种方法有 一定豹科学性，毽是对早期老化熬m o a 全电流法缀零霹靠。因为m o a 黛电流 4 塑塑查兰三兰堡主兰垡丝兰苎三兰至竺璺竺坌塑竺丝生 的容性电流分量一般为几百微安，而阻性电流分量一般数十微安。全电流中的阻 性电流分量所占比重很小，在阻性电流分量发生显著变化时，测量出的全电流变化 依然不大。 补偿法的基本原理是根据并联电路中流经电容的电流与其两端的母线电压相 差9 0 。的特点。在取得母线电压信号u s 后，将其经移相器前移9 0 。后得到u s 0 ， 再经过一系列的处理最终把全电流中的容性电流分量补偿掉，剩下的仅为阻性电流 分量。但是对于一字排开的a 、b 、c 三相避雷器，在运行过程中相间杂散电容 较大，这样流经m o a 底部全泄露电流的幅度和相位都发生了一定的偏移，在对 容性电流分量进行补偿时，得到的阻性电流分量和实际值产生较大的偏差。 三次谐波法的原理是根据避雷器早期老化，其阻性电流分量的变化主要体现 在其三次谐波分量的变化，而阻性电流和其各次谐波分量之间存在一定的比例关 系，通过提取避雷器总泄露电流中的三次谐波阻性电流分量得到其总的阻性电 流。因此，可以通过阻性电流分量的三次谐波来判断避雷器的老化状况。但该方 法不能排除容性三次谐波电流对测量结果的影响。 基次谐波法的原理是将流经避雷器的全电流进行数字谐波分析提取基波，并 对该基波进行分解，得到其阻性电流分量。依据阻性电流分量来判断m o a 的运 行状况。基次谐波法的最大优点是抑制了电网电压中的谐波干扰及三相避雷器之 间的相间干扰。 由于基次谐波法的准确性和其抗干扰方面的优势，本系统对避雷器运行状况 检测方法最终选用基次谐波法。 2 2 2 阻性电流获取原理 本系统对避雷器运行状况检测方法选用的是基次谐波法。判断m o a 的运行 状况主要是依据其全电流基波的阻性电流分量。 氧化锌避雷器的等效电路如图2 2 所示。在正常情况下，流经m o a 阀片的 为全泄露电流i ，其大小通常为微安数量级。一般其阻性电流分量i r 为数十微 安，容性电流分量i c 为数百微安【1 2 1 。 u 图2 2 氧化锌避雷器等效电路 5 塑塑奎兰三兰望主兰竺笙苎 墨主! ! 堕垫查竺墨些壁壁重墨垄垡些塑墨竺 当m o a 劣化时，全泄露电流基波阻性电流分量从i r 增加到i r l ，容性电流 从l c 增加到i c l ，全电流从i 增加到i l 。全泄露电流与电压的相角从口减到口l ， 其中以阻性电流i r 反映最明显，如图2 3 所示。 i c i i e u 图2 3m o a 劣化向量变化图 m o a 的全泄露电流基波l 与其阻性电流分量i r 的关系如下： i r 2 ixc o s o 据上式，要获取全泄露电流基波的阻性电流分量i r ，需要知道m o a 的全泄 露电流基波值i 以及全泄露电流与阻性电流分量的相角口。而阻性电流分量与母 线电压同相，故获取全泄露电流与阻性电流分量的相角口转换为获取全泄露电流 和母线电压u 的相角l 埘。 全泄露电流和母线电压相位相同信号的获取如图2 4 所示。 母线 a b 图2 4 全泄露电流和母线电压获取示意图 全泄露电流是通过用c t ( 电流互感器) 获取。电流传感器采用霍尔闭环电 流传感器c 衄3 0 0 s ，该传感器是磁平衡电流传感器。全泄露电流在其流经的周 围产生磁场，磁场大小与流过的全泄露电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁 材料来聚集，然后通过霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出信 号有良好的线性关系，因此可以通过测量输出信号( 信号a ) 就可以比较好的反 映出全泄露电流1 1 4 1 。 从p t 线上出来的电压信号是1 0 0 v 的交流电压信号，不能直接连接到后续 6 塑塑查兰三兰堡主兰垡丝兰 墨三童墨竺璺竺坌堑竺堡生 的电路，需要将其转换成5 v 到+ 5 v 之间的信号。