久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

    摘要：國內外電力部門和電力用戶對電能質量的關心程度與日俱增，在闡述電能質量監測重要性的基礎上，本文提出了基于GPRS模塊和DSP技術的電能表計量和監控原理。該系統由DSP電能表、通迅終端、無線網絡和監控中心四部分組成。采用基于DSP電能表，可降低廠站裝置的成本，增加對電壓凹陷、短時中斷、電壓凸起等事件的監測，擴大系統的應用范圍，使系統功能更加完善。采用本文提出的電能質量監測系統和技術，能實現對電能質量的永久性監視，能及時記錄供電系統的各種干擾，方便地對整個電網的電能質量水平做出綜合評價。

   關鍵詞：GPRS；數字信號處理；電能表；遠程測控

    1 引言

   在能源供應日趨緊張的21世紀，電能數據的準確計量、抄讀和對電能使用情況的監測直接關系到能源利用的經濟效應和社會效應。過去對電能的機械表計量和人工抄讀，因為精度低、效率低、容易引起誤差等原因而面臨淘汰。隨著無線通迅技術與網絡互聯技術的發展，取代機械計量和人工抄表的是，具有高精度的數字計量方法的出現以及自動遠程無線抄表技術的發展。因為電能數據的抄讀具有速度相對較低、電能表范圍分布廣、抄讀具有間斷性等特點。對電能表數據的抄讀，特別是對有無線網絡覆蓋的地區，非常適合采用無線通迅的方法進行自動抄表^[1-5]。本文結合新型DSP電能計量提出了一種基于GPRS標準的監測系統。該系統由DSP電能表、通迅終端、無線網絡和監控中心四部分組成。其中電能表是采用DSP技術的電能數據采集器，完成電能計量的功能；通迅終端和無線網絡是電能表與監控中心通迅的橋梁；監控中心通過無線通迅完成對電能數據的管理、計費和監測控制。

   2 無線通訊終端GPRS

   2.1 GPRS技術參數

   GPRS是基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的廣域無線IP連接。GPRS在分組交換模式下發送和接收數據，可以使不同的數據分享傳輸帶寬，從而提供了一種高效、低成本的無線數據傳輸業務。GPRS用于電力系統遠程測控具有多方面的優勢：

   (1) 接入范圍廣，可充分利用全國范圍的電信網絡，不受地域和位置限制；

   (2) 傳輸速率高，網絡數據傳輸速率最高可達171kbit/s，而且通過不同的編碼方式，支持不同速率的傳輸，能滿足遠程測控的應用需求；

   (3) 提供實時在線服務，能夠提供快速及時的連接，保證通訊的實時性；

   (4) 按流量計費，特別適用于遠程抄表這種間斷的、頻繁的、少量（偶爾大量）的數據傳輸；

   (5) 支持TCP/IP協議，可與Internet互通，突破了GSM通訊中數據流量的限制；

   (6) GPRS網絡系統提供可靠的數據安全性。

   2.2 GPRS硬件結構

    GPRS通訊模塊，通常作為數據通訊設備，與數據終端設備互連通訊。GPRS模塊由GSM控制器、電源電路、基帶信號處理器、存儲器、應用接口（包括供電接口、串行接口、音頻接口和SIM卡接口），以及無線信號收發器、射頻放大器、天線連接器等組成。模塊支持分組數據交換業務和電路數據交換業務，支持EGSM900和GSM1800兩種頻段的GSM網絡通訊。在采用GPRS通訊時，數據上傳速率最大85.6kbps，下載速率最大42.8kbps。模塊提供了8線的異步非平衡串行接口，支持硬件握手和軟件流控制方式。西門子公司設計的MC39i模塊內部框圖如圖1所示。

   模塊的GSM內核需要由IGT引腳以預定時序激活，才能進入正常工作狀態。IGT引腳的驅動是通過三極管開關電路實現，基極輸入由DSP的I/O引腳控制，集電極輸出到IGT端，可以限制外部電流輸入IGT引腳。首先，IGT引腳保持高阻態，通過4.6V直流電壓給MC39i加電，然后，當BATT引腳上的電壓超過3.0V后，將IGT引腳拉低至少looms的時間，同時應保持BATT引腳的電壓不低于3.0V，才能正確激活模塊。
  
