发布时间 : 星期二 文章基于GPRS的低压配电网远程监控系统设计 - 图文更新完毕开始阅读29a38170192e45361066f5d2
1 前言
1.1
选题的目的和意义
随着经济的发展，用户对电网的可靠性和安全性的要求越来越高。同时随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，保证电力设备的安全运行尤为重要。一旦发生停电事故，将给生产和生活带来巨大的影响和损失，因此迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时地在线监测。数据传输将由监控终端测量的反映设备状态的数据送进主站，它是在线监测的关键环节之一。我国幅员辽阔,电力供应覆盖范围广，但各地区环境差异很大，如果架设有线监测网络，施工难度极大,维护成本也很高，随着中国移动3G业务的发展，将GPRS无线通信技术应用于低压配电网监测，既可以有效地弥补有线监测方式的不足，又能省去高额的建网费用。配电变压器具有量多面广的特点，如何将分散的配电变压器的运行数据实时、可靠、便捷的传输是一个关键的技术问题。基于通用分组无线业务的 GPRS 无线数据传输方式是目前十分适合远程监控的一种通讯方式，具有运行成本低、实时性好、可靠性高、不受地域限制等优点。最重要的是 GPRS 网络是由移动运营商投资系统，可以节省巨额的远程监控网络建设费用，达到环保、节能、资源最大共享的目的，而且免除了网络的日常修改和维护，最大限度地节省了投资。GPRS（General Packet Radio Service，通用分组业务）是一种基于第二代移动通信系统 GSM 的无线分组交换技术。利用 GPRS“永远在线”、“流量计费”、“快捷登陆”、“高速传输”、“自如切换”等优点进行传输。GPRS 网络在空中的全程通信中采用分组加密和矢量压缩处理技术，使得用户的通信保密安全功能非常强，保障了系统传输的可靠性。利用 GPRS 进行传输，组网简单、迅速、灵活。系统可以通过 Internet 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，接入便利，节省接入投资。通信链路由专业运营商维护，GPRS 链路维护由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧。GPRS 网络传输采取按数据流量计费，可以大大节省系统运营费用。将 GPRS 应用于配电网远程监控中，可以满足系统的实时性、可靠性、经济性要求。因此利用 GPRS 无线通信网络实现配变的远程实时监测，可使配电监测系统建设及维护成本大大降低。GPRS 无线通信网络在配变监测中的应用，为提高配电管理和需求侧管理的自动化水平提供了有力的技术手段，因此具有广阔的应用前景。
1.2 国内外研究现状
目前将 GPRS 无线传输技术应用于工业远程监控系统的数据传输是当前比较热门的研究课题。采用 GPRS-Internet 通信网络，使工业远程监控系统的监控空间延伸到了公用
通信网络和 Internet，在保证系统实时性、可靠性的同时降低了系统的开发成本以及运营费用。GPRS 技术在国内外已广泛的应用于电力、交通、医疗、勘探、供热管网等领域的工业远程监控系统中。在国外，意大利 SPA 公司开发的基于 GPRS 的空气质量监控系统，对大范围内的国土环境进行监控来获得实际的空气质量等级以保障公众身体健康。荷兰 2004 年完成的移动健康工程，通过在病人身上放置一个移动的传感部件实时采集病人的健康状况数值并通过 GPRS 方式发送到监控中心，使医务人员可以随时随地查看到病人的健康情况，以预防突发疾病和及早做出治疗。在国内，北京移动与北京夜景照明管理部门合作，建立了基于 GPRS 的夜景照明管理系统(LMAS)，实现了对夜景照明的远程控制，以及对夜景照明系统设备的远程实时监控和集中管理，从而降低了新建夜景照明系统的网络投资和建设周期。胜利油田厂于 2002 年利用 GPRS 对配电网进行了自动化技术改造，有效改善了供电质量，提高了供电可靠性，对线路的运行实现实时监测，达到快速排除线路故障，降低运行费用，提高经济效益，减少劳动强度，实现了电网的自动、优化、高效运行的目的。江苏省公安厅交巡警总队采用的 GPRS/GIS/GPS 高速公路巡警指挥调度系统，实现了对全省路面交巡警勤务的实时指挥调度、管理,高速公路恶劣天气(路况)的分级处置,建立起巡逻民警和指挥中心的信息交互通道,使总队能够及时掌握全省各项实时信息,从而进行更加科学的管理和协调,全省交巡警指挥调度、勤务管理现代化水平迈上一个新台阶。此外，西南交通大学电气工程学院和铁道部第二勘察设计院电气化设计处在当前铁道监控系统中对监控图像清晰度要求不高和 GPRS 网传输速度低的前提下，对利用 GPRS 在铁路监控系统中进行图像、视频传输做了实验研究，采取了一定的打包传送策略和图像格式转换和压缩技术，实验达到了设计目标并取得了较好的实验结果。将 GPRS 应用于配电网远程监控中，可以有效的解决配电网通信网络问题，满足系统的经济性、可靠性、实时性要求。随着 Internet 技术和 GPRS 通信技术的发展，远程监控系统将会更紧密地与现代通信技术相结合，GPRS 的应用前景将是相当广阔的。
1.3 本文的主要工作
本文通过分析研究 GPRS 网络和 Internet 网在配电网远程监控中的应用。根据GPRS 自身的特点，设计了一个基于 GPRS低压配电网远程监控系统。主要完成配电网数据的采集以及故障判断，并于监测中心进行数据传输，以便工作人员及时处理故障信息，以免造成不必要的经济损失。本文共分为七章，各章节的主要内容安排如下:
第一章 主要简述课题的背景及意义及国内外发展现状。
第二章 主要讲述相关的技术和涉及到协议。
第三章 主要提出总体设计方案,实际要解决的问题。系统整体的设计思想和具体要实现的功能。
第四章 详细讲解终端硬件电路的设计,各部分功能电路的实现,搭建配电网监测硬件平台。
第五章 详细描述软件设计的过程。 第六章 主要介绍终端软硬件调试。 第七章 对系统的总结与展望。
2 相关技术和协议
随着芯片制造行业不断地发展,嵌入式系统的结构越来越小型化,外围扩展也由并行方式过渡到串行方式,出现了UART和SPI等多种先进的串行接口技术,极大地丰富了电子监测系统的设计,当前移动通信3G业务逐渐铺开,GPRS无线上网资费更低,直接为配电网监测数据的传输提供了一个可靠、稳定和快捷地无线渠道，采用此技术的监测终端具有可移动的特点,可以有效弥补了采用有线通信方式的不足，现逐一对相关技术以及涉及到的协议进行介绍。
2.1 接口技术
接口技术可以说是实现微处理器和外部设备数据交换的桥梁，实际工作过程中,微处理器的执行速度往往很快,而外部设备由于既要处理己接到的数据,又要负责接收新的数据,处理速度有限,很容易发生冲突死锁而陷入死循环。这时,采用接口技术就可以很好地协调两者的矛盾,极大地发挥系统的高效率性。因此,接口技术在数字系统设计中是必不可少的。这里主要介绍本文使用的串行接口技术。
2.1.1 SPI接口技术
SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如DS1302。
SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。 （1）SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入 （2）SDI – 主设备数据输入，从设备数据输出 （3）SCLK – 时钟信号，由主设备产生 （4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
接下来就负责通讯的3根线了，通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK