配电变压器防盗系统设计

司金丽，陈煊之朱志强，钟文强

（1.山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东　青岛　266590；2.兖矿东华物业管理有限公司，山东　济宁　273500；3.国网山东平度市供电公司，山东　平度　262800）

配电变压器防盗系统设计

司金丽1，陈煊之1朱志强2，钟文强3

（1.山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东青岛266590；2.兖矿东华物业管理有限公司，山东济宁273500；3.国网山东平度市供电公司，山东平度262800）

使用GSM通信技术及单片机控制技术设计配电变压器防盗系统，实现了配电变压器的停电报警，利用GPRS基站定位技术实现防盗定位追踪功能，有利于农村及偏远地区配电变压器的供电安全及被盗追踪。

GSM；GPRS；单片机；停电检测；基站定位

0　引言

由于偏远地区及农村的特殊地理及周边环境，导致供电终端的配电变压器成为了不法分子盗窃的目标。配电变压器的被盗，不仅会严重影响周边居民和企业用电，也给供电单位带来了较大的工作负担，甚至有可能引发重大安全事故。为了更好的保障偏远地区供电稳定性及安全，设计一种新型的配电变压器防盗系统。该系统使用单片机控制技术与GSM技术相结合，实现了停电报警及防盗检测功能，在供电线路停电时，本系统可自动使用备用电源长时间稳定工作；如发生盗窃，系统使用GPRS基站定位功能实现被盗定位追踪［1］。

1　系统工作原理

本系统由4大模块组成，分别为单片机控制模块、GSM模块、被盗检测模块和备用电源模块，见图1。

图1　防盗系统原理

当配电变压器处于正常工作状态时，备用电源模块处于充电检测状态。如果出现配电线路或变压器异常而导致的二次侧停电，则备用电源模块进入工作状态，同时单片机通过IO口检测到停电状态，发送停电报警信号到GSM模块。系统管理员收到含有变压器位置编号及停电信息的报警短信后，可迅速判断停电范围及位置，极大地方便供电单位及时维修并恢复供电［2］。

如果出现不法分子盗窃情况，在盗窃的过程中需要切断供配电线路并搬运变压器。在搬运的过程中，会触发被盗检测模块。该模块工作后，单片机会控制GSM模块向系统管理员发送被盗报警信号，方便供电单位及时实施被盗应急预案。为减小损失，系统管理员可以向本系统发送指令，获取定位信息，随时了解变压器位置状况，有利于加快公安机关抓获盗窃分子，追回被盗变压器。

2　系统硬件设计

2.1单片机控制模块

本系统使用超低功耗单片机MSP430F149为主控制器，通过中断IO口与被盗检测模块相连，通过串口与GSM模块通信。MSP430F149单片机是美国TI公司研发的一款16位总线的超低功耗单片机，片上集成可自编程FLASH存储模块、USART串口通信模块、12位ADC模块等，并支持时钟分频和ISP在线编程，其所有片上模块都可以通过寄存器控制，具有编程简单、控制方便的优点［3］。

2.2被盗检测模块

被盗检测模块由红外对管传感器及振动倾斜传感器组成。红外对管传感器安装时紧贴在安装面（可为地面或支架），正常情况下接收管接收不到发射管的红外信号，如图2（a）所示。当发生盗窃并搬运变压器时，接收管会离开安装面并接收到经安装面反射的红外信号，如图2（b）所示，进而触发单片机IO中断。

图2　红外对管安装位置及报警动作

振动倾斜传感器在搬运变压器或倾斜时会直接触发单片机IO口中断。只有红外对管传感器与振动传感器同时响应时，系统才会认定发生了盗窃情况，从而大大减小了单一传感器误动作而导致系统误判的概率。

2.3GSM通信模块

本系统使用GSM模块板载工业级双频GSM/ GPRS模块SIM900A，其工作频段为双频：GSM900/ DCS1800，可以低功耗实现语音、SMS短信、数据信息传输及基站定位等功能。特别的是SIM900A内嵌TCP/IP协议，其扩展的TCP/IP AT指令可以让用户轻松的实现TCP/IP协议通信［4］。

GSM模块使用通用的5V2A电源供电，并联1 000 μF钽电容提高模块工作稳定性，在外部供电和备用电源供电情况下均可正常工作。模块采用抗电磁干扰设计，信号收发端装有2.4 GHz吸盘天线，可以适应配电变压器周围强磁场环境。模块安装SIM卡后，可以通过9针标准232串口连接单片机，实现数据发送接收。

