基于GPRS的变电站远程报警与控制系统的设计

熊天毅，唐厚君，叶子晟

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引 言

随着工农业生产和社会生活对供电可靠性要求的逐步提高，电力线路需要得到实时的状态监测和快速的应急保障，一旦发生较为严重的异常故障，需要尽快予以排除，及时恢复正常运行状态，将可能造成的损失和影响降至最低。然而，我国电力输电线路分布面积广、线路长、沿线地形复杂，仅凭监控中心监测，往往不易准确判断出事地点；而通过架设有线监测线路的方法，成本较大且易受外界环境的影响，一旦检测线路通道受阻或中断，则监测失去作用；而依赖地面人工主动巡查，效率也较低。

GPRS（General Packet Radio Service通用分组无线业务）具有传输速率高、实时在线、覆盖范围广、按流量计费等优点，不仅可以满足远程无线实时监控的需求，而且节约成本、可靠性高，若将其用于变电站的监测预警，将有助于解决上述问题［1］。

1 系统工作原理

该系统的整体结构如图1所示。对于每个较为重要的大中型变电站，安装一套故障检测报警装置（下位机），每套装置预先录入区域监测中心（上位机）接收端及负责巡检人员的手机号码。由于是借助已经商业化运行的较为成熟的GPRS通讯网络，故中转枢纽即GPRS基站。变电站设备出现故障时，由下位机通过GPRS网络发送报警短信至区域监测中心和巡检人员，相关人员可先行赶往现场以节省时间。监测中心分析短信内容，从数据库中提取出故障电站的所在位置及故障原因；巡检人员可通过回复短信给变电站，进行紧急操作。如果故障排除，设备恢复正常运行，则 人员接收到修复成功的短信，可停止赶往现场，即实现了远程控制；若 远程控制无效、巡检人员必须进行现场修复，即巡检人员和监测中心将收到修复失败的短信，监测中心用参考短信告知巡检人员可能的故障原因及解决方法，并添加故障电站位置以供检修人员二次核对前往的地点［2］。

图1 系统整体结构图

2 硬件设计

硬件设计包含上位机和下位机，二者基本原理及所需模块大体一致，故以下位机为例详细讲述。

下位机硬件主要由单片机、电源转换、无线传感器、CAN通讯总线、串行口SP3232、GPRS模块（含独立SIM卡）构成，采用模块化思想设计的电路原理，系统框图如图2所示。首先由传感器检测电信号参数，一旦某处电力参数出现异常，安装在该处的传感器将发送特定信号，传感器接收模块根据接收到的信号，发送CAN报文至站内总线，单片机读取报文信息之后通过串口控制GPRS模块发送特定的报警短信。远程控制时，接收巡检人员发来的短信，根据短信内容发送包含特定数据的CAN报文至站内总线，变电站内部二次侧控制系统中负责继电操作的工作模块读取CAN总线上信息，若与预先设定的启动参数匹配成功，立即执行相应动作，操作结果再通过CAN通信反馈回下位机。

图2 下位机设计结构框图

2.1 无线传感器

一般电力设备故障最终表现为电压或电流不在正常范围内（缺相、断路、短路等），传感器就是通过检测这类状态量（如三相不平衡度）来判断系统是否工作正常以及故障类型［3］。此外，考虑到变电站内复杂的电磁环境，必须尽量减少检测线路的排布，所以采用无线传感器更为便捷可靠。而在本系统的实验阶段，也正是采用无线传感信号触发装置来模拟电压检测出现异常时发出的信号。

2.2 单片机和CAN模块

单片机是硬件核心，主要作用是完成与各个模块的对接，并实现无线和串口通讯数据、指令的发送和接收。考虑到预期功能所需、复杂电磁环境适应能力和芯片性价比等因素，本设计中的单片机采用Freescale的MC9S08DZ60MLF，该芯片外部管脚足够，内部资源丰富，实用功能健全，特别是具备完善的CAN总线和快速、稳定的双串口输入、输出功能，从而有助于简化外围电路的设计。

