基于GPRS的GIS局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：針對(duì)GIS傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳輸，導(dǎo)致故障不能及時(shí)的預(yù)測(cè)、報(bào)警和處理等問題，開發(fā)了基于GPRS的GIS遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89S51為主控制芯片，重點(diǎn)闡述GPRS的組網(wǎng)方式以及具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并在LabWindows／CVI下編寫PC端服務(wù)器程序。通過(guò)工程實(shí)踐證明，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)對(duì)GIS局部放電進(jìn)行測(cè)量、發(fā)送、管理。
關(guān)鍵詞：GPRS；GIS；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；AT89S51

    隨著數(shù)字變電站技術(shù)的研究發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)GIS局部放電的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)成為巨大挑戰(zhàn)。電力監(jiān)管部門對(duì)局部放電的定位和放電量的評(píng)估提出更高要求，構(gòu)建實(shí)用性強(qiáng)、覆蓋面廣、靈活性好的局部放電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于數(shù)字變電站技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。隨著移動(dòng)通信的不斷發(fā)展，一種利用公用通信網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞街饾u受到重視，該方式采用GPRS終端或者GPRS終端與PC機(jī)相結(jié)合的方式傳輸數(shù)據(jù)，該方式使用專用的GSM模塊，GPRS終端可移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍廣，接入時(shí)間短，傳輸速度快，通信范圍更寬，資源利用率高，可接入Internet網(wǎng)。GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩院褪褂贸杀镜牡土允蛊涑蔀槟壳斑h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中性價(jià)比較高的通信方式。
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GPRS的GIS局部放電的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要任務(wù)是借助無(wú)線通信系統(tǒng)，將GIS局部放電的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)變電站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸以及監(jiān)控中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    局部放電的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端、GPRS通信模塊和監(jiān)控中心3部分。由于局部放電脈沖所激發(fā)的電磁波的頻帶較寬，為了獲得比較豐富的信息，本文采用自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的超寬帶雙臂平面等角螺旋天線，該天線在超高頻頻段具有非頻變特性，天線阻抗近似為50 Ω，在寬頻帶內(nèi)很容易實(shí)現(xiàn)天線和傳輸線間的阻抗匹配，避免了波形畸變。天線放置于GIS外部，靠近GIS外殼和盆式絕緣子連接處。信號(hào)傳輸線使用雙屏蔽電纜，屏蔽銅絲網(wǎng)多點(diǎn)接地，避免信號(hào)在傳輸過(guò)程中引入干擾。由于GIS中的局部放電信號(hào)極為微弱，信號(hào)在電纜中也有衰減，因此，采用高頻雙通道前置放大器，以提高信噪比，放大器在300 MHz～1．6 GHz頻帶內(nèi)的增益大于25 dB?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)RS232接口傳輸數(shù)據(jù)給GPRS通信模塊；GPRS通信模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)采用TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采集終端和監(jiān)控中心上位機(jī)之間數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控中心為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)核心，完成系統(tǒng)管理控制和數(shù)據(jù)匯總、分析和處理數(shù)據(jù)，中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理，同時(shí)也能發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端
    現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端主要由信號(hào)獲取與處理和單片機(jī)系統(tǒng)組成?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要信號(hào)處理電路、MCU、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、E2PROM和RS232串口。

    傳感器將測(cè)得的信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，經(jīng)單片232電平，由TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊送入GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊(以下簡(jiǎn)稱GPRS模塊)中，這時(shí)，該模塊中的信號(hào)已轉(zhuǎn)換為TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，再傳到GPRS網(wǎng)絡(luò)(GPRS網(wǎng)絡(luò)通過(guò)路由器與Internet相連)，最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到具有固定IP地址的監(jiān)控中心服務(wù)器端口。MCU選用AT89S51單片機(jī)，其它組成部分大多數(shù)與單片機(jī)直接相連在其控制下工作。E2PROM存儲(chǔ)和RS232通訊與儀器測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)，保存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片選用美國(guó)DALLAS公司推出的DS1302芯片，可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒自動(dòng)計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能，時(shí)鐘操作可通過(guò)AM／PM指示決定采用24或12小時(shí)格式，工作電壓為2．5～5．5 V。單片機(jī)讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，記錄各模擬量采集時(shí)的時(shí)刻，以獲得GIS在對(duì)應(yīng)時(shí)間下局部放電的數(shù)據(jù)?？刂破鞑捎昧薃TMEL公司的AT89S51，這是一個(gè)低功耗、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)含4 kB ISP的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash程序存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳；4 k B Hash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)；32個(gè)外部雙向輸入／輸出(I／O)口；5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷；2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器：2個(gè)全雙工串行通信口。

