基于GPRS无线传输技术的电力设备远程监控记录系统.doc

基于GPRS无线传输技术的电力设备远程监控记录系统郭政谦1、张宏展2、陈辅贤2（1台北县淡水镇淡金路4段499号，圣约翰科技大学，电机工程系研究所；2台湾省台北，基隆路4段43号，国立台湾科技大学，电机工程系研究所）摘要：本文设计了一个电力设备的远程监控记录系统，它针对于无线传输技术的应用和远距离电气设备与中央控制站间传输的信号处理。系统终端在图形系统上可视化其工作状态，并保存历史数据到通用数据库中，以供将来研究与分析。通过本文提出的系统，仅仅需要一个匹配采集系统的GPRS模块，能够使远程控制中心获得设备的各种信号，以便获得全部管理。同时，避免了在崎岖地形上的布线任务，节省了检修的时间。另外，通过检查数据记录或对其作理论分析，我们能够了解设备的性能、寿命及运行效率，以便能提出维修与更换的建议。因而，使传统的周期性维护计划升级的更为有效率和条件。当设备出现了任何异常情况时，本系统可以提前告知相关工程师立即进行修理或更换，以减少意外事故的发生。关键词：电力设备、通用分组无线服务（GPRS）、无线传输、远程监控1引言当今，电力已经成为不可或缺的能源，以其作为各行各业基础必需品的作用而被广泛应用。就电力设施而言，一切平稳工作时会获得较高的效益，否则，工作过程将停顿并导致产量减少，特别是对电力行业更为严重。假设电力供应被切断，社会经济的每个部分都将遭受巨大的损失。如果设备的任何问题能够提前被发现，并及时的修理或更换，那么损失就可以避免。随着信息和网络技术的进步，电力管理系统不再简单局限于电力利用，通过一种交互式的方法监测电力消费状态来提供各种服务，以此来提高整体的用电效率。关于当前的电力设施，已经稍微及时的做了系统的管理和分析。如果我们能做一些直接的管理和分析，就能获得更多的数据，例如负载曲线、需求量和最大负荷，通过它们，我们可以求出供电因数、负载系数和差异因数。基于这些数据，我们能够对设备、能量和利用效率进行评价。为了确保电力运行系统具有较高的安全性，世界上的电力公司都推荐采用数据采集与监视控制系统（SCADA），以其来采集电力工作状态、控制转换设备和管理远程设备，这样系统调度员能够监测现场设备的运行状态。SCADA包含控制中心、现场设备和通讯网络等。在PC机（个人计算机）屏幕显示之前，调度员可以对到达的信号做分析。当任何异常信息出现时，调度员可以立即做修正来防止重大意外事故的到来。现今，在高度发达的移动通信时代1,4，人们相信无线传输平台可以修正和改善电缆传输的缺陷。当今GPRS网络系统已经制定到了完善的水平，这导致了移动手机使用的流行2。并且GPRS网络以一种可靠的方式，除传输声音外还可传输数据3。已经有很多应用来使用GPRS网络的优势改善传统的应用方式4-12。因此，本研究设计了一个无线实时监控反馈系统，来连接嵌入的GPRS模块，使其可以不通过电缆在各个监控终端返回监测数据。GPRS模块的使用使监测命令和信息观测不再局限于一个固定点，从而提高了监测的适应性、便利性和可靠性。因此，本研究应用GPRS来采集电力数据，更大程度上完成监控目的，并设计了一套GPRS远程监控装置，它主要用来监控各监控终端的相关电力数据，包括三相电压均方根值、电流和功率。另外，还可监控在过电压、欠电压和过电流下电源的状态，并将电源状态通过GPRS反馈回设置在远处的监控终端。2硬件和软件设计本部分详细说明了系统结构和相关软硬件的设计过程。系统结构如图1所示。在监测中心安装本文设计的GPRS远程监控装置，此装置采集电压、电流以及由其计算得出的功率信息。并且通过GPRS网络系统，采集到的监测数据从监控终端的GPRS模块发送到带有远监控终端互联网的监控中心站。图1. GPRS远程监控系统结构示意图2.1系统框架本系统由以下描述的4部分构成，如图2所示，包括电信号处理、信号采样、GPRS传输和主机端监控部分。A：电信号处理利用简单的电路，对信号做一些简单的处理，然后将模拟值与真实值相比较，此后再做一些修正以确保电路便于使用。B：信号采样利用单块芯片采样电压、电流和相位信号，并对采样信号做一些计算。C：GPRS传输使用Yi Yang型单芯片GPRS模块的匹配型，并利用AT指令的命令集来控制联机及使用RS-232传输技术进行的数据传输。D：主机端监控部分利用Visual Basic作为主机端监控程序的编程语言，将接受到的数据恢复至原始波形，然后将计算过的各种数据，以便了解远程设备的工作状态。2.2系统功能本系统的主要功能可分为两个部分，一是监控设备并传回相关参数信息，另一个是为进一步使用分析接收的数据。如下所述：A：监控电气设备数据我们可以采集监控设备的电压和电流数据，并通过GPRS将数据传输至远程PC机。当接收到这些数据时，PC机将其保存至数据库并可视化其波形。同时，我们可以计算这些数据，获得有关电气设备的功率消耗。B：分析接收到的数据我们也可以从很多设备中采集数据，并对其进行比较。例如，我们可以计算出传输过程中的损耗，由此，如果出现任何异常情况，可以提前通知工程师进行修理和维护。图2. 