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    摘要：國(guó)內(nèi)外電力部門和電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的關(guān)心程度與日俱增，在闡述電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)重要性的基礎(chǔ)上，本文提出了基于GPRS模塊和DSP技術(shù)的電能表計(jì)量和監(jiān)控原理。該系統(tǒng)由DSP電能表、通迅終端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心四部分組成。采用基于DSP電能表，可降低廠站裝置的成本，增加對(duì)電壓凹陷、短時(shí)中斷、電壓凸起等事件的監(jiān)測(cè)，擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使系統(tǒng)功能更加完善。采用本文提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的永久性監(jiān)視，能及時(shí)記錄供電系統(tǒng)的各種干擾，方便地對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平做出綜合評(píng)價(jià)。

   關(guān)鍵詞：GPRS；數(shù)字信號(hào)處理；電能表；遠(yuǎn)程測(cè)控

    1 引言

   在能源供應(yīng)日趨緊張的21世紀(jì)，電能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確計(jì)量、抄讀和對(duì)電能使用情況的監(jiān)測(cè)直接關(guān)系到能源利用的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)。過去對(duì)電能的機(jī)械表計(jì)量和人工抄讀，因?yàn)榫鹊汀⑿实汀⑷菀滓鹫`差等原因而面臨淘汰。隨著無(wú)線通迅技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，取代機(jī)械計(jì)量和人工抄表的是，具有高精度的數(shù)字計(jì)量方法的出現(xiàn)以及自動(dòng)遠(yuǎn)程無(wú)線抄表技術(shù)的發(fā)展。因?yàn)殡娔軘?shù)據(jù)的抄讀具有速度相對(duì)較低、電能表范圍分布廣、抄讀具有間斷性等特點(diǎn)。對(duì)電能表數(shù)據(jù)的抄讀，特別是對(duì)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)，非常適合采用無(wú)線通迅的方法進(jìn)行自動(dòng)抄表^[1-5]。本文結(jié)合新型DSP電能計(jì)量提出了一種基于GPRS標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由DSP電能表、通迅終端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心四部分組成。其中電能表是采用DSP技術(shù)的電能數(shù)據(jù)采集器，完成電能計(jì)量的功能；通迅終端和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是電能表與監(jiān)控中心通迅的橋梁；監(jiān)控中心通過無(wú)線通迅完成對(duì)電能數(shù)據(jù)的管理、計(jì)費(fèi)和監(jiān)測(cè)控制。

   2 無(wú)線通訊終端GPRS

   2.1 GPRS技術(shù)參數(shù)

   GPRS是基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的廣域無(wú)線IP連接。GPRS在分組交換模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可以使不同的數(shù)據(jù)分享傳輸帶寬，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。GPRS用于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程測(cè)控具有多方面的優(yōu)勢(shì)：

   (1) 接入范圍廣，可充分利用全國(guó)范圍的電信網(wǎng)絡(luò)，不受地域和位置限制；

   (2) 傳輸速率高，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)171kbit/s，而且通過不同的編碼方式，支持不同速率的傳輸，能滿足遠(yuǎn)程測(cè)控的應(yīng)用需求；

   (3) 提供實(shí)時(shí)在線服務(wù)，能夠提供快速及時(shí)的連接，保證通訊的實(shí)時(shí)性；

   (4) 按流量計(jì)費(fèi)，特別適用于遠(yuǎn)程抄表這種間斷的、頻繁的、少量（偶爾大量）的數(shù)據(jù)傳輸；

   (5) 支持TCP/IP協(xié)議，可與Internet互通，突破了GSM通訊中數(shù)據(jù)流量的限制；

   (6) GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)安全性。

   2.2 GPRS硬件結(jié)構(gòu)

    GPRS通訊模塊，通常作為數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，與數(shù)據(jù)終端設(shè)備互連通訊。GPRS模塊由GSM控制器、電源電路、基帶信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器、應(yīng)用接口（包括供電接口、串行接口、音頻接口和SIM卡接口），以及無(wú)線信號(hào)收發(fā)器、射頻放大器、天線連接器等組成。模塊支持分組數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)和電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)，支持EGSM900和GSM1800兩種頻段的GSM網(wǎng)絡(luò)通訊。在采用GPRS通訊時(shí)，數(shù)據(jù)上傳速率最大85.6kbps，下載速率最大42.8kbps。模塊提供了8線的異步非平衡串行接口，支持硬件握手和軟件流控制方式。西門子公司設(shè)計(jì)的MC39i模塊內(nèi)部框圖如圖1所示。

