基于GSM 的剩余電流動作保護器遠程監測系統設計

田立武，沈曉萍，黨中華

（嘉興職業技術學院信息技術分院，浙江嘉興，314036）

0 引言

剩余電流動作保護器是低壓電網中的重要保護裝置，在農網的智能化改造中對剩余電流動作保護器的實時狀態監測，可以大大提高工作效率和節約人力成本。針對農網設備分布區域大而散的特點，本文提出了一種基于GSM 的剩余電流動作保護器遠程監測系統設計方案。

剩余電流動作保護器遠程監測系統(簡稱檢測系統) 由前端剩余電流動作保護器、單片機控制系統、GSM 短信收發模塊、監控計算機和移動終端構成。一個單片機控制系統同時連接多臺剩余電流動作保護器，進行數據通信和傳輸控制。

監測系統控制用的單片機選用某公司的MC68HC90JL8產品，檢測連接到的剩余電流動作保護器狀態并完成相關數據通信。設備狀態數據以短信方式傳送，通過GSM 收發模塊到移動終端或監控計算機上。

短信收發模塊選用某公司的 G100 型號產品，集成了關鍵的GSM 模塊TC35i 以及模塊的射頻處理電路、SIM 卡槽和MCU 微處理器單元，利用 RS232 通信協議實現透明數據傳輸。

1 監測系統工作原理

剩余電流動作保護器作為系統前端，安裝在各個低壓電網控制箱內，自動監測用電線路的狀態數據（包括負載電壓/負載電流/ 漏電電流等）。當用電線路發生過載、短路、缺相、過壓、欠壓或剩余電流故障跳閘情況時，剩余電流動作保護器就會通過核心單片機控制系統和GSM 短信收發模塊向移動終端或監控計算機發送短信，主要內容包括告警地點、告警線路、告警原因、告警數值等狀態數據。管理人員就可以據此及時掌握故障信息，迅速采取措施，保證正常供電。

在整個系統工作過程中，單片機控制系統不但對保護器狀態數據進行了實時監測，當用電線路的狀態和數據發生變化時，能夠自動將告警信息發送到管理平臺和移動終端上。同時，單片機控制系統還可接收管理人員的指令進行對應操作。當控制系統接收到短信形式的指令后，也能實時采集剩余電流動作保護器的狀態信息和數據參數，并回傳給監控平臺和移動終端，供管理人員分析和統計。

在管理平臺上，監控計算機通過收集到的各個用電線路剩余電流動作保護器的狀態信息與數據參數，基于已有的比對數據，對運行情況進行統計分析，并且能以輸出報表的形式為管理部門決策提供有效的參考信息。

2 監測系統硬件設計

監測系統采用有比較優勢的功能模塊化設計，主要可分為單片機控制系統與通信模塊設計；其中單片機控制系統與通信部分設計包括硬件電路設計、軟件設計。

控制系統與通信模塊主要由核心單片機、電源處理電路、鍵盤輸入電路、信號處理電路、液晶顯示電路、GSM 收發模塊等單元構成，如圖1 所示。

圖1 監測系統功能模塊和外部連接結構圖

根據實地調研分析，一般情況下連接在同一低壓電網變壓器上的剩余電流動作保護器基本布局在同一配電柜中，安裝的保護器的數量相對較少，并且相互安裝之間距離較近，這是在低壓電網中剩余電流動作保護器的安裝特點。針對其特點本系統中剩余電流動作保護器與單片機控制系統的連接采用 TTL 電平直接方式，同時滿足每個單片機控制系統可以連接控制4個剩余電流動作保護器。

單片機控制系統和GSM 收發模塊的供電主要采用AC220V 輸入經過變壓、整流、濾波后來供給其使用；剩余電流動作保護器的編號由單片機控制系統的通訊接口編碼來決定；按鍵輸入部分采用 4*4 行列掃描查詢的方式，實現數字和相應字符命令的輸入；顯示單元部分采用點陣顯示液晶，既能顯示按鍵輸入對應中文信息，也在收發短信、收發模塊初始化和工作失常狀態下顯示相應的告警信息。

3 監測系統軟件設計

3.1 系統主要功能

監測系統主要實現以下功能：

（1）實現對所控制的剩余電流動作保護器的狀態數據采集；

（2）按照規定格式，實現收發模塊之間的雙向通信；

（3）實現對剩余電流動作保護器的狀態數據的分析、處理、編碼工作，并生成數據幀，再通過GSM 模塊將數據發送到監控計算機和移動終端上；

（4）實現對接收到的短信的解碼、分析、處理，將控制命令作用于剩余電流動作保護器，使之完成相應的動作；

（5）此外，可以靈活實現利用按鍵來設置或更改要發送的手機號碼，同時在液晶單元上顯示相關信息；

（6）將剩余電流動作保護器的各種故障顯示在液晶單元上。

3.2 主要功能模塊設計

3.2.1 數據采集模塊設計

單片機數據采集模塊對所連接的多臺剩余電流動作保護器的狀態數據進行實時采集。剩余電流動作保護器本身會在線路上有欠壓、過壓、短路、漏電流過大等故障發生時有相應的保護動作，現在，單片機要對這類故障信息做到即時的采集，并做出相應的識別、處理，以判斷出發生故障的具體線路和具體的故障類型。后期完成故障信息整合，準備發出線路故障告警信息，故障信息內容一般包括發生故障的地點，線路和具體的時間等。圖2 為數據采集模塊程序流程圖。

