《自动化博览》

    摘要：国内外电力部门和电力用户对电能质量的关心程度与日俱增，在阐述电能质量监测重要性的基础上，本文提出了基于GPRS模块和DSP技术的电能表计量和监控原理。该系统由DSP电能表、通迅终端、无线网络和监控中心四部分组成。采用基于DSP电能表，可降低厂站装置的成本，增加对电压凹陷、短时中断、电压凸起等事件的监测，扩大系统的应用范围，使系统功能更加完善。采用本文提出的电能质量监测系统和技术，能实现对电能质量的永久性监视，能及时记录供电系统的各种干扰，方便地对整个电网的电能质量水平做出综合评价。

   关键词：GPRS；数字信号处理；电能表；远程测控

    1 引言

   在能源供应日趋紧张的21世纪，电能数据的准确计量、抄读和对电能使用情况的监测直接关系到能源利用的经济效应和社会效应。过去对电能的机械表计量和人工抄读，因为精度低、效率低、容易引起误差等原因而面临淘汰。随着无线通迅技术与网络互联技术的发展，取代机械计量和人工抄表的是，具有高精度的数字计量方法的出现以及自动远程无线抄表技术的发展。因为电能数据的抄读具有速度相对较低、电能表范围分布广、抄读具有间断性等特点。对电能表数据的抄读，特别是对有无线网络覆盖的地区，非常适合采用无线通迅的方法进行自动抄表^[1-5]。本文结合新型DSP电能计量提出了一种基于GPRS标准的监测系统。该系统由DSP电能表、通迅终端、无线网络和监控中心四部分组成。其中电能表是采用DSP技术的电能数据采集器，完成电能计量的功能；通迅终端和无线网络是电能表与监控中心通迅的桥梁；监控中心通过无线通迅完成对电能数据的管理、计费和监测控制。

   2 无线通讯终端GPRS

   2.1 GPRS技术参数

   GPRS是基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的广域无线IP连接。GPRS在分组交换模式下发送和接收数据，可以使不同的数据分享传输带宽，从而提供了一种高效、低成本的无线数据传输业务。GPRS用于电力系统远程测控具有多方面的优势：

   (1) 接入范围广，可充分利用全国范围的电信网络，不受地域和位置限制；

   (2) 传输速率高，网络数据传输速率最高可达171kbit/s，而且通过不同的编码方式，支持不同速率的传输，能满足远程测控的应用需求；

   (3) 提供实时在线服务，能够提供快速及时的连接，保证通讯的实时性；

   (4) 按流量计费，特别适用于远程抄表这种间断的、频繁的、少量（偶尔大量）的数据传输；

   (5) 支持TCP/IP协议，可与Internet互通，突破了GSM通讯中数据流量的限制；

   (6) GPRS网络系统提供可靠的数据安全性。

   2.2 GPRS硬件结构

    GPRS通讯模块，通常作为数据通讯设备，与数据终端设备互连通讯。GPRS模块由GSM控制器、电源电路、基带信号处理器、存储器、应用接口（包括供电接口、串行接口、音频接口和SIM卡接口），以及无线信号收发器、射频放大器、天线连接器等组成。模块支持分组数据交换业务和电路数据交换业务，支持EGSM900和GSM1800两种频段的GSM网络通讯。在采用GPRS通讯时，数据上传速率最大85.6kbps，下载速率最大42.8kbps。模块提供了8线的异步非平衡串行接口，支持硬件握手和软件流控制方式。西门子公司设计的MC39i模块内部框图如图1所示。

   模块的GSM内核需要由IGT引脚以预定时序激活，才能进入正常工作状态。IGT引脚的驱动是通过三极管开关电路实现，基极输入由DSP的I/O引脚控制，集电极输出到IGT端，可以限制外部电流输入IGT引脚。首先，IGT引脚保持高阻态，通过4.6V直流电压给MC39i加电，然后，当BATT引脚上的电压超过3.0V后，将IGT引脚拉低至少looms的时间，同时应保持BATT引脚的电压不低于3.0V，才能正确激活模块。
  
