摘要：國內(nèi)外電力部門和電力用戶對電能質(zhì)量的關心程度與日俱增，在闡述電能質(zhì)量監(jiān)測重要性的基礎上，本文提出了基于GPRS模塊和DSP技術的電能表計量和監(jiān)控原理。該系統(tǒng)由DSP電能表、通迅終端、無線網(wǎng)絡和監(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，增加對電壓凹陷、短時中斷、電壓凸起等事件的監(jiān)測，擴大系統(tǒng)的應用范圍，使系統(tǒng)功能更加完善。采用本文提出的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和技術，能實現(xiàn)對電能質(zhì)量的永久性監(jiān)視，能及時記錄供電系統(tǒng)的各種干擾，方便地對整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平做出綜合評價。

   關鍵詞：GPRS；數(shù)字信號處理；電能表；遠程測控

    1 引言

   在能源供應日趨緊張的21世紀，電能數(shù)據(jù)的準確計量、抄讀和對電能使用情況的監(jiān)測直接關系到能源利用的經(jīng)濟效應和社會效應。過去對電能的機械表計量和人工抄讀，因為精度低、效率低、容易引起誤差等原因而面臨淘汰。隨著無線通迅技術與網(wǎng)絡互聯(lián)技術的發(fā)展，取代機械計量和人工抄表的是，具有高精度的數(shù)字計量方法的出現(xiàn)以及自動遠程無線抄表技術的發(fā)展。因為電能數(shù)據(jù)的抄讀具有速度相對較低、電能表范圍分布廣、抄讀具有間斷性等特點。對電能表數(shù)據(jù)的抄讀，特別是對有無線網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)，非常適合采用無線通迅的方法進行自動抄表^[1-5]。本文結合新型DSP電能計量提出了一種基于GPRS標準的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由DSP電能表、通迅終端、無線網(wǎng)絡和監(jiān)控中心四部分組成。其中電能表是采用DSP技術的電能數(shù)據(jù)采集器，完成電能計量的功能；通迅終端和無線網(wǎng)絡是電能表與監(jiān)控中心通迅的橋梁；監(jiān)控中心通過無線通迅完成對電能數(shù)據(jù)的管理、計費和監(jiān)測控制。

   2 無線通訊終端GPRS

   2.1 GPRS技術參數(shù)

   GPRS是基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的廣域無線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、低成本的無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。GPRS用于電力系統(tǒng)遠程測控具有多方面的優(yōu)勢：

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

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

   (3) 提供實時在線服務，能夠提供快速及時的連接，保證通訊的實時性；

   (4) 按流量計費，特別適用于遠程抄表這種間斷的、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)絡系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)安全性。

   2.2 GPRS硬件結構

    GPRS通訊模塊，通常作為數(shù)據(jù)通訊設備，與數(shù)據(jù)終端設備互連通訊。GPRS模塊由GSM控制器、電源電路、基帶信號處理器、存儲器、應用接口（包括供電接口、串行接口、音頻接口和SIM卡接口），以及無線信號收發(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)務和電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務，支持EGSM900和GSM1800兩種頻段的GSM網(wǎng)絡通訊。在采用GPRS通訊時，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。西門子公司設計的MC39i模塊內(nèi)部框圖如圖1所示。

   模塊的GSM內(nèi)核需要由IGT引腳以預定時序激活，才能進入正常工作狀態(tài)。IGT引腳的驅(qū)動是通過三極管開關電路實現(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BATT引腳上的電壓超過3.0V后，將IGT引腳拉低至少looms的時間，同時應保持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GSM內(nèi)核啟動后，應將IGT引腳恢復為高阻態(tài)，模塊內(nèi)看門狗在正常工作時，由ERG引腳輸出的心跳信號傳送DSP的I/O引腳用于監(jiān)測模塊狀態(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)絡上斷開，模塊軟件進入安全狀態(tài)且將重要數(shù)據(jù)保存。若GPRS模塊出現(xiàn)較長時間不響應外部命令，或不能通過AT命令正常關閉等特殊情況時，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將被切斷，電源集成電路會切斷模塊的內(nèi)部電源供應。模塊外部的電源供電線路連接在常閉繼電器的兩端，當前兩種方法都無法重新激活模塊時，則通過控制繼電器強制模塊斷電重啟，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)絡阻塞；GPRS通訊軟件主要解決這三個問題。

   通訊過程描述：

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

    服務器端在收到GPRS終端第一次發(fā)來的心跳包后回送一個心跳包，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)送心跳包流程圖個心跳周期后，服務器端未收到GPRS終端的心跳包數(shù)據(jù)，則進入等待接收GPRS終端心跳包狀態(tài)，在服務器端等待接收GPRS終端心跳包狀態(tài)時，若收到幾個心跳包，只將其視做一個心跳包處理。

    當服務器端需要建立與GPRS終端的連接，則發(fā)送一個連接包，等待GPRS終端回送一個握手包，收到一個握手包后則認為連接成功。若在一個心跳周期的時間間隔內(nèi)未收到握手包，則要等到收到一個心跳包之后回送一個心跳包，同時發(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為此次連接失敗。GPRS終端在收到一個服務器端的連接包時回送一個握手包。流程如圖3所示。

