0 引言
剩余電流動作保護器是低壓電網(wǎng)中的重要保護裝置，在農(nóng)網(wǎng)的智能化改造中對剩余電流動作保護器的實時狀態(tài)監(jiān)測，可以大大提高工作效率和節(jié)約人力成本。針對農(nóng)網(wǎng)設備分布區(qū)域大而散的特點，本文提出了一種基于GSM 的剩余電流動作保護器遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計方案。
剩余電流動作保護器遠程監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱檢測系統(tǒng)) 由前端剩余電流動作保護器、單片機控制系統(tǒng)、GSM 短信收發(fā)模塊、監(jiān)控計算機和移動終端構(gòu)成。一個單片機控制系統(tǒng)同時連接多臺剩余電流動作保護器，進行數(shù)據(jù)通信和傳輸控制。
監(jiān)測系統(tǒng)控制用的單片機選用某公司的MC68HC90JL8產(chǎn)品，檢測連接到的剩余電流動作保護器狀態(tài)并完成相關數(shù)據(jù)通信。設備狀態(tài)數(shù)據(jù)以短信方式傳送，通過GSM 收發(fā)模塊到移動終端或監(jiān)控計算機上。
短信收發(fā)模塊選用某公司的 G100 型號產(chǎn)品，集成了關鍵的GSM 模塊TC35i 以及模塊的射頻處理電路、SIM 卡槽和MCU 微處理器單元，利用 RS232 通信協(xié)議實現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。
1 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理
剩余電流動作保護器作為系統(tǒng)前端，安裝在各個低壓電網(wǎng)控制箱內(nèi)，自動監(jiān)測用電線路的狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括負載電壓/負載電流/ 漏電電流等)。當用電線路發(fā)生過載、短路、缺相、過壓、欠壓或剩余電流故障跳閘情況時，剩余電流動作保護器就會通過核心單片機控制系統(tǒng)和GSM 短信收發(fā)模塊向移動終端或監(jiān)控計算機發(fā)送短信，主要內(nèi)容包括告警地點、告警線路、告警原因、告警數(shù)值等狀態(tài)數(shù)據(jù)。管理人員就可以據(jù)此及時掌握故障信息，迅速采取措施，保證正常供電。
在整個系統(tǒng)工作過程中，單片機控制系統(tǒng)不但對保護器狀態(tài)數(shù)據(jù)進行了實時監(jiān)測，當用電線路的狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，能夠自動將告警信息發(fā)送到管理平臺和移動終端上。同時，單片機控制系統(tǒng)還可接收管理人員的指令進行對應操作。
當控制系統(tǒng)接收到短信形式的指令后，也能實時采集剩余電流動作保護器的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)參數(shù)，并回傳給監(jiān)控平臺和移動終端，供管理人員分析和統(tǒng)計。
在管理平臺上，監(jiān)控計算機通過收集到的各個用電線路剩余電流動作保護器的狀態(tài)信息與數(shù)據(jù)參數(shù)，基于已有的比對數(shù)據(jù)，對運行情況進行統(tǒng)計分析，并且能以輸出報表的形式為管理部門決策提供有效的參考信息。
2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計
監(jiān)測系統(tǒng)采用有比較優(yōu)勢的功能模塊化設計，主要可分為單片機控制系統(tǒng)與通信模塊設計;其中單片機控制系統(tǒng)與通信部分設計包括硬件電路設計、軟件設計。
控制系統(tǒng)與通信模塊主要由核心單片機、電源處理電路、鍵盤輸入電路、信號處理電路、液晶顯示電路、GSM 收發(fā)模塊等單元構(gòu)成，如圖1 所示。