   模塊的GSM內(nèi)核需要由IGT引腳以預(yù)定時(shí)序激活，才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。IGT引腳的驅(qū)動(dòng)是通過三極管開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，基極輸入由DSP的I/O引腳控制，集電極輸出到IGT端，可以限制外部電流輸入IGT引腳。首先，IGT引腳保持高阻態(tài)，通過4.6V直流電壓給MC39i加電，然后，當(dāng)BATT引腳上的電壓超過3.0V后，將IGT引腳拉低至少looms的時(shí)間，同時(shí)應(yīng)保持BATT引腳的電壓不低于3.0V，才能正確激活模塊。
  
                        
                            圖1 MC39i模塊內(nèi)部框圖

    當(dāng)GSM內(nèi)核啟動(dòng)后，應(yīng)將IGT引腳恢復(fù)為高阻態(tài)，模塊內(nèi)看門狗在正常工作時(shí)，由ERG引腳輸出的心跳信號(hào)傳送DSP的I/O引腳用于監(jiān)測(cè)模塊狀態(tài)。另外布置了電池電路作為后備電源，在外部電源斷電時(shí)繼續(xù)維持模塊工作。通過串行接口向GPRS模塊發(fā)送“AT‘SMSO”命令，可以要求模塊從網(wǎng)絡(luò)上通過串行接口向GPRS模塊發(fā)送“AT‘SMSO”命令，可以要求模塊從網(wǎng)絡(luò)上斷開，模塊軟件進(jìn)入安全狀態(tài)且將重要數(shù)據(jù)保存。若GPRS模塊出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間不響應(yīng)外部命令，或不能通過AT命令正常關(guān)閉等特殊情況時(shí)，將EMERG引腳拉低3.25以上，輸入到電源集成電路的看門狗脈沖信號(hào)將被切斷，電源集成電路會(huì)切斷模塊的內(nèi)部電源供應(yīng)。模塊外部的電源供電線路連接在常閉繼電器的兩端，當(dāng)前兩種方法都無(wú)法重新激活模塊時(shí)，則通過控制繼電器強(qiáng)制模塊斷電重啟，重新激活模塊。

    2.3 GPRS軟件系統(tǒng)

    GPRS軟件系統(tǒng)體現(xiàn)在通訊中。通訊中可能出現(xiàn)的問題有：1通訊掉包；2 通訊掉線；3 網(wǎng)絡(luò)阻塞；GPRS通訊軟件主要解決這三個(gè)問題。

   通訊過程描述：

    GPRS終端連上線后，就發(fā)送一個(gè)心跳包給服務(wù)器，服務(wù)器回送一個(gè)心跳包給GPRS終端。心跳間隔為60秒一次，即每隔60秒發(fā)送一個(gè)心跳包。若GPRS終端在一個(gè)心跳包周期的時(shí)間間隔內(nèi)未收到服務(wù)器端的心跳回送包，GPRS終端重發(fā)心跳包（此時(shí)可認(rèn)為是通訊阻塞或者掉包），若在下一個(gè)心跳包周期的時(shí)間間隔內(nèi)仍未收到服務(wù)器端心跳回送包（此時(shí)可認(rèn)為是通訊阻塞或是掉包），GPRS終端重發(fā)心跳包，若收到一個(gè)或者幾個(gè)心跳包都將其視作一個(gè)心跳包處理，過一個(gè)心跳包周期，繼續(xù)發(fā)送心跳包；若未能收到回送的心跳包（此時(shí)認(rèn)為是掉線），則GPRS終端自動(dòng)重連，重連后若收到幾個(gè)心跳包則將其視作一個(gè)心跳包處理。通訊過程如圖2所示。
  
                      
                               圖 2 GPRS端發(fā)送心跳包流程圖

    服務(wù)器端在收到GPRS終端第一次發(fā)來(lái)的心跳包后回送一個(gè)心跳包，心跳包的格式和GPRS終端發(fā)送的心跳包一致。若在一圖 2 GPRS端發(fā)送心跳包流程圖個(gè)心跳周期后，服務(wù)器端未收到GPRS終端的心跳包數(shù)據(jù)，則進(jìn)入等待接收GPRS終端心跳包狀態(tài)，在服務(wù)器端等待接收GPRS終端心跳包狀態(tài)時(shí)，若收到幾個(gè)心跳包，只將其視做一個(gè)心跳包處理。

