基于GPRS和GPS的农村智能配电网远程监控系统设计

匡洪海， 张曙云， 曾丽琼， 李圣清， 周志伟

(湖南工业大学电气与信息工程学院， 湖南 株洲 412007)

基于GPRS和GPS的农村智能配电网远程监控系统设计

匡洪海， 张曙云， 曾丽琼， 李圣清， 周志伟

(湖南工业大学电气与信息工程学院， 湖南 株洲 412007)

针对目前农村电网配电系统自动化程度低、数据采集与监控管理方式落后等问题，本文设计了一种基于GPRS通信系统与GPS定位系统相结合的多功能智能配电网远程监控系统，该系统采用性价比较高的STC12系列51单片机为微控制器、以CS5463芯片为核心的电能计量模块、以SIM908为核心的通信模块，同时包括温度数据采集报警、信号输入及显示模块等。通过远程通信与台区监控服务器以及GSM与相关工作专责人员移动终端相连，实现了对偏远农村地区电网运行信息的远程监控及故障定位，极大地促进了农网配电系统自动化的发展，同时大大简化了工作强度。该系统设计成本低、监控效果良好，具有广阔的应用前景。

单片机； GPRS； GPS； 智能配电网； 远程监控

1 引言

近年来随着全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临新课题和新挑战，依靠现代信息、通信和控制技术，积极发展智能电网已倍受关注[1]。与此同时国家提出了“建设坚强智能电网”的宏伟目标，为加快“新农村，新电力”建设，“十三五”农村配电网改造与智能化建设成为重点。目前农村地区智能化的建设还比较落后，因此加快农村电网的智能化水平建设，对发展农业生产、保障农民生活、改善农村环境具有重大意义，同时也是统筹城乡发展、全面建设新农村的强力支撑[2]。

在农村电网的智能化建设中，实现电网信息化才能实现电网的智能化，而配电系统远程监控设计是实现信息化的一个重要途径[3,4]。国内外对配电网远程监控系统进行了一些前瞻性研究。文献[5]详细阐述了信息技术在智能电网建设中的作用，对移动通信网络及全球定位系统(Global Positioning System，GPS)技术应用于智能输配电网进行了展望；文献[6]指出配电网智能监控终端是建设智能化电网的一个重要组成部分，并对其在开发与应用方面进行了探讨；文献[7]在中低压配电网统一数据采集与监控系统设计方面，对数据的采集与监控提出各自的功能实现方案；文献[8]指出了GPRS(General Packet Radio Service)网络接入Internet的方法，进行配电网远程监控系统的软硬件方案的设计，实现对电力数据传输和监控；文献[9]分析了智能监控的重要性，提出了一种使用智能移动代理的监控系统；文献[10,11]针对智能配电网的特点，结合GPRS通信技术，对监控终端进行了设计。这些研究从理论到实践对配电网远程监控系统的结构和功能进行了大胆的探索，将GPRS通信应用于其中取得了一定的研究成果。

近年来，GPS技术发展日益迅速，特别是智能手机移动终端技术的高速发展，使得人们切实感受到GPS技术为生活带来的便利[12]。

由于偏远农村地区电网线路及地理位置复杂，当出现跳闸断电时，工作人员往往难以迅速判定配电网的实际运行方式及获取电网运行数据信息，锁定故障地点，从而会增加停电检修时间和故障巡线人员的工作量，更有可能会发生误调度、误操作，引起配电网事故，甚至发生人身伤亡事故等情况，基于此本文设计了一种GPRS和GPS技术相结合的农村智能配电网远程监控系统。所设计系统可提高配电网的供电可靠性，为用户提供经济、可靠、稳定的电力供应，减少停电时间；同时可减少检修电网的运行维护工作量，提高运行管理水平与电网运行的经济性，推动配电网综合自动化技术的发展。

2 系统总体构建

本文设计的农村智能配电网远程监控系统是基于终端检测设备、GPRS和GPS技术于一体的智能化系统装置，该装置安装在故障率较高地区的杆上变压器上，系统将实时显示10kV配电线路的柱上变压器开关分/合闸状态，实时显示所检测电网运行的电压、设备温度、电流、功率、功率因数等数据，发现开关状态变位或异常状况则配电终端主动上报，及时通知台区主站或通过GSM短信方式将故障地理位置和其他信息通知给有关专责人员的移动终端上，使故障得到尽快解决。

利用GPRS和GPS实现农村配电网远程监控智能化的基本原理是：电网数据采集终端设备采集电量基本信息，同时利用 GPS 定位技术采集电网故障的位置、时间、地理环境等信息，通过GPRS无线传输方式传送到台区监控中心及同时通过GSM将信息发送到专责工作人员的移动终端上。台区监控调度中心对数据进行汇集、分析、综合，对电网运行进行实时监控。农村智能配电网远程监控系统结构图如图1所示。

图1 农村智能配电网远程监控系统结构图Fig.1 Structure diagram of distributed remote monitoring system

