（电力系统及其自动化专业论文）基于gsm网络的接地线监测系统的设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 髓ed e s 谤o f g u n dw i r em o n i t o 血gs y s t e m b 嬲e do ng s m n 咖o r k a b s t 瑚l c t t h es e 删够o f s e r v i i sa 删p o 硫i n t t l e m 砌o f t h c w 妇锄d m a i l a g c ro fp ( ，w e r s y s t e i n t h ep c r i o d i c a li n s p e c d o ni st l l ei 玎1 p o r t a n tt a c h ei nt h c m i n ew o f ko f p c l w 髓s y s 把m 强d 璐i n g 掣m m d 、) i ，i r ei s 也ei n l p o 加tm e t h o dt 0 印_ s u 聆t h es e c u r ! i t ) ，o f i n s p e c 吐0 n ni sa d c s i d e r a ：t c - 1 v c dp r o b l 锄t oi m p m v et h cl l s i n gr ：e l i 曲i l 时o ft h eg r o u n d 础m d e rt o m a j i 髓t h e 硎一缸em o n i t o ra b 0 _ i i t 伊。眦d 谢，t h i sp 印哪p f e 咖ta g m l d 砸r em 砌t o r i n g s y s t e mb a s e do ng s m ( g l o b a is y s t c mf o rm o b i l ec o 衄u n i c 鲥伽) w i r e l e 站c o 姗u n i c a 虹 t h i sp a p c r 内赋皿s 印【招t h es y s t 锄d e s i g n 鹤aw h o i e ，t l l 肋p 咒s 蹦t st h ek 哦k 氇a n d f h v a r ed 鹤i g no fs y s t c l n ，a 土l a s tp 他s 锄：t ss 咖ed i s c 璐s i o 船锄dm e s c i g a t i o ni na p p l y i n g 丘e l d kt h i ss ) r s t e l ng 8 mn e t w o r ki sam e d i 岫缅协m 蚰l i t t i n gt b er 啪o t es i 驴a l ，i tp f e s 锄：t s d e t a i l e dc x p i 趾a l i o fg s mn c t 、v o r k ，ss y s t e ms t r u c t 珊呛锄d l p h 嬲i 刁龉t h cc o 删m “c a t i o n p r i 眦i p l et h a li si 1 i 唧m 勰tf b r 也et a s k 1 km o d eo f 位咀锄i t t i n gd a 【诅i sm o s ts m s ( s h o r t m e s s a g es c r v i 嘲p d u ld a l au n i t ) m o d ci su s c dd m 堍删衄gs m s n p 删嫩i t s c o d i n g 姐dd e c o d i n go fs m sp d u 础，d e t r 锄锄i t 血g 觚dr e c e i v i i 培s m si s r e a l 碱b y 璐i n ga tc o m m 孤d t h e 蹦l i 甜a tc o m m 锄d 锄d 璐i n gm e 血o da mp 鞠m c d i i l t l l i sp a p e f i nt h ed c s i 弘o f s y s t e mh a r d w 跚，血et c 3 5 i 锄di n i c r o 蛳p i c l 6 f 8 7 3 a 锄d p e i i p h e 均l c i r c l 血a 聆p s e m e d h 缸出v a o f 印咖i n c l u d e s 协，op a n s ：t h em o n i 蛐gc e n t e f 锄dt h e 陀m o t em o n i t o f i n gt e m l i n a l t h em 嘶协血g m 盯c 0 砌璐ac o m p u t e r 锄da 【j 8 0 1 0 c o m 删m j c a l i o nm o 洲eo f g s 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学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 繇一名：裤 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 电力既为现代农业、现代工业、现代科学技术、现代国防等国民经济各行业提供必 不可少的动力，又和人民群众的日常生活有着须臾不可缺少的密切关系。