周 曉，張春生，牟曉波，張希文，楊 剛

(塔里木油田天然氣事業(yè)部，庫爾勒 841000)

1 引言

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)建設(shè)和改造工程的深入，電能早已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚牟糠帧ｋ娔艿膽?yīng)用程度是一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，保障用電安全對工、農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大意義。長期以來我國大部分地區(qū)電力網(wǎng)主要靠巡線工人來檢測，很難做到實時發(fā)現(xiàn)故障，直接影響了人們的生活和經(jīng)濟建設(shè)。因此完善電網(wǎng)的監(jiān)控對現(xiàn)代社會的發(fā)展有重要意義。

近年來，通用無線分組業(yè)務(wù)(GPRS)是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，給移動用戶提供高速的IP通信功能，從而將控制信息以IP包的形式通過internet/GPRS發(fā)送，實現(xiàn)對終端設(shè)備的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用先進(jìn)的GPRS無線通信技術(shù)、計算機控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)構(gòu)建。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)平臺分為監(jiān)控中心和監(jiān)控分站兩個部分;監(jiān)控中心和監(jiān)控分站實現(xiàn)對變壓器的三相電壓、電流的有效值、最大值，有功功率，無功功率等運行參數(shù)進(jìn)行實時遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

監(jiān)控中心主要由內(nèi)部局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、中心站服務(wù)器等設(shè)備組成;監(jiān)控分站由MSP430F247硬件信號檢測系統(tǒng)和GPRS模塊構(gòu)成［1］;監(jiān)控中心站和分站之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線通信。內(nèi)部局域網(wǎng)主要提供一個相對固定的DTU登錄的IP地址，而且可在網(wǎng)內(nèi)查詢系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)，便于分析設(shè)備的運行情況。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供一個大容量的數(shù)據(jù)存儲空間，可以不斷地接收并存儲監(jiān)控分站所采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的另一個重要作用就是便于我們隨時查詢，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總處理，為優(yōu)化電網(wǎng)控制提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

中心站服務(wù)器的基本功能:

(1)可發(fā)送控制和查詢命令，并隨時接收和保存下位機上傳的數(shù)據(jù);

(2)對遠(yuǎn)程分站和主站進(jìn)行實時監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況能及時報警;

(3)管理數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r顯示各監(jiān)控分站的運行情況，打印和備份數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)工作方式

當(dāng)分站、監(jiān)控中心開始工作后，首先以手機短信的方式給所有的DTU發(fā)IP配置地址，然后DTU模塊就登錄到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，并和擁有固定IP地址的監(jiān)控中心連接，在系統(tǒng)運行中始終保持這種連接而不斷開，一旦斷開就自動重新連接，這樣就保證了DTU模塊永遠(yuǎn)在線。其次監(jiān)控中心以固定IP接到internet網(wǎng)絡(luò)中，然后通過GPRS網(wǎng)關(guān)連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，從而實現(xiàn)與監(jiān)控分站的通信，這樣就可以對各監(jiān)控分站進(jìn)行遠(yuǎn)程集中管理和監(jiān)測。并可在監(jiān)控中心對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和存儲;當(dāng)監(jiān)控分站接受到命令后就對現(xiàn)場的交流電壓電流等信號進(jìn)行采集和處理;并通過DTU完成和監(jiān)控中心的通信，從而對整個系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行實時監(jiān)控。

4 監(jiān)控分站硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)中監(jiān)控分站主要完成以下功能:

(1)實時采集現(xiàn)場電網(wǎng)的電壓和電流信號，對采集的信號進(jìn)行處理并保存;

(2)完成LCD顯示鍵盤輸入的功能命令和執(zhí)行已接收到的主站命令;

(3)當(dāng)分站出現(xiàn)異常情況時及時報警。

硬件系統(tǒng)中信號的準(zhǔn)確檢測是關(guān)鍵部分，對數(shù)據(jù)的傳輸是只有在串口接到監(jiān)控中心的查詢命令時才執(zhí)行并于轉(zhuǎn)換結(jié)束時上傳所有數(shù)據(jù);為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性，數(shù)據(jù)幀以”n＊＊＊”開頭(n表示分站號)，對沒有數(shù)據(jù)返回的分站每10秒重發(fā)一次查詢命令，如果長時間沒有應(yīng)答，則進(jìn)行檢修報警處理，以期保證通信暢通。紅外通信模塊主要用來完成現(xiàn)場觀察數(shù)據(jù)和設(shè)置電壓、電流的最大值以及脈沖的誤差范圍。因為每個分站的負(fù)荷不同及所用的輸電材料的差異，所以需要紅外通信模塊方便地針對不同的分站情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整。