图1系统由配电网远程监测装置和地面服务器组成，其中，配电网远程监测装置是其研究的重点，主要由电能计量模块和GPS/GPRS无线通信模块等组成。同时电能计量模块主要由传感器、互感器、微处理器等全面感知的设备组成，它是信息的源头，负责采集配电台区杆上变压器所在地区电网运行状态的各个指标和电能参数；GPS/GPRS通信模块负责GPS坐标信息的采集和数据的远程传输；地面服务器负责监测电网的运行状态和故障信息，具有数据统计、数据管理、远程控制、用户管理等功能[13]。

3 系统硬件设计

农村智能配电网远程监控系统装置总体结构如图2所示。主要由采样电路、电能计量芯片CS5463测量模块、STC12系列单片机微处理器STC12C5A60S2主控制模块、LCD显示电路、RS485通信模块、RS232通信模块、SIM908为核心的GPS/GPRS通信模块、温度采集报警模块等其他电路组成。

图2 农村智能配电网远程监控系统装置总体框图Fig.2 Overall block diagram of remote monitoring system of intelligent power distribution

采样电路选用差动放大电路，用于变换电流和电压信号；电能计量芯片CS5463采集配电网运行的电流和电压信号；微处理器STC12C5A60S2主要处理CS5463采集到的配电网的电流和电压信号，并将其电流、电压、功率和电量数据通过GPS/GPRS通信模块进行发送；LCD12864实时显示所采集的信息，如此时电网运行的电压、电流、温度、功率等信息；报警通过程序设置，实现电网运行不正常或故障时做出紧急应答；GPS/GPRS通信模块实现GPS定位、GPRS远程传输以及GSM短信收发等功能。

4 主要硬件模块设计

4.1 STC12C5A60S2主控制电路设计

本系统的主控制电路核心芯片采用STC12C5A60S2/AD/PWM型号单片机，其性价比高，功能满足设计需要。该型号是一种高速/低功耗/超强抗干扰的新一代增强型8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，具有2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S,即25万次/s)，片上还集成有1280字节RAM，I/O口驱动能力均可达20mA，具有优良的控制性能[14]。

为了能使STC12C5A60S2单片机正常工作，该控制电路模块主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路采用手动按键的上电复位，而时钟电路采用外部晶振电路，利用12MHz的晶体振荡器和两个33pF的电容构成，其中晶体振荡器起振荡作用，两个电容起到去耦的作用，这些共同组成系统的主控制电路[15]。STC12C5A60S2主控制电路设计如图3所示。

图3 STC12C5A60S2主控制电路设计图Fig.3 STC12C5A60S2 master control circuit design

4.2 电能计量模块设计

4.2.1 采样电路设计

在进行杆上变压器端的电网交流信号采样时，选取10kV变压器的低压侧380V供电系统中电量信息通过互感器的送入电能计量芯片采集端。电压互感器输出电压信号100V，本文采用电阻分压，同时通过电容滤波电路将其变换为100mV以内的电压信号，取该电压信号作为电能计量芯片的电压信号输入端，如图4所示。

图4 交流电压采样电路Fig.4 AC voltage sampling circuit

图5 交流电流采样电路Fig.5 AC current sampling circuit

在变压器的低压侧，采用电流互感器使得输出电流信号为1A，经过信号调理电路将电网电流信号转换为1mA电流信号，该电流信号作为电能计量芯片的IIN电流信号输入端，如图5所示。IIN为1mA时VIN为100mV。

4.2.2 电能计量单元设计

电能计量单元CS5463内部集成2个模数转换器、功率计算器、电能频率转换器以及一个串行接口，它能准确测量瞬时电流、瞬时电压、有功功率、无功功率、谐波功率、温度以及功率因数等，具有电压检测、校表、可编程测量、电能脉冲输出、串口通信、片上校准、温度检测、相位补偿等功能[16]。配电网电量数据采集装置以电能计量单元为核心，它的性能将直接影响计量精度的高低。因此，本装置通过电能计量芯片CS5463采集各种电能参数，再经过微处理器STC12C5A60S2处理，实现实时电网运行数据的采集功能。CS5463计量电路设计图如图6所示，首先对CS5463进行初始化操作，利用按键开关将复位程序输入到微处理器中，然后微处理器将设定好的指令传输到CS5463电能计量芯片中，CS5463利用相关指令采集采样电路所输出的电压和电流信号，并计算出用电信息，同时通过微处理器将此电量信息在LCD12864显示出来。

图6 CS5463计量电路Fig.6 CS5463 measuring circuit

4.3 GPS/GPRS通信模块硬件电路设计

由于农村配电网运行环境恶劣，经常处于偏远的山区，存在较大的自然干扰，因此系统使用具有多功能的新开发SIM908无线通信模块，该通信模块支持GPS定位、GPRS无线传输以及GSM短消息收发，具有半速率、全速率、增强型全速率等三种码率，在GSM和GPS网络信号范围内，可以实时对设备进行定位跟踪，具有定位效率高、实时性好、数据传输快、观察时间短等优点[17,18]。本文GPS/GPRS通信模块通过采集GPS定位信息提供给电能计量模块，再通过GPRS无线方式或GSM短消息方式将GPS定位信息与配电网实时运行状态信息传输到地面服务器或专责工作人员的移动终端，其电路原理图如图7所示。SIM908通信模块的RXD信号输入端、TXD信号输出端分别和STC12C5A60S2微处理器相连，实现信号的无线传输。

