基于ＧＰＲＳ技術的配電變壓器監控系統的設計與實現

單工藝　李清武

[摘要]針對配電變壓器監控系統對數據傳輸可靠性和實時性的要求，探討一種無線通信的配電變壓器監控系統的設計與實現，提出基于GPRS網絡的配電變壓器遠程監控的解決方案。

[關鍵詞]GPRS 配電變壓器 遠程監控

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310013－02

一、引言

隨著科技的發展，實現中低壓配電網的自動化監控已成為可能。中低壓配電網作為輸配電系統的一個重要環節，其實現自動化的程度與供用電的質量和可靠性密切相關。為此，本文對中低壓配電網自動化的必要性及其實現方案作簡單的討論。

二、基礎知識準備

（一）GPRS知識

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱，采用的是基于GSM系統的無線高速數據分組傳輸技術，是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。它經常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術位于第二代(2G)和第三代(3G)移動通訊技術之間。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。

GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包(Packet)式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。這項全新技術可以令您在任何時間、任何地點都能快速方便地實現連接，同時費用又很合理。簡單地說：速度上去了，內容豐富了，應用增加了，而費用卻更加合理。

目前，在遠距離的通信中，主要采用專線接入、光纖接入、GSM短消息等方式。GSM短消息方式可以實現主動發送，但是按條收費，運行費用高，而且在節假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長。專線接入、光纖接入等通信穩定可靠，但是成本投入大。而GPRS通信則避免了這些問題，數據實現分組發送和接受，按流量計費，傳輸速度56～115Kbps，完全能滿足的配電變壓器監控系統的通信要求。

（二）RTU知識

RTU(remote terminal unit)是一種遠端測控單元裝置，負責對現場信號、工業設備的監控和控制。與常用的可編程控制器PLC相比，RTU通常要具有優良的通訊能力和更大的存儲容量，適用于更惡劣的溫度和濕度環境，提供更多的計算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU產品在SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制系統）系統中得到了大量的應用。

遠程終端設備(RTU)是安裝在遠程現場的電子設備，用來監視和測量安裝在遠程現場的傳感器和設備。RTU將測得的狀態或信號轉換成可在通信媒體上發送的數據格式。它還將從計算機發送來得數據轉換成命令，實現對設備的功能控制，從而實現了遠距離控制和監視。

遠程終端設備(RTU)可以用各種不同的硬件和軟件來實現，這取決于被控現場的性質、系統的復雜性、對數據通信的要求、實時報警報告、模擬信號測量精度、狀態監控、設備的調節控制和開關控制。

（三）SCADA知識

SCADA，即Supervision Control and Data Acquisition（數據采集與監視控制），組態軟件，又稱監控組態軟件。組態軟件的應用領域很廣，它可以應用于數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域。

組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。

組態軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協議，并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能。對應于原有的HMI（人機接口軟件，Human Machine Interface）的概念，組態軟件應該是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具或開發環境。在組態軟件出現之前，工控領域的用戶通過手工或委托第三方編寫HMI應用，開發時間長，效率低，可靠性差；或者購買專用的工控系統，通常是封閉的系統，選擇余地小，往往不能滿足需求，很難與外界進行數據交互，升級和增加功能都受到嚴重的限制。組態軟件的出現，把用戶從這些困境中解脫出來，可以利用組態軟件的功能，構建一套最適合自己的應用系統。隨著它的快速發展，實時數據庫、實時控制、SCADA、通訊及聯網、開放數據接口、對I/O設備的廣泛支持已經成為它的主要內容，隨著技術的發展，監控組態軟件將會不斷被賦予新的內容。

三、系統結構

配電變壓器監控系統的開發目標是建立一個安全可靠，能提供各種高級服務，并有為應用程序的執行和實施提供較強功能的開放式平臺和運行在該平臺的多個相對獨立的應用子系統組成的系統，成為一個符合配電系統現代化管理要求的分布式、開放式、模塊化、可擴充的配電變壓器綜合管理系統。

配電變壓器監控系統除提供基本的硬件技術內核外，還提供諸如數據庫系統、信息傳遞、人機界面、實時環境應用程序等基礎服務?；诖嘶A之上的各應用功能包括：配電變壓器管理、線損管理、諧波數據、購電量管理、數據查詢、自動報表、圖表和與其它系統的接口等。這些子系統之間在開放系統結構基礎上實現有機的橫向和縱向集成，形成一個完整的配電變壓器監控系統。

