基于GPRS/GSM的高压计量柜互感器身份识别系统设计

严俊奇，陈德为，黄航宇，陈文桂

(福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350002)

基于GPRS/GSM的高压计量柜互感器身份识别系统设计

严俊奇，陈德为，黄航宇，陈文桂

(福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350002)

针对企业的高压供电系统，设计了一套基于GPRS/GSM的高压计量柜互感器身份识别系统。介绍了身份识别系统的组成、工作原理及其软硬件设计。系统既可以检测高压计量柜工作时内部的温湿度，电压互感器、电流互感器内部的运行温度，还可以检测互感器的身份识别码，达到防窃电的目的。该系统运行可靠，具有实际应用价值。

GPRS/GSM；互感器；身份识别码

1 引言

在企业供配电系统中，高压开关柜在配电、输电和变电转换中起着重要的作用。开关柜在长期运行中，容易受潮，导致其绝缘材料性能降低，缩短寿命，而且开关柜内的环境复杂，处于高电压、大电流和强磁场的环境中，对设备监测和维修增加难度，故需要在停电的情况下才能进行检修，这样会影响工业供电的连续性，给企业生产造成巨大的经济损失。对于如何保证每个开关柜能够可靠运行，及时发现故障和排除故障，已成为供电安全和可靠的关键所在[1]。

GPRS/GSM无线通信技术已广泛应用于各个领域。利用GPRS/GSM无线通信技术远程监测高压计量柜内的参数情况，可以达到远程监测多个高压计量柜的目的，安装接线灵活，易于维护[3]。

2 监控系统组成及工作原理

身份识别系统主要由三部分组成：节点模块、终端模块和监控主机。系统整体框架图如图1所示。

图1 系统整体框架图

高压计量柜内一般安装有2个电压互感器和2个电流互感器，每个互感器内均嵌有一套节点模块，该节点模块用于实现温度检测和身份识别码的生成。正常情况下分别安装在电压互感器和电流互感器内的单片机控制的节点模块不断地向终端模块发送实时检测到的互感器内的温度信号和身份识别码。同时，终端模块检测高压计量柜内的温湿度信号。两者都经过单片机处理并显示，若超过各自设定的上限温/湿度就启动报警，蜂鸣器和指示灯会发出急促的声光提示；若终端模块收到身份识别码，表示对应的互感器具有真实的身份，即该互感器没有被偷换。如果终端模块没有收到身份识别码时，为了提高系统可靠性，终端模块会以不同的频率，即所谓跳频功能，向各节点模块连续发送6次无线电身份识别请求信号，如果6次均没有收到来自节点模块发来的身份识别码，那就判定互感器被偷换，在终端模块的LCD液晶显示屏上显示出提示信息，此时蜂鸣器和指示灯会发出急促的声光提示。之后通过GPRS/GSM通信将互感器温度信息、互感器身份识别码信息以及高压计量柜温/湿度信息发送到监控中心PC机分析与后处理，从而达到防窃电的目的。使得监控中心能够对封闭计量柜异常现象的及时发现和处理，从而实现了互感器参数的远程实时联网监测功能。

3 硬件设计

本系统由节点模块、终端模块和监控中心三部分组成。监控中心为一台PC机。节点模块与终端模块采用JF24D实现通讯，终端模块与监控中心使用GPRS/GSM实现通讯。

3.1 节点模块

节点模块是系统中最基础的部分。它嵌在计量柜内的互感器内。由温度传感器、微控制器单元、无线收发模块和电源模块组成，节点模块如图2所示。

图2 节点模块

温度传感器主要负责测量温度，采用DS18B20数字式温度传感器，具有全数字温度转换与输出、抗干扰能力强、功耗低、精度高等特点。微控制器采用STC12LE5A60S2单片机，拥有60KB 的程序存储空间和1280KB的数据存储空间，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速A/D转换。无线收发模块采用JF24D芯片，该模块整合了高频键控(GFSK)收发电路功能，以较小体积实现高速数据传输的功能。节点模块结构图如图3所示。

图3 节点模块结构图

3.2 终端模块

终端模块是整个监控系统的主要装置，由温湿度传感器、微控制器、液晶模块、无线收发模块、电源模块以及GPRS/GSM模块六个部分组成。终端模块嵌在计量柜表面。其样机面板如图4所示。

终端模块起着连接监控中心和节点模块的作用。通信由两部分组成：无线通信和GPRS/GSM通信。无线通信接收节点模块传送过来的互感器身份识别码和互感器内的温度信息。GPRS/GSM实现监控中心与终端模块的数据传输，微控制器采用STC12LE5A60S2单片机，温湿度传感器采用SHT11数字式温湿度传感器，内部集成了信号放大调理、A/D转换以及I2C总线接口。液晶显示屏采用LCD12864作为人机接口，每块液晶屏用以显示终端模块接收到的互感器温度信息、互感器身份识别码信息以及计量柜内的温/湿度信息，可供现场值班人员查看。终端模块结构图如图5所示。

图4 终端模块样机面板

图5 终端模块结构图

4 软件设计

本系统的软件设计部分主要包括节点模块、终端模块和监控主机三部分的软件设计。节点模块和终端模块的程序采用单片机C语言编写。监控主机的程序采用Visual C++软件编程。

4.1 节点模块软件设计

节点模块的主要任务是采集温度和发送温度，以及接收终端模块发送过来的身份识别请求信号，向终端模块发送身份识别码。程序流程图如图6所示。

互感器检测过程中，首先判断是否收到身份识别请求信号，如果没有则单片机发送温度采集命令并启动JF24D给终端模块发送温度信号，若有则启动JF24D给终端模块发送互感器身份识别码，如此循环运行。

