姜 德，徐曉冬，薛 松，張 華（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

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基于GPRS的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姜 德，徐曉冬，薛 松，張 華
（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

摘要：針對(duì)電能傳輸中電力電纜的劣化對(duì)影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于GPRS的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以STM32為控制核心，利用外設(shè)電路構(gòu)成了電流、電壓和溫度的信號(hào)采集電路，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和PC機(jī)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行通信。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為設(shè)備的安全和工作人員的人身安全提供了保障。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè)；電力電纜；安全；GPRS

0 引言

電力電纜接地線的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)日益受到人們的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量研究［1－3］。電纜在運(yùn)行過(guò)程中將流過(guò)一定的電容電流，在劣化過(guò)程中其電容量將呈增大趨勢(shì)［4－6］，其終端的金屬外殼接地線上電流和電壓也將增大。因此，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)電力電纜終端的金屬外殼三相接地線的電流、電壓和電纜外殼的溫度［5－7］，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電纜進(jìn)行適當(dāng)、及時(shí)的維護(hù)檢修，保證電纜安全可靠運(yùn)行，避免對(duì)人身安全和電纜的壽命造成影響［3］。

傳統(tǒng)的電力電纜停電預(yù)防性試驗(yàn)方法，需要對(duì)電纜及電纜的供用電客戶停電，耗費(fèi)大量的人力物力，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、靈活性較差，不適應(yīng)社會(huì)和企業(yè)的要求［1，8］?，F(xiàn)有的一些在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有的針對(duì)局部放電現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，節(jié)省資源、使用方便，但其通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冸娬镜谋O(jiān)控室內(nèi)［9］，會(huì)增加成本。因此，本文提出了一種更加經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)潔的基于GPRS的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)分為兩部分，監(jiān)控中心的上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端部分和前端的下位機(jī)監(jiān)測(cè)部分，監(jiān)測(cè)終端接受各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。如有異常數(shù)據(jù)或者報(bào)警信息，則啟動(dòng)無(wú)線遠(yuǎn)傳裝置把報(bào)警信息發(fā)送到移動(dòng)裝置上，提示相關(guān)人員及時(shí)做出檢修。下位機(jī)監(jiān)測(cè)部分，主要包括護(hù)套環(huán)流實(shí)施監(jiān)測(cè)裝置、電壓監(jiān)測(cè)裝置、電纜溫度監(jiān)測(cè)裝置、防盜報(bào)警裝置，以及無(wú)線收發(fā)裝置等。

下位機(jī)采集單元與上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行通信。GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡(jiǎn)稱，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)［10，11］。

每個(gè)前端采集單元需要一個(gè)單獨(dú)移動(dòng)設(shè)備的SIM卡，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務(wù)器只需要一個(gè)獨(dú)立IP地址，通過(guò)公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。信號(hào)采集時(shí)，由數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送采集命令，設(shè)置各種參數(shù)，逐次采集所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，由服務(wù)器發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端，然后負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)，生成報(bào)表及趨勢(shì)圖，同時(shí)顯示報(bào)警信息進(jìn)行分析，將計(jì)算后的數(shù)據(jù)保存到中心數(shù)據(jù)庫(kù)。電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

圖1　電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由電源管理單元、主控最小系統(tǒng)單元、電流信號(hào)采集電路、電壓信號(hào)采集電路、溫度采集電路、門磁開關(guān)和報(bào)警電路以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，系統(tǒng)下位機(jī)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)下位機(jī)框圖

本方案系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖如圖3所示。主控選用STMicroelectronics公司的STM32系列STM32F103ZET6。內(nèi)核為Cortex?M3，工作頻率是72 MHz，內(nèi)部含512 K字節(jié)的FLASH和64 K字節(jié)的SRAM。在Keil μVision4集成開發(fā)環(huán)境下，使用RealView MDK編譯器和編程器JTAG，可以方便地下載和在線調(diào)試。其片內(nèi)外設(shè)的資源豐富，性能和加密性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于一般的51單片機(jī)。例如，本系統(tǒng)中ADC通道采集數(shù)據(jù)是重要部分，而該MCU片內(nèi)含3個(gè)18通道的12位逐次逼近型ADC硬件模塊，給硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。文中用到了6路ADC采集通道。

所采集的接地電流范圍為三相交流0～100 A，電壓也是三相交流0～50 V。這樣的交流電流和電壓無(wú)法直接測(cè)量，因此使用間接測(cè)量法。分別采用電流互感器和電壓互感器感應(yīng)出二次電流和電壓，再經(jīng)整流芯片轉(zhuǎn)換為直流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，必要時(shí)加上運(yùn)算放大器進(jìn)行放大后再測(cè)量。