圖2 數據采集部分程序流程圖

3.2.2 TC35i 模塊初始化

監測系統軟件的另一主要功能是實現數據的可靠雙向通信傳輸。一是能準確地把線路的具體告警信息及時發送給計算機管理平臺或移動終端上，一線管理人員可以實時掌握線路的運行狀態；二是能實現被動的查詢，在管理人員發送的查詢請求信息傳輸給單片機系統，單片機系統完成相應的查詢任務并把獲得的信息重新發送回管理人員。

數據通信部分的軟件設計主要包括 TC35i 模塊的初始化、接口定義、對短信的編碼格式設定以及與單片機的通信等內容。

監測系統中TC35i 模塊初始化過程為：

（1）發送握手信號（3個字節的數據），也就是指令AT ；

（2）發送指令AT+IPR=9600，設置串口通信波特率為9600HZ；

（3）發送指令AT+CSCA=+8613800573500，設置短信服務中心號碼；

（4）發送指令AT+CNMI=2,1，設置短信的工作模式；

（5）發送指令AT+CMGF=0，短信發送采用PDU 編碼模式。

從以上分析可以看出，TC35i 模塊初始化時，通過發送一系列的AT 指令就可以完成工作方式的相關設置。

3.2.3 發送線路告警短信

剩余電流動作保護器在線路故障時的相關狀態信息被單片機采集并處理編輯，具體內容包括故障位置、線路標號、采集時間，最后通過TC35i 模塊將短信發送給管理平臺。管理平臺如果成功接收短信，系統能自動返回“OK”信息，提示告警短信發送成功；相反，短信如果發送失敗，系統能在短暫延時后重發信息，以保證故障報警信息的成功接收。

3.2.4 系統接收查詢短信

要使系統能接收短信，先要在TC35i 初始化過程中設置系統工作方式為可以接收短信。處理流程是，管理人員可以實現通過監控計算機或者移動終端發送規定格式的查詢請求短信，請求短信通過TC35i 模塊經過GSM 網絡傳輸給中心控制系統，單片機成功接收信息后經過信息解碼、讀取、識別、判斷等處理，對查詢信息的正確性進行判斷。如果是的正確查詢信息，單片機系統執行查詢請求并將查詢結果以短信的形式回傳給管理人員；如果是錯誤的查詢請求，系統不予執行，并返回“ERROR”警告信息進行提示。

管理人員發送的查詢信息的格式規定為：線路編號+ 剩余電流動作保護器編號。

3.2.5 液晶顯示模塊

該部分主要針對選取的 LCM12864 點陣液晶顯示模塊進行編程。LCM12864 點陣液晶顯示模塊的優勢在于內置行列驅動控制模塊，有專門的液晶模塊指令集，模塊的指令比較簡潔，包括顯示開關指令，顯示起始行控制命令，頁設置命令，列地址設置指令，讀狀態指令，寫狀態指令和讀數據指令。通過編程，最終實現 128 點*64 點大小的平板顯示。

3.2.6 鍵盤輸入設計

系統設計中選擇矩陣式鍵盤，為單片機系統節省了I/O口資源，采用掃描法來進行行列鍵盤的掃描來獲取鍵盤輸入的鍵值。具體程序實現流程如下：

（1）第一步判斷是否有按鍵按下。先向行掃描口輸出全零掃描碼，再從列檢測口開始檢測信號，只要有信號不為“1”，就表示有鍵被按下，并判斷按下鍵所在的列。

（2）第二步查詢按鍵所在的行和列的位置。第一步已經得到了按下鍵所在的列號，下來只要確定按鍵所在行。即采取的是逐行掃描的方法，進行逐行檢測，直到找到按下鍵所在的行。

（3）第三步對以上獲得的行號和列號進行譯碼就能得到具體的鍵值。

4 系統調試結果分析

經過前期的局部仿真和后期多次實體試驗，本系統實現預定全部功能并正常工作：實時數據或故障信息可GSM 網絡可靠發到計算機平臺和移動終端上；對于管理人員的查詢請求能做到即時準確回復；管理人員也可以通過鍵盤更改手機號碼，在LCD 顯示相關信息。該系統完成軟硬件開發、調試后，經過測試，所有功能和性能指標均達到系統功能要求。

監測系統通過GSM 網絡進行通信，可以覆蓋整個線路上的保護器，無線通信方式可以使其不受安裝地點的限制。在實際應用中，本監測系統簡潔、實用、性價比較高。在設計時，主要考慮到現階段對成本、可靠性等因素的要求，但隨著相關技術的發展，采用更為先進的3G 網絡或是物聯網技術，在較大供電范圍內，對剩余電流動作保護器實現聯網管理，處理的數據量可以更大，管理起來也更加方便，應用層面可以更智能化。

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