    當(dāng)服務(wù)器端需要建立與GPRS終端的連接，則發(fā)送一個(gè)連接包，等待GPRS終端回送一個(gè)握手包，收到一個(gè)握手包后則認(rèn)為連接成功。若在一個(gè)心跳周期的時(shí)間間隔內(nèi)未收到握手包，則要等到收到一個(gè)心跳包之后回送一個(gè)心跳包，同時(shí)發(fā)出連接包，繼續(xù)等待接收握手包，若不能收到握手包則認(rèn)為此次連接失敗。GPRS終端在收到一個(gè)服務(wù)器端的連接包時(shí)回送一個(gè)握手包。流程如圖3所示。

   3 基于DSP技術(shù)的電能表

   3.1 基于DSP技術(shù)的電能表硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   系統(tǒng)如圖4所示，能實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度電能計(jì)量。選用采樣速率高達(dá)1Msps的16位高速ADC芯片AD7655來(lái)進(jìn)行電壓、電流信號(hào)采樣，用ADI公司的ADSP-BF532芯片來(lái)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，使用一片微處理器完成對(duì)電能數(shù)據(jù)的管理、人機(jī)界面、自動(dòng)校表及與外界通訊等功能。
  
                        
                                圖3 服務(wù)器端發(fā)送連接包流程圖

    系統(tǒng)可以分為電源電路，前端信號(hào)調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，數(shù)字信號(hào)外理電路，電能管理處理器電路，人機(jī)交互界面（包括顯示模塊、按鍵、脈沖輸出顯示、報(bào)警、負(fù)控電路等），時(shí)鐘電路，通訊電路等，各模塊功能如下：

    電源電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。上電時(shí)，系統(tǒng)保證在可靠復(fù)位后再進(jìn)入電能計(jì)量，外置看門狗電路可在程序出現(xiàn)意外跑飛后，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)重新復(fù)位運(yùn)行。掉電時(shí)，掉電檢測(cè)電路檢測(cè)到掉電信號(hào)后，產(chǎn)生掉電中斷，請(qǐng)求MCU進(jìn)行掉電保護(hù)操作，以保護(hù)采集到的電能等重要數(shù)據(jù)。

   前端信號(hào)調(diào)理電路包括電壓電流信號(hào)采樣電路，可控的多路選通及增益匹配電路。在電流通道具有可選的兩級(jí)增益：當(dāng)輸入電流采樣信號(hào)在5~500mV之間時(shí)，選擇第一級(jí)5倍放大，放大后對(duì)應(yīng)25~2.5V；當(dāng)輸入信號(hào)在0.05~5mV時(shí)，選擇放大倍數(shù)為500，對(duì)應(yīng)25~2.5V。因此正常工作條件下，輸入電流采樣信號(hào)幅度可以是0.05~500mV之間的任意值。電流通道設(shè)計(jì)成可選的兩級(jí)放大，使得系統(tǒng)在10000：1的負(fù)載動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持計(jì)量精度不超差。用戶空載時(shí)，軟件上的防潛動(dòng)閥值處理不會(huì)讓系統(tǒng)產(chǎn)生潛動(dòng)走字。電壓通道只選用5倍放大。
     
                          
                               圖4 用DSP計(jì)量的電能表硬件框圖

      模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由2.5V基準(zhǔn)源與AD轉(zhuǎn)換器AD7655組成，完成對(duì)電壓電流信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。將信號(hào)調(diào)理電路采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字量，供DSP處理器進(jìn)行運(yùn)算處理。

    數(shù)字信號(hào)處理電路主要由ADI公司的高性價(jià)比DSP芯片ADSP-BF532組成，ADSP-BF532時(shí)鐘可高達(dá)400MHz，具有豐富的接口功能，包括16位的數(shù)據(jù)總線接口，多個(gè)串口（含SPI、UART等），以及定時(shí)器，存儲(chǔ)器等豐富的內(nèi)部資源。DSP單元在離散域完成對(duì)電壓電流的均方根值（有效值）計(jì)算，相位差計(jì)算等，并由此計(jì)算有功功率、功率因數(shù)，同時(shí)完成對(duì)電能數(shù)據(jù)的增益補(bǔ)償與相位補(bǔ)償。有功功率對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，從而獲得有功電能，此有功電能即為系統(tǒng)計(jì)量電能的依據(jù)。

    電能數(shù)據(jù)管理處理器采用MCS51系列微處理器。它主要負(fù)責(zé)對(duì)DSP運(yùn)算得出的電能等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括顯示，完成自動(dòng)校表與自動(dòng)抄表、采集DSP運(yùn)算結(jié)果、對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與保護(hù)、實(shí)時(shí)處理用戶命令以及實(shí)現(xiàn)包括預(yù)付費(fèi)在內(nèi)的報(bào)警與負(fù)荷控制等功能。