   3 基于DSP技術的電能表

   3.1 基于DSP技術的電能表硬件系統(tǒng)設計

   系統(tǒng)如圖4所示，能實現(xiàn)高準確度電能計量。選用采樣速率高達1Msps的16位高速ADC芯片AD7655來進行電壓、電流信號采樣，用ADI公司的ADSP-BF532芯片來進行數(shù)值運算，使用一片微處理器完成對電能數(shù)據(jù)的管理、人機界面、自動校表及與外界通訊等功能。
  
                        
                                圖3 服務器端發(fā)送連接包流程圖

    系統(tǒng)可以分為電源電路，前端信號調(diào)理電路，模數(shù)轉換電路，數(shù)字信號外理電路，電能管理處理器電路，人機交互界面（包括顯示模塊、按鍵、脈沖輸出顯示、報警、負控電路等），時鐘電路，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，系統(tǒng)保證在可靠復位后再進入電能計量，外置看門狗電路可在程序出現(xiàn)意外跑飛后，產(chǎn)生復位信號使系統(tǒng)重新復位運行。掉電時，掉電檢測電路檢測到掉電信號后，產(chǎn)生掉電中斷，請求MCU進行掉電保護操作，以保護采集到的電能等重要數(shù)據(jù)。

   前端信號調(diào)理電路包括電壓電流信號采樣電路，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增益：當輸入電流采樣信號在5~500mV之間時，選擇第一級5倍放大，放大后對應25~2.5V；當輸入信號在0.05~5mV時，選擇放大倍數(shù)為500，對應25~2.5V。因此正常工作條件下，輸入電流采樣信號幅度可以是0.05~500mV之間的任意值。電流通道設計成可選的兩級放大，使得系統(tǒng)在10000：1的負載動態(tài)范圍內(nèi)保持計量精度不超差。用戶空載時，軟件上的防潛動閥值處理不會讓系統(tǒng)產(chǎn)生潛動走字。電壓通道只選用5倍放大。
     
                          
                               圖4 用DSP計量的電能表硬件框圖

      模數(shù)轉換電路由2.5V基準源與AD轉換器AD7655組成，完成對電壓電流信號的模數(shù)轉換。將信號調(diào)理電路采集的電壓信號轉換成16位數(shù)字量，供DSP處理器進行運算處理。

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

    電能數(shù)據(jù)管理處理器采用MCS51系列微處理器。它主要負責對DSP運算得出的電能等重要數(shù)據(jù)進行處理，包括顯示，完成自動校表與自動抄表、采集DSP運算結果、對電能數(shù)據(jù)進行存儲與保護、實時處理用戶命令以及實現(xiàn)包括預付費在內(nèi)的報警與負荷控制等功能。

    3.2 基于DSP技術的電能表軟件系統(tǒng)設計

    計量程序設計是否合理，直接關系到計量的精度與準確度。具體處理流程如圖7所示。在處理流程中，對信號周期及電壓電流相位差的測量是至關重要的。因為相位差直接關系到有功功率計算是否準確，從而也直接關系到有功電能的計算。如果計算無功，同樣也受相位差的影響。
  
                      
                             圖5 電能表計量程序處理流程圖
 
    4 遠程電力測控系統(tǒng)

    4.1 系統(tǒng)硬件架構遠程電力測控系統(tǒng)硬件架構如圖8所示。系統(tǒng)由四部分組成：電能表、GPRS模塊、通迅網(wǎng)絡、測控中心。

    電能表：完成滿足行業(yè)標準的電能數(shù)據(jù)采集和遠算，具備通迅功能，與GPRS模塊連接后，能與GPRS進行串行通迅。另外，電能表還為GPRS模塊提供電源，電能表在接到遠程指令后，可以執(zhí)行相應指令，進行數(shù)據(jù)上傳、負荷控制等操作；

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

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

    測控中心：測控中負責對電能數(shù)據(jù)的管理，完成包括電能計費、電力調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、負荷控制等功能。
  
                    
                            圖6  遠程測控系統(tǒng)硬件架構圖

    4.2 系統(tǒng)軟件設計

    主站軟件主要功能：

    (1) 定時抄表功能：抄表中心可根據(jù)預先設定的時間通過中心計算機對各表進行抄表、儲存。

    (2) 實時分析功能：測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、復費率計費等。
 
    (3) 節(jié)點考核功能：一般把一個表定義為一個節(jié)點（可以任意定義電表），通過計算可迅速得到輸入、輸出的電量、線損率等。可以對有疑義電表進行重點跟蹤監(jiān)視，顯示用電量的二維曲線圖、餅圖、柱圖等，并及時監(jiān)測該表的計量異常情況，及時發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

    (4) 廣播校時功能：抄表中心能隨時對各表的定時抄表時鐘進行遠程校時，同時也對各電表進行校時。

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

    5 結語

   采用基于DSP技術的廠站裝置，可降低廠站裝置的成本，增加對電壓凹陷、短時中斷、電壓凸起等事件的監(jiān)測，擴大系統(tǒng)的應用范圍，使系統(tǒng)功能更加完善。同時采用本文提出的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和技術，能實現(xiàn)對電能質(zhì)量的永久性監(jiān)視，能及時記錄供電系統(tǒng)的各種干擾，方便地對整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平做出綜合評價，有利于分析擾動原因和找出減輕干擾影響的方法，進而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)督管理水平。

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   彭勇（1981-）

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

   摘自《自動化博覽》2012年第三期