电流型电压互感器( t v ) 能够 较好的满足这个要求，从t v 次级出来的信号b 同母线电压u 相位基本相同。 将获取的两路信号a 、b 分别通过过零电压比较器转换为方波信号a 、 b ，然后通过一个异或门，即可得到这两路信号的相位差信号c 。通过测量该信 号脉宽即可得到全泄露电流基波l 和其阻性电流分量i r 的相位差口，如图2 5 所 示。 口一( n 1 i v 2 ) , 3 6 0 信峙b n 嘲嗍唧丽卿嘲咖佣 剌伶粼i 吁c l i 。 图2 5 相位差获取示意图 2 3 系统数据传输方式分析 系统数据传输部分负责监控中心和现场检测终端的通信。目前，在监控系统 中数据传输方式主要分为两种：一种是现场总线数据传输方式；另外。种是无线 数据传输方式。现场总线数据传输方式可靠性高、传输容量大：无线数据传输方 式灵活方便、设备增加运行费用低。随着通信技术、计算机技术的发展，新的传 输方式还将不断出现，每一种数据传输方式都有它各自的优缺点。 现场总线( f i e l d b u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初发展形成的，主要用于工业 自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域。现场总线沟通了生产过程现场和控制 设备之间及更高控制管理层次之间的联系，实现互连设备间、系统间的信息传送 与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。现场总线是一种新的全分布式 控制系统，它融合了智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术，成为自动化技 术发展的热点。现场总线作为工厂设备的基础通讯网络，它具有协议简单、容错 能力强、安全性好、成本低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。目前，比较主 流的现场总线数据传输方式有：c a n 总线、l o n w o r k s 总线、r s 4 8 5 总线等。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线属于现场总线的范畴，它是一种支持分 布式控制或实时控制的串行通信网络，最早由德国b o s c h 公司推出。目前， c a n 控制器通信速率最高可以达到1 m b p s 4 0 m ，总线上可以挂接设备最多可达 篓壅塞整三兰堡主兰垒燕塞量! ! 望i 鍪鉴整薹鳖堡茎耋篓壅墼鉴翌墨叁 1 1 0 个。网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对 点、一点对多点和全局广播方式接收和发邀数据，而且网络中的各节点都可根据 总线谤蠲优先权袋溺竞争的方式岛总线发送数据。与其它残场总线相比，c a n 总 线蹙舆有通信速鬻菇、容易实魏、佳价眈高等特点，这像楚目前c a n 憨线被广 泛应用于工业控制领域的重要原因。 l o n w o r k s ( l o c a to p e r a t i n gn e t w o r k s ) 总线是由美围e c e l o n 公司推出，于 1 9 年正式公毒形成。它是一耱完整豹、全溪敖翡、霹羹操作熬抵或本分毒式整 制网络技术。l o n w o r k s 支持双绞线、电力线、光纤、同轴电缆和电源线等多种 传输介质和总线型、星型、环激和混合型等多种拓扑结构。基于l o n w o r k s 技术 豹分露式控裁瞬络广泛应用予工业控制、智貔家屠系统、交逶运输系统、城市基 穑设施等自动纯系统中。