（交通信息工程及控制专业论文）远程电量监控系统的研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文通过分析目前变压器的使用及监控现状，提出了远程电量监控模 型。变压器电参数可以通过p s t n 、c a t v 、g s m 和光纤等载体传输，根据目前 我国的现状，指出了利用p s t n 进行数据的远程传输的优势。 基于p s t n 的远程电量监控系统通过数据采集模块对变压器的电参数进 行采集，主机通过“轮循”的方式，依次拨通每一个监测站点，下位机将检 测到的数据通过p s t n 公用电话网送到上层监控中心的计算机系统进行存储 和处理，以提供主管部门的分析和统计之用。该系统具有设备简单、成本低 和准确实用的特点，对于目前电力系统的应用价值较高。 本文介绍了计算机通信基础知识和在通信过程中极其重要的设备一 m o d e m ( 调制解调器) ，对m o d e m 的工作方式和a t 命令集作了较为详细的介绍。 随后详细地介绍了系统的总体设计思想和具体的实现过程。 在硬件系统设计中，采用了a t 8 9 c 5 1 单片机作为下位机主控制器，用于 连接m o d e m 和数据采集模块。通过使用m c s 5 1 汇编语言编写程序，实现了下 位机与m o d e m 之间的数据传输，同时实现了自动检测负荷，进行拨号报警的 功能，其中重点介绍了单片机控制m o d e m 进行远程数据传输的方法。 阐述了上位机软件的设计与开发，对通信模块、数据管理模块等作了特 别的说明。采用微软公司的高级编程语言v i s u mb a s i c 作为监控系统上位 机软件的开发工具。本文通过对v b 提供的用于串行通信的b l s c o m m 控件所提 供的各种功能的调用以及对m o d e m 编程，实现了从数据链路的建立到通过公 用电话网对变压器电量数据采集等多项功能。 采用a c c e s s 数据库作为系统的后台数据库。利用v b 对数据库的编程技 术实现了系统对获得的数据的读、写、保存等操作要求。而且能完成各种报 表的预览和打印功能。 在文章的最后，对本系统进一步开发的内容和方向提出了设想，对监测 系统的无线化结构进行了初步探讨。 通过对监控系统的应用可以改变电量监测手段的落后方式，节省了人 力、物力，提高了电量管理的自动化水平和工作效率，特别适合相对分散的 变压器进行负荷监测、维护和管理工作，具有明显的经济效益和社会效益。 关键词：远程监控系统p s t n v b 调制解调器单片机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i s p a p e rp r e s e n t s ab r o a d r e v i e wo fr e m o t et r a n s f o r m e rm o n i t o r i n g s y s t e mb ya n a l y z i n gt h ep r e s e n tc o n d i t i o n s o fi t s a p p l i c a t i o na n dm o n i t o r i n g m o d e w es t a t et h ea v a i l a b i l i t yo ft h er e m o t ee l e c t r i cq u a n t i t ym o n i t o r i n g p a t t e r n t h ee l e c t r i cp a r a m e t e r so f t r a n s f o r m e rc a nb et r a n s m i t t e db ya l lk i n d so f n e t w o r ka n dc a r r i e r s ，s u c ha sp s t n ，c a t v ，g s ma n do p t i c a lf i b e r c o m b i n e dt h e c u r r e n ts i t u a t i o no fo u rc o u n t r y ，t r a n s m i t t i n gt h ed a t ab yt h ep s t nh a sm u c h m o r e a d v a n t a g e t h em o n i t o r i n gs y s t e mo fr e m o t ee l e c t r i cq u a n t i t yb a s e do np s t no b t a i n s t h ee l e c t r i c a l p a r a m e t e r s o ft r a n s f o r m e rb yt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，h o s t c o m p u t e r d i a l s e v e r y m o n i t o r e ds t a t i o n b y r o l l p o l l i n g i n f e r i o rp r o c e s s o r t r a n s m i t sd a t a st ot h ec o m p u t e ri ns u p