基于GPRS的电缆在线监测系统的设计

姜 德，徐晓冬，薛 松，张 华（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）



基于GPRS的电缆在线监测系统的设计

姜 德，徐晓冬，薛 松，张 华
（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

摘要：针对电能传输中电力电缆的劣化对影响电力系统正常运行的问题，设计了一种基于GPRS的电缆在线监测系统。以STM32为控制核心，利用外设电路构成了电流、电压和温度的信号采集电路，并通过GPRS网络和PC机监测终端进行通信。经过大量的实验和现场调试，电缆监测系统达到了预期效果。系统实现了对电缆运行状态的远程实时监测，为设备的安全和工作人员的人身安全提供了保障。

关键词：在线监测；电力电缆；安全；GPRS

0 引言

电力电缆接地线的在线监测技术日益受到人们的关注，国内外都进行了大量研究［1－3］。电缆在运行过程中将流过一定的电容电流，在劣化过程中其电容量将呈增大趋势［4－6］，其终端的金属外壳接地线上电流和电压也将增大。因此，通过在线监测电力电缆终端的金属外壳三相接地线的电流、电压和电缆外壳的温度［5－7］，即可实时监测电缆的运行状态，对电缆进行适当、及时的维护检修，保证电缆安全可靠运行，避免对人身安全和电缆的寿命造成影响［3］。

传统的电力电缆停电预防性试验方法，需要对电缆及电缆的供用电客户停电，耗费大量的人力物力，试验周期长、灵活性较差，不适应社会和企业的要求［1，8］。现有的一些在线监测系统有的针对局部放电现象进行监测，节省资源、使用方便，但其通过光纤将数据传输到变电站的监控室内［9］，会增加成本。因此，本文提出了一种更加经济简洁的基于GPRS的电缆在线监测系统。

1 系统方案

系统分为两部分，监控中心的上位机监测终端部分和前端的下位机监测部分，监测终端接受各个监测点的数据，并进行显示和存储。如有异常数据或者报警信息，则启动无线远传装置把报警信息发送到移动装置上，提示相关人员及时做出检修。下位机监测部分，主要包括护套环流实施监测装置、电压监测装置、电缆温度监测装置、防盗报警装置，以及无线收发装置等。

下位机采集单元与上位机监测终端是通过GPRS网络传输进行通信。GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务［10，11］。

每个前端采集单元需要一个单独移动设备的SIM卡，通过GPRS网络的数据业务传输数据，数据服务器只需要一个独立IP地址，通过公网进行数据交换。信号采集时，由数据服务器发送采集命令，设置各种参数，逐次采集所有监测点的各个信号，经过处理后，通过无线网络上传到服务器，由服务器发送给远程监测终端，然后负责将数据存储统计，生成报表及趋势图，同时显示报警信息进行分析，将计算后的数据保存到中心数据库。电缆在线监测系统方案图如图1所示。

图1　电缆在线监测系统方案图

2 系统硬件设计

电缆在线监测系统的硬件部分主要由电源管理单元、主控最小系统单元、电流信号采集电路、电压信号采集电路、温度采集电路、门磁开关和报警电路以及GPRS数据传输单元等组成，系统下位机框图如图2所示。

图2　系统下位机框图

本方案系统的硬件实物图如图3所示。主控选用STMicroelectronics公司的STM32系列STM32F103ZET6。内核为Cortex⁃M3，工作频率是72 MHz，内部含512 K字节的FLASH和64 K字节的SRAM。在Keil μVision4集成开发环境下，使用RealView MDK编译器和编程器JTAG，可以方便地下载和在线调试。其片内外设的资源丰富，性能和加密性远远好于一般的51单片机。例如，本系统中ADC通道采集数据是重要部分，而该MCU片内含3个18通道的12位逐次逼近型ADC硬件模块，给硬件设计带来了方便。文中用到了6路ADC采集通道。

所采集的接地电流范围为三相交流0～100 A，电压也是三相交流0～50 V。这样的交流电流和电压无法直接测量，因此使用间接测量法。分别采用电流互感器和电压互感器感应出二次电流和电压，再经整流芯片转换为直流参数进行测量，必要时加上运算放大器进行放大后再测量。

图3　系统硬件实物图

文中采集的接地电缆外壳温度范围约为－20 ～60℃，因此本文采用一种数字温度传感器DS18B20。DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种单总线接口的温度传感器，测量温度范围为－55～＋125℃，精度为±0. 5℃。与传统的热敏电阻等测温元件相比，其具有经济简洁的特点，大大提高了系统的抗干扰性。

还有一个相当关键的部分就是GSM／GPRS通信的实现。由于本系统需要将数据传输到远程终端，并且在监测指标超标的情况下发送短信通知维修人员，因此选择SIM900A模块。SIM900A是SIMCom公司推出新款紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM／GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ⁃S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。更关键的是，SIM900A内置TCP／IP协议栈，通过MCU的串口给其发送相应的AT指令能实现TCP／IP通讯功能，用起来更加方便和高效。

3 系统软件设计

3. 1 上位机软件设计

上位机远程监测终端是用Python语言编写，调用Python开源库里面的各种功能模块。监测终端简洁友好，使用方便，如表1所示。

表1 监测终端显示功能表

___设备号　　电流／A　　电压／V　　温度／℃001　56. 01　0. 14　8. 3 55. 82　0. 15　8. 6 55. 24　0. 08　8. 6 9. 1 002　56. 36　0. 22　9. 4 56. 82　0. 19　9. 0 56. 20　0. 14　8. 8 ____________________________________________________15._4