它采掰7i s o o s i 模型的全部电器逶讯协议，良及采餍 了丽向对象的设计方法，其通讯速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可 达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) 。 r s 4 8 5 慧线瓣囊蓼已或为敦粪盛焉最鸯广泛懿据准遥臻接蠢之一。颡s 8 5 标 准怒由电子工业协会( e i a ) 和通讯工业协会( 1 r i a ) 两个行业协会共附制订和开 发的。r s 4 8 5 解决m c u 之间中长距离通信的问题，允许在简单的一对双绞线上 进移多点双向逶僚。其噪声麴铡能力、数据传输速率、嘏缆长度及可豢矬等是其 毪标准无法跑撂鹃，同时其硬彳睾设计简单、羧制方便、成本低廉。因魏，在工监 控制系统、汽车电子、水文水利自动报测系统中广泛采用g s - 4 8 5 作为数据传输 链路。 燕然采弱瑗场慧线援拳，冀转浚距离远、挽手撬链秀羰、逶舍强壤磁场强凌 下的数据传输，能够提高监测效率和自动他程度，但是建波现场总线避信必须架 设电缆或挖掘电缆沟。避雷器检测现场环境难以布线，即使布线也需翳大量的人 力翻物力；在系统鬣要增加新豹设备对，藏曩比较麻烦，可扩展牲不强；在系统 密瑗散障时，一般缀难及时我穗教障点。 与现场总线传输方式相比，无线数据传输方式则无需架设电缆或挖掘电缆 沟，只需要天线，有更广泛的适应性、扩展憔和可维护饿，几乎不受地理环境限 裁，嚣萎成本蒎徐，这绘无线数撵逶痿豢来了发震空阗。 无线数据通信方式由于其技术不断成熟，越来越受熏榄，在很多领域被广泛 应用。目前，在邋程监控系统中使用的无线数据通信方式盎要有以下三种： 1 。卫星通信 2 普通的大功率无线( r f ) 数传电台 3 “移动”网络( g s m g p r s ) 其中，卫星i 麒信覆盖范围火，通信距离避、通信容量火、传输质爨搿，然而 逶壤豹发毒| 与控铡技零逆较复杂、接毅设冬凌大、藏本穰瓣太裹。无线觳铸电台 使用灵活、方便、成本相对也不是太高，然瓶其并发通讯麓力差、数锻传输速度 慢。g p r s 具有“永远在线”、“快速登录”、“按流量计赞”、“切换自如”、“高速 8 塑塑查兰三兰堡主兰垡堡奎 苎三兰墨竺竺苎坌堑型堡盐 传送”、。安全可靠”等优点，且中国移动g p r s 网络已覆盖全国所有省、直辖 市、自治区，其分布广泛的g p r s 网络，为g p r s 技术的发展和应用提供了强有 力的保障。采用g p r s 技术可以用最简单、最低成本、最安全可靠的方式构建远 程监控网络，大幅节省了人力物力，提高了工业控制的自动化水平。目前在我国 各种自动化监控系统中，无线数据通信方式广泛的采用g p r s 技术，基于该技术 开发出来的成功产品也越来越多，为本系统的开发提供了很好的借鉴作用。 使用g p r s 传输数据时组网方式主要有两种：一种是局域网方式，另外一种 是拨号上网方式。采用局域网方式时，必须具备数据服务器，而数据服务器的建 立需要同当地的移动公司合作，并且移动公司会为数据服务器建立一个 a p n ( a c c e s sp o i n tn a m e ) ，即接入点名称。该方式具有规模大、稳定性强、代价 高等特点。使用拨号上网方式时，必须具备一个无线m e d o m 和一张g p r s 卡。 g p r s 卡可以到当地移动公司办理，无线m o d e m 可以到电脑经销商或移动公司购 买都可以。使用该方式时，只需要对g p r s 模块进行简单的设置即可使用。使用 局域网方式成本太大而且非常麻烦，故在本系统中使用拨号上网方式。 2 4 系统抗干扰设计 2 4 1 系统干扰分析 m o a 在线监测系统的干扰主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，并受 系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。