e r i o rm o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g hp s t nf o r s t o r a g ea n dp r o c e s s i n g ，t op r o v i d et h ea n a l y s i sa n ds t a t i s t i c s f o rt h es u p e r v i s o r s e c t i o n t h es y s t e mi s s i m p l ea n dc h e a p ，a n di t w i l lh a v eag o o dp r o s p e c to f a p p l i c a t i o ni ne l e c t r i c a ls y s t e m t h ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g eo ft h ec o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e di nt h e p a p e r , f o l l o w e db yt h ei n t r o d u c t i o no ft h em o d e m ，o n eo f t h em o s ti m p o r t a n t d e v i c e su s e di nt h ep r o c e s so fc o m m u n i c a t i o n t h e o p e r a t i o nm o d ea n da t c o m m a n d i n g i si n t r o d u c e di nd e t a i l f h e nt h ep a p e rf o c u s e so nt h ei n t e g r a l d e s i g ni d e ao f t h es y s t e ma n dc o n c r e t er e a l i z a t i o np r o c e s s i nh a r d w a r es y s t e md e s i g n ，w ea d o p t e dt h em i c r o c o n t r o l l e ro fa t 8 9 c 51a s t h em a i nc o n t r o l l e ro fi n f e r i o rp r o c e s s o r ，i ti su s e dt oc o n n e c tt h em o d e mw i t h t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e m c s - 51a s s e m b l el a n g u a g ei su s e dt op r o g r a mt h e s o f t w a r eo ft h ed e v i c et or e a l i z et h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nm o d e ma n d i n f e r i o rp r o c e s s o r w h e nt h ee l e c t r i cp o w e ri nt h er u ni s b e y o n dt h es p e c i f i e d v a l u e ，t h ei n f e r i o rp r o c e s s o rc a nd i a lt h ep h o n en u m b e ro fc e n t r a lc o m p u t e r a u t o m a t i c a l l y t os e n dt h ea l a r mm e s s a g et h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o n l i n e u s i n ga s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rt o c o n t r o lam o d e mt ot r a n s m i tr e m o t ed a t a sa r e i n t r o d u c e di nd e t a i l 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 t h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r eo fp ca r ee x p o u n d e d ，e s p e c i a l l yt h e c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h ed a t a m a n a g i n g m o d u l e v i s u a lb a s i ci s e m p l o y e da st h ep r o g r a m m i n gt o o lf o rt h ec