CAN总线使得变电站内包括下位机在内的各个模块间的数据通信具有很强的实时性和可靠性。CAN总线结构简单，通过接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连。CAN总线还具备抗电磁干扰能力强、成本低、可靠的错误处理和检错机制、可自动重发损毁信息、可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文等优势。因此，CAN总线非常适合变电站内的工作环境和功能需求。本系统中CAN通讯模块的接口芯片采用TJA1040T，总线波特率定为9 600bps。

2.3 串口模块

GPRS模块采用RS232串行口通信，是现在主流的串行通信接口之一。SP3232系列是RS232的一种2驱动器／2接收器的改进方案，拥有一个高效的电荷泵，工作电压为3.3V时只需0.1μF电容就可进行操作。在本设计中，基于SP3232的串口电路原理图如图3所示。

2.4 GPRS模块

GPRS模块SIM300S＿V6.02具有工业标准化接口，尺寸小，功耗低，通过双频或四频通信网络传输数据，内嵌GPRS／GSM通讯协议。工作电压为3.4～4.5V，提供RS232数据接口，使用AT指令集，支持BLOCK、文本、PDU短信模式，具有完整标准的SIM卡阅读器［4］。包含独立SIM卡的GPRS模块通过RS232串口受控于单片机，连接示意如图4所示。为实现较为便捷的中文短信通讯，采用基于AT指令集的PDU（协议数据单元Protocol Data Unit）模式设定短信发送和接收的数据流编码［5］。作为一种数据单元，它包含源／目的地址、保护（有效）时间、数据格式、协议类型和正文内容，正文长度可达140字节，均以十六进制表示。其中中文字符按照国际UNICODE进行编码。

图3 串口电路原理图

当下位机向监控中心和巡检人员的手机发送异常报警短信时，PDU格式为：

图4 GPRS模块连接单片机示意图

SMSC MODE MR DA PID DCS VP UDL UD

当下位机接收巡检人员手机的远程控制短信时，PDU格式为：

SMSC MODE OA PID DCS SCTS UDL UD

其中，SMSC为短消息业务中心地址，MODE为短信模式，MR指明是发送信息，DA／OA为源／目的地址，PID为协议识别，DCS为数据编码，SCTS指明短信到达业务中心时间，VP为有效时间，UDL为用户数据长度，UD为用户数据。下面分别给出发送和接收的实例：

某地区移动短消息业务中心地址号码为＋8613800210500，假设监控中心或接收人员的手机号码为13700000001，消息内容为“【警示】一号变电站异常！类别：电压缺相”，则发送的PDU串为08 91 68 31 08 20 01 05F0 11 00 0D91 68 31 07 00 00 00F1 00 08 00 26 30 10 8B66 79 3A30 11 4E00 53F7 53D8 75 35 7A D9 5F02 5E38FF 01 7C7B52 2BFF 1A75 35 53 8B7F3A76 F8。对照格式规范，将发送PDU串编码具体分析如表1。

某地区移动短消息业务中心地址号码为＋8613800210500，假设人员的手机号码为13700000001，消息内容为“重合闸”，则接收到的PDU串为08 91 68 31 08 20 01 05F0 84 0D91 68 31 07 00 00 00F1 00 08 11 21 30 41 60 15 23 06 91CD 54 08 95F8。对照格式规范，将接收PDU串编码具体分析如表2。

