基于GPRS无线通信的配电网过电压录波装置的设计与实现

郑　涛　张　翔　杨耿杰　李　群（. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 35008；. 国家电网福建长乐市供电有限公司，福建 长乐 35000）



基于GPRS无线通信的配电网过电压录波装置的设计与实现

郑涛1张翔2杨耿杰1李群2
（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2. 国家电网福建长乐市供电有限公司，福建 长乐 350200）

摘要本文提出了基于GPRS无线通信的配电网过电压录波装置的设计方法。硬件设计上由控制单元、采样单元、通信单元组成。软件设计上，将程序划分为采样程序、阈值判断程序、数据重组程序以及数据传输程序。分析了装置在GPRS通信中产生数据流量，提出了相应的流量控制策略。实验以及现场运行结果表明，装置运行稳定，抗干扰能力强，能够精确地采集和完整地上传过电压数据。

关键词：配电网；过电压；故障录波；流量控制

The Design of Over-voltage Recorder based on GPRS Communication in Distribution Networks

Zheng Tao1Zhang Xiang2Yang Gengjie1Li Qun2
（1. College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou350108;
2. State Grid Fujian Changle Electric Power Supply Company Limited Changle， Changle， Fuzhou350200）

Abstract An over-voltage wave record device that is based on GPRS communication mode is designed. It is composed of the control unit， the sampling unit， the data transmission unit. The software consists of sampling procedure， threshold detection procedure， the data reorganization procedure and the data transmission procedure. Device in GPRS communication of data flow is analyzed， and the corresponding data flow of control strategy is designed. The results of the test and field operation show that the over-voltage recording terminal has the advantages of running stability， strong anti-interference ability， collecting voltage accurately and sending data completely.

Keywords：distribution networks; over-voltage; fault recorder; flow control

现代配电网系统中，过电压现象时有发生：在投切电容器组过程中，由于电容充电、断路器电弧重燃、合闸弹跳等因素引起操作过电压[1-2]；单相接地故障时，若接地电流较大接地电弧难以自行熄灭，出现间歇性弧光过电压[3-4]；在配电网产生瞬时冲击时，PT发生饱和，导致PT的等效电感与线路的对地电容在一定程度上匹配，产生谐振过电压[5-6]。对于不同过电压类型，处理的要求也不同，如单相接地故障允许系统继续运行两个小时，而发生铁磁谐振过电压时必须立即切除故障，因此故障过电压监测和类型识别是十分重要的。

现有的过电压监测装置主要是就地型，而过电压信号中存在着复杂的特性信息，最好能将信息记录下来，由主站进行识别[7-9]。本文设计了一种配电网过电压录波装置（以下简称“过电压录波装置”），它能准确记录故障的暂态信息、故障波形和发生时刻，通过通信网络将信号传送给主站进行分析。

考虑到配电网系统通信条件的限制，过电压录波装置支持GPRS通信方式（同时保留了有线以太网通信接口）。在与主站通信时，过电压录波装置作为客户机，用户可通过短信修改主站服务器的IP地址和通信方式。若装置发生了通信故障，报文与短信都无法传输，则用户可在现场通过RS484接口查看装置的运行状态信息并进行故障处理。

1　设计方案

过电压录波装置由控制单元、采样单元、数据传输单元组成，负责处理电压互感器输出的信号，完成信号的调理、采样、存储和传输的功能，结构如图1所示。

图1　装置结构

2　硬件设计

2.1控制单元选型

控制单元需要3个SPI串口与采样芯片、以太网芯片以及存储芯片实时地交互数据；需要2个USART串口与GPRS和RS485模块进行连接；能够快速的采集数据并通过交流采样算法计算幅值。

意法半导体公司生产的STM32F407芯片具有Cortex-M4内核，3个SPI，3个USART。芯片由外部8M晶振提供时钟源，经过内部倍频后可达168M，并且拥有1MB的程序存储器，192kB的静态随机存储器（SRAM）和4kB的备份存储区，完全可以满足复杂以及多任务的程序设计[10-11]。该芯片还可以支持部分DSP功能，通过调用DSP库，可以实现滤波处理、矩阵处理、FFT变换等数据处理。