                        
                            圖1 MC39i模塊內部框圖

    當GSM內核啟動后，應將IGT引腳恢復為高阻態，模塊內看門狗在正常工作時，由ERG引腳輸出的心跳信號傳送DSP的I/O引腳用于監測模塊狀態。另外布置了電池電路作為后備電源，在外部電源斷電時繼續維持模塊工作。通過串行接口向GPRS模塊發送“AT‘SMSO”命令，可以要求模塊從網絡上通過串行接口向GPRS模塊發送“AT‘SMSO”命令，可以要求模塊從網絡上斷開，模塊軟件進入安全狀態且將重要數據保存。若GPRS模塊出現較長時間不響應外部命令，或不能通過AT命令正常關閉等特殊情況時，將EMERG引腳拉低3.25以上，輸入到電源集成電路的看門狗脈沖信號將被切斷，電源集成電路會切斷模塊的內部電源供應。模塊外部的電源供電線路連接在常閉繼電器的兩端，當前兩種方法都無法重新激活模塊時，則通過控制繼電器強制模塊斷電重啟，重新激活模塊。

    2.3 GPRS軟件系統

    GPRS軟件系統體現在通訊中。通訊中可能出現的問題有：1通訊掉包；2 通訊掉線；3 網絡阻塞；GPRS通訊軟件主要解決這三個問題。

   通訊過程描述：

    GPRS終端連上線后，就發送一個心跳包給服務器，服務器回送一個心跳包給GPRS終端。心跳間隔為60秒一次，即每隔60秒發送一個心跳包。若GPRS終端在一個心跳包周期的時間間隔內未收到服務器端的心跳回送包，GPRS終端重發心跳包（此時可認為是通訊阻塞或者掉包），若在下一個心跳包周期的時間間隔內仍未收到服務器端心跳回送包（此時可認為是通訊阻塞或是掉包），GPRS終端重發心跳包，若收到一個或者幾個心跳包都將其視作一個心跳包處理，過一個心跳包周期，繼續發送心跳包；若未能收到回送的心跳包（此時認為是掉線），則GPRS終端自動重連，重連后若收到幾個心跳包則將其視作一個心跳包處理。通訊過程如圖2所示。
  
                      
                               圖 2 GPRS端發送心跳包流程圖

    服務器端在收到GPRS終端第一次發來的心跳包后回送一個心跳包，心跳包的格式和GPRS終端發送的心跳包一致。若在一圖 2 GPRS端發送心跳包流程圖個心跳周期后，服務器端未收到GPRS終端的心跳包數據，則進入等待接收GPRS終端心跳包狀態，在服務器端等待接收GPRS終端心跳包狀態時，若收到幾個心跳包，只將其視做一個心跳包處理。

    當服務器端需要建立與GPRS終端的連接，則發送一個連接包，等待GPRS終端回送一個握手包，收到一個握手包后則認為連接成功。若在一個心跳周期的時間間隔內未收到握手包，則要等到收到一個心跳包之后回送一個心跳包，同時發出連接包，繼續等待接收握手包，若不能收到握手包則認為此次連接失敗。GPRS終端在收到一個服務器端的連接包時回送一個握手包。流程如圖3所示。

   3 基于DSP技術的電能表

   3.1 基于DSP技術的電能表硬件系統設計

   系統如圖4所示，能實現高準確度電能計量。選用采樣速率高達1Msps的16位高速ADC芯片AD7655來進行電壓、電流信號采樣，用ADI公司的ADSP-BF532芯片來進行數值運算，使用一片微處理器完成對電能數據的管理、人機界面、自動校表及與外界通訊等功能。
  
                        
                                圖3 服務器端發送連接包流程圖

    系統可以分為電源電路，前端信號調理電路，模數轉換電路，數字信號外理電路，電能管理處理器電路，人機交互界面（包括顯示模塊、按鍵、脈沖輸出顯示、報警、負控電路等），時鐘電路，通訊電路等，各模塊功能如下：

    電源電路為系統提供穩定電源。上電時，系統保證在可靠復位后再進入電能計量，外置看門狗電路可在程序出現意外跑飛后，產生復位信號使系統重新復位運行。掉電時，掉電檢測電路檢測到掉電信號后，產生掉電中斷，請求MCU進行掉電保護操作，以保護采集到的電能等重要數據。

   前端信號調理電路包括電壓電流信號采樣電路，可控的多路選通及增益匹配電路。在電流通道具有可選的兩級增益：當輸入電流采樣信號在5~500mV之間時，選擇第一級5倍放大，放大后對應25~2.5V；當輸入信號在0.05~5mV時，選擇放大倍數為500，對應25~2.5V。因此正常工作條件下，輸入電流采樣信號幅度可以是0.05~500mV之間的任意值。電流通道設計成可選的兩級放大，使得系統在10000：1的負載動態范圍內保持計量精度不超差。用戶空載時，軟件上的防潛動閥值處理不會讓系統產生潛動走字。電壓通道只選用5倍放大。
     
                          
                               圖4 用DSP計量的電能表硬件框圖

      模數轉換電路由2.5V基準源與AD轉換器AD7655組成，完成對電壓電流信號的模數轉換。將信號調理電路采集的電壓信號轉換成16位數字量，供DSP處理器進行運算處理。

