嚴俊奇，陳德為，黃航宇，陳文桂

(福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

基于GPRS/GSM的高壓計量柜互感器身份識別系統(tǒng)設計

嚴俊奇，陳德為，黃航宇，陳文桂

(福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

針對企業(yè)的高壓供電系統(tǒng)，設計了一套基于GPRS/GSM的高壓計量柜互感器身份識別系統(tǒng)。介紹了身份識別系統(tǒng)的組成、工作原理及其軟硬件設計。系統(tǒng)既可以檢測高壓計量柜工作時內部的溫濕度，電壓互感器、電流互感器內部的運行溫度，還可以檢測互感器的身份識別碼，達到防竊電的目的。該系統(tǒng)運行可靠，具有實際應用價值。

GPRS/GSM；互感器；身份識別碼

1 引言

在企業(yè)供配電系統(tǒng)中，高壓開關柜在配電、輸電和變電轉換中起著重要的作用。開關柜在長期運行中，容易受潮，導致其絕緣材料性能降低，縮短壽命，而且開關柜內的環(huán)境復雜，處于高電壓、大電流和強磁場的環(huán)境中，對設備監(jiān)測和維修增加難度，故需要在停電的情況下才能進行檢修，這樣會影響工業(yè)供電的連續(xù)性，給企業(yè)生產造成巨大的經濟損失。對于如何保證每個開關柜能夠可靠運行，及時發(fā)現(xiàn)故障和排除故障，已成為供電安全和可靠的關鍵所在[1]。

GPRS/GSM無線通信技術已廣泛應用于各個領域。利用GPRS/GSM無線通信技術遠程監(jiān)測高壓計量柜內的參數(shù)情況，可以達到遠程監(jiān)測多個高壓計量柜的目的，安裝接線靈活，易于維護[3]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理

身份識別系統(tǒng)主要由三部分組成：節(jié)點模塊、終端模塊和監(jiān)控主機。系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

高壓計量柜內一般安裝有2個電壓互感器和2個電流互感器，每個互感器內均嵌有一套節(jié)點模塊，該節(jié)點模塊用于實現(xiàn)溫度檢測和身份識別碼的生成。正常情況下分別安裝在電壓互感器和電流互感器內的單片機控制的節(jié)點模塊不斷地向終端模塊發(fā)送實時檢測到的互感器內的溫度信號和身份識別碼。同時，終端模塊檢測高壓計量柜內的溫濕度信號。兩者都經過單片機處理并顯示，若超過各自設定的上限溫/濕度就啟動報警，蜂鳴器和指示燈會發(fā)出急促的聲光提示；若終端模塊收到身份識別碼，表示對應的互感器具有真實的身份，即該互感器沒有被偷換。如果終端模塊沒有收到身份識別碼時，為了提高系統(tǒng)可靠性，終端模塊會以不同的頻率，即所謂跳頻功能，向各節(jié)點模塊連續(xù)發(fā)送6次無線電身份識別請求信號，如果6次均沒有收到來自節(jié)點模塊發(fā)來的身份識別碼，那就判定互感器被偷換，在終端模塊的LCD液晶顯示屏上顯示出提示信息，此時蜂鳴器和指示燈會發(fā)出急促的聲光提示。之后通過GPRS/GSM通信將互感器溫度信息、互感器身份識別碼信息以及高壓計量柜溫/濕度信息發(fā)送到監(jiān)控中心PC機分析與后處理，從而達到防竊電的目的。使得監(jiān)控中心能夠對封閉計量柜異?，F(xiàn)象的及時發(fā)現(xiàn)和處理，從而實現(xiàn)了互感器參數(shù)的遠程實時聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測功能。

3 硬件設計

本系統(tǒng)由節(jié)點模塊、終端模塊和監(jiān)控中心三部分組成。監(jiān)控中心為一臺PC機。節(jié)點模塊與終端模塊采用JF24D實現(xiàn)通訊，終端模塊與監(jiān)控中心使用GPRS/GSM實現(xiàn)通訊。

3.1 節(jié)點模塊

節(jié)點模塊是系統(tǒng)中最基礎的部分。它嵌在計量柜內的互感器內。由溫度傳感器、微控制器單元、無線收發(fā)模塊和電源模塊組成，節(jié)點模塊如圖2所示。

圖2 節(jié)點模塊

溫度傳感器主要負責測量溫度，采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，具有全數(shù)字溫度轉換與輸出、抗干擾能力強、功耗低、精度高等特點。微控制器采用STC12LE5A60S2單片機，擁有60KB 的程序存儲空間和1280KB的數(shù)據(jù)存儲空間，內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速A/D轉換。無線收發(fā)模塊采用JF24D芯片，該模塊整合了高頻鍵控(GFSK)收發(fā)電路功能，以較小體積實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。?jié)點模塊結構圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點模塊結構圖