圖3　系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

文中采集的接地電纜外殼溫度范圍約為－20 ～60℃，因此本文采用一種數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20是由DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種單總線接口的溫度傳感器，測(cè)量溫度范圍為－55～＋125℃，精度為±0. 5℃。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，其具有經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

還有一個(gè)相當(dāng)關(guān)鍵的部分就是GSM／GPRS通信的實(shí)現(xiàn)。由于本系統(tǒng)需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端，并且在監(jiān)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)的情況下發(fā)送短信通知維修人員，因此選擇SIM900A模塊。SIM900A是SIMCom公司推出新款緊湊型、高可靠性的無(wú)線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM／GPRS模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ?S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。更關(guān)鍵的是，SIM900A內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，通過(guò)MCU的串口給其發(fā)送相應(yīng)的AT指令能實(shí)現(xiàn)TCP／IP通訊功能，用起來(lái)更加方便和高效。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3. 1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端是用Python語(yǔ)言編寫，調(diào)用Python開源庫(kù)里面的各種功能模塊。監(jiān)測(cè)終端簡(jiǎn)潔友好，使用方便，如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)終端顯示功能表

___設(shè)備號(hào)　　電流／A　　電壓／V　　溫度／℃001　56. 01　0. 14　8. 3 55. 82　0. 15　8. 6 55. 24　0. 08　8. 6 9. 1 002　56. 36　0. 22　9. 4 56. 82　0. 19　9. 0 56. 20　0. 14　8. 8 ____________________________________________________15._4

3. 2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3. 2. 1 算法的設(shè)計(jì)

由于電流和電壓采集采用的是間接測(cè)量法，因此ADC采集到的數(shù)據(jù)需根據(jù)硬件電路結(jié)構(gòu)編寫算法，再經(jīng)過(guò)算法換算才能得到實(shí)際值。圖4、圖5分別為電流、電壓信號(hào)采集電路圖。

圖4　電流信號(hào)采集電路圖

如圖4所示，由電流信號(hào)采集電路的結(jié)構(gòu)和采集原理，可以得到式（1）：

式中：adcx＿I為采集電流的ADC通道得到的值；ΔU＝UREF＋－UREF－；UREF＋為參考電壓正端；UREF－為參考電壓負(fù)端；n為單片機(jī)ADC的位數(shù)；Rs1為采樣電阻阻值；K為電流互感器的變比；I為最終得到的電流值。推導(dǎo)得到電流值的公式如下：

由圖5可得到電壓等式如下式：

式中：adcx＿U為采集電壓的ADC通道得到的值；Rs2為采樣電阻值；Gain為運(yùn)放增益；Rc為限流電阻值；U為最終得到的電壓值。

推導(dǎo)得到電壓的公式如式（4）所示：

圖5　電壓信號(hào)采集電路圖

溫度采集部分是直接測(cè)量，但從數(shù)字溫度傳感器得到的數(shù)據(jù)也需經(jīng)過(guò)換算，公式如下：

式中：T為最終的溫度值；TH為從溫度傳感器采集到的高八位數(shù)據(jù)；TL為低八位數(shù)據(jù)。

由于ADC采集到的數(shù)據(jù)具有隨機(jī)誤差，因此這里采用均值濾波的方式消除隨機(jī)誤差。

3. 2. 2 控制程序的設(shè)計(jì)

下位機(jī)的控制程序分為系統(tǒng)的初始化、ADC數(shù)據(jù)和溫度的采集、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、門磁異常報(bào)警以及數(shù)據(jù)超標(biāo)發(fā)短信報(bào)警幾個(gè)部分?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖6所示。

圖6　下位機(jī)程序流程圖

由圖6可知，系統(tǒng)的初始化主要是對(duì)STM32的片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行初始化，包括I／O口、ADC模塊、串口和GPRS模塊等。

系統(tǒng)初始化完成以后，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法轉(zhuǎn)為實(shí)際值后，由MCU控制GPRS模塊經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送至上位機(jī)，并檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，不正常則重新連接。

如果電流、電壓和溫度中的某一項(xiàng)超標(biāo)，則會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。報(bào)警分為兩種方式：一是上位機(jī)界面顯示報(bào)警；另一方面下位機(jī)會(huì)通過(guò)GSM模塊，定時(shí)發(fā)送報(bào)警短信到預(yù)設(shè)的移動(dòng)設(shè)備上。

