作者：中南大學信息科學與工程學院  杜娟，凌玉華，廖力清

    摘要：介紹一種基于通用分組無線業(yè)務(GPRS)的新型智能化、低功耗、集成化配變自動化系統(tǒng)，以便克服低壓配變系統(tǒng)中通信介質的瓶頸問題，具體介紹該系統(tǒng)各個模塊的硬件結構和軟件實現(xiàn)方法。

    要害詞：配電自動化；通用分組無線業(yè)務(GPRS)； 智能監(jiān)控；低壓無功補償

    1  前言

    隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的配電變壓器終端裝置已不能滿足配電自動化系統(tǒng)的要求，而且它們的數(shù)據(jù)傳輸多以有線通信方式為主，加之當前的電力產(chǎn)品功能單一，增加功能比較復雜，重復投資現(xiàn)象嚴重，增加了用戶的負擔。隨著無線網(wǎng)絡的發(fā)展，基于GSM網(wǎng)絡，以SMS為載體的自動抄表系統(tǒng)也發(fā)展起來，但這些方式都有各自的缺陷。而GPRS技術使得配變監(jiān)測系統(tǒng)利用Internet實現(xiàn)遠距離、寬范圍的數(shù)據(jù)傳輸和治理成為可能。

    針對以上問題，設計了一種基于通用無線分組業(yè)務(GPRS)的新型智能化、低功耗、集成化的智能型配變自動化系統(tǒng)。配變監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)對線路配變變壓器運行狀態(tài)的監(jiān)視和無功功率動態(tài)補償，同時對低壓用戶進行抄表，并采用先進的無線通信技術彌補當前配變監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，更好地保證電網(wǎng)系統(tǒng)的正確運行，提高電網(wǎng)質量。

    2  系統(tǒng)總體設計

    基于GPRs無線通信的配變自動化系統(tǒng)主要包括基于GPRS的配變監(jiān)測系統(tǒng)和配變主站治理系統(tǒng)。配變監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)電量數(shù)據(jù)采集，并通過GPRS無線通信與主站治理系統(tǒng)連接，將電量數(shù)據(jù)上傳到主站，從而完成電力數(shù)據(jù)的治理，并實現(xiàn)無功補償。圖1示出配變監(jiān)測和治理系統(tǒng)的組成。低壓配變監(jiān)測系統(tǒng)終端與GPRS無線通信模塊組成配變監(jiān)測系統(tǒng)子站。

    3  配變監(jiān)測系統(tǒng)終端

    3．1硬件設計

    3．1．1系統(tǒng)結構

    低壓配變監(jiān)測系統(tǒng)終端的組成邏輯框圖如圖2所示，裝置以T1公司的TMS320LF2407型DSP為核心，終端與GPRS無線通信模塊通過RS-485總線進行通信。

    3．1．2CPU模塊

    CPU是控制器的核心部分，它不僅要處理輸入信號和輸出信號，而且要控制和協(xié)調各部分的工作。配變監(jiān)測終端控制器采用TI公司的TMS320LF-2407型低功耗DSP，它除了具有程序、數(shù)據(jù)分開的哈佛總線結構、流水線操作功能、單周期完成乘法的硬件乘法器之外，還具有低成本、低功耗、高性能等特點。

    3．1．3電力數(shù)據(jù)采集模塊

    在低壓配變監(jiān)測系統(tǒng)終端中，數(shù)據(jù)采集的準確與否直接影響系統(tǒng)最后的性能指標。采樣方法選用交流采樣，可以精確地得到電壓或電流的有效值、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等。

    電壓模擬信號采樣一般是通過電阻器和電容器相結合來分壓得到小電壓即阻容降壓。而電流采樣是通過并聯(lián)電流分流的原理對電流進行采樣取值。本系統(tǒng)同時采用鐵芯互感器和空心互感器。鐵芯互感器主要用來實現(xiàn)正常情況下電流值的測量，空心互感器只在過載情況下起作用，這樣就兼顧了電流的測量精度和測量范圍。

