电力变压器远程负荷监控系统设计

周 晓，张春生，牟晓波，张希文，杨 刚

(塔里木油田天然气事业部，库尔勒 841000)

1 引言

随着电力技术的发展，城网、农网建设和改造工程的深入，电能早已成为人们日常生活中不可缺少的部分。电能的应用程度是一个国家经济发展水平的重要标志之一，保障用电安全对工、农业发展具有重大意义。长期以来我国大部分地区电力网主要靠巡线工人来检测，很难做到实时发现故障，直接影响了人们的生活和经济建设。因此完善电网的监控对现代社会的发展有重要意义。

近年来，通用无线分组业务(GPRS)是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据网络连接，给移动用户提供高速的IP通信功能，从而将控制信息以IP包的形式通过internet/GPRS发送，实现对终端设备的无线远程监控。

2 系统总体结构设计

系统采用先进的GPRS无线通信技术、计算机控制技术、数据采集技术构建。远程监测系统平台分为监控中心和监控分站两个部分;监控中心和监控分站实现对变压器的三相电压、电流的有效值、最大值，有功功率，无功功率等运行参数进行实时远程监控功能。

监控中心主要由内部局域网、数据库服务器、中心站服务器等设备组成;监控分站由MSP430F247硬件信号检测系统和GPRS模块构成［1］;监控中心站和分站之间通过GPRS网络实现无线通信。内部局域网主要提供一个相对固定的DTU登录的IP地址，而且可在网内查询系统运行的实时数据，便于分析设备的运行情况。数据库服务器提供一个大容量的数据存储空间，可以不断地接收并存储监控分站所采集的数据，数据库服务器的另一个重要作用就是便于我们随时查询，对数据进行分类汇总处理，为优化电网控制提供科学依据。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

中心站服务器的基本功能:

(1)可发送控制和查询命令，并随时接收和保存下位机上传的数据;

(2)对远程分站和主站进行实时监控，出现异常情况能及时报警;

(3)管理数据库，能够实时显示各监控分站的运行情况，打印和备份数据。

3 监控系统工作方式

当分站、监控中心开始工作后，首先以手机短信的方式给所有的DTU发IP配置地址，然后DTU模块就登录到GPRS网络中，并和拥有固定IP地址的监控中心连接，在系统运行中始终保持这种连接而不断开，一旦断开就自动重新连接，这样就保证了DTU模块永远在线。其次监控中心以固定IP接到internet网络中，然后通过GPRS网关连接到GPRS网络中，从而实现与监控分站的通信，这样就可以对各监控分站进行远程集中管理和监测。并可在监控中心对各种数据进行收集、处理和存储;当监控分站接受到命令后就对现场的交流电压电流等信号进行采集和处理;并通过DTU完成和监控中心的通信，从而对整个系统的运行情况进行实时监控。

4 监控分站硬件系统

硬件系统结构图如图2所示。

系统中监控分站主要完成以下功能:

(1)实时采集现场电网的电压和电流信号，对采集的信号进行处理并保存;

(2)完成LCD显示键盘输入的功能命令和执行已接收到的主站命令;

(3)当分站出现异常情况时及时报警。

硬件系统中信号的准确检测是关键部分，对数据的传输是只有在串口接到监控中心的查询命令时才执行并于转换结束时上传所有数据;为了保证数据的准确性和实时性，数据帧以”n＊＊＊”开头(n表示分站号)，对没有数据返回的分站每10秒重发一次查询命令，如果长时间没有应答，则进行检修报警处理，以期保证通信畅通。红外通信模块主要用来完成现场观察数据和设置电压、电流的最大值以及脉冲的误差范围。因为每个分站的负荷不同及所用的输电材料的差异，所以需要红外通信模块方便地针对不同的分站情况进行适当的参数调整。