配電變壓器監控系統分為三個部分，分別是監控中心、通訊、終端監控。監控中心主要完成人機交互工作，負責網絡數據鏈路建立和數據收發處理；通訊是利用GPRS協議轉換器完成信息的上送與下發；監控終端主要完成數字量與模擬量的采集以及監控中心發出指令的執行。

四、系統設計

（一）遠程終端的設計

配電變壓器遠程終端包括以下功能單元電路：單片機存儲器擴展電路、遙測電路、開關量輸入電路（遙信）、脈沖量輸入電路、遙控電路、通訊接口電路。這些單元電路構成整個遠程終端系統。

（二）系統軟件的設計

監控系統負責對遠程終端設備的監控、控制和管理，其主要功能包括：通信管理、遠程終端管理、設備監控三部分。

通信管理模塊主要用于管理和計算機相連的通信設備，連接、斷開設備以及對收到的信息進行管理等。該模塊包括通信參數設置、通信信息管理和其他信息管理。

遠程終端管理模塊包括遠程終端設置、遙測參數設置、遙信遙控參數設置、定時傳送設置等。遠程終端設置：系統所管理的每個遠程終端設備都必須在此增加，該單元用于增加、修改或刪除遠程終端設備，設置的項目包括：設備編碼、設備名稱、規格型號、所在臺區、SIM卡號、報警卡號等。遙測參數設置：該單元的功能是設置遠程終端設備遙測參數的上限值、下限值、標準值；TV、TA變比系數；電量脈沖系數和底數等。遙信遙控參數設置：系統有8個狀態量和2路遙控。該單元用于設置每個狀態量的類型和名稱，以及每路遙控對應的開關項。定時傳送設置：遠程終端設備定時向監控中心上傳遙測、遙信數據，該單元設置遠程終端設備向監控中心自動傳送數據的時間間隔和監控中心的電話號碼。

設備監控模塊包括臺區設備監控、事故（事件）查詢、歷史數據查詢、設備遙控等。臺區設備監控：該單元通過查看每個遠程終端設備上傳的最新遙測、遙信、SOE數據，監控臺區變壓器的運行狀況。

五、系統基本功能

配電變壓器監控系統實現配電變壓器的遠程監控，可及時、準確、有效地獲得配電變壓器的全面連續的信息，從而為系統的分析、預測提供可靠的依據。它應具備以下基本功能：

1．采集功能：采集包括變壓器的ABC三相電壓、ABCN四線電流、三相功率（負荷）、三相無功功率、三相不平衡電流、功率因數、諧波、脈沖表的電度、變壓器的溫度等，還要采集設備開關狀態、箱門狀態、報警狀態及通訊狀態等開關量等。

2．分析功能：可對各種數據分類管理，根據這些原始數據分析計算，生成線損、相損，用戶用電曲線等報表或圖表數據，并可檢測系統運行狀態及異常用戶狀況。

3．控制功能：遠方或就地進行切合開關的控制；根據預定的判據對無功補償電容進行自動投切控制。

4．故障檢測與報警：系統異常、故障報警與記錄，故障定位，報警遠程提示。

六、系統參考配置

系統由選擇國內外知名廠商的產品組成，應保證其具有可靠性高、綜合性價比高、開放性好、易擴展、易維護、易安裝等特點。

假定測一個變壓器，基本配置設備清單如下：

監控中心：

工控計算機1臺打印機 1臺

UPS電源 1臺組態軟件 1套

現場：

GRPS DTU數傳裝置1臺GPRS SIM 卡1張

STC-2 RTU 1臺溫度變送器 1個

PT100或CU50溫度傳感器 1個脈沖電度表 1個

24V開關電源 1個戶外防水箱 1個

七、結束語

我國許多中小型城市及農村的配電變壓器的監控工作很少開展，居民用電質量不能得到很好地保障。這一系統的應用成功有利于實現我國中低壓配電網監控自動化，有利于提高供電質量。

參考文獻：

[1]《單片機原理及其接口技術（第2版）》，胡漢才，清華大學出版社，2004.7.

[2]《過程可視化組態軟件InTouch應用技術》，馬正午，機械工業出版社，2006.6.

[3]《GPRS網絡技術》，文志成，電子工業出版社，2005.6.