图7 GPS/GPRS电路原理图Fig.7 GPS/GPRS circuit diagram

4.4 其他电路模块设计

(1)电源电路设计

根据农村配电网远程监控系统的供电要求，系统采用供电电源和备用电源两种方式，以保证监控装置的不间断供电，能实时地对配电网运行状态信息监控，有效预防了用电信息丢失，具体电源设计结构图如图8所示。将两种电源的供电方式通过整流、滤波后并联起来，利用整流和滤波两种方式将两种供电方式隔离，这样对二者供电不会产生影响。电路计量模块与GPS/GPRS通信模块的电源也需相互隔离，本文采用DC-DC方式使其相互隔离。输入电压选用直流24V的稳压电源，通过设计自适应电路和压敏电阻保护电路，增强系统的抗干扰能力。

图8 电源模块结构图Fig.8 Power module structural diagram

(2)显示电路模块

本系统的显示部分采用12864液晶显示，12864液晶是一块128×64点阵可显示汉字的图形型液晶显示模块，与微机的接口主要有8位并行及串行两种数据传输方式。由于并行传输数据速度相对较快，同时考虑到本系统所采集的信息时刻变化，需要及时地在液晶上更新显示，因此采用并行接口与STC12C5A60S2单片机的数据相传输。

(3)温度数据采集报警模块

本系统采用DS18B20温度传感器芯片，DS18B20是美国DALLAS 公司生产的单总线式数字温度传感器，测温分辨率可达0.0625℃，具有结构简单、误差率低、功耗低、扩展性强等优点；可以采集台区的油温以及出线侧的接线柱温度，并通过程序设置实时报警，改变了以往通过人工测试或者通过红外测试仪测试的手段，大大简化了工作强度，节省了工作时间，并可以得到相对准确的温度，直观反映台区运行情况。

5 系统软件设计

为了使系统能正常地实现所有功能，除了设计出合理的硬件电路，还必须具有能在此硬件平台上实现预期功能的程序，采用C语言编写系统程序。该系统的程序设计主要包括三个方面的内容：①主程序设计；②二是电能参数及温度采集程序设计；③通信及其数据显示程序设计。系统主程序流程图如图9所示。

图9 系统主程序流程图Fig.9 System main program flow chart

6 系统测试

所设计的基于GPRS通信系统与GPS定位系统相结合的多功能智能配电远程监控系统，基本实现相应功能，达到预期目标，系统装置实物图及测试结果分别如图10和图11所示。

图10 系统装置实物图Fig.10 System device physical map

图11 系统测试显示图Fig.11 System test display

7 结论

测试表明，本文所设计的系统采用单片机作为主控制，利用GPRS无线通信模块将所监控区域配电网实时运行的数据信息传输到台区的服务系统或专责工作人员的移动终端上，并带有GPS定位功能，能锁定地理位置，便于在出现故障时工作人员能迅速到达现场，第一时间排除故障，避免了工作的盲目性，降低了工作强度，可节约大量的电网成本支出，也使电网运行的可靠性得到一定保证。同时系统具有结构简单、成本低、稳定性好等优点，有良好的市场实用性，便于在农村地区推广使用，极大地推动了农村电网的智能化工程建设。

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Design of rural intelligent distribution network remote monitoring system based on GPRS and GPS

KUANG Hong-hai, ZHANG Shu-yun, ZENG Li-qiong, LI Sheng-qing, ZHOU Zhi-wei

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007,China)

In view of the problems of low level of automation, data acquisition and monitoring management of rural power distribution system, this paper designs a kind of intelligent power distribution remote monitoring system based on GPRS communication system and GPS positioning system. The system uses STC12 Series 51 microcontroller as a microcontroller, CS5463 chip as the core of the electric energy measurement module, and SIM908 as the core communication module, and includes temperature data acquisition, signal input and display module, etc. Through the remote communication and the master server and GSM and related staffs the remote rural area power network operation information of remote monitoring and fault location can be acquired. The system can greatly promotes the development of rural distribution automation system, and greatly reduce the work intensity. The system has low cost and good control effect, and has broad application prospect.

MCU； GPRS； GPS； intelligent distribution network； remote monitor

2016-03-25

湖南省自然科学基金项目(2015JJ5009)、 湖南省教育厅科研项目(15C0395)、 湖南工业大学研究生校级创新基金(CX1502)

匡洪海(1972-)， 女， 湖南籍， 副教授， 博士， 研究方向为配电网停电管理、 新能源并网； 张曙云(1992-)， 男， 湖南籍， 硕士研究生， 研究方向为智能配电网技术。

TN713

A

1003-3076(2017)04-0083-06