本系统的硬件电路主要由一 些集成电路及电子原件构成，它们中有一些属于电磁敏感设备，而m o a 现场检 测终端和g p r s 传输模块都是安装在变电站高压线附近，容易受到强磁场和高压 电场的影响。 2 4 2 抗干扰措施 m o a 现场监测部分和g p r s 无线传输模块都安装在变电站高压线附近，如 果不采取必要的抗干扰措施，很容易引入误差，影响采集信号的准确性和数据信 息的正确传输。为了实现现场检测终端稳定、可靠地运行和无线数据传输终端能 够稳定地传输，必须采取一些抗干扰措施。常见的办法是：采取硬件抗干扰技术 和软件抗干扰技术。 硬件抗干扰技术主要是针对形成干扰的三要素：干扰源，传播路径，敏感器 件采用相应的抗干扰技术【蚓【1 6 1 。 抑制干扰源的方式有：在干扰源两端并联电容来尽可能地减小干扰源的 9 翌塑查兰三兰塑主璺焦垦奎 茎主竺墅整蕊塑墨些茎茎墨墨壅终熬翌薹竺 d u d t ；在予撬潦嚣籍事联电惑，惫辍疆及攀黧续滚二羧管来霉霹爱遮藏奎予撬源 的d i d t ；在电路板上每个i c 旁并接一个鲥口f 高额魁容以减小i c 对电源的影 响；p c b 板布线时避免9 0 度折线，减少高频噪声的产嫩。 阻断干扰传播通道的方式有：在导线上增加滤波嚣和加隔离光耦切断简频干 扰噪声的传播；用地线隔离干扰源与敏感器件；给电源噪声很敏感的处理器芯片 翅滤波毫爨或稳雄器疆垂电嚣噪声辩其产生鹣手撬；爨缀与筵理器芯冀萼| 鬻惑塞 靠近，同时嘲撼线把时钟区隔离葱来；处理器帮大功率器俘的缝线要单猿按缝， 以减小它们之间的相互干扰。 敏感器件选用抗干扰能力强的；在p c b 布线时尽量减少回路环的耐秘，以 降低感应噪声；电源线和地线要尽壤粗；对于处理器闲鼹的i o 口，不要懋空， 要接建或接秘潦，茨壹弓l 入于魏h 7 1 。 软俸撬予糖技术具有篱擎、焚滔方使、成本低等特熹，在本系统审羧广泛应 用。比较常用的方法有：数字滤波方法、输入信号重篑检测方法、输出端阴数据 刷新方法、软件陷阱、“软件看门狗”等技术l l 剐。 数字滤波方法是通过对模拟信号多次采样，利用软件算法( 比较常用的是排 序取中值的方法) 秘经验数据( 设鬟模拟信号阂僮) 来提取最遥近真篷瓣数据。 数字滤波瓣方法灵活，胃选溺煞雾法多样，其效栗德稳爱疆箨滤波毫臻笼淡这舅 的，所以梭广泛应用。本系统程对模拟信号采集的避程中多次用到数字滤波技 术。 输出端口数据刷新方法是指熬复输出控制信号的软件抗干扰方法。这悬种 提高输出接翻抗干扰能力的有效撩施。不过要在尽可熊簸的周期内，将掇测信号 重复辕窭，这器受于撬影稳懿设签在还没毒寒餐及豌簸l l 重，歪确魏羡塞又泉龚， 这样就可以霄效防止因干扰雨产生的误控制。 软件陷阱技术是在程序跑飞戚者进入死循环时，所采取的软件抗干扰肖法， 目的是拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。当窜入系统的干扰 作用在c p u 鄢位时，其后果是相当严重，将使系统陷入瘫痪，如：破梯稷序计 数器p c 豹毒跫态，导致程彦扶一今送壤魏转羁另一令嚣壤，或考程彦在戆缝空翔 内“蘸飞”，或豢陷入死循繇。艘用软件陷辨技术在稷膨中来使用的e p r o m 空闻 填入陷阱指令；在用户程序区备横块之间的空余单元填入陷阱指令；在对应的中 断服务程序中设置陷阱指令都可以有效地拦截乱飞稷序。一般1 k 的程序空问中 有2 - 3 个软件陷阱就可以有效防止程序跑飞，使程序摆脱死循环。 “软转纛门猿“技术是在c p u 受蔓l 干扰导致稷挎戆飞或者貉入死簇鄂孵赝 采餍的程窿簸筏技术w d t t i m e r ( w d t ) ，使震该技零爵醣使程彦谤数嚣p c 转 到指定的程序入口地址。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间 超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”。