    3.2 基于DSP技術(shù)的電能表軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    計(jì)量程序設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到計(jì)量的精度與準(zhǔn)確度。具體處理流程如圖7所示。在處理流程中，對(duì)信號(hào)周期及電壓電流相位差的測(cè)量是至關(guān)重要的。因?yàn)橄辔徊钪苯雨P(guān)系到有功功率計(jì)算是否準(zhǔn)確，從而也直接關(guān)系到有功電能的計(jì)算。如果計(jì)算無(wú)功，同樣也受相位差的影響。
  
                      
                             圖5 電能表計(jì)量程序處理流程圖
 
    4 遠(yuǎn)程電力測(cè)控系統(tǒng)

    4.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)遠(yuǎn)程電力測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)由四部分組成：電能表、GPRS模塊、通迅網(wǎng)絡(luò)、測(cè)控中心。

    電能表：完成滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電能數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)算，具備通迅功能，與GPRS模塊連接后，能與GPRS進(jìn)行串行通迅。另外，電能表還為GPRS模塊提供電源，電能表在接到遠(yuǎn)程指令后，可以執(zhí)行相應(yīng)指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、負(fù)荷控制等操作；

    GPRS模塊：接收和發(fā)送無(wú)線信號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)與電能表之間完成無(wú)線通迅和數(shù)據(jù)傳遞功能；

    通迅網(wǎng)絡(luò)：包括無(wú)線通迅網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)的快速傳送；

    測(cè)控中心：測(cè)控中負(fù)責(zé)對(duì)電能數(shù)據(jù)的管理，完成包括電能計(jì)費(fèi)、電力調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、負(fù)荷控制等功能。
  
                    
                            圖6  遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

    4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    主站軟件主要功能：

    (1) 定時(shí)抄表功能：抄表中心可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間通過中心計(jì)算機(jī)對(duì)各表進(jìn)行抄表、儲(chǔ)存。

    (2) 實(shí)時(shí)分析功能：測(cè)控中心在集中了各地的電能數(shù)據(jù)后，完成指定的數(shù)據(jù)分析功能，如需量分析、復(fù)費(fèi)率計(jì)費(fèi)等。
 
    (3) 節(jié)點(diǎn)考核功能：一般把一個(gè)表定義為一個(gè)節(jié)點(diǎn)（可以任意定義電表），通過計(jì)算可迅速得到輸入、輸出的電量、線損率等。可以對(duì)有疑義電表進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤監(jiān)視，顯示用電量的二維曲線圖、餅圖、柱圖等，并及時(shí)監(jiān)測(cè)該表的計(jì)量異常情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

    (4) 廣播校時(shí)功能：抄表中心能隨時(shí)對(duì)各表的定時(shí)抄表時(shí)鐘進(jìn)行遠(yuǎn)程校時(shí)，同時(shí)也對(duì)各電表進(jìn)行校時(shí)。

    (5) 電表管理功能：系統(tǒng)對(duì)電表的新增、拆除、更換、修改、密級(jí)等業(yè)務(wù)，提供方便的電表業(yè)務(wù)管理功能。

    5 結(jié)語(yǔ)

   采用基于DSP技術(shù)的廠站裝置，可降低廠站裝置的成本，增加對(duì)電壓凹陷、短時(shí)中斷、電壓凸起等事件的監(jiān)測(cè)，擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使系統(tǒng)功能更加完善。同時(shí)采用本文提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的永久性監(jiān)視，能及時(shí)記錄供電系統(tǒng)的各種干擾，方便地對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平做出綜合評(píng)價(jià)，有利于分析擾動(dòng)原因和找出減輕干擾影響的方法，進(jìn)而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)督管理水平。

   參考文獻(xiàn)：

   [1] 姜開山.GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

   [ 2 ] 金福寶，曹軍. 基于GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[ J ] . 電測(cè)與儀表,2006(10):38-41,11.

   [3] 張宇明.基于GPRS的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué),碩士論文，2008.

   [4] 王靜哲，周永鵬.基于GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003(4):31-33.

   [5] 遲雪華，袁紅兵，牛江平.基于GPRS的遠(yuǎn)程抄表和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]電腦知識(shí)與技術(shù)，2010（13）17-20.

   彭勇（1981-）

   男，湖南岳陽(yáng)人，大學(xué)本科，助理工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)華能集團(tuán)公司湖南分公司，主要從事電能質(zhì)量管理工作。

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第三期