3. 2 下位机软件设计

3. 2. 1 算法的设计

由于电流和电压采集采用的是间接测量法，因此ADC采集到的数据需根据硬件电路结构编写算法，再经过算法换算才能得到实际值。图4、图5分别为电流、电压信号采集电路图。

图4　电流信号采集电路图

如图4所示，由电流信号采集电路的结构和采集原理，可以得到式（1）：

式中：adcx＿I为采集电流的ADC通道得到的值；ΔU＝UREF＋－UREF－；UREF＋为参考电压正端；UREF－为参考电压负端；n为单片机ADC的位数；Rs1为采样电阻阻值；K为电流互感器的变比；I为最终得到的电流值。推导得到电流值的公式如下：

由图5可得到电压等式如下式：

式中：adcx＿U为采集电压的ADC通道得到的值；Rs2为采样电阻值；Gain为运放增益；Rc为限流电阻值；U为最终得到的电压值。

推导得到电压的公式如式（4）所示：

图5　电压信号采集电路图

温度采集部分是直接测量，但从数字温度传感器得到的数据也需经过换算，公式如下：

式中：T为最终的温度值；TH为从温度传感器采集到的高八位数据；TL为低八位数据。

由于ADC采集到的数据具有随机误差，因此这里采用均值滤波的方式消除随机误差。

3. 2. 2 控制程序的设计

下位机的控制程序分为系统的初始化、ADC数据和温度的采集、GPRS数据传输、门磁异常报警以及数据超标发短信报警几个部分。控制程序流程图如图6所示。

图6　下位机程序流程图

由图6可知，系统的初始化主要是对STM32的片内外设进行初始化，包括I／O口、ADC模块、串口和GPRS模块等。

系统初始化完成以后，将采集到的数据经过算法转为实际值后，由MCU控制GPRS模块经GPRS网络将其发送至上位机，并检测网络连接是否正常，不正常则重新连接。

如果电流、电压和温度中的某一项超标，则会产生报警。报警分为两种方式：一是上位机界面显示报警；另一方面下位机会通过GSM模块，定时发送报警短信到预设的移动设备上。

为了让门磁报警及时可靠，本设计将MCU的外部中断用于门磁信号报警。一旦下位机接地箱箱门被非法打开，MCU检测到中断信号，将会立即报警。报警有两种方式：一是上位机界面显示门磁被打开；另外喇叭会发出刺耳响声［12，13］。

4 结果分析

4. 1 系统联合调试

由于本系统软硬件具有一定复杂程度，调试过程中难免会暴露问题。在经过多次修改和调试之后，终于达到了预期的效果。系统在现场调试时软件终端生成的电流曲线图如图7所示。

图7　电流曲线图

图7中，横坐标表示采集电流的时间，s；纵坐标表示电流的大小，A。这里以电流采集的曲线图为例，电压和温度曲线图也与其类似。系统每间隔5 s采集一次数据，曲线直观地反映了参数的变化趋势，便于监控人员察觉异常情况。现场采集的电流值大小约为56 A，由表1和图7可知本系统的采集精度较高。

4. 2 测试结果分析

调试过程中，对各种不同的状态进行一一测试。由软件终端存储所采集各参数的数据，并生成参数的部分数据报表，如表2所示。

表2　各参数部分数据表

由表2可看出，监测系统数据保存及时，管理方式合理，有利于研究人员做进一步调查和数据挖掘。最终得出结论，本系统实现了在线实时监测，报警及时，运行稳定。且即使网络出现故障，也能自动连接，即系统对网络故障状态能实现自恢复。实践证明，设计集成度高，体积小，采集精度、时间等也均能符合要求，适合运用到实际。

4. 3 特色和创新

（1）本系统是全自动的设备，无需依赖运行人员持相关仪器人工监测的方式，能高效、实时地反映接地电流等指标，方便地进行主网电缆线路的健康水平监测。

（2）GPRS能定时检测网络连接情况，防止网络意外断开时，能够重新自动连接。

（3）本电缆监测系统能实现一主多从通信，可以有多个下位机同时向上位机传输数据，只需要区别设备号。

（4）上位机能根据日期，自动将下位机采集到的数据以Excel表格形式保存到PC机的固定文件夹下，方便相关人员随时调查。

5 结论

（1）本文介绍了对电缆运行时进行监测的相关原理，并依据其设计了电缆在线监测系统。该系统主要包括上位机和下位机两个部分。上位机监测终端主要实现界面的显示和数据的处理；下位机部分由硬件电路以及控制程序和算法组成，主要实现数据的采集、与上位机的通信以及一些报警情况的处理。

（2）该系统克服了人工巡检和预防性试验的弊端，可有效解决无法实时远程监测的问题，具有节省人力物力和使用方便等优点。

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Design of Online Monitoring System of Cable Based on GPRS

JIANG De，XU Xiaodong，XUE Song，ZHANG Hua

（School of Optical⁃Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：In view of the problem that deterioration of the power cable in the electric power transmission affects the normal operation of the power system，an on⁃line monitoring system of cable based on GPRS is designed．It takes STM32 as a control core，constructs the signal acquisition circuit of current，voltage and temperature with peripher⁃al circuit，and communicates with the PC monitoring terminal by GPRS network．After a large amount of experi⁃ments and on⁃site debugging，the effect of the cable monitoring system is satisfactory．It has realized the remote re⁃al⁃time monitoring of the cable，and guarantees the safety of equipment and personal staff．

Keywords：online monitoring；power cable；safety；GPRS

作者简介：姜德（1991－），男，硕士研究生，研究方向为控制科学与工程，E⁃mail：503302865＠qq. com。

收稿日期：2015－11－06。

中图分类号：TM769

文献标识码：A

DOI：10. 3969／j. issn. 1672-0792. 2016. 01. 014