随着生产的发 展和用电量的增加，电力系统的规模亦在不断扩大，如何提高供电质量是现阶段考虑的 最多的问题。影响供电质量的因素有很多，庞大的系统中每一个微小器件的损坏都可能 导致系统的瘫痪。为了保证供电的可靠性，系统中的设备需要进行正常运行维护和定期 的检修，而接地线是在维护和检修中必不可少的电气工具之一。 接地线是从事电气工作的一种安全工具，它便于携带，可在现场灵活使用，所以也 叫便携式接地线。接地线的作用就是将大地的零点电位与电气设备相连接，使所检修的 电气设备始终处于安全电位，防止突然来电对工作人员和设备的侵害，电流经过接地线 短接直接流入大地【”。要使来电电流顺利短接，就要求降低接地线上各环节相关电阻的 参数，也就是减小接地线自身电阻、线具的接触电阻、土壤电阻和接地棒与土壤面的接 触电阻。挂接地线是保护检修人员的一道安全屏障，可防止突然来电对人体的伤害。但 实际工作中，由于接地线使用频繁且操作看似简单，容易使人产生麻痹思想，其重要性 也往往被人忽视，经常出现不正确的使用情况，以致降低有时甚至失去了接地线的安全 保护作用。 挂接地线是一项重要的电气安全技术措施，其操作过程应该严肃、认真、符合技术 规范要求，千万不可马虎大意。挂接地线是在停电后所采用的安全预防措旌，若不使用 或者不正确使用接地线，往往会加大事故侵害发生的几率国。在电力安全技术与管理手 册中明确提出在装设接地线时应遵循以下规定： ( 1 ) 检修人员进入现场前，应要求运行人员对检修设备的进出线两侧各装设一组 接地线，并将检修设备接地并三相短路。这是保护工作人员在工作地点防止突然来电的 可靠安全措施，同时设备断开部分的剩余电荷，亦可因接地而放尽。 ( 2 ) 对于可能送电至停电设备的各方面或停电设备可能产生感应电压的都要装设 接地线，所装接地线与带电部分应符合安全距离的规定。 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 ( 3 ) 检修母线时，应根据母线的长短和有无感应电压等实际情况确定地线数量。 检修1 0 m 及以下的母线，可以只装设一组接地线。在门型构架的线路侧进行停电检修， 如工作地点与所装接地线的距离小于1 0 m ，工作地点虽在接地线外侧，也可不另装接地 线。 ( 4 ) 检修部分若分为几个在电气上不互相连接的部分如分段母线以隔离开关或断 路器隔开分成几段，则各段应分别验电、接地短路。接地线与检修部分之间不得连有断 路器或熔断器，降压变电所全部停电时，应将各个可能来电侧的部分接地短路，其余部 分不必每段都装设接地线。 ( 5 ) 在室内配电装置上，接地线应装在装置导电部分的规定地点，这些地点的油 漆应刮去，并划下黑色记号。 ( 6 ) 所有配电装置的适当地点，均应设有接地网的接头，接地电阻必须合格。 ( 7 ) 装设接地线必须先接接地端，后接导体端，且必须接地良好。拆接地线的顺 序与此相反。装、拆接地线均应使用绝缘捧和戴绝缘手套。 从安全规定中可以知道在进行检修时需要注意接地线的挂接地点、挂接数量和挂接 方式等问题。在接地线的操作中无论哪一方面发生失误，都可能成为安全隐患，而且在 大型停电作业中会有几十组甚至上百组接地线在线路上使用，这些接地线悬挂的地点分 散、零乱、不固定，难于管理，使得在拆除地线的操作过程中经常会出现漏拆的现象， 导致发生带地线合刀闸的恶性误操作事故，从而给系统造成了极其重大的经济损失，所 以对于接地线的管理必须引起足够重视。 由上述内容可知，在电力系统中进行电力线路的施工和维护时所面临的问题主要 有： ( 1 ) 电力线路应进行可靠接地以保证配电设备和施工人员的安全： ( 2 ) 接地状态应及时通报调度中心以进行统一调配； ( 3 ) 检修施工任务合理派送以保证电力系统正常运行。 1 2 接地线保护装置发展现状 在过去的几十年，人们已经注意到了接地线在保证系统安全运营方面的重要 性，从不同的方向入手想方设法的提高按地线的使用可靠性和其固有可靠性。 沈阳工业大学硕士学位论文 在解决接地线漏拆的问题方面，在国内存在以下几种方法。中国专利1 0 4 3 2 3 1 号公告的“防止带地线合闸自动控制装置”【3 1 就是针对上述问题提出的一个解决方案。 该专利所提出的控制装置采用接地线对三相电力线直接短接并组成一种四端不平衡式 带通网络，使该网络对控制信号产生谐振并进行选通的结构。其意是想利用当接地线没 有拆除的情况下通电时开关部件不能正常工作的方式来防止所述事故的发生问题。