基于GPRS的变压器在线实时监控一体化设计

杨　兴，崔鹏飞，卢　涛，邰振跃，张　谦

（国网山东青岛市黄岛区供电公司，山东　青岛　266400）

基于GPRS的变压器在线实时监控一体化设计

杨兴，崔鹏飞，卢涛，邰振跃，张谦

（国网山东青岛市黄岛区供电公司，山东青岛266400）

针对当前变压器数量多、地理位置分散、通信距离远等问题，以ARM7为核心运算单元，以GPRS为通信方式设计一套在线实时监控变压器参数的方案，介绍监控系统软、硬件设计，并进行实验室仿真试验，验证系统硬件设计的准确性与可靠性。

GPRS；集中控制器；数据采集终端；ARM7

0　引言

由于变压器数目多、地理位置分散、通信距离远，实现电力系统在线实时监控比较困难。随着电力配套工程的不断完善，信息网络及各种应用系统得到大力发展。电力专用通信网和电力企业局域网（LAN）一般采用电话线、通信电缆等通信手段，但是这些通信方式存在着覆盖率窄、组网成本高、维护工作量大等不足［1］。采用GPRS作为通信手段，将现代通信技术、电能测量技术结合在一起，设计一套变压器在线实时监控系统。

监控系统硬件部分主要包括集中控制器和数据采集终端两部分，集中控制器的一端通过RS232连接管理软件，另一端连接GPRS网络，主要实现管理软件和GPRS网络之间的数据传输；数据采集终端的一端通过RS485连接配变电监控终端，另一端连接GPRS网络，主要实现GPRS网络和表计之间的数据通信，同时接收GPRS集中控制器转发的管理中心指令，实现对配变电监控终端数据的实时采集，为电力的专业分析（如负荷预测、线损分析、故障判断、线损分析、用电质量分析等）提供实时数据，进而提高电网运行的经济性和安全性。

1　GPRS网络技术

通用分组无线服务技术 （General Packet Radio Service）［2］，是全球移动通信用户常用的一种移动数据业务。网络原理如图1所示。

图1　GPRS网络结构

GPRS是利用分组交换概念发展出来的一种无线数据传输方式，它采用与GSM相同的调频规则和标准，利用的频段、频段宽度、TDMA帧结构也和GSM相同。此外GPRS还利用GSM网络中未使用的TDMA信道，可以有效地传输高速数据和信令并且能兼容GSM网络［3］。

GPRS将8个时隙组合在一起，提供171.2kbit/s的带宽，传输速度提高10倍，传输数据量和速度得到提高。

GPRS是一种面向非连接的技术，用户只有在收发数据时才需要保持与网络的连接，闲置状态时不需要建立网络连接［4］，这样可以节省GPRS流量，与电路交换方式相比，可以节省有限的信道资源。因此GPRS网络能够提高频段利用率，避免网络资源的浪费。

2　硬件设计

2.1硬件结构

该系统的硬件平台由 GPRS模块、微控制器LPC2132、电平转换模块、电压转换模块、配变电监控终端和电源组成，如图2所示。

图2　系统的硬件结构

主控制器LPC2132是一个具有嵌入式跟踪和实时仿真的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，带有64 kB的嵌入高速Flash存储器［5］、2个32位定时器、1个10位A/D转换器、1个10位D/A转换器、47个GPIO、6路PWM通道及9个边沿或电平触发的外部中断，非常适用于控制系统，其存储器接口带有128位宽度和其自身独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。在系统中微控制器有两方面的作用，一是将配变电监控终端采集到的电流、电压、无功功率、有功功率等参数利用其串口传输到GPRS模块；二是处理管理软件发送到GPRS模块的命令，并通过串口发出AT指令来判断GPRS模块是否有新消息［6］，如果有新消息，则立即进入串口中断，对接收来的数据进行处理。

2.2GPRS通信模块

GPRS通信模块采用内嵌 TCP/IP协议栈的SIM300C，SIM300C是一款可以在3种频段下工作的GPRS模块，利用AT指令可以设置其频段频率，默认频段是EGSM900和DCS1800。SIM300C可以提供10～20个GPRS信道类型，具有CS-1、CS-2、CS-3和CS-4 4种GPRS编码方案，监控终端采集数据或管理软件发送的命令经过微处理器LPC2132处理后通过串口传输到SIM300C模块中，SIM300C再将数据利用与其连接的天线发射出去，实现配变电监控终端与管理中心之间的数据通信。SIM300C的外围电路主要包括电源供电电路、串口、音频接口、天线接口、SIM卡接口、显示接口、键盘接口等，SIM300C的外围电路如图3所示。

图3　SIM300C外围电路

图4　SIM卡接口电路

使用SIM300C收发信息、传输GPRS数据，必须准备1张可用的SIM卡，并将其放入SIM300C的SIM卡座中。SIM卡内部逻辑电路与移动终端的连接通过SIM卡面上的覆铜接口来实现。SIM卡主要完成2种功能，一是对数据进行存储，二是授权身份和利用加密算法对信息进行处理。图4即为SIM300C控制SIM卡的电路原理图。