    3．1．4人機接口模塊

    人機界面主要包括鍵盤和液晶顯示。

    (1)液晶顯示模塊

    由于系統(tǒng)顯示的信息量較大，因此終端采用液晶顯示器作為系統(tǒng)的輸出設備。選用的液晶顯示器是肇慶金鵬科技有限公司的OCM4×8C型圖文液晶顯示器。系統(tǒng)采用串行連接方式，為了解決I/O口驅動電平的匹配問題，使用74LVC4245型電路作為總線電平轉換驅動器。

    (2)鍵盤輸入模塊

    鍵盤是測控系統(tǒng)中最常用的輸入設備。為了簡化硬件電路，本系統(tǒng)采用非編碼鍵盤方式。主要實現(xiàn)電量參數(shù)設置和查看功能。系統(tǒng)有4個按鍵：確定鍵、返回鍵和2個菜單選擇鍵。通過這4個按鍵對現(xiàn)場配變監(jiān)測系統(tǒng)進行控制操作。

    3．1．5RS-485通信模塊

    RS-485通信模塊主要用于與GPRS模塊進行通信。在本系統(tǒng)中，選擇Maxim公司的MAX3078型電路作為RS-485收發(fā)器。其工作電壓為3．3V，驅動能力為128個控制單元。

    3．1．6電源模塊

    在無線自動抄表系統(tǒng)中，用戶配變監(jiān)測終端的CPU和RS-485接口電路等都采用低功耗的3．3V電源供電，而在GPRS無線通信模塊中，工作電壓為5v．因此根據(jù)二種電源的需要設計電源電路，輸出3．3V和5V電壓，供系統(tǒng)工作。

    3．2軟件設計

    系統(tǒng)主程序流程和通信模塊程序流程分別如圖3和圖4所示。低壓配變監(jiān)測系統(tǒng)終端主要通過RS-485總線與GPRS無線通信模塊進行通信。

    4  低壓快速無功補償?shù)难芯?/STRONG>

    無功補償模塊是本系統(tǒng)的重要輔助模塊，有利于避免負載的無功功率在很大的范圍內波動，使電氣設備得到充分的利用，減少系統(tǒng)損耗。

    無功補償裝置的三相電力電容器接成星形，以滿足分相補償?shù)囊?，使電源變壓器輸出的有功功率最大。補償控制器采用晶閘管與交流接觸器并聯(lián)工作的方式投切電容器，這樣的投切過程可以消除涌流、電弧及設備干擾。補償策略采用分相補償。

    5  GPRS通信模塊的設計

    GPRs是通用分組無線業(yè)務(GeneralPacketRa-dioService)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種新的承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS無線通信模塊利用GPRS無線數(shù)據(jù)通信功能進行數(shù)據(jù)傳輸，通過TCP/

    ip通信協(xié)議和主站端計算機系統(tǒng)通信。

    嵌入式GPRS無線通信模塊主要由CPU、GPRSMODEM、SIM卡座、TTL串行通信接口、擴展數(shù)據(jù)存儲器、看門狗模塊等部分組成。其結構框圖如圖5所示。

    系統(tǒng)的CPU模塊采用武漢蘭瑞公司的LRl00型嵌入式網(wǎng)絡控制模塊。它是以RDCR8822型嵌入式微處理器(與80186內核兼容)為核心的單板計算機模塊，模塊自帶插針，可方便地插在用戶的應用電路板上，構成完整的應用系統(tǒng)。

    GPRS模塊采用SIMCOM推出的SIM100型GSM/GPRS雙頻模塊，它為用戶提供了功能完備的系統(tǒng)接口，用戶在較短的研發(fā)周期內就可集成自己的應用系統(tǒng)。

    6  結束語

    為適應網(wǎng)絡、信息和控制技術的發(fā)展，要求配變監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應能準確和實時的對電網(wǎng)進行快速分相的無功補償，從而提高電網(wǎng)質量，降低電網(wǎng)損耗，給供電企業(yè)提供有效的治理依據(jù)。而基于GPRS網(wǎng)絡的配變自動化系統(tǒng)作為一種新型系統(tǒng)己經(jīng)能基本滿足電力系統(tǒng)的電能監(jiān)測、分相無功補償和無線抄表的需要。通過不斷的發(fā)展和完善，該系統(tǒng)能夠更好的適應今后的發(fā)展，在生產(chǎn)中發(fā)揮更大作用。