2.2GPRS模块应用

GPRS模块选择中兴ME3000，它支持AT指令，内嵌TCP/IP协议[12]。模块的上行速率为42.8kbps，下行速率在85.6kps，发射功率为2W。

如图2所示，VIN与GND为电源引脚，电压范围在3.3～4.25V；RXD与TXD为串口的收发引脚，CPU可通过串口直接实现数据的互联，不必执行繁琐的网络协议；RESET为复位引脚，在开机2s后，给该引脚提供不小于500ms的低电平脉冲使之复位（该引脚如果不使用必须悬空）；ON/OFF为关机引脚，若要关机，必须提供2000～5000ms的低电平脉冲。

图2　GPRS接口电路

UIM_VD、UIM_DAT、UIM_CLK与UIM_RES引脚连接到SIM卡接口上，如图3所示。中兴模块通过UIM_DAT引脚与SIM卡交互数据；UIM_VDD为电源引脚。考虑到不同的SIM卡的工作电流存在较大的的区别，UIM_DAT引脚通过10kΩ的上拉电阻连接到UIM_VDD。

图3　SIM卡接口电路

2.3以太网模块应用

以太网模块采用韩国WIZnet生产的W5200模块，其支持硬件的TCP/IP协议以及高速的SPI传输接口。如图4所示，MISO、MOSI、SCLK、NSCS分别为SPI的接收、发送、时钟和片选引脚；nINT是外部中断引脚，正常状态下是高电平，接收到数据后会输出一个负的脉冲，可以通过中断方式判断是否接收到数据；nRESET是芯片的复位引脚，低电平复位。

图4　以太网模块接口电路

3　通信规约设计

3.1通信流程

在通信链路建立后，主站与监测装置的采用应答机制的平衡式通信。终端先发送心跳包，主站接收后发送确认报文。当需要装置执行非数据类型操作如对时，修改阈值等，主站发起命令，终端回复确认报文。当执行的是数据类型报文传输时，终端发起数据传输，每发送一个数据报文，主站回复一次数据确认报文。通信流程见图5所示。

图5　主站与装置通信流程

3.2与主站规约设计

装置与主站的通信命令有电压数据召测、对时、系统重启、电压起动阈值设置、数据自动上传设置等。与以太网通信相比，GPRS通信需要在空闲时传输心跳包。

正常情况下，主站与装置通过心跳包保持联系，格式见表1。装置识别电压越限后，主动向主站发送数据报文，格式见表2。若装置连续多次没有收到主站的心跳包，会断开连接并重新向主站发起连接，直至成功连接。功能码见表3。

表1　心跳包报文格式

表2　电压数据报文格式

表3　功能码信息

3.3短信规约设计

中兴ME3000模块可支持短信服务，CPU通过向串口USART2发送AT指令可实现对短信的确认、读取、发送、删除以及号码设置等操作。装置收到短信后，根据规约判断短信报文，一致则回复短信响应报文，否则不应答。短信规约见表4。

表4　短信规约设计

3.4串口通信规约设计

当系统无法进行报文与短信传输时，用户可以在现场利用装置上RS485-USB转接口实现与个人电脑的通信。通过串口调试软件显示当前装置运行状态信息，并可以发送一定格式的报文命令装置进行自检。串口规约见表5。

表5　串口规约设计

4　GPRS数据流量分析

4.1流量分析

相比较以太网通信按照时间的计费方式，GPRS通信是以统计数据流量实行计费。不仅如此，移动公司还对数据流量计费实行了一些限制：对设备在线空闲时间限制、流量不一定按照实际使用流量计费[13]。

在传统移动GPRS数据流量计费中，用户使用流量不足1KB则按照1KB计算。假设监测装置使用GPRS通信并建立TCP/IP连接，每180s传输一次心跳包以保证通信链路不被断开，可计算出1天需要流量960KB，1个月需要流量28M。现在数据流量套餐虽然可以满足上述流量需求，但是考虑到装置安装地点可能信号不佳，心跳包传输间隔时间小于180s；并且在无法与主站进行通信时，装置在短时间内发送通信连接请求，会产生大量额外流量。所以实现GPRS流量控制是十分必要的。

4.2数据流量控制策略

数据流量控制策略分为心跳包传输时间控制、通信连接请求控制与定时休眠控制三个部分。

1）在通信链路建立初期，为了保证装置稳定占用通信信道，心跳包的传输时间间隔可设为30s。经过1h后，若通信链路依旧稳定，则将心跳包传输间隔时间每1h增加30s，直至240s。