3　软件设计

使用AT指令向SIM300C发送命令，通信传输模式为透明传输，透明模式下建立连接后，GPRS模块就会进入数据模式，所有从串口接收到的数据都被封装成数据包通过天线转发出去。AT指令提供了数据在传输过程中，数据模式和命令模式之间切换的方法。

3.1集中控制器的软件设计

GPRS集中控制器主要负责管理软件与SIM300C模块的通信，同时完成对GPRS模块的初始化及与GPRS数据采集终端的之间通信的连接工作。管理软件与微控制器通过RS232接口连接，将管理中心的抄表命令通过串口1传输到微控制器，再通过微控制器的串口0传输到SIM300C，SIM300C利用天线将数据发送出去。图5为GPRS数据集中器软件设计流程图。

3.2数据采集终端的软件设计

数据采集终端主要负责现场采集终端与GPRS模块的通信，同时完成对GPRS模块的初始化及与GPRS集中控制器通信的连接工作。微处理器LPC2132具有2个串口，既能向GPRS集中控制器收发数据，又能向监控终端收发数据。监控采集终端与微控制器通过RS485总线连接，将采集到的数据通过串口1传输到微控制器，再通过微控制器的串口0传输到SIM300C，SIM300C利用天线将数据发送出去。图6为数据采集终端软件设计流程图。

4　测试结果

基于GPRS的变压器在线实时监控一体化系统已在实验室进行了模拟测试。

首先测试的是串口部分，对LPC2132的两个串口进行调试，包括其发送和接收。图7为将串口0发送的数据通过串口1接收并将结果显示出来的界面。将PC机通过串口连在硬件设备留出的232接口上，向单片机发送数据，微处理器将收到的数据再发回PC机，从结果上看出，发送的13个数据都能够被成功的接收，正确率达到了100%，实现了GPRS通信功能。

图5　GPRS数据集中器　工作流程　

图6　数据采集终端　工作流程

图7　串口调试界面

其次，对SIM300C进行调试，设置GPRS连接方式 （命令为AT+CIPCSGP=1，“CMNET”）；设置UDP端口号为20（命令为AT+CLPORT=“UDP”，“20”）；启动TCP任务（命令为AT+CSTT）；激活场景（命令为AT+CIICR）；获得本地IP地址（命令为AT+CIFSR），如图8～10。

图8　GPRS接入

图9　发送短信

图10　解析短信

图9中，AT+CMGF=1表示设置短信发送格式为文本模式，AT+CMGS=“+8615969806482”表示设置目的SIM卡号码，即短信的接收方号码，＞号后输入短信内容，Ctrl+Z输入完毕后发送，返回+CMGS：208表示发送成功。

图10中“+CMTI：“SM”，8”表示收到一条短信，存储地址为8；“AT+CMGR=8”表示读取存储地址为8处的短信。下面两行是SIM300C返回的短信信息，包括短信的发送者号码和内容。可以看出收到的IP地址为192.168.100.101，将其读取出来保存在单片机里即可。

5　结语

该系统操作简单，易于使用，界面友好，工作人员只需具备基本的电脑操作技能即可使用；信息及时可见，数据库更新及时，为电力系统工作人员提供最新的数据；功能齐全，该系统可提供信息管理、自动抄表、报表查询等功能，最大限度的满足要求。

［1］张忠会，章璟，欧峻彰.基于GPRS的一种新型电力系统在线检测系统的设计［J］.电力系统保护与控制，2010，9（38）：105-108.

［2］吕捷.GPRS技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2001.

［3］陈凯旋，谢海滔.GPRS原理及应用［J］.铁道通信信号，2003（7）：30-33.

［4］黄宇红，孙少陵.通用分组无线业务（GPRS）［J］.电信科学，2000，10 （5）：7-10.

［5］周洁，杨心怀.32位RISC CPU ARM芯片的应用和选型［J］.电子技术应用，2002（8）：50-52.

［6］林晨.基于GPRS的无线监控系统［J］.太原城市职业技术学院学报，2007，10（5）：141-142.

Design of Transformer Integrated Real-time Monitoring System Based on ARM7 and GPRS

YANG Xing，CUI Pengfei，LU Tao，TAI Zhenyue，ZHANG Qian
（State Grid Huangdao Power Supply Company，Qingdao 266400，China）

In view of problems such as the large number of current transformers，the dispersion of locations，and the long communication distances，a real-time online monitoring system is designed for transformer parameters with ARM7 and GPRS as computing center and way of communication respectively.Designs of hardware and software are introduced.Results of simulation test verify the accuracy and reliability of the system.

GPRS；integrated controller；data acquisition terminal；ARM7

TM734

B

1007-9904（2015）09-0060-04

2015-06-26

杨兴（1987），女，从事电力系统通信研究工作；

崔鹏飞（1986），男，从事电网电压监测工作；

卢涛（1981），男，工程师，从事变电检修工作；

邰振跃（1970），男，从事输电检修工作；

张谦（1981），男，从事配网检修工作。