浆用软件“看门狗”嫩有良好 的抗干扰效果，大大提高了系统的w 靠性。 河海大学工学硕士学位论文 第三章现场检测终端设计 第三章现场检测终端设计 现场检测终端主要负责对避雷器的运行状况进行检测和对采集到的数据进行 处理。该部分的设计主要包括硬件电路设计和软件设计及调试。 3 1 现场检测终端总体结构 现场检测终端主要负责对避雷器的运行状况进行检测和对采集到的数据进行 处理通过串口发送到g p r s 无线传输终端，及对监控服务器发送过来的控制指令 进行响应。现场检测终端的结构框图如图3 - 1 所示。 a e 一挽始 li ，v 转 赴缸0 搏嚣ik l 靖 “ i 咎2 矗鬲 be 卜一拯恐矗 u 应i 膊嚣| 九l i 蒴 b 。e p = 屯 感嚣厂而 ce h 搀墟档 也魂l 博涮j 、l 蒲 蚓篓 蚓羹 毡i l i 型 m e g a 1 2 s i ! i 逊 i u ；i i 图3 1 现场检测终端总体结构图 由图3 1 可知，现场检测终端是以m e g a l 2 8 芯片作为微处理器，其中硬件 电路由时钟芯片电路，正负电源电路，液晶接口电路，雷击计数电路，w 转换 及放大电路，过零电压比较电路，串口通信电路，多路选通电路，编程接口电路 等组成。 3 2 现场检测终端硬件电路设计 3 2 1a t m e g a l 2 8 处理器简介 a t m e g a l 2 8 为基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器f 1 9 】。该微 处理器具有1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h 、4 k 字节的e e p r o m 、4 k 字节的 s r a m 、5 3 个通用f o 端口、3 2 个通用工作寄存器、实时时钟r t c 、4 个灵活 的具有比较模式和p w m 功能的定时器计数器( t c ) 、两个u s a r t 、8 通道1 0 1 1 | | 蒌蝴洲些黑 河海大学工学硕士学位论文基于g p r s 技术的氧化锌避雷器在线监测系统 位a d c 、片内振荡器的可编程看门狗定时器、s p i 串行端口、与i e e e1 1 4 9 1 规 范兼容的j t a g 测试接口，以及六种可以通过软件选择的省电模式，其结构方框 图如图3 2 所示。 图3 - 2a t m c g a l 2 8 结构方框图 a t m e g a l 2 8 采用了h a r v a r d 结构，具有独立的数据和程序总线，很大地提高 了处理器的性能及并行性。程序存储器指令通过一级流水线运行，c p u 在执行 一条指令的同时读取下一条指令，实现了指令的单时钟周期运行。 3 2 2d s l 2 c 8 8 7 时钟电路 现场检测终端中的d a l 2 c 8 8 7 时钟电路的主要作用是通过d a l 2 c 8 8 7 时钟 芯片的闹铃中断启动a t m e g a l 2 8 a d 进行采集。 d s l 2 c 8 8 7 时钟芯片是由美国d a i j a s 公司推出的。该芯片是一种新型时钟 日历芯片。芯片中带有1 2 8 字节r a i v l ，其中有1 1 字节r a m 用来存储时间信 息，4 字节r a i v l 作为控制寄存器用来存储一些d s l 2 c 8 8 7 的控制信息，1 1 3 字节 通用r a i v l 供用户使用。 