根據(jù)實地調(diào)研分析，一般情況下連接在同一低壓電網(wǎng)變壓器上的剩余電流動作保護器基本布局在同一配電柜中，安裝的保護器的數(shù)量相對較少，并且相互安裝之間距離較近，這是在低壓電網(wǎng)中剩余電流動作保護器的安裝特點。針對其特點本系統(tǒng)中剩余電流動作保護器與單片機控制系統(tǒng)的連接采用 TTL 電平直接方式，同時滿足每個單片機控制系統(tǒng)可以連接控制4 個剩余電流動作保護器。
單片機控制系統(tǒng)和GSM 收發(fā)模塊的供電主要采用AC220V 輸入經(jīng)過變壓、整流、濾波后來供給其使用;剩余電流動作保護器的編號由單片機控制系統(tǒng)的通訊接口編碼來決定;按鍵輸入部分采用 4*4 行列掃描查詢的方式，實現(xiàn)數(shù)字和相應字符命令的輸入;顯示單元部分采用點陣顯示液晶，既能顯示按鍵輸入對應中文信息，也在收發(fā)短信、收發(fā)模塊初始化和工作失常狀態(tài)下顯示相應的告警信息。
3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計
3.1 系統(tǒng)主要功能
監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：
(1)實現(xiàn)對所控制的剩余電流動作保護器的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集;
(2)按照規(guī)定格式，實現(xiàn)收發(fā)模塊之間的雙向通信;
(3)實現(xiàn)對剩余電流動作保護器的狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析、處理、編碼工作，并生成數(shù)據(jù)幀，再通過GSM 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控計算機和移動終端上;
(4)實現(xiàn)對接收到的短信的解碼、分析、處理，將控制命令作用于剩余電流動作保護器，使之完成相應的動作;
(5)此外，可以靈活實現(xiàn)利用按鍵來設置或更改要發(fā)送的手機號碼，同時在液晶單元上顯示相關信息;
(6)將剩余電流動作保護器的各種故障顯示在液晶單元上。
3.2 主要功能模塊設計
3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設計
單片機數(shù)據(jù)采集模塊對所連接的多臺剩余電流動作保護器的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集。剩余電流動作保護器本身會在線路上有欠壓、過壓、短路、漏電流過大等故障發(fā)生時有相應的保護動作，現(xiàn)在，單片機要對這類故障信息做到即時的采集，并做出相應的識別、處理，以判斷出發(fā)生故障的具體線路和具體的故障類型。后期完成故障信息整合，準備發(fā)出線路故障告警信息，故障信息內(nèi)容一般包括發(fā)生故障的地點，線路和具體的時間等。圖2 為數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖。[!--empirenews.page--]
3.2.2 TC35i 模塊初始化
監(jiān)測系統(tǒng)軟件的另一主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠雙向通信傳輸。一是能準確地把線路的具體告警信息及時發(fā)送給計算機管理平臺或移動終端上，一線管理人員可以實時掌握線路的運行狀態(tài);二是能實現(xiàn)被動的查詢，在管理人員發(fā)送的查詢請求信息傳輸給單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)完成相應的查詢?nèi)蝿詹勋@得的信息重新發(fā)送回管理人員。
數(shù)據(jù)通信部分的軟件設計主要包括 TC35i 模塊的初始化、接口定義、對短信的編碼格式設定以及與單片機的通信等內(nèi)容。
監(jiān)測系統(tǒng)中TC35i 模塊初始化過程為：(1)發(fā)送握手信號(3 個字節(jié)的數(shù)據(jù))，也就是指令AT ;
(2)發(fā)送指令AT+IPR=9600,設置串口通信波特率為9600HZ ;
(3)發(fā)送指令AT+CSCA=+8613800573500,設置短信服務中心號碼;
(4)發(fā)送指令AT+CNMI=2,1,設置短信的工作模式;