对于变电站下位机，接收到巡检人员的远程控制短信之后，首先对PDU串编码进行读取，从中提取出用户信息，在本例中，就是提取表示“重合闸”操作命令的”91CD 54 08 95F8”字符串，如提取成功，则发送特定报文至站内CAN总线，变电站内部二次侧控制系统中负责继电控制闸刀开关的操作工作模块读取报文数据，一旦与预定数据匹配，立即执行重合闸的操作，并返回操作结果，至此，即完成了巡检人员通过短信对变电站的远程操作；对于巡检人员，接收到下位机的报警短信和上位机的参考短信，以及向下位机发送远程控制短信，均以中文显示，较为便捷；对于监测中心上位机，由GPRS模块、串行口RS232、主控单片机及PC构成，其接收下位机报警短信以及向巡检人员发送参考短信的方法，与下位机工作流程基本一致，故不再赘述。

表1 短信发送PDU字符串对照表

表2 短信接收PDU字符串对照表

3 软件设计

3.1 下位机程序

下位机的主要任务是接收传感器的异常信号并发送报警短信，接收远程控制短信，发送CAN报文至站内总线。程序首先启动GPRS、传感接收、CAN通讯、串口通信等模块，进行初始化，等待接收异常信号，一旦接收到则根据信号来源向CAN总线发送报文，单片机根据报文数据选择短信内容，向区域监测中心上位机及巡检人员手机发送报警短信，然后等待远程控制短信，收到后向CAN总线发送包含操作命令数据的报文，操作成功发送成功修复的短信，操作失败则发送修复失败的短信。其主要软件流程如图5所示。

3.2 上位机程序

图5 下位机程序流程框图

上位机的主要任务是接收下位机发送的报警短信和修复结果的短信，如果修复失败，需要将从数据库中提取准备好的包含故障原因、解决方案及故障地点等内容的参考短信发送到巡检人员的手机，其主要软件流程如图6所示。

4 实验验证

在实验室环境内，使用PC机模拟监测中心，启动作为下位机，象征变电站运行正常的红色LED灯点亮。按下无线传感器按钮发送故障模拟信号，这时LED灯会熄灭，表示变电站出现异常，一般在一分钟内，手机就会收到内容为“【警示】一号变电站异常！类别：电压缺相”的短信，而模拟监测中心的PC机的串口调试助手窗口会显示AT指令操作成功的返回值及收到的短信PDU编码。

随后通过手机直接回复“重合闸”的短信，一至两分钟内，下位机的LED灯会重新亮起，表示变电站故障设备修复成功，随后手机会收到内容为“修复成功”的短信。同理，启动代表监测中心的系统，向其发送“修复失败”的短信，则监测中心随后向手机发送参考短信。

图6 上位机程序流程框图

5 结束语

本文利用GPRS网络的覆盖范围广、运行效率高等特点，并依据上位机、下位机联合通讯配合的思路，设计了一种基于单片机控制和GPRS网络的远程报警应急系统，经过实验测试，故障报警和远程控制等功能达到预期设计目标，可满足系统的实时性要求，较好地提升了分散管理、集中监测的作用［6］。相信本系统结合现实生活中电力系统特别是广泛分布的变电站的具体工作环境，加以完善和改进，对于快速发现异常、通知检修人员、及时排除故障，将会起到良好的实际应用效果。

［1］金香，周波，鲁毅，等.基于GPRS变电站RTU监控系统设计［J］.沈阳师范大学学报，2010，28（2）：198－200.

［2］夏振华，蔡昌新，王晓爽.远程故障诊断报警系统的设计［J］.工业仪表与自动化装置，2010，40（4）：62－63，79.

［3］张占龙，胡平，王科，等.基于GSM的电力线路故障监测系统［J］.电测与仪表，2009，46（7）：38－40，73.

［4］张作宇，李燕青.基于GSM通讯模块的电力变压器监测系统研究［J］.科技信息，2010，27（21）：116－117，269.

［5］唐忠，杨春旭，崔昊杨.基于GSM短信技术的变电站红外温度在线监测装置［J］.华东电力，2010，38（11）：1753－1755.

［6］邹全平，孟垂懿，万国强.基于GSM的电力远动通道监控系统设计［J］.沈阳工程学院学报，2008，4（1）：35－36，52.