而中 国专利2 1 4 4 8 8 9 号公告的“电力系统防带地线合断电路闭锁装置”【4 】也是一种用于解决 接地线没有拆除就供电的设备，该装置或设备采用两部分元件，其中一部分元件与断路 器控制回路连接，另一部分元件与接地线连接，且在两部分元件之间采用一个金属件作 导电材料。 上述两项专利技术虽然能够避免接地线与电缆线连接时就供电的现象，但其所使用 的装置必须安装在每一个开关部件上，而相邻两个开关部件在通常情况下相距较远，如 果有一根接地线没有拆除，即使通过开关部件能够反应出来也需要进一步寻找该接地线 所在的具体位置，给操作入员带来许多方便：同时，上述专利所提出的装置在安装和拆 卸时也需要有相对复杂的操作过程，装置本身也具有较复杂的结构，无疑可进一步增加 检修成本。 此外，中国专利2 1 1 9 0 4 l 号还公告了一种“防止带地线合闸的装置5 1 。该装置是 由信号电源和鉴别控制器，以及耦合元件组成。其意是想利用测量回路电流的大小的方 式来提示操作人员是否可以为该电缆线路供电。就供电网络而言，在没有供电的情况下 很难确定出回路电流，而当接地线没有拆除就供电，即使在供电后能够测量出回路电流 的大小，对供电设备己经造成了不可想象的经济损失，所以，该种结构的鉴别装置很难 得到广泛的应用。 在某些地区的变电所内装有微机五防装置，利用微机五防装置和机械程序锁，对 变电站使用的接地线进行了改造，使接地线具有闭锁功能【6 】，且保持其原有的使用灵活 的特点，这种方式消除了接地线存在的操作时容易走错地点，不按正确顺序接、拆地线 的隐患，对线路用接地线的改造有效地防止了接、拆地线时出现操作顺序错误的现象， 在变电站使用的接地线的改造中，给导体端线夹的外框加了一根绝缘固定棒，接地时线 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 夹的外框不再旋转，操作方便。但是该种接地线只能应用于具有微机五防装置的变电站 内，在应用范围上具有一定的局限性。 本文提出的基于g s m 无线通信网络的接地线远程监测系统是在将接地线进行改造 的前提下，设计一种可移动的终端设备对接地线的工作状态信息进行采集并通过g s m 无线通信网络以s m s 短消息的方式传送到调度中心或是安检人员的p c 机上，实现对接 地线的实时监控，提示操作人员应该如何工作。该系统可以配合原有的接地线管理系统 使用，为接地线新增一种保护措施，使接地线的管理更加规范，使用可靠性有所提高。 1 3 远程监测系统的发展现状 目前，远程监测系统中应用的通信媒体主要有以下几种方式：短距离长线、市话网、 i n t e m e t 网络、自组网络( c d p d 网) 、数传电台和g s m 无线通信网络。这些通信方式 都有其适用的范围，有着各自的使用特点，应该因地适宜，根据不同的监测对象选择最 优的通信方式组建监测系统。 短距离长线监测和通过自组网络监测这两种方式首先都要自行建设通信网络，建网 初期投资巨大，且运营期间自主维护需要大量的人力物力，相对运营费用高；但是用这 两种方式信号质量得以保证，效果好。通过市话网和i n t 锄c t 方式以现有的网络为依托 这两种方式无需自行建设通信网络，且其通信效果好，信号量大，运营费用相对低廉； 但是由于市话网和m t 伽愀难以达到工业现场的覆盖面，使得接入网络受到限制，局限 性很大，而且网络运行效果取决于网络运营商，线路安全不能得到保证。数传电台这种 技术的出现较早，应用广泛，是一种不错的无线数传方式，信号传输实时性好，运行费 用低；但是建网初期投资巨大，传输范围有限，而且容易受到空间无线信号的干扰，信 号不能得到保障。 g s m 网络是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟完善、覆盖面最广、 功能最强、用户最多的移动通信网络，g s m 短消息业务不需要建立拨号连接，只需把 待发的消息加上目的地址发送至短消息中心，再由短消息中心转发到最终目标。运用 g s m 短消息实现远程监测可靠性高、信号传播距离远、覆盖面积广，并且可以节省建 网初期的巨额投资，运营期间无需维护网络，运行费用低廉1 7 9 j 。 远程监测系统应用广泛，遍及国民经济的很多领域，典型应用概括为以下几个方面。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 煤气，天然气，石油，电力等能源系统设备以及网络的远程监测： 发电机组、变电站、供电所的远程监测；煤气厌然气管线压力、温度、流量等远程 监测：石油开采中抽油井各种参数的远程监测等川2 1 。 ( 2 ) 车辆状态远程监测： 如车辆位置时间，运动方向速度监测，远程控制车辆中的设备，车辆丢失的查找 和监测等【1 3 6 1 。 ( 3 ) 自动化工厂，生产过程，机器和设备的远程监测： 在自动化生产线上，一般由可编程逻辑控制器控制，可对其进行远程监测；关键的 机器和设备关系到产品的质量和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监测， 超限报警埘。 ( 4 ) 对人体有害的环境下的远程监测： 化工厂周围的空气质量的远程监测，噪声严重区域的噪声远程监测和噪声抑制；地 震测试点的资料上传，气象监测点的资料上传1 3 】。 ( 5 ) 通风设备，制冷设备等的远程监测： 冷库仓库的远程监测，矿井通风设备，探矿设备的远程监测。 ( 6 ) 水库大坝、水闸、供水系统的远程监测； 河流、湖泊、海潮的水位变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安 全，水质的变化对供水系统和人们的生活影响很大，远程实时监测这些状态数据意义重 大【1 9 捌。 ( 7 ) 各种信息查询系统： 交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查询口1 2 6 】。 在电力系统内有多种设备、无数的可动部件需要监测，目前远程监测系统在电力系 统中已存在多种实用。应用电力线载波技术进行电流参数的远距离采集与传输很好的解 决了测量现场距离较远且环境恶劣的问题：使用g s m 网络对城市配电变压器进行在线 监测为电力部门提供配电变压器的运行状态信息，可以通过i n t 啪c t 或手机等移动通信 设备随时掌握变压器的运行状态信息，通过收集变压器的信息，用模糊智能算法判别变 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 压器的维修度，为变压器的维修、更换提供依据；基于全球移动通信系统( g s m ) 分 组无线业务( g p r s ) 的远程遥控系统，可以用手机对电力系统中的空气开关、交流接 触器等电力开关遥控操作，给维修人员带来极大方便，提高变电站的自动化水平。 1 4 课题的研究内容 接地线远程监测系统是利用现代无线通信技术与现代监测理论的结合实现对接地 线的远程在线监测。本课题来源于本溪供电公司的工程项目“地线监测”，课题的最终 目标是真正实现基于g s m 短消息的接地线在线监测，使其能够运用在实际工作当中， 对提高接地线的使用可靠性起到一定的作用。 本文的主要研究内容是分析无线通信技术应用于配电网的可行性及可靠性，在此基 础上设计并完成接地线的在线监测装置和软件开发，并对设计的系统进行系统试验检验 系统的实用性。具体工作如下： ( 1 ) 首先本文对多种通信方式进行了对比，确定了g s m 无线通信为接地线监测系 统的通信平台，然后建立接地线监测系统的实现方案并分析方案的可行性与可靠性； ( 2 ) 根据系统的要求，对接地线本体结构进行设计，使接地线具有数据采集功能 的同时还能够完成安全接地的功能； ( 3 ) 设计接地线监测系统的硬件电路：主要由监测中心和远程监测终端两部分构 成。监测中心部分主要介绍了l t 8 0 1 0 的硬件特性并设计其与监测中心的通信方案：远 程监测终端部分主要包括单片机的合理选型及其外围电路的设计、g s m 模块的选择及 其外围电路的设计和串口通信的硬件实现；最后给出接地线监测系统的整体硬件结构 图： ( 4 ) 设计系统软件：整个系统的软件设计包括监测中心的程序设计和监测终端的 设置程序设计。监测中心的软件是以c + + b u i l d e r 为开发平台设计的，主要包括监测 中心控制界面及初始化程序、短消息的收发程序、数据处理和保存程序：监测终端的设 置程序包括串口通讯和设置界面的开发： ( 5 ) 为了更好的了解接地线监测系统的性能，本文对该系统进行了试验，总结试 验中出现的问题并针对这些问题提出了解决方案。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 接地线监测系统方案设计 2 1 系统通信方案的选择 目前，国内外应用于配电自动化系统的通信方式很多，有通信电缆、电力线载波、 光纤通信、扩频微波、无线寻呼通信网络和有线通信结合的方式等。这些通信方式都存 在不同的局限性，无法满足配电自动化所有层次的需求。 电力线载波是电力系统常用的通信方法，对于无断点的线路，例如变电所与变电所 之间，已经有成熟的经验，使用效果好。但对于配电网线路，因为有很多配电变压器和 线路分支，又有柱上开关的断点，使载波通信在配电线路中的使用受到了较大的影响， 这一问题尚待进一步研究和试验。而且，在配电网中，变压器对载波信号有较大的衰减， 同时线路干扰与噪声非常严重，以及电力线载波通道的有限带宽和变压器等环节造成的 相位延时导致整个信道传输码率的降低，这些因素影响了电力线载波通信在配电网自动 化中的广泛应用。 光纤通信是城市配电网通信的主要方式，特点是可靠性高，干扰小，不受环境条件 的影响，可用于语音、数据和图像的传输，是当前较好的通信方式。