2）当通信链路不稳定时，装置无法连接至主站，将每10s发送1次连接请求。若在1h内无法连接主站，则装置将停止发送连接请求并发送休眠提醒短信至用户，进入休眠状态。

3）装置进入休眠状态后，会等待用户短信退出休眠指令，直至4h后自动退出并重新发送连接请求。

5　软件设计

5.1主程序设计

装置的主程序模块分为采样、阈值判断、数据重组以及数据传输四个阶段，流程图如图6所示。

图6　主程序流程图

1）利用CPU定时器2与外部中断实现10kHz的采样频率。设置定时器中断周期为0.1ms，在中断函数中开启AD转换；利用外部中断监测AD转换是否完成，并在中断函数中读取采样数据；

2）阈值判断程序是在每次采样后将电压的采样值与设定的阈值进行比较；

3）在发生过电压故障后，数据重组程序将重组采样程序中的数据缓存数组，实现记录故障前2个周波、故障后8个周波的电压数据；

4）在完成数据重组后，将封装数据信息并通过以太网或GPRS将数据传输给主站。

5.2阈值判断起动设计

利用三相五柱式电压互感器三相电压与开口三角侧零序电压值作为阈值判断对象。当任意一相电压或者零序电压有1个采样点超过阈值，若其后20个点的平均值也超过阈值，则装置将起动数据传输。

5.3数据重组设计

采样数据缓存区长度为4800，每单位长度占用1个字节的存储容量，一个电压数据占用2个字节。根据10kHz的采样频率可计算出一个数据缓存区存储了12个工频周波的数据。然而定义的数据缓存区是有限的，当采样点数超过2400点后，新的的数据将覆盖缓存区，导致数据信息在时间上是非连续的。而过电压数据必须按照时间的顺序传输，所以就必须进行数据重组。

当判断发生过电压后，装置将继续采样直至数据覆盖缓存区中地址为400的整数倍。设采样数据缓存区为DataBuffer[4800]、发送数据缓冲区为SendBuffer[4800]和最后数据覆盖缓存区地址为add。下面将分三种情况来阐述数据重组：

1）当add＜1200。将DataBuffer中起始地址为（4800-3200/add），长度为（3200/add）的数据顺序赋值给SendBuffer[0]至SendBuffer [3200/add-1]。最后将DataBuffer中起始地址为0，长度为（3200＋add）的数据顺序赋值给缓存区SendBuffer其余部分；

2）当add＜1600≥1200。将DataBuffer中起始地址为（add-800），长度为4000的数据顺序赋值缓存区SendBuffer；

3）当add＜4800≥1600。将DataBuffer起始地址为（add-800），长度为（4000-add）的数据顺序赋值SendBuffer[0]至SendBuffer[4000-add-1]。接着将DataBuffer起始地址为0，长度为（add-1600）的数据顺序赋值给缓存区SendBuffer其余部分。

6　实测波形分析

装置已安装与福建省长乐市110kV长限变内三相五柱式电压互感器二次侧，其变比为10kV/100V，并多次采集到过电压故障波形。图7和图8为2015 年4月21日21时02分采集到的故障波形。

图7　三相电压故障波形

图8　零序电压故障波形

上位机分析得出结论为两相短路故障与单相接地故障。供电公司确认发生了用户内部电容器爆炸事故，证明了此次故障活动的存在。从图7中第11周波前可以看出：BC两相电压下降，A相电压升高，发生了两相短路故障；第11周波至第14周波，B相电压呈马鞍形状，AC两相升高为线电压，发生了B相单相电弧接地故障；第14周波之后，A相电压降低呈马鞍形状，BC两相升高为线电压，又发生了A相单相电弧接地故障。

7　结论

本文设计了一种基于GPRS无线通信的配电网过电压录波装置。通过分析装置在GPRS通信中产生的流量，提出相应的流量控制策略，减少了流量使用。为了准确地记录故障波形，对采样数据实现了数据重组。通过所采集到的故障波形、上位机的分析和现场故障确认说明了该监测装置的有效性。

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郑涛（1989-），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向为配电网及其自动化技术。

作者简介