时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 在外部接入直流电源v c c 为+ 5 v 时，用户可以访问 d s l 2 c 踞7 内r a m 中的数据，并可对其进行读、写操作；当v c c 小于+ 4 2 5 v 时，禁止用户对其内部r a i v l 进行读、写操作，此时用户不能正确获取芯片内的 时间信息；当v c c 小于+ 3 v 时，d s l 2 c 8 8 7 启动内部自带的锂电池供电，以保证 内部电路正常工作，使其时间信息长时问保存不丢失。 d s l 2 c 8 8 7 能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，可以 1 2 嗣海大学工学硕士学位论文第三章现场检测终端设计 通过读其相应的内存字节来获取时问和日历信息，也可以通过写其相应的内存字 节来设置或初始化时间、日历和定闹等。d s l 2 c 8 8 7 有1 2 小时制和2 4 小时制两 种时间模式，在1 2 小时制模式中，用a m 和p m 区分上午和下午，当小时字节 高位为逻辑1 代表p m ，逻辑“0 ”代表a m 。d s l 2 c 8 8 7 时间的表示方法也有两 种：一种用二进制数表示，另一种用b c d 码表示。 d s l 2 c 8 8 7 时钟芯片有三个字节的定闹字节，分别是：秒闹铃字节，分闹铃 字节，时闹铃字节。其闹铃有两种使用方法：第一种，当定闹时间写入相应时、 分、秒定闹单元，定闹中断每天在这个时刻启动一次。第二种，在三个定闹字节 中插入一个或多个不关心码( 不关心码是任意从c 到f f 的1 6 进制数) 启动闹铃 中断。当小时定闹字节的不关心码位置位时，定闹为小时发生一次；当小时和分 钟定闹字节不关心位置位时，定闹每分钟一次；当这三个字节的不关心位都置位 时，定闹每秒中断一次。因此，时钟芯片产生闹铃中断方式有秒闹铃中断，分闹 铃中断，时闹铃中断，及每天的某个时刻产生闹铃中断这几种方式，具体是采用 哪个闹铃中断根据系统需求而定。 在本系统中，d a l 2 c 8 8 7 时钟芯片的工作模式选用i n t e l 模式，时间模式选 用的是2 4 小时制，时间表示模式选用b c d 码表示。d s l 2 c 8 8 7 时钟芯片与 a t m e g a l 2 8 的具体连接方式如图3 3 所示。 图3 3 时钟电路图 在该电路中，d s l 2 c 8 8 7 时钟芯片的r e s e t 引脚接v c c ，这样可以保证其 在掉电时，其内部控制寄存器不受影响；a d 0 a d 7 地址数据总线与m e g a l 2 8 的p b 0 p b 7 连接，该总线采用时分复用技术，在一个总线周期内，首先通过该 总线选通d s l 2 c 8 8 7 内的r a m ，然后就可以向该地址写入数据或者读取该地址 数据；c s 片选输入引脚和m e g a l 2 8 的p d 7 相连，该引脚低电平有效，在访问 d s l 2 8 8 7 的总线周期内，片选信号必须保持为低；a s 地址选通输入引脚和 m e g a l 2 8 的p d 6 相连，用于实现信号分离，在对d s l 2 c 8 8 7 进行读写操作时， 1 3 河海大学工学硕士学位论文基于g p i l s 技术的氧化锌避雷器在线监测系统 a s 的上升沿将a d 0 a d 7 上出现的地址信息锁存到d s l 2 c 8 8 7 上，而下一个下 降沿时清除a d 0 a d 7 上的地址信息；r 形写输入端引脚和m e g a l 2 8 的p d 5 相连，该引脚为低电平时表示写允许；d s r d 读输入脚和m e g a l 2 8 的p i m 相 连，该引脚为高电平时表示读允许；i r q 中断请求输入和m e g a l 2 8 的p d 2 ( i n t 2 ) 相连，该引脚低电平有效，通过该引脚触发中断使m e g a l 2 8 进行a d 采集。在中断条件没有满足时，瓜q 处于高阻态。 