e n t r a lc o m p u t e r si nt h em o n i t o r i n g s y s t e m t h r o u g hc a l l i n gv a r i o u sf u n c t i o n o ft h em s c o m ma e t i v e xc o n t r o l p r o v i d e db yv b t or e a l i z es e r i a l p a r a l l e lc o m m u n i c a t i o na n dp r o g r a m m i n gt h e m o d e m i tc a nr e a l i z et i l ef u n c t i o no f e s t a b l i s h i n gd a t al i n kc i r c u i ta n dg a t h e r i n g t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft r a n s f o r m e r b y p s t na n ds oo n a c c e s sd a t a b a s ei su s e di nt h i ss y s t e ma sb a c k s t a g ed a t a b a s e v be m p l o y s m a n yl a n g u a g e c o m m a n d st oa c c e s st h ed a t a b a s ei n o r d e rt om e e tt h e o p e r a t i o n a ld e m a n d so fr e a d i n g ，w r i t i n ga n ds a v i n gt h ed a t ao b t a i n e di nt h i s s y s t e m m o r e o v e r , t h ef u n c t i o no fp r i n t i n ga n db r o w s ei sa c h i e v e d f i n a l l y ，t h e i d e ao ft h e s y s t e m i nt h ef u r t h e rc o n t e n t sa n d d i r e c t i o n a p p r o a c h e s a r e p r o p o s e d t h ew i r e l e s s s t r u c t u r eo ft h e m o n i t o r i n gs y s t e mi s i n q u i r e di n t op r e l i m i n m i l y i ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi s p u tt ou s e ，t h eo l dw o r k i n gm o d eh a sb e e n c h a n g e d ，t h em a n a g e m e n tl e v e la n dw o r ke f f i c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e d ，a sa r e s u l t ，p e r s o n n e la n dm a t e r i a lr e s o u r c e sa r es a v e d i ti se x t r a o r d i n a r i l yf i t t e df o r m o n i t o r i n gl o a d ，m a i n t e n a n c ea n d m a n a g e m e n t o f r e l a t i v e l y s c a t t e r e d t r a n s f o r m e r s , m a n ye c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sh a v eb e e no b t a i n e da p p a r e n t l v k e y w o r d ：r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，p s t n ，v b ，m o d e m ，s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r i i i 塞望堡三盔堂堡主鲎垡丝苎一 第1 章绪论 1 1 本课题的来源、目的及意义 1 1 1 本课题的来源 本课题来自武汉邮电科学研究院中光通信公司与武汉理工大学合作开 发项目一远程电量检测综合系统开发。 1 1 2 研究的目的及意义 电是每一国家、地区、工厂、家庭乃至个人必不可少的。但电力资源是 有限的。而我国就是一个电力资源相对匾乏的国家，加强对电力资源的合理 利用与有效管理，让有限的资源充分发挥作用是十分重要的。现在随着城网、 农网的改造，电力线的传输质量将有很大的好转，这必然会造成用户用电量 的迅速增加，从而变压器的数量也会迅速增加。