系统结构2.3设计原理和方法2.3.1信号处理A：电压设备的电源电压是大信号模拟量，不适于通过A/D转换器和GPRS传输。我们利用水泥电阻分压器将电压降低到约的范围，然后使用附加电路提高模拟电源电平为，这样为加上直流值，然后信号就可以送往数模转换器进行转换。B：电流关于电流，我们通过电流互感器（CT）来成比例缩小电流。我们将此电流与一电阻串联起来，然后利用一个反向放大器和加法器来放大其电压和进行电平转换，最后将信号送往数模转换器进行转换。2.3.2 相位差令，利用乘法器设定和的乘积： 交流项 直流项这时，交流项仅仅存在一个受直流项影响的偏移量，如图6所示，通过和可以很容易求出： （1）我们使用一个硬件芯片（AD633）来产生和乘积的信号，这样可通过式（1）求出，因此和的相位差可通过下式求出： （2）图6 电压电流乘积后波形2.3.3采样在信号采样中，结合了时钟信号发生器芯片8284A的ADC0809芯片用来将模拟信号转换为数字信号，这里，8284A为ADC0809提供了的时钟信号以使其能平稳工作。ADC0809对每个采样点做转换需要10个时钟周期，加上程序延时，采样频率大约为。所以，采样功率信号在某种程度上也符合奈奎斯特采样定理，这样不会发生混叠现象。ADC0809利用自身结构在8个模拟通道之间切换作8位转换。电压信号、电流信号和相位差信息输入连接器，。因为，且ADC（模数转换器）具有8位分辨率，那么可编码256种不同电平。它的步进电压=。这样ADC芯片的转换启动信号引脚（START）和算术逻辑单元（ALU）被触发，然后转换开始，当转换结束后，转换后数据由中断方式获得。无疑，为使ADC0809正常工作，必须提供时钟信号。本设计中，由ADC0809提供时钟，借助于晶体振荡器，8284A将其6等分，最终通过PCLK得到时钟信号。本文利用微处理器采集70个采样点的信号，然后应用GPRS将数据传输到远距离管理系统，系统利用线性插值将数据恢复为原始信号。2.3.4 GPRS模块与89C52的连接在89C52和GPRS模块的应用中，本文利用89C52提供AT指令集，通过RS-232控制GPRS模块，使GPRS可以连接到网络和传输数据。为了使GPRS模块能平稳的传输信号，本文利用了AT指令集来控制。2.3.5功率计算计算采样所得数据后，我们得到、和，我们可以通过计算他们组成的公式，然后就很容易获得了功率值。3系统实现主要分三个部分讨论：3.1电压采集在这个部分，如图8上半部分所示，我们将电压减少至，但是ADC0809的采样范围限制为正值。因此，我们对电压做了微小的调整，如图8的下半部分所示。在这个过程中，我们使用了集成电路TL084。增加了一个缓冲器U1来防止前面电压和后面电压的干扰，U2是同相加法器，来提高它的电压。按照以下步骤设计：假设U2的点3处的电压为，U1的输出为点6，表示为，为U2在点6的输出通过U2以后，电压的电平提高了，因而的范围扩展到了。经过这些调整，ADC0809已经准备好接收电压值。3.2电流转换如图9所示为电流变换电路。当采得真实的电压和电流采样信号时，我们给设备加上电压，与电阻，LOAD（负载），CT串联起来。起限流作用，防止过度的短路电流；LOAD用来检测电压电流值的状态以作简单考查，这也是我们实验的目的；CT有两个作用：一是测量流过LOAD的电流，另一个是通过，将电流感应转换为电压波形。电阻和两端电压为，接近负载LOAD电压。为方便检测，我们除以电压，使其落入范围，就可方便的分析了。图9. 利用CT进行的电流变换图8. 电压采集电路图图10. 电流采集电路图3.3电流采集如图10所示为电流采集电路图。在第二部分，电流值已经经由CT，从第一级感应至第二级。接下来，电流通过转换为电压值。因为电流转换至第二级，由于匝数比，先前的大电流被转换为小电流，用来测量的数值同样变小了。为了方便测量，我们利用了一个放大倍数的反相放大器，来放大电压值到范围。此后，通过电压采集时的方法，我们利用一个正向加法器，调整电压到，以方便ADC0809接收。3.4相位处理电压和电流的乘法器电路如图11所示。利用电压和电流的乘积来获得相位差。图11. 电压和电流的乘法器电路例如：输入值为，假设电压和电流的相位角分别为和。 相位角可以通过直流项求出，为波形的平均值。那么，电压和电流的相位差同样可以求出。4未来的发展与应用本系统可以用在电气设备的管理上，不仅可以节省人工成本，还可以获得实时的设备信号。该系统可以建立在每个电路上，检测设备的状态，然后传输它们的信号进行分析。除了分析有关设备的当前状态，系统还可以利用其数据库进行比较所有设备的状态，以确定是否有任何需要加以改进，了解设备的寿命等。这不仅最大限度地提高了设备的所有性能，而且最大限度的减少了事故的发生。除了进行简单的信号传输，GPRS便于本地端和主机端间连接，便于安装，且方便业余爱好者操作。发展基于GPRS的长途电监控系统，是非常有前途的。因此，今后的研究应集中在一个管理系统的自动控制，它可以自动控制由信号分析得到的远程设备状态。该系统预计将投入工厂、公司，甚至长途管理区域，从而带来安全、高效和无处不在的监督管理。5结论无线通信的发展不断改进和加强了远程监控技术