為了讓門磁報(bào)警及時(shí)可靠，本設(shè)計(jì)將MCU的外部中斷用于門磁信號(hào)報(bào)警。一旦下位機(jī)接地箱箱門被非法打開，MCU檢測(cè)到中斷信號(hào)，將會(huì)立即報(bào)警。報(bào)警有兩種方式：一是上位機(jī)界面顯示門磁被打開；另外喇叭會(huì)發(fā)出刺耳響聲［12，13］。

4 結(jié)果分析

4. 1 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

由于本系統(tǒng)軟硬件具有一定復(fù)雜程度，調(diào)試過(guò)程中難免會(huì)暴露問(wèn)題。在經(jīng)過(guò)多次修改和調(diào)試之后，終于達(dá)到了預(yù)期的效果。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)軟件終端生成的電流曲線圖如圖7所示。

圖7　電流曲線圖

圖7中，橫坐標(biāo)表示采集電流的時(shí)間，s；縱坐標(biāo)表示電流的大小，A。這里以電流采集的曲線圖為例，電壓和溫度曲線圖也與其類似。系統(tǒng)每間隔5 s采集一次數(shù)據(jù)，曲線直觀地反映了參數(shù)的變化趨勢(shì)，便于監(jiān)控人員察覺(jué)異常情況。現(xiàn)場(chǎng)采集的電流值大小約為56 A，由表1和圖7可知本系統(tǒng)的采集精度較高。

4. 2 測(cè)試結(jié)果分析

調(diào)試過(guò)程中，對(duì)各種不同的狀態(tài)進(jìn)行一一測(cè)試。由軟件終端存儲(chǔ)所采集各參數(shù)的數(shù)據(jù)，并生成參數(shù)的部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)表，如表2所示。

表2　各參數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)表

由表2可看出，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存及時(shí)，管理方式合理，有利于研究人員做進(jìn)一步調(diào)查和數(shù)據(jù)挖掘。最終得出結(jié)論，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，報(bào)警及時(shí)，運(yùn)行穩(wěn)定。且即使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，也能自動(dòng)連接，即系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)能實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)集成度高，體積小，采集精度、時(shí)間等也均能符合要求，適合運(yùn)用到實(shí)際。

4. 3 特色和創(chuàng)新

（1）本系統(tǒng)是全自動(dòng)的設(shè)備，無(wú)需依賴運(yùn)行人員持相關(guān)儀器人工監(jiān)測(cè)的方式，能高效、實(shí)時(shí)地反映接地電流等指標(biāo)，方便地進(jìn)行主網(wǎng)電纜線路的健康水平監(jiān)測(cè)。

（2）GPRS能定時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況，防止網(wǎng)絡(luò)意外斷開時(shí)，能夠重新自動(dòng)連接。

（3）本電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)一主多從通信，可以有多個(gè)下位機(jī)同時(shí)向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，只需要區(qū)別設(shè)備號(hào)。

（4）上位機(jī)能根據(jù)日期，自動(dòng)將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)以Excel表格形式保存到PC機(jī)的固定文件夾下，方便相關(guān)人員隨時(shí)調(diào)查。

5 結(jié)論

（1）本文介紹了對(duì)電纜運(yùn)行時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的相關(guān)原理，并依據(jù)其設(shè)計(jì)了電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分。上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端主要實(shí)現(xiàn)界面的顯示和數(shù)據(jù)的處理；下位機(jī)部分由硬件電路以及控制程序和算法組成，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、與上位機(jī)的通信以及一些報(bào)警情況的處理。

（2）該系統(tǒng)克服了人工巡檢和預(yù)防性試驗(yàn)的弊端，可有效解決無(wú)法實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，具有節(jié)省人力物力和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

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Design of Online Monitoring System of Cable Based on GPRS

JIANG De，XU Xiaodong，XUE Song，ZHANG Hua

（School of Optical?Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：In view of the problem that deterioration of the power cable in the electric power transmission affects the normal operation of the power system，an on?line monitoring system of cable based on GPRS is designed．It takes STM32 as a control core，constructs the signal acquisition circuit of current，voltage and temperature with peripher?al circuit，and communicates with the PC monitoring terminal by GPRS network．After a large amount of experi?ments and on?site debugging，the effect of the cable monitoring system is satisfactory．It has realized the remote re?al?time monitoring of the cable，and guarantees the safety of equipment and personal staff．

Keywords：online monitoring；power cable；safety；GPRS

作者簡(jiǎn)介：姜德（1991－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程，E?mail：503302865＠qq. com。

收稿日期：2015－11－06。

中圖分類號(hào)：TM769

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10. 3969／j. issn. 1672-0792. 2016. 01. 014