3.2 終端模塊

終端模塊是整個監(jiān)控系統(tǒng)的主要裝置，由溫濕度傳感器、微控制器、液晶模塊、無線收發(fā)模塊、電源模塊以及GPRS/GSM模塊六個部分組成。終端模塊嵌在計量柜表面。其樣機面板如圖4所示。

終端模塊起著連接監(jiān)控中心和節(jié)點模塊的作用。通信由兩部分組成：無線通信和GPRS/GSM通信。無線通信接收節(jié)點模塊傳送過來的互感器身份識別碼和互感器內的溫度信息。GPRS/GSM實現(xiàn)監(jiān)控中心與終端模塊的數(shù)據(jù)傳輸，微控制器采用STC12LE5A60S2單片機，溫濕度傳感器采用SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，內部集成了信號放大調理、A/D轉換以及I2C總線接口。液晶顯示屏采用LCD12864作為人機接口，每塊液晶屏用以顯示終端模塊接收到的互感器溫度信息、互感器身份識別碼信息以及計量柜內的溫/濕度信息，可供現(xiàn)場值班人員查看。終端模塊結構圖如圖5所示。

圖4 終端模塊樣機面板

圖5 終端模塊結構圖

4 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計部分主要包括節(jié)點模塊、終端模塊和監(jiān)控主機三部分的軟件設計。節(jié)點模塊和終端模塊的程序采用單片機C語言編寫。監(jiān)控主機的程序采用Visual C++軟件編程。

4.1 節(jié)點模塊軟件設計

節(jié)點模塊的主要任務是采集溫度和發(fā)送溫度，以及接收終端模塊發(fā)送過來的身份識別請求信號，向終端模塊發(fā)送身份識別碼。程序流程圖如圖6所示。

互感器檢測過程中，首先判斷是否收到身份識別請求信號，如果沒有則單片機發(fā)送溫度采集命令并啟動JF24D給終端模塊發(fā)送溫度信號，若有則啟動JF24D給終端模塊發(fā)送互感器身份識別碼，如此循環(huán)運行。

4.2 終端模塊軟件設計

終端模塊負責采集計量柜內的溫濕度以及起到連接節(jié)點模塊和監(jiān)控中心的紐帶和橋梁的作用，是本系統(tǒng)的核心裝置。終端模塊的軟件設計主要采用單片機程序編寫。

圖6 節(jié)點模塊程序流程圖

終端模塊接收節(jié)點模塊傳送過來的信號并采集計量柜內的溫濕度，之后經過單片機處理并顯示，若溫/濕度超過設定的上限溫/濕度或者沒有收到互感器身份識別碼就啟動報警，接著比較前后兩次顯示信息是否有變化，若有則啟動GPRS/GSM模塊發(fā)送信息至監(jiān)控中心PC機進行后處理，如果沒有變化則繼續(xù)循環(huán)，若在30分鐘后仍沒有信息發(fā)送至監(jiān)控中心則強制啟動GPRS/GSM發(fā)送溫度信號至監(jiān)控中心，如此循環(huán)。程序流程圖如圖7所示。

圖7 終端模塊程序流程圖

4.3 監(jiān)控中心軟件設計

遠程監(jiān)控中心采用Visual C++軟件設計，是一種面向對象的程序設計語言。該軟件功能強大，可移植性好，其多線程編程可以增加并發(fā)響應。

監(jiān)控中心的PC機連入Internet，監(jiān)控中心軟件通過Windows Sockets接口使用套接字編程以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，使用AT指令實現(xiàn)短信通信。該系統(tǒng)可監(jiān)測互感器內連續(xù)的溫度變化情況、計量柜內的溫濕度變化情況，并以曲線圖的形式顯示，也可以有效檢測互感器的身份識別碼。用戶可以通過該曲線了解互感器和計量柜內的各時段溫度變化情況。該軟件還具有數(shù)據(jù)存儲和管理功能，可根據(jù)用戶設定的時間段、互感器進行歷史數(shù)據(jù)的查詢。根據(jù)查詢結果打印報表。如果溫度超過溫度上限設定值時以及互感器身份識別碼沒有收到，則報警指示燈亮，提示工作人員檢查計量柜內是否有故障。這樣工作人員就可以不需要每次停機檢測計量柜內的參數(shù)情況，避免了資源的浪費，保證了工業(yè)運行的安全，供電的可靠性和連續(xù)性。