3 基于MC55的終端通信單元硬件設(shè)計(jì)
    MC55模塊對(duì)外有兩個(gè)通信接口，一個(gè)通過(guò)RS232接口與主控MCU連接，另一個(gè)利用GPRS模塊撥號(hào)登陸至GPRS網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)接口之間采用數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)的透明機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。主站發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)天線進(jìn)入MC55模塊，經(jīng)過(guò)TCP／IP協(xié)議解析提取有用數(shù)據(jù)，根據(jù)通信規(guī)約重新組幀發(fā)給MCU，MCU響應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MC55模塊調(diào)制成GSM信號(hào)，通過(guò)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)以TCP／IP傳輸協(xié)議傳送至主站。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)與GPRS模塊之間的通信：首先定義通信協(xié)議，并規(guī)定幀的格式，再通過(guò)AT指令實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)附著并激活TCP數(shù)據(jù)鏈路，完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)對(duì)串口、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)初始化，并通過(guò)AT指令對(duì)GPRS模塊初始化，包括獲得IP地址、監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的IP地址以及檢查端口、配置GPRS服務(wù)號(hào)碼等。單片機(jī)通過(guò)循環(huán)方式采集電路的參數(shù)并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，利用串口中斷程序判斷是否有來(lái)自GPRS模塊的數(shù)據(jù)。如果有，就將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊，由內(nèi)置的TCP／IP協(xié)議進(jìn)行處理并發(fā)送。GPRS終端通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線上網(wǎng)功能。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

    在對(duì)GPRS模塊控制時(shí)采用AT指令，AT指令集是從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配器或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的。GPRS指令是用于模塊連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)上的指令，通過(guò)這些指令可以設(shè)置模塊在連上INTERNET之前模塊的各種參數(shù)，AT+CGCONT用于設(shè)置模塊所附著的網(wǎng)絡(luò)。AT+ CGACT激活網(wǎng)絡(luò)。TCP／IP指令是用于應(yīng)用TCP／IP服務(wù)的指令，主要功能是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接上INTERNET后建立建鏈接，完成數(shù)據(jù)傳輸。

5 監(jiān)控中心
    監(jiān)控中心是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它在系統(tǒng)中所起的作用是系統(tǒng)管理控制和數(shù)據(jù)匯總、分析和處理。對(duì)于監(jiān)控單位來(lái)說(shuō)，普通的服務(wù)器或P C機(jī)就能夠勝任監(jiān)控中心的全部工作。服務(wù)器端軟件采用LabWindows／CVI作為設(shè)計(jì)平臺(tái)。采用WinSock控件接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存到access數(shù)據(jù)庫(kù)中。Microsoft提供的Winsock控件對(duì)用戶而言是不可見的，用戶不需要了解TCP或底層Winsock API函數(shù)，通過(guò)設(shè)置Winsock控件的屬性和調(diào)用該控件的方法，就可以很容易地連接到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)并進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換。Winsock創(chuàng)建服務(wù)器應(yīng)用程序，先設(shè)置一個(gè)本地端口(LocalPort屬性)，用Listen方法監(jiān)聽這個(gè)端口，當(dāng)客戶機(jī)連接到該端口，就會(huì)發(fā)生ConnectionRequest事件，調(diào)用Accept方法完成連接過(guò)程。建立連接后，下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)時(shí)，產(chǎn)生DataArrival事件，調(diào)用GetData方法就可獲取數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GIS局部放電遠(yuǎn)程監(jiān)控，節(jié)約了人力成本。當(dāng)然，在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)仍有值得改進(jìn)之處，最明顯的問題就是對(duì)于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的通信信道的要求較高，在一些移動(dòng)信號(hào)覆蓋較弱的區(qū)域，可能出現(xiàn)無(wú)法登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象。此外，基于TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通雙方先握手建立可靠連接，這造成傳輸數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)明顯的延時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性降低。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)而言，可以考慮采用U D P協(xié)議進(jìn)行傳輸，省去通信雙方建立可靠連接的過(guò)程，但要求數(shù)據(jù)傳輸格式更加嚴(yán)格，編寫程序更加完整。通過(guò)這套系統(tǒng)可以建立起實(shí)用性強(qiáng)、覆蓋面廣、實(shí)時(shí)性好、靈活性好的GIS局部放電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，已在測(cè)試過(guò)程中取得良好效果，運(yùn)行穩(wěn)定。隨著數(shù)字變電站技術(shù)的不斷發(fā)展和GPRS網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，該系統(tǒng)將有更廣闊的前景。