2.4备用电源模块

备用电源模块采用的是市面较易采购的单功能车载备用电源，容量为10 000 mAh的锂聚合物电池，优点有体积小、容量大、电流输出稳定、工作时间长。在间断发送定位数据时，工作时间可达72 h，极大地保障了变压器停电或被盗后的定位数据传输。备用电源安装时用绝热材料包裹，避免变压器周边的温度环境导致备用电源工作不稳定和使用寿命衰减等问题。

备用电源模块通过接触器常开触点KM与变压器二次侧三相中任意一相连接，如图3所示。供电正常时，通过单片机控制继电器KA实现接触器KM的自锁，接触器常开触点闭合，防盗报警系统进入正常工作状态，备用电源模块进入充电检测状态，同时单片机IO口检测到低电平信号。当供电异常出现停电时，KM自锁失效，备用电源模块开始向报警系统供电，如图3中虚线回路所示，同时单片机IO口检测到高电平信号。

当供电恢复正常且未超过72 h，系统管理员可通过短信远程控制KA，恢复正常供电时的KM自锁，备用电源供电回路中断，恢复充电检查状态。

图3　备用电源连接电路及停电检测电路

3　系统软件设计

本系统软件设计思想采用模块化设计，主要由3部分组成：初始设置部分、单片机数据处理部分和GSM控制部分。模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。模块化的目的是降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。

在程序的设计方面，简化了系统管理人员的维护操作，用户可直接通过计算机串口与本系统通信，利用系统预设通讯指令，可轻松设置管理人员手机号码及变压器位置参数。同时，系统管理员还可通过设定好的手机号码远程控制本系统，读取系统定位数据。

系统安装并使用后，会先进行系统初始化，初始化的工作主要包括GSM模块初始化、单片机FLASH初始化、USART串口初始化、外部接口检查。如果尚未设置初始信息，则需设置系统管理员号码及变压器位置参数，这些数据会存储到单片机Flash中并校验一次，校验通过后才可完成设置工作。随后系统会进行1次GSM短信测试，验证系统是否进入正常工作状态。验证通过后，系统进入主循环（即空循环）。如果系统进入备用电源工作状态，则主循环更改为保留IO中断和串口中断的低功耗模式，延长备用电源工作时间。当发生相应中断时，单片机被唤醒并处理消息。程序流程图如图4所示。当用户需要设置参数时，需先使用9针串口线连接系统主板串口与计算机串口，按下设置键（K1），计算机上的串口调试助手会显示系统进入设置状态，可根据提示输入系统各参数并设定。设定好的数据会存储到单片机Flash中并通过串口调试助手显示。其余中断响应处理流程如图5所示。

图4　系统主程序流程

图5　外部中断程序流程

4　结语

设计的配电变压器防盗报警系统很好地解决了配变停电及被盗的报警问题，极大地方便了供电部门的维护工作和公安机关的破案工作。该系统已在小区配电系统中通过测试，可准确响应信号并精确定位。为今后的变压器维护及防盗提供了一种可靠的解决方案。

［1］张建东，向铁元.GSM短信技术在电力线防盗装置中的应用［J］.中国农村水利水电，2006（9）：35-41.

［2］上官甲天，薛军.智能型配电变压器防盗报警系统的设计［J］.中国农村水利水电，2009（3）：131-133.

［3］沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［4］黄欣荣.基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统的设计［J］.中国新通讯，2010（9）：83-85.

［5］李光，张铁壁，张学军.基于单片机和GPRS技术的农用变压器防盗报警系统［J］.河北工程技术高等专科学校学报，2010（2）：50-52.

Anti-Theft System Design of Distribution Transformer

SI Jinli1，CHEN Xuanzhi1，ZHU Zhiqiang2，ZHONG Wenqiang3
（1.College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Yankuang Donghua Property Management Ltd，Jining 273500，China；3.State Grid Shandong Pingdu Power Supply Company，Pingdu 262800，China）

An anti-theft system of distribution transformer is designed，which is based on GSM communication technology and microcomputer control technology.The system realizes the distribution transformer power failure alarm and uses GPRS base station positioning technology to achieve the anti-theft tracking function.It is beneficial to power supply reliability of the power system and theft tracking of distribution transformer in rural and remote area.

GSM；GPRS；MCU；power failure detection；base station location

TM41

B

1007-9904（2015）11-0057-03

2015-07-02

司金丽（1988），女，硕士研究生，从事电力系统运行与控制方面的研究；

陈煊之（1993），男，从事电气工程及其自动化专业；

朱志强（1989），男，从事供配电系统运行与智能控制方面的管理工作；

钟文强（1988），男，从事供配电系统管理工作。

青岛经济技术开发区重点科技发展计划项目（2013-1-44）；青岛市企业研发中心培育计划（13-8-2-48-gx）。