为了对每个变压器所辖区域 的用电量及线路上的损耗进行统计，以及防止用户窃电、及时了解和检修线 路、迅速维修出故障的变压器等情况，就必须对变压器进行实时检测和控制， 这就涉及到对变压器的监控问题。就每一个城市和地区来说变压器的数量是 比较庞大的! 虽然目前也有部分配有检测措施，但也是直接将监控设备安装 在变压器处，管理人员必须亲到现场才能获得变压器的参数。因而这种方式 很机械，费时费力，这就迫切的需要一种新型的监控方式来替代它! 远程电量监控系统也即是一种远程自动抄表系统a m r s ( a u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gs y s t e m ) ，它使用计算机技术、通信技术、网络技术和微电 子技术相结合，通过公共电话网络、负荷控制信道或中低压电力线等建立通 讯联系，将电力用户电量信息自动传输到计算机中心进行存贮和处理，产生 所需的数据信息报表。为相关管理人员提供完整、及时准确的电量数据，为 负荷调度模式和电量调度模式相结合提供条件。提高电网运行和管理的自动 化水平。针对各个地区变压器覆盖范围广、位置比较分散和数量多等特点， 我们提出了一种远程监控方式。这种监控方式可以让电力部门的管理人员直 接从自己监控中心的电脑上得到有关每个变压器的使用情况，简单、方便、 武汉理 j 大学硕士学位论文 及时、准确。这种监控方式利用单片机控制m o d e m 进行电量数据传输，并充 分利用公共交换电话网( p s t n ) 来传输电参数。在电话通信( 特别是程控电 话) 较为普及的地区，利用公共电话线路就可以组成一个有效的远程电量管 理通信监控系统，实现对耗电量的集中管理。通过电话通信线路实现对某 一地区或部门耗电量数据的自动采集、分析计算、存档或显示以及规定用户 的用电总量，对用户的供电线路进行拉闸、合闸控制，实现电力调度和计划 用电的自动化。并具有以下优点： 1 ) 该系统主要由单片机进行控制，电路简单可靠，有较强的抗干扰措 施。而且该设备成本低廉，具有广泛的实用性。 2 ) p s t n 技术很成熟且覆盖范围很广泛，这对于中国这样一个农村人口 占绝大多数的国家来说，用p s t n 进行变压器的电参数的传输是很实际的。 3 ) 该系统充分利用现有的公共电话网( p s t n ) 进行数据传递，而不必 再另外投资建网每天只需通信几次，费用较低，且可靠性较高，误码率低。 这种远程电量监控系统能对变压器进行远程实时监控，电力管理部门可 以获得各种信息，如电能需求量、线路故障和线损等，这样，就可以更加合 理的配置电力资源，使电能量得到最大限度使用，而不会出现浪费。同时， 这种方式充分利用了网络资源，提高了用电管理的自动化水平和现代化水 平。它也符合我国当前的国情，有着良好的应用前景。 1 2 远程电量监控系统的国内外发展动态 1 2 1 远程电量监控系统的发展现状【8 】【9 】【1 o 】【2 1 】 目前流行的远程电量监控系统基本有：现场电表、数据采集或集中器、 主站系统、工作站及通信网络等。其中数据采集器或集中器一般利用单片机 组成。采集到的电能量的相关数据存储在单片机中，如何将数据发送到远 方的主站系统，这就涉及到本系统最关键的远程数据通信的问题。 当今传输远程电量数据的方式主要有：专用线通信( 4 8 5 通信方式) 、电 力载波通信方式、无线组网通信方式、基于p s t n ( 公共电话网) 通信方式。 专用线通信方式一般采用4 8 5 通信网络，由于4 8 5 总线方式的通信技术 非常成熟，不存在任何技术问题，但由于该方式必须架设专用通信线，使得 施工量大、综合成本摘、专线维护运行费用高、1 1 3 城区施工难度大等问题通 常不为供电企业所接收。 2 武汉理工大学硕士学位论文 采用电力载波通信技术通过输电线路实现电能量数据传输，是电力系统 特有的通信方式。这种通信方式的突出特点是能进行双向通信，其优点在于 由于利用现有的电力线作为通信信道，电力线完全由电力部门控制，不需要 再投资铺设通信线路，不仅可以大大节约资金投入，而且有利于电力部门的 管理，同时信道不易破坏。高压电力线载波通信输送距离长，系统结构简单 并被很好的维护，但在配电线的传输上，由于高频电力载波容易经常变化而 显得难以预料和控制。为解决这一问题，电力载波系统逐渐向低频方向发展， 频率已从i o o k h z 范围降到i o y , t z 范围。但利用低压电力线作为传输信道还 存在一些问题。低压电力线载波通信传输性能较差，主要表现为电力线上高 噪声、低阻抗、损耗大、波动大、易受外界干扰等。虽然近年来采取扩频技 术可在一定程度上弥补其不足，但它传输距离还不够远的缺点致使现在还未 大规模采用作为远程电量数据的传输手段。 利用无线电波进行无线通信。其特点是传输频带较宽，通信容量较大( 可 达几千个站点) ，通信距离长( 一般几十公里) 。可采取点对多点的通信方式， 在进行通信时，电力管理中心主机控制无线电台发出呼叫命令，各站点收到 命令后进行地址对比，如正确则发出应答信号，完成数据链路的建立，然后 进行数据通信。使用这种通信方式，安装调试方便，主要缺点是需申请频点 使用权。如果频点选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰。一般情况下， 小型无线电台的通信速率较低，常为6 0 0 b p s 或1 2 0 0 b p s ，且设备及安装成 本较高，所以该通信方式的使用场合有一定限制。