但是由于在配电网 中终端数量多，网络结构复杂，使用光纤通信会使工程难度加大，耗费资金多，从而使 整个配电自动化的经济效益减小。 扩频通信广泛地被应用于各行业，对于电网变电所与调度中心，长距离的通信能体 现出扩频技术的诸多优点，它抗干扰能力强，保真性高，误码率低，可实现码分多址复用， 功率谱密度低，发射功率小，但对于高楼林立的城市配电网，柱上开关及配电变压器的 位置很难确定最好的通信环境时，其发射信号的接收会受到波传输的影响( 绕射功能差) ， 往往出现在城市中应用效果不佳的现象。 对于测控点众多且分布很广的配电自动化系统而言，覆盖面广、不需传输线，即可 实现双向通信又可与停电区通信的无线通信系统是十分适用的，而且利用公共无线通信 网的无线数据传输业务，是一种较为经济、理想的方式。利用公共无线通信网的无线数 据传输方式主要有；基于无线数传电台、基于全球移动通信系统g s m 短信s m s 及基于 g p r s 的3 种数据传输方案。 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 数传电台这种技术的出现较早，应用广泛，是一种不错的无线数传方式，作为传输 信道时组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低：但是建网初期投资巨大，传输范 围有限，而且容易受到空间无线信号的干扰，信号不能得到保障。 g s m 短消息是利用电信局移动电话网的短消息发送实现双向通信的。该方式的优 点是建设费用低、组网灵活、通信效率高、不受环境距离和规模的限制以及通信覆盖范 围广等；但是它的实时性能稍差一点，而且需要向中国移动缴纳少量的通信费用。 g p r s ( g e r a lp a c k 盯r a d i os e r “c e ) 是基于g s m 的一种无线分组业务，是一项高速数据 处理的科技，即以“分组”的形式将数据传送到用户手上。这种无线通信的方式具有实 时性好、传输数据量大等特点，但是目前其网络覆盖面还不够全面，稳定性还有待于进 一步提高，适合于小规模应用叨。 在配电网进行检修时，需要多组接地线同时工作，这些接地线的悬挂地点比较分散， 且工作时间不固定，这些因素对接地线监测系统所要采取的通信方式起着决定性的作 用。地域的分散性决定了本系统的通信方式的覆盖范围要足够大；工作时间的不固定要 求系统的通信方式能够灵活的组网，快速进入待工作状态。 综合接地线的使用特点和各种无线通信方式的组网特点和性能，选择基于g s m 无 线公网基础上的s m s 短消息为接地线监测系统的通信方式是可行的。迄今为止，g s m 全球移动通信系统是全球商业化运营最为成功的移动通信系统，在我国经过十几年的发 展，g s m 已经覆盖我国绝大多数的城市和乡村，网络亦更加可靠，能够提供多种数据 业务，提供高质量的通信网络平台。g s m 无线通信的网络结构和其特性如文献【2 8 3 4 】 所述。 2 2g s m 网络支持的业务 g s m 通信网络系统主要提供以下三类业务：电信业务、承载业务、补充业务。 在g s m 系统中，其定义的所有业务都是建立在综合业务数字网概念基础上的，并 考虑移动特点作了修改【3 5 1 。电信业务提供包括终端设备功能在内的完整通信能力，这种 通信是遵循由网络、运营部门之间双方认可的协议在使用者之间完成的。承载业务提供 接入点之间传输信号的能力。它是以一组与o s i 参考模型的1 3 层相对的低层属性为特 征。补充业务只是对基本业务的扩充，它不能单独向用户提供，这些补充业务也不是专 8 沈阳工业大学硕士学位论文 用于g s m 系统的，大部分补充业务是从固定网所能提供的补充业务中继承过来的。 g s m 系统能够提供6 类1 0 种电信业务，其编号、名称和业务种类实现阶段如表2 1 所示。 表2 1 g s m 支持的业务 n l b 2 1 0 弦r a t i o ns l l s 忸 m db yg s m 2 3g s m 短消息数据通信原理 短消息业务与语音传输及传真同为g s m 数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业 务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息服务中心完成存储和前转功能。由表2 1 可知，短消息业务包括两类：一类是点到点的短消息，即由一个用户发给另一个用户少 量的文字和数据信息；另一类是广播短消息，即由短消息广播中心收集用户所需的信息 给用户。两种方式均可在网络暂时无法将短消息传给移动台的情况下，将信息在网上记 录，当发现移动台可达时，通知相应实体重新传送短消息，因此，短消息具有很高的可 靠性。 