    數字信號處理電路主要由ADI公司的高性價比DSP芯片ADSP-BF532組成，ADSP-BF532時鐘可高達400MHz，具有豐富的接口功能，包括16位的數據總線接口，多個串口（含SPI、UART等），以及定時器，存儲器等豐富的內部資源。DSP單元在離散域完成對電壓電流的均方根值（有效值）計算，相位差計算等，并由此計算有功功率、功率因數，同時完成對電能數據的增益補償與相位補償。有功功率對時間進行積分，從而獲得有功電能，此有功電能即為系統計量電能的依據。

    電能數據管理處理器采用MCS51系列微處理器。它主要負責對DSP運算得出的電能等重要數據進行處理，包括顯示，完成自動校表與自動抄表、采集DSP運算結果、對電能數據進行存儲與保護、實時處理用戶命令以及實現包括預付費在內的報警與負荷控制等功能。

    3.2 基于DSP技術的電能表軟件系統設計

    計量程序設計是否合理，直接關系到計量的精度與準確度。具體處理流程如圖7所示。在處理流程中，對信號周期及電壓電流相位差的測量是至關重要的。因為相位差直接關系到有功功率計算是否準確，從而也直接關系到有功電能的計算。如果計算無功，同樣也受相位差的影響。
  
                      
                             圖5 電能表計量程序處理流程圖
 
    4 遠程電力測控系統

    4.1 系統硬件架構遠程電力測控系統硬件架構如圖8所示。系統由四部分組成：電能表、GPRS模塊、通迅網絡、測控中心。

    電能表：完成滿足行業標準的電能數據采集和遠算，具備通迅功能，與GPRS模塊連接后，能與GPRS進行串行通迅。另外，電能表還為GPRS模塊提供電源，電能表在接到遠程指令后，可以執行相應指令，進行數據上傳、負荷控制等操作；

    GPRS模塊：接收和發送無線信號，在網絡與電能表之間完成無線通迅和數據傳遞功能；

    通迅網絡：包括無線通迅網絡和因特網，完成數據的快速傳送；

    測控中心：測控中負責對電能數據的管理，完成包括電能計費、電力調度、數據分析、負荷控制等功能。
  
                    
                            圖6  遠程測控系統硬件架構圖

    4.2 系統軟件設計

    主站軟件主要功能：

    (1) 定時抄表功能：抄表中心可根據預先設定的時間通過中心計算機對各表進行抄表、儲存。

    (2) 實時分析功能：測控中心在集中了各地的電能數據后，完成指定的數據分析功能，如需量分析、復費率計費等。
 
    (3) 節點考核功能：一般把一個表定義為一個節點（可以任意定義電表），通過計算可迅速得到輸入、輸出的電量、線損率等。可以對有疑義電表進行重點跟蹤監視，顯示用電量的二維曲線圖、餅圖、柱圖等，并及時監測該表的計量異常情況，及時發現問題及時處理。

    (4) 廣播校時功能：抄表中心能隨時對各表的定時抄表時鐘進行遠程校時，同時也對各電表進行校時。

    (5) 電表管理功能：系統對電表的新增、拆除、更換、修改、密級等業務，提供方便的電表業務管理功能。

    5 結語

   采用基于DSP技術的廠站裝置，可降低廠站裝置的成本，增加對電壓凹陷、短時中斷、電壓凸起等事件的監測，擴大系統的應用范圍，使系統功能更加完善。同時采用本文提出的電能質量監測系統和技術，能實現對電能質量的永久性監視，能及時記錄供電系統的各種干擾，方便地對整個電網的電能質量水平做出綜合評價，有利于分析擾動原因和找出減輕干擾影響的方法，進而提高電網電能質量的監督管理水平。

   參考文獻：

   [1] 姜開山.GPRS遠程抄表系統應用實踐[M].北京:中國電力出版社,2007.

   [ 2 ] 金福寶，曹軍. 基于GPRS網絡遠程抄表系統的設計[ J ] . 電測與儀表,2006(10):38-41,11.

   [3] 張宇明.基于GPRS的遠程自動抄表系統的設計[D].重慶大學,碩士論文，2008.

   [4] 王靜哲，周永鵬.基于GSM無線網絡的遠程抄表系統設計[J].河北科技大學學報,2003(4):31-33.

   [5] 遲雪華，袁紅兵，牛江平.基于GPRS的遠程抄表和監控系統的設計[J]電腦知識與技術，2010（13）17-20.

   彭勇（1981-）

   男，湖南岳陽人，大學本科，助理工程師，現就職于中國華能集團公司湖南分公司，主要從事電能質量管理工作。

   摘自《自動化博覽》2012年第三期