图2 下位机系统结构图

4.1 GPRSDTU通信模块设计

DTU(data transmit unit)即数据传输单元，相当于串口数据流和TCP/IP协议直接互相转换的转换器，内嵌GPRS通信模块和TCP/IP协议栈，采用透明传输，为不带TCP/IP协议处理能力的设备提供无线通信能力。通过DTU通信服务器与分站控制模块自定义帧协议，完成对终端设备的电流、电压、电能等状态参数的监控。

4.2 数据传输格式

因为DTU采用的是透明传输方式，所以根据透明传输的数据方向，分为数据下行和数据上行。

数据下行:在信息管理中心将电能、电压、电流等信息的查询命令，根据自定义协议帧格式，封装成包，通过internet/GPRS网络发送给DTU，DTU收到这个IP包后，通过串口透明传输给分站控制模块。

数据上行:DTU收到监控中心自定义帧格式的查询命令后，将所采集的数据封装成IP包，通过internet/GPRS网络发送到信息管理中心;数据中心软件收到数据包后根据自定义帧格式，将相关信息存入数据库，将数据通过客户端软件或浏览器的方式呈现给工作人员，方便工作人员对信息进行判断，做出决策。

自定义帧格式:

帧头 帧类型 帧长度 数据 校验值1字节 1字节 2字节 2字节 1字节

系统的DTU模块选用广州致远电子生产的ZWG－23DP，通过DTU系统可以直接访问互联网，数据监控中心只需要通过宽带、ISDN或拨号上网即可，比基于GSM的短消息解决方案大大节省了成本，数据监控中心最好使用固定公网IP，如果没有固定的IP地址但有注册的域名也可以对GPRS数据终端域名来登录［2］。

5 系统软件设计

本系统软件采用模块化结构设计，有利于实现功能扩展和程序的修改和移植，系统主要有五个模块构成:系统初始化模块、I/O口设置模块、人机驱动模块、数据处理模块以及通信模块。

数据上传的时间间隔由上位机决定，在上位机软件中可实现定时查询和在任意时刻人为发送查询命令，待下位机接收到查询命令后便将采集的数据上传到监控中心，整个通信模块是采用中断服务程序完成的，这样设计主要是考虑到对电力设备的监测不需要时时上传，同时也减小了数据流量，降低了成本，数据处理模块主要对数据采集部分得到的离散信号进行处理，离散信号经过FFT和小波运算可得到基波和各次谐波分量［3］，利用此结果可以实现电压、电流、功率等参数的计算。DTU模块和MSP430的通信是基于串口命令完成的，只要完成对串口命令或数据的封装即可实现分站与中心站之间的通信。

监控中心人机接口为用户提供一个可视化的监控界面，可直观、方便、快捷地了解电力设备的运行情况，及时发现并处理异常情况，图形化编程界面用VC++开发，主要功能完成无线通信处理、数据处理和报表统计分析等［4］。

6 结束语

调试过程中发现系统长时间运行时DTU有死机的现象，主要原因是给DTU供电的电源不稳定，另外DTU在配置好后应关闭回馈显示，因为在启动时会产生大量的串口数据从而影响测量数据的准确性。经改进系统设计后，实验结果证明此系统能完成对信号的测量和数据传输的功能以及异常报警功能。基于嵌入式GPRS的远程监控系统相对于传统基于有线连接或者GSM短信的监控系统具有很多优势特性，如实时性强、永远在线、通信费用低，支持本地或者远程固件升级，可操作性好等优势，在实时远程监控系统中将会得到广泛的应用。

［1］洪耀球，李香泉，刘浪.基于MSP430F149的电动轿车电控系统设计［J］.制造业自动化，2011(4):124－127.

［2］高春艳，刘彬彬，王斌.Visual Basic开发技术大全［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［3］陈强，强宝民，蒋威.基于ProDave的PLC数据采集系统的设计［J］.仪表技术，2008(5):35－36.

［4］姜拓，张剑平.基于C#的数据采集系统上微机软件设计与实现［J］.电子测试，2009(9):58－60.