通信网络-配电监测无线远程数据通信模式研究与设计

1配电监测无线远程数据通信模式研究与设计曹建平，戴娟（南京工业职业技术学院电子工程系，江苏省南京市210016）摘要：本文介绍了一种采用HAC系列微功率无线数传技术和GPRS技术相结合的配变监测远程无线数据通信模式，阐述了系统的通信原理，给出了系统硬件电路和软件结构的设计方法，为提高远程多点数据传输系统的性价比提供了一种新的思路。关键词：微功率无线模块；GPRS网络；配电监测；无线通信模式StudyandDesignofRemoteWirelessCommunicationinDistributionSystemCaojian-ping，Daijuan(NanjingInstituteofindustrialtechnologyelectronicengineeringdepartment,Jiangsu,Nanjing,210016)Abstract:Thispaperdescribesakindofremotewirelessdatacommunication,whichusesthecombinationoftwodifferentkindwirelesscommunicationtechnology,HACmicropowerwirelessmoduleandGPRS.Ithasadiscussiononthecommunicationprinciple,andgivesthedesignmethodofbothhardwareandsoftware.Thusofferinganewideaforimprovingtheremotedatacommunicationsystem.Keywords:micropowerwirelessmodule,GPRSnetwork,distributionmonitor,wirelesscommunicationmode.0引言在配电自动化系统中，配电变压器是将电压直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分。其中包括：三相电压、三相电流、三相有功（无功）功率、功率因数、频率、有功（无功）电量、油温（湿）度等。这些数据正常与否关系到配电系统的供电质量。因此，实时地监测配电变压器运行中的各种参数，及时地发现配电变压器运行中出现的异常情况并加以控制或解决，可以实现电网的稳定优化运行。然而，要将量大、点多且分散的配变监测终端的数据实时地传送到控制主站需要选择一种合适的通信方式。现有的通信方式如有线通信、无线扩频通信、载波通信等由于地理位置、可靠性等客观原因的限制都不能很好满足系统的要求，而光纤通信却因为高昂的造价限制了其应用。近年来，由于GPRS（GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务）通信具有高速数据传输和永远在线特点，以及按流量收费的资费方式，使得GPRS通信技术在配电自动化中基金项目：江苏省高校高新技术产业发展项目（JH02-065）2的应用受到了广泛的关注[1][2]。本文介绍一种采用GPRS技术和HAC系列微功率无线数传模块设计的配电自动化远程无线数据通信系统，该设计将短距离的无线数据采集与长距离的无线数据通信有机地结合在一起，实现了一种高性价比的无线远程数据通信模式。1系统结构基于GPRS技术和HAC-LM系列微功率无线数传模块设计的配电监测数据远程无线通信系统如图1所示。系统的结构主要由配变监测终端、通信中继控制器以及配变监控主站三部分组成。图1配电监测数据远程无线通信系统配变监测终端用于采集配电变压器的各种电力参数，并通过HAC-LM系列微功率无线数传收发模块将采集的数据传送到通信中继控制器，也可以接收由通信中继控制器转发的监控主站的控制命令，实现区域内短距离的无线数据传输。通信中继控制器一方面按时依次接收来自区域内各配变监测终端采集的各种数据，经过处理后通过GPRS网络发送到远方的配变监控主站；另一方面接收来自主站的控制命令，并通过HAC-LM系列微功率无线数传收发模块发送到各个配变监测终端。起到了上传下达的桥梁作用。配变监测终端HAC模块配变监测终端HAC模块配变监测终端HAC模块通信中继控制器HAC模块GPRS模块配变监控主站GPRS网络无线局域通信网无线远程通信网3配变监控主站的功能是根据配电网供电质量的要求，实时地将通信中继控制器发送来的各配变监测终端采集的数据进行统计、分析、计算与处理，同时通过GPRS网络和通信中继控制器向各配变监测终端发出控制命令（包括：数据采集、数据通信及远程控制等）。