(5)發(fā)送指令AT+CMGF=0,短信發(fā)送采用PDU 編碼模式。
從以上分析可以看出，TC35i 模塊初始化時，通過發(fā)送一系列的AT 指令就可以完成工作方式的相關設置。
3.2.3 發(fā)送線路告警短信
剩余電流動作保護器在線路故障時的相關狀態(tài)信息被單片機采集并處理編輯，具體內(nèi)容包括故障位置、線路標號、采集時間，最后通過TC35i 模塊將短信發(fā)送給管理平臺。管理平臺如果成功接收短信，系統(tǒng)能自動返回“OK”信息，提示告警短信發(fā)送成功;相反，短信如果發(fā)送失敗，系統(tǒng)能在短暫延時后重發(fā)信息，以保證故障報警信息的成功接收。
3.2.4 系統(tǒng)接收查詢短信
要使系統(tǒng)能接收短信，先要在TC35i 初始化過程中設置系統(tǒng)工作方式為可以接收短信。處理流程是，管理人員可以實現(xiàn)通過監(jiān)控計算機或者移動終端發(fā)送規(guī)定格式的查詢請求短信，請求短信通過TC35i 模塊經(jīng)過GSM 網(wǎng)絡傳輸給中心控制系統(tǒng)，單片機成功接收信息后經(jīng)過信息解碼、讀取、識別、判斷等處理，對查詢信息的正確性進行判斷。如果是的正確查詢信息，單片機系統(tǒng)執(zhí)行查詢請求并將查詢結(jié)果以短信的形式回傳給管理人員;如果是錯誤的查詢請求，系統(tǒng)不予執(zhí)行，并返回“ERROR”警告信息進行提示。
管理人員發(fā)送的查詢信息的格式規(guī)定為：線路編號+ 剩余電流動作保護器編號。
3.2.5 液晶顯示模塊
該部分主要針對選取的 LCM12864 點陣液晶顯示模塊進行編程。LCM12864 點陣液晶顯示模塊的優(yōu)勢在于內(nèi)置行列驅(qū)動控制模塊，有專門的液晶模塊指令集，模塊的指令比較簡潔，包括顯示開關指令，顯示起始行控制命令，頁設置命令，列地址設置指令，讀狀態(tài)指令，寫狀態(tài)指令和讀數(shù)據(jù)指令。通過編程，最終實現(xiàn) 128 點*64 點大小的平板顯示。
3.2.6 鍵盤輸入設計
系統(tǒng)設計中選擇矩陣式鍵盤，為單片機系統(tǒng)節(jié)省了I/O口資源，采用掃描法來進行行列鍵盤的掃描來獲取鍵盤輸入的鍵值。具體程序?qū)崿F(xiàn)流程如下：
(1)第一步判斷是否有按鍵按下。先向行掃描口輸出全零掃描碼，再從列檢測口開始檢測信號，只要有信號不為“1”,就表示有鍵被按下，并判斷按下鍵所在的列。
(2)第二步查詢按鍵所在的行和列的位置。第一步已經(jīng)得到了按下鍵所在的列號，下來只要確定按鍵所在行。即采取的是逐行掃描的方法，進行逐行檢測，直到找到按下鍵所在的行。
(3)第三步對以上獲得的行號和列號進行譯碼就能得到具體的鍵值。
4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果分析
經(jīng)過前期的局部仿真和后期多次實體試驗，本系統(tǒng)實現(xiàn)預定全部功能并正常工作：實時數(shù)據(jù)或故障信息可GSM 網(wǎng)絡可靠發(fā)到計算機平臺和移動終端上;對于管理人員的查詢請求能做到即時準確回復;管理人員也可以通過鍵盤更改手機號碼，在LCD 顯示相關信息。該系統(tǒng)完成軟硬件開發(fā)、調(diào)試后，經(jīng)過測試，所有功能和性能指標均達到系統(tǒng)功能要求。
5 結(jié)論
本方案中所設計的監(jiān)測系統(tǒng)通過GSM 網(wǎng)絡進行通信，可以覆蓋整個線路上的保護器，無線通信方式可以使其不受安裝地點的限制。在實際應用中，本監(jiān)測系統(tǒng)簡潔、實用、性價比較高。在設計時，主要考慮到現(xiàn)階段對成本、可靠性等因素的要求，但隨著相關技術(shù)的發(fā)展，采用更為先進的3G 網(wǎng)絡或是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在較大供電范圍內(nèi)，對剩余電流動作保護器實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理，處理的數(shù)據(jù)量可以更大，管理起來也更加方便，應用層面可以更智能化。
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