電力設備遠程控制和報警系統設計

周 楊

（國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064300）

1 研究目的及意義

蓄能電廠的作用主要是作為源頭和承載體讓電力輸送順利進行。一般處于離城區較遠的山區，并且部分配電變壓器和電纜等電力設備遠離辦公區，這也導致了對它的看護措施和巡檢難以照顧周全，配電變壓器和電纜等設備的防盜措施也很難成功實施。電力設備遭到破壞不僅損害了人民的利益，還給電力企業和電力使用部門帶來巨大的經濟損失。

2 報警器的分類及其介紹

2.1 被動式紅外傳感器

被動式紅外傳感技術能最高效率地將飄落的物體和正處于運動狀態中的生物體（人）劃分界限并區分開來，原因是紅外光敏器件能接收到活動生物體發出的微量紅外線，并將其轉換成相應的電信號，再集中進行放大、處理。與此同時還具有誤報率低、抗干擾能力強、監控范圍大、隱蔽性好等諸多特點。信息處理，光學系統和紅外傳感器3個獨立部分組成了被動式紅外入侵報警器，被動式紅外入侵報警器也叫做熱釋電紅外入侵報警器。它由折射式、反射式和透射式3種光學系統與之相輔相成。在這三者之中，靈敏度最高的還屬反射式光學系統，只要處于25~60 m的距離之間，均可以探測到信號；其次是折射式的靈敏度，處于中間水平，既不居高也不偏低，它集成了透射式和反射式的優缺點。最后是透射式的靈敏度，它在這三者之中處于最低水平，它的探測距離較短，僅僅處于2~10 m之間，這是它的不足所在。

2.2 主動式紅外探測器

主動式紅外探測器由3個不同的部分組成，分別是報警控制器、紅外發射機、紅外接收機。光學透鏡在光學系統中一般放置于收、發端位置，它能將發散的紅外光束聚焦成集中的平行光束，從而能夠使紅外光的能量更集中的傳送。紅外光是人眼所不可見的，有物體經過，必然會遮擋住部分或者全部紅外光束。紅外光束被遮擋會影響到接收端輸出的電信號強度，其強度發生變化，就會觸發報警控制器發出報警信號。主動式紅外探測器光學系統一定要注意維護保養，使其保持絕對的清潔。主動式探測器所探測的不是一個面的范圍，而是點到點的范圍。探測可靠性高是主動式紅外探測器主要特點。但它也有不足的一面，若布防探測的范圍是相對較廣的空間，則需要同時安裝多個主動式探測器，安裝價格會大大的升高。個人用戶不常用主動式探測器，一般用在離城區較遠地區或山區的配電變壓器和電纜等電力設備上。

3 整體電路的設計

本文的電力設備遠程控制和報警系統由單片機進行控制，通過傳感器檢測信號，并傳輸，然后再發送報警信息，從而達到防盜效果。傳統的電力設備智能防盜防破壞報警器由于只能在裝置安裝處發出警報，不能將情況遠程發送到接收端，從而導致違規違法行為不能得到及時有效的制止。同時其還因存在裝配難度較大而備受局限。本設計的智能控制報警系統通過傳感器采集人體位置、震感和失電這3個信息，經由單片機控制、輸出，觸發報警聲和警示燈，然后再由通信模塊向維護人員、值班人員、巡檢人員發出警示信息。它共有5個主要組成模塊，分別為GPRS GA6通信模塊、失電傳感器模塊、主控單片機、振動傳感器模塊和人體紅外感應傳感器模塊。

一個系統的變壓器作為支持輸配電工作的關鍵點，是至關重要的，一旦變壓器被損壞或被盜，電廠機組工作就會被迫中斷，毫無預備的停止工作會造成機組整體機械結構和電路的致命性損壞。本設計主要由軟件和硬件兩個部分組成。共有單片機控制、GSM短信模塊報警數據采集等3個子模塊。振動傳感器、熱釋電紅外傳感器、單片機控制電路、GSM短信模塊及相關的控制管理軟件組成了它的結構。用戶終端可利用它實現信息的采集與處理、數據的傳送、短信報警等作用，完成相應防范功能。

圖1 總體設計框圖

設計中的處理器采用了51系列單片機STC89C51。系統軟件控制著整個系統的工作。人體輻射的紅外光譜散發出來后被設置在監測點上的紅外探頭采集到，其信號就會被變換成電信號，再經放大電路、比較電路處理送至門限開關，打開門限閥后把TTL 電平送至51單片機。此系統接收到振動信號，傳導到單片機內對信號進行查詢、識別、判斷。驅動電路需將控制信號放大實現報警功能。當報警已經延遲20 s或一段時間后還檢測到振動信號和人體信號，事先設定好的用戶就會收到推動GSM模塊發送的報警信息，同時報警信號也可經人工手動解除，當警情消除后系統會借助復位電路復位。