目前已有车载无线通信方 式投入运行于电力系统中。 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行远程数据传输是 一个经济有效的方案。而公共电话网p s t n 本身是用于传送语音这种模拟信 号的，数字信号在p s i n 网的双绞铜线中不适合远程传输，因此利用电话网 进行远程电量传输时，需要在各采集分站点和管理中心主机各加装调制解调 器( m o d e m ) 。即在发送端将数字信号加载到高频的模拟信号上，在接收端再 将数字信号恢复出来。其通信速率可达2 4 k b p s 、9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。这 样的传输速率已经能很好的满足电力系统传送电力参数的需要。主机对分站 点的呼叫可以通过拨号由交换机自动完成，电话线允许双向通信，电量参数 可双向传送。租用电话线方式进行数据通信时，由于可能同一时间有大量用 户接入，线路接续时间较长，通常需几秒到几十秒。这方面使得管理中心对 各采集站点进行监控实时性稍差，但若考虑采用p s t n 传输电力参数，我们 可设计成监测站点有8 】( 的缓存存储容量，这样将采集的电力参数存储之后， 武汉理： 大学硕士学位论文 每天只需通过p s t n 通信几次，且一次通信时间很短，费用较低，并能很好 地解决p s t n 拨号慢、效率低的缺点。利用电话网通信，还可避免无线电、 光纤、有线电缆及其他通信系统的高成本、基本建设大、规模大的不足，也 可以克服低压电力载波传输距离不够远的缺点。 1 2 2 远程电量监控系统的发展前景 远程电量管理监控系统是随着通信技术及硬、软件和网络技术的发展而 不断发展的。软件方面，以后的数据库技术支持b s 和c s 相结合的体系结 构，并可根据用户要求灵活配置，以适应不同规模和应用要求。采用d a b a s e 技术框架内核，结合用户的实际需求，可以在较短时间内为用户开发出既具 先进性又具实用性的应用系统，以确保用户的投资利益。随着网络数据库技 术的发展，系统可以具有w e b 数据库功能，使得别的用户可以通过网络及时 了解远程监控点的各种数据，及时做出判断。硬件技术方面，d s p 、p l d 、w e b 接口芯片将大量应用到电量采集系统的集中器，使其可靠性高、功能扩展、 体积减小、重量变轻：大容量r a m 使得采集器采集周期变小、存储器时间变 长。网络接入方面，随着网络的飞速发展，可利用以太网实现远程监控，该 系统可由嵌入式以太网服务器和多个嵌入式以太网模块构成局域以太网数 据采集系统，而嵌入式以太网服务器可以通过广域以太网与远程的管理监控 中心通信，进行远程数据传输，从而实现远程监控的目的。其中嵌入式以太 网服务器可以通过3 2 单片机上集成t c p i p 的方式来实现，嵌入式以太网模 块可以通过8 位单片机上集成精简的t c p i p 的协议栈来实现。采用以太网 监控可以利用当前便利的网络环境，降低布线、安装成本，而且网速较高可 以满足以后发展的需求。除此之外，另为一种远程传输的途径一基于g p r s 技术的远程监控系统已初步发展起来，g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i 0s e r v i c e ) 的简称，是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术， 提供端到端的、广域的无线i p 连接。g p r s 网络的技术核心是在g s m 网络中 传送分组数据业务。可利用g p r s 的i n t e r n e t 接入功能，以g p r s 无线网络 和i n t e r n e t 为通道的通信模型。在这个系统中，终端设备通过g p r s 无线网 络连接到i n t e r n e t ，与客户端前置机( 具有上网功能) 进行通信。该系统 相对于传统的基于有线连接或基于g s m 短消息的远程监控系统具有很多优 势，如：永远在线，连接时间短，实时性强：设备成本不高，维护费用小； 收费合理、价格便宜：连接速度快，适合不定期、长时间的数据传输。而且 武汉理工大学硕士学位论文 g p r s 是为无线数据传输服务量：身定造的，故基于g p r s 的方案相对于以前的 解决方案具有无可比拟的巨大优势，具有很好的应用前景。 1 3 课题研究需要解决的主要问题 通过对课题的研究主要解决以下问题： 1 ) 电量数据采集：利用数据采集器对变压器的电参数进行实时采集，然 后通过光电隔离技术处理( 防止电网上的干扰影响到下位机的工作) 后，通 过长线将数据送入下位机主芯片a t 8 9 c 5 l 中存储起来。 2 ) 基于p s t n 的远程数据传输：通过p s t n 使上位机用拨号轮询方式来选 通每一个点，并通过单片机控制调制解调器来进行电量数据的远程传输，然 后对接受来的数据进行处理，以形成相应的数据报表、图表、曲线。 3 ) 自动报警：有紧急情况出现时，下位机远程呼叫监控中心或设备维护 人的电话、手机( 或b b 机) 号码进行报警。 武汉理一1 ：大学硕士学位论文 第2 章远程数据通信系统接入技术 2 1 远程接入技术 变压器的电参数必须通过网络这个载体进行传输，这就必然涉及到远程 网络接入r n a ( r e m o t en e t w o r ka c c e s s ，简称远程接入) 技术。 r n a 是在软件的配合下，以有线或无线的方式，通过暂时、间断的网络 连接，实现终端与信息服务器之间的信息传递，为那些分散的用户提供“移 动接入”的服务，它的目的就是利用现有的通信网，在硬件接口和应用软件 的协助之下，将远程终端连接到本地l a n 上。 变压器监控系统的远程接入也可以选择不同的通信网络来实现，p s t n 、 低压电力线载波通信网、c a t v 和一般的数据电台的无线通信等均可，不同 的接入网具有不同的特点。下面分别介绍它们的功能、特点和使用范围等。 2 1 1 公共交换电话网一p s t n 基于电话的自动抄表技术的应用已超过2 5 年了。因为电话线早巳存在， 故电话抄表系统是经济的和广泛使用的。电话线允许双向通讯，用电数据可 双向传送，因此在程序控制的访问时间里，能够通过电话传送信号或先记录 然后传送信号。当传送抄表数据时，可以提供新的访问时间表。传送次数可 以在现场重新编程，也可以在远方重新编程。 因为电话线早已存在，电话拨入抄表系统( 从电表端到目的地) 是最经济 的和使用面最广泛的。这意味着电话系统的运行和维护由当地的电话公司负 责，因此安装费用和每月的服务费用可以节省下来。还有，基于电话的自动 抄表系统通讯是无相互干扰的。即他们运行时，与客户使用电话没有冲突。 使用电话检查器来识别电话是否占线或客户是否拿起电话听筒。如果系统传 送数据时，客户电话占线，系统将会自动停止传送，稍后重新联系传送。而 且，它能在任意场所安装自动抄表装置，而不必在邻近现场安装。对于其它 通讯方式，虽然它们具有先进的技术，但是它们需要高成本大规模基本的建 设，所以它们的使用面要小。而对于电力部门来说，用电用户是深入每一个 地方的，面积非常广，故采用电话线通讯方式是最经济、最方便和最有效的。 6 武汉理工大学硕士学位论文 当然，电话线网也有它的缺点，我们在租用电话线进行数据通信时，线 路续接( 包括呼叫应答等) 时间较长，通常需要几秒到几十秒。这一方面使得 管理中心无法对用户实时监控；另一方面当集中器数目较多时，租用电话线 路多，其租用费用也很可观，因此不适合大容量系统。 2 1 2 低压电力载波通讯网 这种方式首先通过数据采集器对变压器的电参数进行采集，然后将数据 调制到一高频载波上，在经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上，由 电力线进行传输，在接收端还原出原来的信号。信号带宽一般为5 0 一3 0 0 k h z ， 峰值电压不超过1 0 v ，因此不会对电力线路造成不良影响。这种方式虽然可 以直接利用电力线进行传输，节省资源，但仍然存在许多问题。 ( 1 ) 我国的电网不纯静。在外国，公共电力网相当纯净，有专用滤波系 统，保证数据在传输过程中不会受外界干扰。 ( 2 ) 电力线上的干扰非常大。数据在电网的传输过程中，经常受到无线 电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致出现传输数据错码、丢码的情况。 ( 3 ) 不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负 荷情况都会对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响。即使是同一 段线路，其传输特性也会随各种电力负荷的改变而改变。 近年未，随着信号处理技术的进步，尤其是扩频通讯技术的应用，对推 动低压载波抄表技术的进步起到了推动作用。所谓扩频通讯技术，就是展宽 频带，使之远大于传送信号所必须的最小带宽，以扩展频谱的方法换取信噪 比的提高。频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的。在接收端则用相 同的扩频码进行相关解调来解扩，恢复所传送的信号数据。扩频通讯以宽带 宽换取高信噪比，亦即用宽带宽来换取低误码率，提高通讯的抗干扰能力、 增强通讯的隐蔽性。理论上讲，扩频通讯技术具有抗干扰能力较强、隐蔽性 好和抗衰减等良好性能，可在一定程度上弥补普通低压电力线载波通讯技术 之不足。1 应该看到关于低压载波通讯国内尚处于基于国外厂家研制生产的电力 载波调制解调器载波模块芯片的应用阶段，且应用水平不高。如果说国内有 研究的话，主要是停留在研究电网特性的层次上。在我国将载波通讯技术应 用于电能的自动抄表还未能取得十分令人满意的结果。面对我国许多地区和 地方低压电力线负荷接线杂乱、负荷变动性大、各种干扰严重等不利的载波 武汉理： 大学硕士学位论文 通讯线路条件，现在所采用的国外引进、国内开发的用于制作载波电度表的 各种芯片还存在着这样或那样的缺陷和弱点 由于这种监控方式的抗干扰性差，传输距离短，存在变压器阻隔等问题， 所以在国内仍处于研究之中。 2 1 3 无线电通信网 对于利用无线电通信网进行无线通信，它的运用范围广，对布局分散的 变电站进行通信，可是一种较好的方案。它的特点是传输频带较宽，通信容 量较大，通信距离较长。当进行通信时，管理中心主机控制无线电台发出呼 叫命令，各集中器收到命令后进行地址对比，如果正确，则发出应答信号， 完成数据链路的建立，然后进行数据通信。 