g s m 标准中定义的点一点短消息服务使得短消息能在移动台和短消息服务中心之 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 闻传递。这些服务中心是通过称为s m s g m s c 的特定m s c 同g s m 网络联系的。涉及 s m s 管理的协议如图2 1 所示。 图2 1s m s 管理的协议 f g 2 1m 鲫a g ea 掣m e n to f s m s s m e ：s h o r tm e s 跚g i n ge n b 锣，短消息实体。它可以接收或改善短消息，位于固话 系统、移动基站或其他服务中心内；s m s c ：s h 矾m e s s a | g es e r v i c 叫t e r ，短消息服务 中心，负责在基站和s m e 间中继、储存或转发短消息；移动台( m e ) 到s m s c 的协议能 传输来自移动台或朝向移动台的短消息，协议名为s m r p ( s h o nm e s s a g et r a n s i n i s s i 啪t o c 0 1 ) ；s m c g w m s 或s m c g m s c ：s m s m e v v a ym s c ，s m s 网关。接收由s m s c 发送的短消息，向h l r 查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心； h l r ： i o r l o c a l i o n 鼬g i g t e r ，归属位置寄存器。用于永久储存管理用户和服务记录的 数据库，由s m s c 产生。s m s 网关与h u l 之间的协议使前者可以要求h l r 搜索可找 到的用户地址。它与m s c 与h l r 之间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失报 文、随后又可找到时加以提示。 m s c ：m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ，移动交换中心。负责系统切换管理并控制来自或发 向其他电话或数据系统的拔叫。 v u t ：v i s i t o rl 0 c a t i o nr c 西s t c r ，访问位置寄存器。含有用户临时信息的数据库。交 换中心服务访问用户时需要这些信息。 通过以上的s m s 工作原理可以看出，s m s 作为g s m 网络的一种主要的电信业务， 其传递可靠性很高。g s m 网络在全国乃至全球范围内实现了联网和漫游，相对于传统 的集群系统在无线覆盖面上具有无法比拟的优势，更加突出了它在无线数据传输方面的 巨大优势，为基于它的各类数据传输业务的开发打下了坚实的基础。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 系统的实现方案 本文中的接地线监测系统集计算机技术、自动控制技术和单片机技术和先进的 移动通信技术g s m 网络于一体，通过采集终端将所需的数据量进行实时的采集、 分析、处理后，通过移动g s m 网络短消息将结果传给控制中心和相关人员，实 现接地线的现代化管理，减少由于人为因素造成的误操作，提高接地线的使用可 靠性。其建立的网络结构如图2 2 所示。 图2 2 接地线监测系统的网络拓扑图 f i 晷2 2t o p o l o g i c “d i a 笋锄o f 刚dw i 佗m 砌t o f i i l gs y 蜘 由上图可知接地线在线监测系统的硬件设计包含以下三个部分；新型复合接地线的 设计、地线监测终端的设计和监控中心短信m o d e l 的设计。本文中监控中心的短信 m o d e l 采用的是利事达公司生产的u 8 0 1 0 短信模块，它可以实现点对点、点对多点 和对等数据传输等功能，每个模块都有一个s i m 卡，通过相应的a t 指令就可以使模块 完成上述功能。 本系统中设计的监测终端设备应满足以下技术指标： e g s m 9 0 0 g s m l8 0 0 双频 符合g s m 标准p h a s e2 2 + r & t t eg c fa p p r o v a l 短消息：m o ，m t t e x t ，p d u 输出功率：c l a s s4 ( 2 w ) e g s m 9 0 0 c 1 嬲sl ( 1 w ) g s m l 8 0 0 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 短消息：m o ，m t t e x t ，p d u ，s m a 天线接口 音频特性：半速全速增强全速 工作电压：d c 5 v 待机电流：约3 5 m a 发射电流：约9 5 m a 支持u s s d 、s t k 工作温度：一3 0 摄氏度一+ 5 5 摄氏度 存储温度：一4 0 摄氏度一十8 0 摄氏度 2 5 本章小结 g s m 无线通信中的s m s 短消息具有初期投入费用低、组网灵活、通信效率高、覆 盖范围广等特点，可以与现代监测技术结合建立一种无线监测系统，这种无线监测系统 可以应用于多种领域，如监测电力设备、油井煤矿、水位、温度等。