4 硬件設計

4.1 最小系統

STC89C51單片機是集成電路芯片上集成了各種元件的微型計算機，作為中央處理系統。

圖2 單片機最小系統電路

此類芯片組成的最小系統具有精簡、信賴度強的特點。在使用時只要連接時鐘電路和復位電路就可正常運行，如圖3示。因為集成度的約束，最小應用系統僅可用于某些小型的控制單元。

圖3 單片機最小系統原理框圖

4.2 人體紅外采集電路設計

物體產生紅外光譜的條件是溫度高于絕對溫度（-273℃），溫度的高低，影響其釋放的紅外能量波長的長短，所以紅外波長與溫度的高低息息相關。

熱釋電紅外傳感器(PIR)和菲涅爾透鏡作為被動紅外探測器中有兩個關鍵性元件，其中熱釋電紅外傳感器(PIR)可將處于8~12 μm之間波長的紅外信號變化轉變為電信號，同時具有抑制自然界中的白光信號的功能，所以在警戒區域無人體移動時，熱釋電紅外感應器感應到的是背景溫度，當警戒區域有人體移動時，熱釋電紅外感應器通過菲涅爾透鏡能感應到背景溫度與人體溫度兩者的溫度差異。

菲涅爾透鏡可由反射式和折射式兩種形式相輔相成。具有聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上，警戒區域被劃分為若干個明區和暗區，使進入警戒區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號，電信號由此產生。

人體在恒定體溫（37 ℃）時，會發出特定波長在10 μm左右的紅外線，被動式紅外探頭的作用就是探測人體發射的10 μm左右的紅外線，它將人體發射的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。熱釋電元件在接收到人體紅外輻射變化溫度時會發生失去電荷平衡的現象，隨后向外界釋放電荷，報警信號由后續電路檢測處理后產生。

圖4 人體感應模塊電路圖

4.3 時鐘電路和復位電路

STC89C51單片機的時鐘信號主要包含兩種方式：一種內部形成，二為外部形成。如圖5顯示。存在于STC89C51單片機里的振蕩電路，僅用于單片機 XTAL1（18）和 XTAL2（19）引腳外接石英晶體（簡稱晶振），在組成自激振蕩器的同時于單片機內部產生時鐘脈沖信號。此部分電路中相關電容具有穩定頻率與快速起振的功能，電容值為5~30 pF，一般值是30 pF。晶振CYS的振蕩頻率限制在1.2~12 MHz，一般值在6 MHz與12 MHz。

圖5 STC89C51復位電路

4.4 聲光報警模塊

該系統設計中所包含的報警電路，在布防的狀態下檢測到設定信號時，蜂鳴器 LED亮起同時發聲報警，直至管理人員按下撤防，才會停止發聲報警。產品利用三極管作為開關電路既有保護單片機本身的作用，也有放大電流的作用，此外當三極管基極高電平，發射極可以及時截止，低電平時，發射極還可以導通。報警模塊如圖6所示。

圖6 聲光報警模塊

4.5 振動模塊

本設計的振動模塊采用SW-420常閉型振動傳感器，與常開型的振動傳感器相比，它所需的觸發時間更長。正常工作電壓在3.3~5 V之間，采用數字量輸出，一旦檢測到震感，振動開關自動斷開。本設計通過主控單片機來檢測該模塊輸出電平的高低，由此來鑒別監測范圍內是否有震感，從而達到報警的作用。SW-420常閉型振動傳感器的電路圖如圖7所示。

圖7 SW-420振動傳感器電路圖

4.6 SIM900A模塊

數據傳輸的通信核心就是GSM通信模塊。當然，SIM900A也有很多的優勢，它除了可以安全快速可靠地進行語言傳輸，系統方案中的數據、短消息服務（Short Message Service）之外，還可以進行傳真。

5 結論

本文利用具有單片機控制、GSM短信模塊報警、數據采集等3個子模塊。振動傳感器、熱釋電紅外傳感器、單片機控制電路、GSM短信模塊及相關的控制管理軟件組成了它的結構。用戶終端可利用它實現信息的采集與處理、數據的傳送、短信報警等作用，完成相應防范功能。

處理器采用了51系列單片機STC89C51。系統軟件控制著整個系統的工作。其中主動式紅外探測器和被動式紅外傳感技術能最高效率地將飄落的物體和正處于運動狀態中的生物體(人)劃分界限并區分開來，原因是紅外光敏器件能接收到活動生物體發出的微量紅外線，并將其轉換成相應的電信號，再集中進行放大，處理。本設計的振動模塊采用SW-420常閉型振動傳感器，通過主控單片機來檢測該模塊輸出電平的高低，由此來鑒別監測范圍內是否有震感，從而達到報警的作用。數據傳輸的通信核心是GSM通信模塊。可以安全快速可靠地進行語言傳輸，系統方案中的數據、短消息服務（Short Message Service）之外，也可以進行傳真。總之，提高電力設備防盜系統的設計，可以減少配電變壓器和電纜等電力設備被人為偷竊或其他因素的破壞現象，保證電力設備和用電安全。