4.2 终端模块软件设计

终端模块负责采集计量柜内的温湿度以及起到连接节点模块和监控中心的纽带和桥梁的作用，是本系统的核心装置。终端模块的软件设计主要采用单片机程序编写。

图6 节点模块程序流程图

终端模块接收节点模块传送过来的信号并采集计量柜内的温湿度，之后经过单片机处理并显示，若温/湿度超过设定的上限温/湿度或者没有收到互感器身份识别码就启动报警，接着比较前后两次显示信息是否有变化，若有则启动GPRS/GSM模块发送信息至监控中心PC机进行后处理，如果没有变化则继续循环，若在30分钟后仍没有信息发送至监控中心则强制启动GPRS/GSM发送温度信号至监控中心，如此循环。程序流程图如图7所示。

图7 终端模块程序流程图

4.3 监控中心软件设计

远程监控中心采用Visual C++软件设计，是一种面向对象的程序设计语言。该软件功能强大，可移植性好，其多线程编程可以增加并发响应。

监控中心的PC机连入Internet，监控中心软件通过Windows Sockets接口使用套接字编程以实现联网通信，使用AT指令实现短信通信。该系统可监测互感器内连续的温度变化情况、计量柜内的温湿度变化情况，并以曲线图的形式显示，也可以有效检测互感器的身份识别码。用户可以通过该曲线了解互感器和计量柜内的各时段温度变化情况。该软件还具有数据存储和管理功能，可根据用户设定的时间段、互感器进行历史数据的查询。根据查询结果打印报表。如果温度超过温度上限设定值时以及互感器身份识别码没有收到，则报警指示灯亮，提示工作人员检查计量柜内是否有故障。这样工作人员就可以不需要每次停机检测计量柜内的参数情况，避免了资源的浪费，保证了工业运行的安全，供电的可靠性和连续性。

4.4 通信方案设计

随着通信电子技术的迅猛发展，GPRS作为新一代的无线通信方式，覆盖面广，可靠性高，投入维护运行成本低，数据传输延迟短以及可以实现全天候在线等特点，使得GPRS通信的应用越来越广泛。当GPRS出现信号不好，网络连接不顺畅或者无网络覆盖区的时候不能进行GPRS传输，此时GSM就可以作为GPRS的补充，采用短信息的方式进行传输。

GPRS通信的建立采用Socket套接字进行编程，使用IP地址加端口号进行通信，而当前IPV4的IP地址大部分还只是动态的，针对这种情况，引入了GSM通信，采用AT指令进行控制，将监控中心的IP地址和端口号通过短信发送至终端模块，终端模块获得监控中心的IP地址和端口后通过GPRS建立网络连接，实现数据传输，若出现GPRS断线可以实现自动重连。如果GPRS出现繁忙或信号较弱时也可以通过短信给监控中心发送采集信号。因而，本系统的通信方式选择GPRS通信为主，GSM通信为辅的通信方案。

5 实验验证

系统设计完成后，对测试系统进行现场试验以检测该系统的工作可靠性。将节点模块嵌入在互感器里面，监测互感器的运行情况。测试系统能够收到互感器的身份识别码以及温湿度数据，其实验结果如图8所示。曲线1表示互感器上的温度，曲线2是计量柜内的温度。系统能有效检测互感器上的参数情况，具有一定可靠性和使用价值。

图8 实验结果

6 结束语

本文设计了一套基于GPRS和GSM通信相结合的企业高压计量柜互感器身份识别系统，有效地解决了企业计量柜远程实时在线监测互感器参数难的问题。监控人员可以通过监控中心PC机查看各个计量柜内部的互感器运行情况，并对可能出现的计量柜互感器异常现象及早发现，进而通知车间值班人员查看发出报警信号的异常计量柜，做出及早处理和维护。实践证明该系统具有安全可靠性，能够实时监测计量柜互感器的参数信息，具有一定的使用价值。

[1] 钟守熙.电流互感器典型故障案例分析 [J].四川电力技术,2009,32(3):77-78.

[2] 编委会.高压开关柜安装、调试、运行和维护手册[Z].北京:中国电力出版社,2005.

[3] 郑丹丹.基于GPRS/GSM 的电梯远程监控系统设计[J].自动化仪表,2007,28(12):49-52.

[4] 张振国.高压带电体温度无线监测系统的设计[J].仪表技术与传感器,2013,(4):53-55.

[5] 黄承安.基于GPRS的远程仪表监控系统[J].电测与仪表,2003,(8):42-45.

Research on High Voltage Switch Cabinet Transformer Identity Recognition System Based on GPRS/GSM

YANJun-qi,CHENDe-wei,HUANGHang-yu,CHENWen-gui

(Mechanical Engineering Institute of Fuzhou University，Fuzhou 350002，China)

Aiming at the power supply system of enterprises,a set of high voltage metering cabinet transformer identity recognition system based on GPRS/GSM is introduced in this paper.This paper introduces transformer identity recognition system composition,working principle as well as hardware design and software design.The system can detect the operating temperature and humidity of the high voltage metering cabinet,voltage transformer operating temperature,current transformer operating temperature and identification code of transformer.Experiments results show the monitoring system has reliability and practical application value.

GPRS/GSM;transformer;recognition code of identity

1004-289X(2015)03-0037-04

福建省自然科学基金资助项目(2011J01300)。

TM45

B

2014-06-12

严俊奇(1990-),男,在读研究生,研究方向:机电系统控制设计； 陈德为(1962-),男,教授,博士,研究方向:测控技术与仪器; 黄航宇(1989-),男,在读研究生,研究 方向:机电系统控制设计; 陈文桂(1989-),男,在读研究生,研究方向:机电系统控制设计。