基于GPRS无线通信的配变自动化系统研究

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1 前言
随着电力系统规模的不断扩大，传统的配电变压器终端装置已不能满足配电自动化系统的要求，而且它们的数据传输多以有线通信方式为主，加之当前的电力产品功能单一，增加功能比较复杂，重复投资现象严重，增加了用户的负担。随着无线网络的发展，基于GSM网络，以SMS为载体的自动抄表系统也发展起来，但这些方式都有各自的缺陷。而GPRS技术使得配变监测系统利用Internet实现远距离、宽范围的数据传输和管理成为可能。

针对以上问题，设计了一种基于通用无线分组业务(GPRS)的新型智能化、低功耗、集成化的智能型配变自动化系统。配变监测系统主要实现对线路配变变压器运行状态的监视和无功功率动态补偿，同时对低压用户进行抄表，并采用先进的无线通信技术弥补当前配变监测系统的缺陷，更好地保证电网系统的正确运行，提高电网质量。

2 系统总体设计
基于GPRs无线通信的配变自动化系统主要包括基于GPRS的配变监测系统和配变主站管理系统。配变监测系统实现电量数据采集，并通过GPRS无线通信与主站管理系统连接，将电量数据上传到主站，从而完成电力数据的管理，并实现无功补偿。图1示出配变监测和管理系统的组成。低压配变监测系统终端与GPRS无线通信模块组成配变监测系统子站。



3 配变监测系统终端
3．1 硬件设计

3．1．1系统结构

低压配变监测系统终端的组成逻辑框图如图2所示，装置以T1公司的TMS320LF2407型DSP为核心，终端与GPRS无线通信模块通过RS-485总线进行通信。



3．1．2 CPU模块

CPU是控制器的核心部分，它不仅要处理输入信号和输出信号，而且要控制和协调各部分的工作。配变监测终端控制器采用TI公司的TMS320LF-2407型低功耗DSP，它除了具有程序、数据分开的哈佛总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器之外，还具有低成本、低功耗、高性能等特点。

3．1．3电力数据采集模块

在低压配变监测系统终端中，数据采集的准确与否直接影响系统最后的性能指标。采样方法选用交流采样，可以精确地得到电压或电流的有效值、有功功率、无功功率和功率因数等。

电压模拟信号采样一般是通过电阻器和电容器相结合来分压得到小电压即阻容降压。而电流采样是通过并联电流分流的原理对电流进行采样取值。本系统同时采用铁芯互感器和空心互感器。铁芯互感器主要用来实现正常情况下电流值的测量，空心互感器只在过载情况下起作用，这样就兼顾了电流的测量精度和测量范围。

3．1．4人机接口模块

人机界面主要包括键盘和液晶显示。

(1)液晶显示模块

由于系统显示的信息量较大，因此终端采用液晶显示器作为系统的输出设备。选用的液晶显示器是肇庆金鹏科技有限公司的OCM4×8C型图文液晶显示器。系统采用串行连接方式，为了解决I/O口驱动电平的匹配问题，使用74LVC4245型电路作为总线电平转换驱动器。

(2)键盘输入模块

键盘是测控系统中最常用的输入设备。为了简化硬件电路，本系统采用非编码键盘方式。主要实现电量参数设置和查看功能。系统有4个按键：确定键、返回键和2个菜单选择键。通过这4个按键对现场配变监测系统进行控制操作。

3．1．5 RS-485通信模块

RS-485通信模块主要用于与GPRS模块进行通信。在本系统中，选择Maxim公司的MAX3078型电路作为RS-485收发器。其工作电压为3．3V，驱动能力为128个控制单元。

3．1．6电源模块

在无线自动抄表系统中，用户配变监测终端的CPU和RS-485接口电路等都采用低功耗的3．3V电源供电，而在GPRS无线通信模块中，工作电压为5v．因此根据二种电源的需要设计电源电路，输出3．3V和5V电压，供系统工作。

3．2软件设计

系统主程序流程和通信模块程序流程分别如图3和图4所示。低压配变监测系统终端主要通过RS-485总线与GPRS无线通信模块进行通信。



4 低压快速无功补偿的研究
无功补偿模块是本系统的重要辅助模块，有利于避免负载的无功功率在很大的范围内波动，使电气设备得到充分的利用，减少系统损耗。

无功补偿装置的三相电力电容器接成星形，以满足分相补偿的要求，使电源变压器输出的有功功率最大。补偿控制器采用晶闸管与交流接触器并联工作的方式投切电容器，这样的投切过程可以消除涌流、电弧及设备干扰。补偿策略采用分相补偿。

5 GPRS通信模块的设计
GPRs是通用分组无线业务(General Packet Ra-dio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS无线通信模块利用GPRS无线数据通信功能进行数据传输，通过TCP/IP通信协议和主站端计算机系统通信。

嵌入式GPRS无线通信模块主要由CPU、GPRSMODEM、SIM卡座、TTL串行通信接口、扩展数据存储器、看门狗模块等部分组成。其结构框图如图5所示。



系统的CPU模块采用武汉兰瑞公司的LRl00型嵌入式网络控制模块。它是以RDC R8822型嵌入式微处理器(与80186内核兼容)为核心的单板计算机模块，模块自带插针，可方便地插在用户的应用电路板上，构成完整的应用系统。

GPRS模块采用SIMCOM推出的SIM100型GSM/GPRS双频模块，它为用户提供了功能完备的系统接口，用户在较短的研发周期内就可集成自己的应用系统。

6 结束语
为适应网络、信息和控制技术的发展，要求配变监测系统的数据应能准确和实时的对电网进行快速分相的无功补偿，从而提高电网质量，降低电网损耗，给供电企业提供有效的管理依据。而基于GPRS网络的配变自动化系统作为一种新型系统己经能基本满足电力系统的电能监测、分相无功补偿和无线抄表的需要。通过不断的发展和完善，该系统能够更好的适应今后的发展，在生产中发挥更大作用。


来源：中电网/中南大学信息科学与工程学院 杜娟，凌玉华，廖力清