                        
                            图1 MC39i模块内部框图

    当GSM内核启动后，应将IGT引脚恢复为高阻态，模块内看门狗在正常工作时，由ERG引脚输出的心跳信号传送DSP的I/O引脚用于监测模块状态。另外布置了电池电路作为后备电源，在外部电源断电时继续维持模块工作。通过串行接口向GPRS模块发送“AT‘SMSO”命令，可以要求模块从网络上通过串行接口向GPRS模块发送“AT‘SMSO”命令，可以要求模块从网络上断开，模块软件进入安全状态且将重要数据保存。若GPRS模块出现较长时间不响应外部命令，或不能通过AT命令正常关闭等特殊情况时，将EMERG引脚拉低3.25以上，输入到电源集成电路的看门狗脉冲信号将被切断，电源集成电路会切断模块的内部电源供应。模块外部的电源供电线路连接在常闭继电器的两端，当前两种方法都无法重新激活模块时，则通过控制继电器强制模块断电重启，重新激活模块。

    2.3 GPRS软件系统

    GPRS软件系统体现在通讯中。通讯中可能出现的问题有：1通讯掉包；2 通讯掉线；3 网络阻塞；GPRS通讯软件主要解决这三个问题。

   通讯过程描述：

    GPRS终端连上线后，就发送一个心跳包给服务器，服务器回送一个心跳包给GPRS终端。心跳间隔为60秒一次，即每隔60秒发送一个心跳包。若GPRS终端在一个心跳包周期的时间间隔内未收到服务器端的心跳回送包，GPRS终端重发心跳包（此时可认为是通讯阻塞或者掉包），若在下一个心跳包周期的时间间隔内仍未收到服务器端心跳回送包（此时可认为是通讯阻塞或是掉包），GPRS终端重发心跳包，若收到一个或者几个心跳包都将其视作一个心跳包处理，过一个心跳包周期，继续发送心跳包；若未能收到回送的心跳包（此时认为是掉线），则GPRS终端自动重连，重连后若收到几个心跳包则将其视作一个心跳包处理。通讯过程如图2所示。
  
                      
                               图 2 GPRS端发送心跳包流程图

    服务器端在收到GPRS终端第一次发来的心跳包后回送一个心跳包，心跳包的格式和GPRS终端发送的心跳包一致。若在一图 2 GPRS端发送心跳包流程图个心跳周期后，服务器端未收到GPRS终端的心跳包数据，则进入等待接收GPRS终端心跳包状态，在服务器端等待接收GPRS终端心跳包状态时，若收到几个心跳包，只将其视做一个心跳包处理。

    当服务器端需要建立与GPRS终端的连接，则发送一个连接包，等待GPRS终端回送一个握手包，收到一个握手包后则认为连接成功。若在一个心跳周期的时间间隔内未收到握手包，则要等到收到一个心跳包之后回送一个心跳包，同时发出连接包，继续等待接收握手包，若不能收到握手包则认为此次连接失败。GPRS终端在收到一个服务器端的连接包时回送一个握手包。流程如图3所示。

   3 基于DSP技术的电能表

   3.1 基于DSP技术的电能表硬件系统设计

   系统如图4所示，能实现高准确度电能计量。选用采样速率高达1Msps的16位高速ADC芯片AD7655来进行电压、电流信号采样，用ADI公司的ADSP-BF532芯片来进行数值运算，使用一片微处理器完成对电能数据的管理、人机界面、自动校表及与外界通讯等功能。
  
                        
                                图3 服务器端发送连接包流程图

    系统可以分为电源电路，前端信号调理电路，模数转换电路，数字信号外理电路，电能管理处理器电路，人机交互界面（包括显示模块、按键、脉冲输出显示、报警、负控电路等），时钟电路，通讯电路等，各模块功能如下：

    电源电路为系统提供稳定电源。上电时，系统保证在可靠复位后再进入电能计量，外置看门狗电路可在程序出现意外跑飞后，产生复位信号使系统重新复位运行。掉电时，掉电检测电路检测到掉电信号后，产生掉电中断，请求MCU进行掉电保护操作，以保护采集到的电能等重要数据。

   前端信号调理电路包括电压电流信号采样电路，可控的多路选通及增益匹配电路。在电流通道具有可选的两级增益：当输入电流采样信号在5~500mV之间时，选择第一级5倍放大，放大后对应25~2.5V；当输入信号在0.05~5mV时，选择放大倍数为500，对应25~2.5V。因此正常工作条件下，输入电流采样信号幅度可以是0.05~500mV之间的任意值。电流通道设计成可选的两级放大，使得系统在10000：1的负载动态范围内保持计量精度不超差。用户空载时，软件上的防潜动阀值处理不会让系统产生潜动走字。电压通道只选用5倍放大。
     
                          
                               图4 用DSP计量的电能表硬件框图

      模数转换电路由2.5V基准源与AD转换器AD7655组成，完成对电压电流信号的模数转换。将信号调理电路采集的电压信号转换成16位数字量，供DSP处理器进行运算处理。