这种通信方式安装调试方便，但是由于无线频谱资源有限，接入费用较 高，传输速率也较低( 一般情况下，小型无线电台的通信速率为6 0 0 b p s 或 1 2 0 0 b p s ) ，且设备安装成本高，并且需要申请频点使用权，如果频点选择不 合理，相邻两个信道就会产生相互干扰。近两年随着g s m 网的兴起和普及， 逐渐出现使用g s mm o d e m 和短消息方式进行远程无线监控。但是这和方式也 存在着一些缺点，例如：实时性不好( 特别提节假日等短信高峰时期) ，并且 在需要频繁传输大量数据的情况下，价格比较高。因此这种接入方式也很不 经济、实用。 2 1 4 有线电视网一c a t v 目前在我国有线电视网有两大优势：最后“一公里”带宽很宽：覆盖率 高于电信网。电信网形成时，只是为了一个业务，那就是打电话，而打电话 只要求6 4 k 的带宽。所以整个网络的设计也就仅局限于这6 4 k ，包括入户的 双绞线。这样一来。电信网的“最后一公里”就成了瓶颈，限制了网络速度 的提高。尽管电信采取了i s d n ( 综合服务数字网) 、a d s l ( 非对称线性环路) ， 目前可以做到i o m 、8 m 、6 m ，但在当前价位上提高的余地不大。再往前走， 成本将非常高。而c a t v ( 有线电视) 的同轴电缆的带宽很容易可以做到8 0 0 m ， 就现在的带宽需求而言，c a t v 网的最后“一公里”是畅通的。” 当然，由于有线电视网当初是用于广播式的电视传播，也就是说，是单 向的，所以要用于电脑网络，必须对现有的网络前端和用户端进行改造，使 之具有双向传输功能。 武汉理工大学硕士学位论文 总的来说，有线电视网相对电信网络具有以下优势： 高传输速率 线路始终通畅( 不用拨号，没有忙音) 多用户使用一条线路( 包括完整的电视信号) 不占用公用电话线 提供真正的多媒体功能 但于我们的设计来说，这些所谓的优点并不具备实际意义上的优势。我 们看重的是：传输代价，地域分布 2 2 p s t n ( 公共交换电话网) 远程接入可行性分析 p s t n 建设得较早，技术成熟，网络覆盖范围广，交换能力强，是一种 廉价的低速接入方式。由于p s t n 是专为话音设置的，只能传输模拟信号， 因此如果是数字信号就必须在发送端将其加载到高频模拟信号上，在接收端 再将其还原成原来的数字信号，故需要调制解调器。通过p s t n 实现变压器 电参数远程传输的系统组成如图2 - 1 所示。 图2 - 1p s7 i n 变压器监控系统组成 监控中心的计算机通过调制解调器与公用电话网连接，由它发出数据接 收命令，通过m o d e m 拨号上网将指令发给所呼叫的监测站点的主芯片中。通 路接通后，由该站点的数据采集器采集变压器的各项参数，采集数据送入 主芯片后，通过专用m o d e m 联入p s t n 网，从而将数据传到上位机( 监控中 心计算机) 。 利用p s t n 进行远程数据传输的主要优点有： ( 1 ) p s t n 为公共交换电话网，而电话在我国很早就投入使用了，经过长 圜 匠 ? 蔷甲 士 武汉理工大学硕士学位论文 时间的发展和研究，p s t n 技术已经很成熟。 ( 2 ) p s t n 覆盖范围很广泛，目前除少数贫困山区未开通电话业务外，大 部分都已安装有电话，用p s t n 进行远程数据传输是很实际的。 ( 3 ) 利用电话网传递数据可以通过现有的公用电话网( p s t n ) 进行数据传 递，通信距离可以扩展到几十甚至上百公里，只要电话线路质量较好通信距 离基本不受限制。而不必单独布线，不需亲自维护，尽管需交纳一定的月租 费用，但仍节省了大量的精力和资金：再者，在不需要进行数据传输时，线 路可以作为普通的电话线路用于语音通信或收发传真等，一线多用。 ( 4 ) 通过p s t n 传送数据，可靠性较高，误码率低。虽然p s t n 传输速率 较低( 极限速率为5 6 k b p s ，取决于线路质量) ，对于数据量不是很大的参数 来说，这种速率也是适宜的。 ( 5 ) 采用p s t n 进行传输，正好适合于各种无人值守的监控方式。每天只 需通信一次，就可将存储数据全部传入p c 机，费用低。 ( 6 ) m o d e m 本身技术成熟、性能可靠、价格也不高。使用成品的调制解 调器还可以避免通信接口的设计调试过程，缩短了开发周期，降低了开发成 本，同时提高了系统的可靠性。 利用p s t n 进行数据传输也不可避免的存在一些缺点： ( 1 ) 如果一旦p s t n 的线路出现故障，则就会出现传递数据的丢失现象， 甚至无法进行通信等问题。 ( 2 ) 不适合对实时性要求严格的场合，因为m o d e m 拨号、应答需要一定 时间。由于电话网( p s t n ) 的使用用户很多，在同一时间可能有大量的用户接 入，有可能出现占线等问题，因此，通信拨号较慢，效率低。 ( 3 ) 传输速率不是很快，m o d e m 使用串行通信，理论上m o d e m 的最高通 信速率时5 6 k b p ，实际的单片机系统一般采用9 6 0 0 b p s 以下的速率。此外， 普通的调制解调器还存在掉线等问题。 综合分析之，用p s t n 网建立的远程电量监控系统，利大于弊，能较为 简单的实现变压器的电参数的远程传输功能，投资少，符合我国目前的国情， 有着良好的应用前景。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章远程电量监控系统总体设计 各个监控现场一般距离中央控制室较远，若要掌握多个监控现场的情 况，把各个监控现场的电压、电流、功率、以及度数等数据信息传送到中央 控制室，需要建立一个星型的测控通信网络，解决数据远程传输问题。