3 2 3 正负电源电路 现场检测终端中的各个元件几乎都离不开电源，如a t m e g a l 2 8 微处理器、 d s l 2 c 8 8 7 时钟芯片、液晶显示模块、电平转换芯片m a x 2 3 2 等需要稳定的正 5 v 直流电压；o p 0 7 芯片和双四路模拟开关c d 4 0 5 2 需要正负5 v 的直流电压。 因此，系统需要一个能够提供稳定的正负5 v 电压的直流电源，该电源电路设计 如图3 - 4 所示。 图3 4 正负电源电路 由图可知，2 2 0 v 交流电网电压由变压器降压到整流桥要求的交流电压，然 后经过整流桥整流，电容滤波，1 1 p 4 2 ( q 1 ) 扩流，三端集成稳压器( 7 8 0 5 ，7 9 0 5 ) 稳压后输出正负5 v 的直流电压。在该电路中，电阻r 1 的大小与通过7 8 0 5 的电 流有很大的关系。在输出同样电流情况下，r 1 越大流经7 8 0 5 的电流则越小，反之 亦然，但是r 1 的值不能过大，通常其取3 欧姆。 3 2 4 液晶接口电路 现场检测终端的液晶显示电路负责循环显示三相避雷器的阻性电流，全电流 的有效值，阻性电流和全电流的相位差及在现场查询时显示查询结果。考虑到成 本和最终功能的实现，液晶显示模块的型号最终选定为1 2 8 6 4 - 3 。 1 2 8 6 4 3 是1 2 8 x 6 4 图形点阵型液晶显示模块1 2 ”，内部含有国标一级、二级 1 4 塑壅查兰三兰堡兰竺堡塞苎三兰墨堑丝塑竺塑堡生 简体中文字库的点阵图形，可显示各种字符及图形，可与c p u 直接连接，具有8 位标准数据总线、6 条控制线及电源线，视域尺寸：6 4 x 4 4 m m ，外观尺寸： 7 8 x 7 0 x 1 0 m m 。工作温度f r a ) ：0 5 5 ( 常温) 2 0 7 0 ( 宽温) ，保存温度 ( t s t g ) ：1 0 6 5 ，其特性基本符合现场环境要求。另外，由该模块构成的液晶 显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序 都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。在现场检测 终端中显示数据采用该液晶模块，1 2 8 6 4 - 3 液晶显示模块与a t m e g a l 2 8 的连接方 式如图3 5 所示。 图3 5 液晶接口电路 在该电路中，1 2 8 6 4 - 3 液晶显示模块的数据线d b 0 - d b 7 与a t m e g a l 2 8 的 p a 0 - p a 7 连接；片选芯片引脚c s l ( 右半屏) 与a t m e g a l 2 8 的p c 2 连接；片选 芯片引脚c s l ( 左半屏) 与a t m e g a l 2 8 的p c 3 连接；复位引脚r e t 与 a t m e g a l 2 8 的p c 4 连接：读，写引脚r w 与a t m e g a l 2 8 的p c 5 连接：数据指令 引脚d i 与a t m e g a l 2 8 的p c 6 连接；液晶使能引脚e 与a t m e g a l 2 8 的p c i 连 接。液晶显示模块的驱动电压引脚第3 脚和第1 8 脚互联并连接到电位器中间脚 上，用来调节液晶显示模块的显示亮度。液晶显示模块的第1 9 脚和2 0 脚悬空。 液晶模块的显示是通过将字符显示编码写入液晶模块相应的字符显示缓冲区 d d r a m 单元来实现，1 2 8 6 4 - 3 的写时序如图3 - 6 。读显示数据是把d d r a m 的内 容读到数据总线d b 7 d b 0 ，读时序如图3 7 。读写时序的参数如表3 1 。 兰辜铲“一五 h一 ；j 丛i 一 ! q二 t 一 t 口_ ” 町 ! 一 图3 - 6 写操作时序图 巾 。仃 帅 。 m 品 河海大学工学硕士学位论文基于g p r s 技术的氧化锌避雷器在线监测系统 图3 7