圖2 下位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 GPRSDTU通信模塊設(shè)計

DTU(data transmit unit)即數(shù)據(jù)傳輸單元，相當(dāng)于串口數(shù)據(jù)流和TCP/IP協(xié)議直接互相轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器，內(nèi)嵌GPRS通信模塊和TCP/IP協(xié)議棧，采用透明傳輸，為不帶TCP/IP協(xié)議處理能力的設(shè)備提供無線通信能力。通過DTU通信服務(wù)器與分站控制模塊自定義幀協(xié)議，完成對終端設(shè)備的電流、電壓、電能等狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸格式

因為DTU采用的是透明傳輸方式，所以根據(jù)透明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)方向，分為數(shù)據(jù)下行和數(shù)據(jù)上行。

數(shù)據(jù)下行:在信息管理中心將電能、電壓、電流等信息的查詢命令，根據(jù)自定義協(xié)議幀格式，封裝成包，通過internet/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給DTU，DTU收到這個IP包后，通過串口透明傳輸給分站控制模塊。

數(shù)據(jù)上行:DTU收到監(jiān)控中心自定義幀格式的查詢命令后，將所采集的數(shù)據(jù)封裝成IP包，通過internet/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息管理中心;數(shù)據(jù)中心軟件收到數(shù)據(jù)包后根據(jù)自定義幀格式，將相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)通過客戶端軟件或瀏覽器的方式呈現(xiàn)給工作人員，方便工作人員對信息進(jìn)行判斷，做出決策。

自定義幀格式:

幀頭 幀類型 幀長度 數(shù)據(jù) 校驗值1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 2字節(jié) 1字節(jié)

系統(tǒng)的DTU模塊選用廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的ZWG－23DP，通過DTU系統(tǒng)可以直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心只需要通過寬帶、ISDN或撥號上網(wǎng)即可，比基于GSM的短消息解決方案大大節(jié)省了成本，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心最好使用固定公網(wǎng)IP，如果沒有固定的IP地址但有注冊的域名也可以對GPRS數(shù)據(jù)終端域名來登錄［2］。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于實現(xiàn)功能擴展和程序的修改和移植，系統(tǒng)主要有五個模塊構(gòu)成:系統(tǒng)初始化模塊、I/O口設(shè)置模塊、人機驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及通信模塊。

數(shù)據(jù)上傳的時間間隔由上位機決定，在上位機軟件中可實現(xiàn)定時查詢和在任意時刻人為發(fā)送查詢命令，待下位機接收到查詢命令后便將采集的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，整個通信模塊是采用中斷服務(wù)程序完成的，這樣設(shè)計主要是考慮到對電力設(shè)備的監(jiān)測不需要時時上傳，同時也減小了數(shù)據(jù)流量，降低了成本，數(shù)據(jù)處理模塊主要對數(shù)據(jù)采集部分得到的離散信號進(jìn)行處理，離散信號經(jīng)過FFT和小波運算可得到基波和各次諧波分量［3］，利用此結(jié)果可以實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的計算。DTU模塊和MSP430的通信是基于串口命令完成的，只要完成對串口命令或數(shù)據(jù)的封裝即可實現(xiàn)分站與中心站之間的通信。

監(jiān)控中心人機接口為用戶提供一個可視化的監(jiān)控界面，可直觀、方便、快捷地了解電力設(shè)備的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，圖形化編程界面用VC++開發(fā)，主要功能完成無線通信處理、數(shù)據(jù)處理和報表統(tǒng)計分析等［4］。

6 結(jié)束語

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)長時間運行時DTU有死機的現(xiàn)象，主要原因是給DTU供電的電源不穩(wěn)定，另外DTU在配置好后應(yīng)關(guān)閉回饋顯示，因為在啟動時會產(chǎn)生大量的串口數(shù)據(jù)從而影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。經(jīng)改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計后，實驗結(jié)果證明此系統(tǒng)能完成對信號的測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芤约爱惓缶δ堋；谇度胧紾PRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)基于有線連接或者GSM短信的監(jiān)控系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢特性，如實時性強、永遠(yuǎn)在線、通信費用低，支持本地或者遠(yuǎn)程固件升級，可操作性好等優(yōu)勢，在實時遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中將會得到廣泛的應(yīng)用。

［1］洪耀球，李香泉，劉浪.基于MSP430F149的電動轎車電控系統(tǒng)設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2011(4):124－127.

［2］高春艷，劉彬彬，王斌.Visual Basic開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［3］陳強，強寶民，蔣威.基于ProDave的PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)，2008(5):35－36.

［4］姜拓，張劍平.基于C#的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上微機軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子測試，2009(9):58－60.