本文中采用这种通 信方式建立的接地线在线远程监测系统可以应用于变电站、配电网和送电网。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 接地线监测系统的硬件设计 3 1 新型复合接地线 新型复合接地线不仅要完成泄放停电设备上的剩余电荷和在突然来电时限制设备 对地电位的升高从而保护工作人员免受伤害的功能，还要能够完成数据采集工作，将接 地线的工作信息传送到监测终端。 在不同电压等级的线路上使用的接地线的规格是不同的，在本设计中将不考虑该因 素，假设接地线都是相同的，对接地线进行改造。 在接地线的设计中主要设计思路是在接地线的夹钳开关上引出数据线，使开关的动 作信号可以传递给控制电路，以此为依据判断接地线的工作状态。夹钳的结构设计为在 线夹的顶部装一个导电的铜片并从铜片上引出导线，在线夹的弹簧片与铜片接触的地方 有一凸起点，保证线夹在闭合时弹簧片与铜片的连接，接地线的接地电缆直接从弹簧片 上接出，接地线的三相挂杆的接地电缆会在一点汇成一根电缆，并且会在接地电缆上引 出一根数据线同每相铜片上的导线接入到一个航空插座上，该航空插座可接在终端设 备上。新型接地线如图3 1 所示。 图3 1 接地线 f i 9 3 1g m m dw i ” 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 接地线的结构可简化为图3 3 中所示。d k l 、d 。：，d 。和k 、k 2 、k ，为三对连动 开关，d k l 、d k 2 、d u 为a 、b 、c 三相所接地线的接地控制开关即为上图中的夹钳，k l 、 k ：、k ，为数据采集开关即弹簧片与铜片之间的连接，d 为接地电缆上引出的数据线，a 、 b 、c 为接地线a 、b 、c 三相上引下来的数据线，a 、b 、c 、d 四根数据线通过航空插座 连接到控制终端的单片机上。接地线的工作原理为：以a 相为例，当接地开关d k ，闭合 时，与之连动的数据采集开关k ，断开，此时控制电路接收到的a 线的电平为高电平；当 接地开关域1 断开时，数据采集开关k 。闭合，此时控制电路接收到的a 线的电平为低电 平。其它2 相原理与之相同。即高电平代表接地线处于安全接地的工作状态，低电平代 表接地线处于空闲状态，当开关q l 、d 。2 、d 。断开时，a 、b 、c 均为高电平，说明接 地线安全接地。 a 图3 2 接地线等效电路 f i g3 2g m u n dw ne q u i v a l e n tc i r c l 血 3 2 单片机选型及其外围电路设计 地线的监测终端主要由单片机和g s m 模块组成，其功能是将从地线上采集下来的 数据通过单片机存储后，同己设置在单片机中的数据由g s m 模块以短消息的方式发送 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 到移动通信网络。单片机选用p i c l 6 f 8 7 3 a ，由其构成的控制电路负责将采集到的数字 信号按一定格式转换并发送指令给通信模块【3 6 】。 3 2 1p i c l 6 f 8 7 3 的性能 p i c l 6 f 8 7 3 a p 司具有f l a s hp m g r a m 程序记忆体功能，可以重复烧写程序；其内建 i c d ( k c i f c l l i td e b u g ) 功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如：暂停微 处理器执行、观看暂存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。该芯片带有 4 k 的f l a s h 程序存储器、1 9 2 b 的r a m 、1 2 8 b 的脚r d m ，是m i c r o c l l i p 公司推出的基于 8 位的高性能i u s c 指令系统、哈佛总线和两级指令流结构的单片机。其基本特点有： 精简指令集，仅3 5 条单字指令，易学易用； 除地址分支跳转指令( g o t o ，c a l l ) 为双周期指令，其余皆为单周期指令： 多种硬件中断功能； 八级硬件堆栈； 直接、间接、相对三种寻址方式； 具有同步串行口1 2 c s p i 总线操作，可用于控制外部实时时钟、e e p r o m ； 具有同步通讯接口s c i ，u s a l 汀操作可进行r s 4 8 5 或红外通信。 在本监测系统的设计中，可以充分发挥p i c l 6 f 8 7 3 a 的很多优势，以提高系统的性 能和可靠性，并具有升级空间。