    数字信号处理电路主要由ADI公司的高性价比DSP芯片ADSP-BF532组成，ADSP-BF532时钟可高达400MHz，具有丰富的接口功能，包括16位的数据总线接口，多个串口（含SPI、UART等），以及定时器，存储器等丰富的内部资源。DSP单元在离散域完成对电压电流的均方根值（有效值）计算，相位差计算等，并由此计算有功功率、功率因数，同时完成对电能数据的增益补偿与相位补偿。有功功率对时间进行积分，从而获得有功电能，此有功电能即为系统计量电能的依据。

    电能数据管理处理器采用MCS51系列微处理器。它主要负责对DSP运算得出的电能等重要数据进行处理，包括显示，完成自动校表与自动抄表、采集DSP运算结果、对电能数据进行存储与保护、实时处理用户命令以及实现包括预付费在内的报警与负荷控制等功能。

    3.2 基于DSP技术的电能表软件系统设计

    计量程序设计是否合理，直接关系到计量的精度与准确度。具体处理流程如图7所示。在处理流程中，对信号周期及电压电流相位差的测量是至关重要的。因为相位差直接关系到有功功率计算是否准确，从而也直接关系到有功电能的计算。如果计算无功，同样也受相位差的影响。
  
                      
                             图5 电能表计量程序处理流程图
 
    4 远程电力测控系统

    4.1 系统硬件架构远程电力测控系统硬件架构如图8所示。系统由四部分组成：电能表、GPRS模块、通迅网络、测控中心。

    电能表：完成满足行业标准的电能数据采集和远算，具备通迅功能，与GPRS模块连接后，能与GPRS进行串行通迅。另外，电能表还为GPRS模块提供电源，电能表在接到远程指令后，可以执行相应指令，进行数据上传、负荷控制等操作；

    GPRS模块：接收和发送无线信号，在网络与电能表之间完成无线通迅和数据传递功能；

    通迅网络：包括无线通迅网络和因特网，完成数据的快速传送；

    测控中心：测控中负责对电能数据的管理，完成包括电能计费、电力调度、数据分析、负荷控制等功能。
  
                    
                            图6  远程测控系统硬件架构图

    4.2 系统软件设计

    主站软件主要功能：

    (1) 定时抄表功能：抄表中心可根据预先设定的时间通过中心计算机对各表进行抄表、储存。

    (2) 实时分析功能：测控中心在集中了各地的电能数据后，完成指定的数据分析功能，如需量分析、复费率计费等。
 
    (3) 节点考核功能：一般把一个表定义为一个节点（可以任意定义电表），通过计算可迅速得到输入、输出的电量、线损率等。可以对有疑义电表进行重点跟踪监视，显示用电量的二维曲线图、饼图、柱图等，并及时监测该表的计量异常情况，及时发现问题及时处理。

    (4) 广播校时功能：抄表中心能随时对各表的定时抄表时钟进行远程校时，同时也对各电表进行校时。

    (5) 电表管理功能：系统对电表的新增、拆除、更换、修改、密级等业务，提供方便的电表业务管理功能。

    5 结语

   采用基于DSP技术的厂站装置，可降低厂站装置的成本，增加对电压凹陷、短时中断、电压凸起等事件的监测，扩大系统的应用范围，使系统功能更加完善。同时采用本文提出的电能质量监测系统和技术，能实现对电能质量的永久性监视，能及时记录供电系统的各种干扰，方便地对整个电网的电能质量水平做出综合评价，有利于分析扰动原因和找出减轻干扰影响的方法，进而提高电网电能质量的监督管理水平。

   参考文献：

   [1] 姜开山.GPRS远程抄表系统应用实践[M].北京:中国电力出版社,2007.

   [ 2 ] 金福宝，曹军. 基于GPRS网络远程抄表系统的设计[ J ] . 电测与仪表,2006(10):38-41,11.

   [3] 张宇明.基于GPRS的远程自动抄表系统的设计[D].重庆大学,硕士论文，2008.

   [4] 王静哲，周永鹏.基于GSM无线网络的远程抄表系统设计[J].河北科技大学学报,2003(4):31-33.

   [5] 迟雪华，袁红兵，牛江平.基于GPRS的远程抄表和监控系统的设计[J]电脑知识与技术，2010（13）17-20.

   彭勇（1981-）

   男，湖南岳阳人，大学本科，助理工程师，现就职于中国华能集团公司湖南分公司，主要从事电能质量管理工作。

   摘自《自动化博览》2012年第三期