显然， 新建一个网络是不经济的，特别是对较为偏僻的地方是不切实际的。而目前 公共电话网已进入程控交换时代，技术先进、速度快、容量大、覆盖面广。 因此，利用现有的公共电话网建立测控通信网络，是经济、方便的实现联网 的方法。 3 1 远程电量监控系统的总体结构及功能 整个监控系统由一个中央管理器和若干个现场站点组成，而现场站点一 般包含有前端数据采集器和现场下位机。中央管理器主要工作是监视和记录 各现场站点的工作状态，从而达到远程控制现场站点的目的。现场站点主要 对电量的各种参数进行采集与传送，中央管理器可对各现场站点的历史记录 进行查询，这样可以对电力运行过程中的各种参数和报警次数等进行统计分 析，从而达到对电力运行过程进行科学管理、预防事故发生的目的。中央管 理器和各现场站点之间使用m o i j e m 通过公共电话网相连，由中央管理器主动 建立链接，现场站点接到呼叫后应答进行数据传输。这样做的好处是可以避 免多个现场站点同时呼叫，防止出现网络阻塞。监控系统总体结构如图3 一l 所示： 匣唾骂p 霸严鼎l 挚 j f 釜 f l 一生f 审审审 申申审 、f 忑页螽而r ) 臣毫目 至塑鱼堕 图3 - l 监控系统总体结构示意图 武汉理工火学硕士学位论文 3 2 监测站点的硬件组成设计 监测站点由前端数据采集器和现场下位机构成，其中前端数据采集器采 用了力创科技公司的e d a 9 0 3 3 型模块( 详细介绍见后章4 1 节) ，它负责采集 监控现场的各项数据并存储。三相交流电压和电流经接线端子直接接入数据 采集模块，由三相交流电压和电流可以测量出用电设备的相关的1 3 个电量： 三相电压u a 、u b 、u c 的真有效值；三相电流i a 、i b 、i c 的真有效值；三相 有功功率p a 、p b 、p c 及有功功率p ：无功功率e ：功率因数c o s f 和累计电 量d 。 线路的内部经过严格的电磁隔离，测量电路经过采样、a d 转换处理后 形成的数字信号再经过光电耦合由信号适配器向从单片机传送，主单片机与 从单片机之间可采用i o 口模拟时序的方式进行串口通信。 现场下位机部分是整个系统的】：作核心，既负责和前端数据采集器之间 的通信，又负责和中央管理器的数据通信，即将转换和处理后的信号送到中 央管理器，还要负责和“时钟+ 看门狗”电路及显示电路的通信。因此，这 部分电路至关重要。针对系统的要求和实际应用条件的情况，选用高性能的 8 位单片机作为系统的监控核心。现场下位机部分主要包括：主从芯片 a t 8 9 c 5 l 、显示电路、时钟+ 看门狗电路、拨号电路等四大部分。它与前端数 据采集器一起构成了现场站点。现场站点的系统组成连接如图3 2 所示。 图3 - 2 监测站点的系统组成连接示意图 武汉理工大学硕士学位论文 盥不部分 显不部分是直接安装在拨测站点处黪，电力管理人员可以壤鑫鑫矗的需 要，通过按键直接从显示器上看到自己所需的各项数据。显示电路主要由单 片= | = 嚏a t 8 9 c 2 0 5 1 、镂存器7 4 h c 5 7 3 、三线一a 线译码器7 4 l s l 3 8 积l e d 数码 管组成。a t 8 9 c 2 0 5 l 和主控制芯片a t 8 9 c 5 1 之间由一般的t o 连接，按照一 定扮规约进行数据的转送，瑟舞软件摸掘时序进行串日通信通信。晟示电路 图如图33 所示。 图3 3 显示电踌圈 时钟看门狗部分 时钟芯片采瑁的是x 1 2 0 2 ，它是一个萁有封钟曩魇报警c p u 监控器电 路和两路报警器的实时r , j 钟。取端口的时钟和报警寄存器可以保证时钟在工 作中不失去准确性越条 牛下进行读、写操佟。通避商寄存器置数的搽作可使 时钟、同历实现司控制和可读出的功能。时钟能准确跟踪保持秒、分、小时、 舅期、日、胄霜年浆时阈。还其青自动校正离年豹功麓，。1 x 1 2 0 2 有一个看门狗定时器，它有3 个超时时间可供选择。也可关断。 当看门狗定时嚣越对时它将激活r e s e t 引脚。当v c c 降低剑一个固定的复位 f 1 限以下时也会激活r e s e t 。两路擐警当查诲状态位监控到一次匹配对产 武汉理工大学硕士学位论文 生输出。x 1 2 0 2 有两种封装形式：8 引脚s o i c 封装，8 引脚t s s o p 封装。本 电路中使用的是第一种封装形式。它们的引脚图见图3 4 所示“” 图3 4 ) ( 1 2 0 2 引脚图 其中s c l 引脚用作数据输入和输出的时钟同步信号，s d a 引脚用于串行 输入数据或输出数据。r e s e t 是复位信号输出端。 由于x 1 2 0 2 只有一根数据线( s d a ) 以及一根时钟线( s c l ) ，故利用x 1 2 0 2 作时钟器件既可保持整个系统精确的时间，又可充分节省单片机资源。 a t 8 9 c 5 1 只需用两根口线p 1 4 和p 1 5 ，其中p 1 4 接s d a ，用作数据线：p 1 5 接s c l ，用作时钟线。然后将看门狗的r e s e t 脚接a t 8 9 c 5 1 的复位脚上，但 由于x 1 2 0 2 的复位脚是低电平复位，而a t 8 9 c 5 l 的复位脚r e s e t 为高电平复 位，故需在二者之间接一个反相器( 7