基于GPRS低压配电网络线损监测系统的研究与设计

吴蔡茂

（佛山市绿能环保有限公司，广东 佛山 528000）

0 引 言

随着我国经济蓬勃发展和全球能源供应紧张局势日益恶化，提升电能质量和降低能源损耗已成为国家政策的重要组成部分[1-4]。线损率是电力在输电过程中由于电阻、电感和电容等元件引起的能量损耗占输送总能量的比例，是衡量电力系统输电效率和稳定性的重要参数[5-7]。与发达国家相比，我国的配电网自动化水平较低。自动化程度方面，我国配电网用户终端的数据采集仍依赖于传统的人工方式，导致数据采集效率低下且容易出错。此外，配网设备和数据传输通信技术的落后限制了配电网数据的实时性和准确性，影响线损计算等。文章开发一种基于通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）技术的创新低压配电网络线损监测系统的设计方案。

1 系统的硬件设计

1.1 监测装置单片机系统

系统采用基于单片机最小系统结构设计的硬件方案，以单片机最小系统为核心，结合电力采集模块和GPRS模块，保障数据采集和通信功能的完整性。考虑装置主板的功能要求，系统选择Intel 80C196处理器作为主控板的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。

1.1.1 单片机与可编程外围芯片的接口设计

为满足单片机外围电路的功能需求，选择型号为PSD934F2的可编程外围芯片（Programmable System Device，PSD）。该芯片可以实现输入/输出（Input/Output，I/O）重构、逻辑组合以及芯片选择等电路设计，从而简化系统的设计过程。利用PSDsoft软件开发PSD934F2硬件平台。PSD934F2具备高度集成和强大的在线编程功能，可以轻松完成PSD934F2器件的开发工作。CPU与PSD芯片的电路如图1所示。

图1 CPU与PSD芯片的电路

1.1.2 单片机系统复位电路设计

通过触发Reset信号，可以控制单片机的初始化过程，并启动系统初始化软件。在10 MHz时钟频率下，为确保复位操作有效，需要保持Reset信号的低电平状态至少持续600 ns，相当于6个系统时钟周期。因此，设计中需要特别注意Reset信号的时序控制，以确保设备正常运行。为实现有效的复位操作，PSD芯片通过接收Reset信号可以回到初始状态，以确保正常的功能和操作。此外，为满足单片机和其他外设芯片的要求，综合考虑后，需要将Reset信号保持在低电平状态至少100 ms，以确保所有设备在上电时有效复位。

1.1.3 转换器的选择

采用MAX197型号的模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）能够有效提升电气测量系统的精度和可靠性，为数据采集和分析提供可靠的基础。采用适当的滤波电容能够降低电路中的噪声干扰，提供清晰稳定的电源信号，从而保证装置的可靠性和优化装置的性能。

1.2 GPRS通信模块的硬件设计

以MC35模块为核心，设计兼容RS-232标准，并利用串行异步收发器作为数据输入/输出接口的关键组件。硬件流量控制采用请求发送/允许发送协议（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）机制，软件流量控制则使用XON/XOFF协议。这些功能的结合使得数据的传输和控制更加可靠和灵活。此外，AT命令被广泛支持，可实现对模块的配置和控制。

2 系统的软件设计

2.1 单片机程序设计

2.1.1 主程序设计

监测装置软件流程如图2所示。在设置参数方面，需要配置多个寄存器。这些参数的设置对系统的运行和功能调用具有重要作用。

图2 监测装置软件流程

2.1.2 定时模块设计

定时模块是该系统的主要模块，定义了多个核心模块任务。系统需要完成的任务包括上报线损量、日线损量以及定义定时抄送和上传。

2.1.3 数据采集模块设计

在进行写操作时，MAX197开启转换功能。利用写操作能够灵活选择多个通道，并确定输入范围，包括单向或双向输入模式。在进行一次写操作时，能够激活一次数据采集或初始化采样程序，从而启动MAX197的转换过程。这种操作序列使得MAX197转换过程具有控制能力，确保可以根据需要准确采集数据。通过引入外部采集模式，能够提高采样间隔的准确性，并及时进行相应的调整。若新的控制字节被写入转换周期，则会导致当前转换失败，从而引发一次全新的采集过程。采用外部采集模式能够灵活控制数据的采样和转换过程，以满足精准数据采集的需求。用户可以通过发送2个写脉冲，实现更精确的数据采集和控制过程。第1个写脉冲发出后，应将ACQMOD位置调整至1，以确保操作模式的准确性。发送第2个写脉冲时，将ACQMOD位设为0，从而触发转换并结束采集过程。需要注意，在这2个写脉冲之间，多路输入通道的地址位值必须保持一致。

2.1.4 线损计算子程序设计

通过实时监控可以利用数学模型估算各个主干线的损耗情况，并将结果存储在数据库。从存储地址中提取等效电阻值，并在预定的采集时间内计算线损，然后使用提取的数据进行进一步分析和处理。线损计算软件流程，如图3所示。

图3 线损计算软件流程

2.2 单片机系统与GPRS之间的串行通信

通过8位异步串口通信模式，可以实现GPRS模块、嵌入式传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）单片机系统以及其他相关设备的有效连接，从而实现对网络的实时监控。

2.3 软件层次模型

软件层次结构中，底层是操作系统，中间层是支撑软件，上层为应用软件。

2.4 控制中心获取数据的方法

为实现与互联网公共网络的连接，监控中心采用非对称数字用户线路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）等方式。为实施该方案，需要向互联网服务提供商申请ADSL等宽带业务[8,9]。

（1）固定IP。该方案具有稳定可靠的特点，能够实现监控系统的稳定运行，推荐使用该方案。

（2）通过与域名服务器（Domain Name Server，DNS）服务提供商协商，客户可以启用动态域名服务，以确保监控点和中心之间的连接畅通无阻。使用域名搜索技术，监控系统能够高效实现数据交换与访问，同时提供安全和可靠的监测服务。

（3）目前，控制中心能够使用Socket接口从采集器获取来自互联网的信息，轻松读取通过GPRS模块传输至公网的数据，从而获取采集端的数据。

3 结 论

文章提出一种基于GPRS技术的监测系统，并介绍系统的硬件设计和软件设计，详细阐述系统的优点和能够实现的功能。该系统能够用于低压配电网络的线损监测，具备确保数据采集的准确性和完整性，简化了负荷点数据采集过程，对电力系统的管理和评估具有重要意义。