由于p i c l 6 f 8 7 3 a 在一个芯片内集成了众多的功能模块 并具备优秀微处理器特性和c m o s 工艺特点，因此它可以减少外部器件，提高产品可靠 性和降低成本，另外它的低功耗及宽工作电平，宽工作温度和各种小巧封装，使得它非 常适合作为监测系统的m c u 。 3 2 2p l c l 6 f 8 7 3 a 的内部结构 p i c l 6 f 8 7 3 a 的内部结构网框图如图3 3 所示。由图可以看出p i c l 6 f 8 7 3 a 有以下 几部分外围模块构成。 ( 1 ) 输入输出模块：该模块包含r a 、i m 、r c 三个端口，共有2 0 个输入输出可编 程端口。 ( 2 ) 定时释溪块：p i c l 6 f 8 7 3 a 有3 个时钟t i l n e r o 、1 j 蝴l 和确咀e r 2 。t i m e r o 是一个8 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 位宽的可编程定时器也可作计数器用：t i m 盯1 是一个1 6 位宽的可编程定时器，也可用作 计数器，并且可以与捕捉比较脉宽调制c c p 模块配合实现捕捉与比较功能：t 皿e r 2 是8 位宽的可编程定时器，不能做计数器用，可以与捕捉比较脉宽调制c c p 模块配合实现 捕捉与比较功能。 图3 3p i c l 6 f 8 7 3 a 内部结构图 f i g 3 3h i t e r j o rc 矗g u 珀时o no f p i c l 6 f 8 7 3 a ( 3 ) e e p r o m 数据存储器模块：是1 2 8 字节的电可擦写的存储器，存储的内容掉电也 沈阳工业大学硕士学位论文 不会丢失。 ( 4 ) a 仍转换器：具有5 个通道和1 0 位分辨率的数模转换器，用来将外部的各种模拟 量转换为单片机内部处理的数字量。 ( 5 ) 捕捉，比较，脉宽调制c c p l 和c c p 2 模块：与面m 盱l 和t i m e r 2 配合实现捕捉、输出 比较和脉宽调制输出功能。 ( 6 ) 主同步串行端口m s s p 模块：具有s p l 和1 2 c 2 种工作模式，用来与具有s p i 或1 2 c 串 行端口的外接器件或其他单片机进行通信。 ( 7 ) 通用同步异步收发器u s 创n 模块：用于实现二线式串行通信，可以定义为2 种工 作方式；全双工异步方式和半双工同步方式。 3 2 3 时钟和电源电路设计 本设计中的微处理器所需时钟电路相对来说比较简单，只需要外接一个无源晶振和 两个电容即可实现一个频率为螂z 的时钟。时钟电路如图3 4 所示。 图3 4 时钟电路 f i 晷3 4c 1 0 c kc n u i t 在本设计中，由于外部电源采用的是6 v 的直流电源，而单片机的工作电压是5 v 的， 所以在给单片机供电前需要将电压进行转换。系统的电源电路如图3 5 所示。在本电路中 使用的s p x l l l 7 为一个低功耗正向电压调节器，有很低的静态电流，在满负载时其低压 差仅为1 1 v ，可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中，当输出电流减少时，静态 电流随负载变化，并提高效率。s p x l1 1 7 可调节，可以选择1 5 v ，1 8 v ，2 5 v ，2 8 5 v ， 3 o v ，3 3 v 及5 v 的输出电压。 基于g s m 网络的接地线监测系统的设计 这款器件j e 常适合便携式电脑及高精度电池供电的应用。 为了确保s p x l l1 7 的稳定性，输出端至少需要一个2 2 l l f 的钽陶瓷电容或1 0 l 】f 铝电 容，其值可以根据输出负载腽度范围的要求变动。e s r 的值取决于用来保持稳定的电容 类型，建议e s r 选取0 5 q 或更小的，也可以选用一个更大的输出电容值( 1 0 0 i l f ) 以增 长负载瞬态响应。本设计中使用的是1 0 i l f 铝电容和1 0 0 l l f 的电容来满足电压转换的需求。 图3 5 系统电源电路 f i 舀3 5s y 鼢np o w 日c 沁u n 3 2 4 电平转换电路设计 本设计中单片机与p c 机之间存在数据通信的情况，由于在实际使用时，单片机系统 使用的是1 儿电平，但是p c 机在串行通信中一般使用的是r s _ 2 3 2 c 通信协议，二者的电 平并不相同，需要外接接口进行电平匹配。 因为各种不同逻辑电路的逻辑电平有效区间不一致，导致了不同的逻辑电路在一般 情况下不能直接连接使用，所以在它们之间存在着逻辑电平转换的问题。在微机测控系 统中，一般采用t t l 电路作为基本电路元件。为了能更好的实现不同电路的连接，首先 应该清楚不同的电路对输入电平值的要求和输出逻辑电平的范围。 无论是t r l