4.4 通信方案設計

隨著通信電子技術的迅猛發(fā)展，GPRS作為新一代的無線通信方式，覆蓋面廣，可靠性高，投入維護運行成本低，數(shù)據(jù)傳輸延遲短以及可以實現(xiàn)全天候在線等特點，使得GPRS通信的應用越來越廣泛。當GPRS出現(xiàn)信號不好，網(wǎng)絡連接不順暢或者無網(wǎng)絡覆蓋區(qū)的時候不能進行GPRS傳輸，此時GSM就可以作為GPRS的補充，采用短信息的方式進行傳輸。

GPRS通信的建立采用Socket套接字進行編程，使用IP地址加端口號進行通信，而當前IPV4的IP地址大部分還只是動態(tài)的，針對這種情況，引入了GSM通信，采用AT指令進行控制，將監(jiān)控中心的IP地址和端口號通過短信發(fā)送至終端模塊，終端模塊獲得監(jiān)控中心的IP地址和端口后通過GPRS建立網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，若出現(xiàn)GPRS斷線可以實現(xiàn)自動重連。如果GPRS出現(xiàn)繁忙或信號較弱時也可以通過短信給監(jiān)控中心發(fā)送采集信號。因而，本系統(tǒng)的通信方式選擇GPRS通信為主，GSM通信為輔的通信方案。

5 實驗驗證

系統(tǒng)設計完成后，對測試系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗以檢測該系統(tǒng)的工作可靠性。將節(jié)點模塊嵌入在互感器里面，監(jiān)測互感器的運行情況。測試系統(tǒng)能夠收到互感器的身份識別碼以及溫濕度數(shù)據(jù)，其實驗結果如圖8所示。曲線1表示互感器上的溫度，曲線2是計量柜內的溫度。系統(tǒng)能有效檢測互感器上的參數(shù)情況，具有一定可靠性和使用價值。

圖8 實驗結果

6 結束語

本文設計了一套基于GPRS和GSM通信相結合的企業(yè)高壓計量柜互感器身份識別系統(tǒng)，有效地解決了企業(yè)計量柜遠程實時在線監(jiān)測互感器參數(shù)難的問題。監(jiān)控人員可以通過監(jiān)控中心PC機查看各個計量柜內部的互感器運行情況，并對可能出現(xiàn)的計量柜互感器異常現(xiàn)象及早發(fā)現(xiàn)，進而通知車間值班人員查看發(fā)出報警信號的異常計量柜，做出及早處理和維護。實踐證明該系統(tǒng)具有安全可靠性，能夠實時監(jiān)測計量柜互感器的參數(shù)信息，具有一定的使用價值。

[1] 鐘守熙.電流互感器典型故障案例分析 [J].四川電力技術,2009,32(3):77-78.

[2] 編委會.高壓開關柜安裝、調試、運行和維護手冊[Z].北京:中國電力出版社,2005.

[3] 鄭丹丹.基于GPRS/GSM 的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].自動化儀表,2007,28(12):49-52.

[4] 張振國.高壓帶電體溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].儀表技術與傳感器,2013,(4):53-55.

[5] 黃承安.基于GPRS的遠程儀表監(jiān)控系統(tǒng)[J].電測與儀表,2003,(8):42-45.

Research on High Voltage Switch Cabinet Transformer Identity Recognition System Based on GPRS/GSM

YANJun-qi,CHENDe-wei,HUANGHang-yu,CHENWen-gui

(Mechanical Engineering Institute of Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

Aiming at the power supply system of enterprises,a set of high voltage metering cabinet transformer identity recognition system based on GPRS/GSM is introduced in this paper.This paper introduces transformer identity recognition system composition,working principle as well as hardware design and software design.The system can detect the operating temperature and humidity of the high voltage metering cabinet,voltage transformer operating temperature,current transformer operating temperature and identification code of transformer.Experiments results show the monitoring system has reliability and practical application value.

GPRS/GSM;transformer;recognition code of identity

1004-289X(2015)03-0037-04

福建省自然科學基金資助項目(2011J01300)。

TM45

B

2014-06-12

嚴俊奇(1990-),男,在讀研究生,研究方向:機電系統(tǒng)控制設計； 陳德為(1962-),男,教授,博士,研究方向:測控技術與儀器; 黃航宇(1989-),男,在讀研究生,研究 方向:機電系統(tǒng)控制設計; 陳文桂(1989-),男,在讀研究生,研究方向:機電系統(tǒng)控制設計。