2系统通信原理本系统的通信方式采用了“短无线”加“长无线”的原理。即在一个企业或一个区域内设置一个通信中继控制器，利用价格低廉且没有运行费用的短距离无线收发模块与区域内的各个配变监测终端进行数据通信；通信中继控制器接收并储存各监测终端传送来数据，经过一定的处理后再利用GPRS模块发送到GPRS网中，配变监控主站通过任意方式上网，就可通过GPRS网将数据接收下来进行分析、运算及处理；同样，配变监控主站的控制命令也可以通过GPRS网络传送到通信中继控制器，并由通信中继控制器发送到各配变监测终端，从而实现了配电自动化系统的无线远程通信和控制。这种通信模式设计的出发点是鉴于在许多应用场合，通常都会有多个监测终端布局在一个方圆2km以内的区域中，如果这些终端都采用GPRS模块通信，使用虽然方便，但是造价贵且运行也要产生费用；如果采用有线加无线的通信方式，监测终端频繁移动时就要重新布线，十分不方便；而短距离采用微功率无线数传收发模块通信、长距离采用GPRS模块进行通信的方式，既减少了GPRS模块的使用数量，又实现了方便、灵活的无线远距离通信，不失为一种性价比较高的远程通信方式。3硬件电路设计系统的硬件设计涉及到配变监测终端的设计、通信中继控制器的设计和配变监控主站的设计与选型等。1）配变监测终端本系统的配变监测终端硬件电路结构如图2所示。主要包括以下四部分：○1以16位单片机80c196kc为核心的微处理器模块，实现终端的信号采集控制、数据分析与处理、数据通信控制、键盘与显示控制以及电容器投切控制等功能；○2采用门阵列芯片XC95144设计的通信接口电路，在单片机的控制下分时选择经RS-485与智能三相电度表通信以采集电力参数，或通过RS-232串口连接HAC-LM微功率无线数传收发模块通信以实现数据的无线传输；○3由智能三相电度表、状态量/脉冲量/数字量采集模块和电容器投切模块组成的数据采集与控制模块；○4用于现场设置或输入参数、查询监测数据以及显示各种数据和报警信号4的键盘与显示模块。图2配变监测终端硬件电路结构框图2）通信中继控制器通信中继控制器电路采用单片机80c196kc作为中心控制芯片，用于选择数据通信方向、模式以及数据的接收、统计、分析、处理和发送等功能。采用门阵列芯片XC95144作为通信接口的选择电路，在单片机的控制下将HAC-LM微功率无线数传收发模块连接到单片机串口图3通信中继控制器电路原理图以实现与配变监测终端的短距离无线数据传输；或者将GPRS模块连接到单片机的串口以实现通过GPRS网络与配变监控主站的长距离无线数据传输；或者将RS-232接口连接到单片机微处理器模块RS-232RS-485键盘与显示模块状态量/脉冲量/数字量采集模块电容器投切模块接线端子通信接口HAC模块智能三相电度表单片机RXDTXDXC95144TXDRXDHAC-LMRXD1RXD2RXD3TXD1TXD2TXD3控制器RS232接口GPRS模块RXDTXDTXDRXD5的串口以实现其他的通信功能。通信中继控制器电路的原理如图3所示。3）配变监控主站由于配变监控主站不需要GPRS模块，只需要通过宽带、ISDN、ADSL上网即可通过GPRS网进行通信，并且配变监控主站除进行通信外，还具有数据统计、分析、计算和显示等功能。显然，这些功能的实现不需要专用电路，只需要配备计算机系统、服务器和相应的软件即可。4软件结构设计本系统的软件设计也由三部分组成，即配变监测终端软件设计、通信中继控制器软件设计以及配变监控主站系统软件设计，且所有软件都采用模块化设计。配变监测终端软件采用汇编语言编写，按功能划分有：初始化器件模块、键盘与显示模块、数据采集模块、数据处理与控制模块以及数据通信模块等。通信中继控制器软件同样采用汇编语言编写，其主要模块有：初始化器件模块、HAC-LM微功率无线数传模块通信程序、数据统计与处理模块以及GPRS通信模块。配变监控主站系统软件采用VisualC++语言编写，这是由于VisualC++语言应用非常灵活，对低层操作有很大的优越性，同时支持网络编程。软件的主要内容有：系统管理模块、远程数据采集通信模块、数据统计与分析模块、实时监控与报警模块、历史数据查询模块、数据显示与打印模块等。配变监控主站系统软件的结构如图4所示。图4配变监控主站系统软件组成结构图5结论将HAC-LM微功率无线数传模块与GPRS通信模块相结合设计的无线远距离通信方式，由于微功率无线数传模块价格低廉、无运行费用，使得配电监测系统投资少，配变监测终端的设置、移动更加灵活，数据的采集更加便利，为配电网的运行、性能指标的监控以及系统的优化管理提供了有效的手段。但是使用中微功率无线数传模块的通信距离和可靠性还受到终配变监控主站软件系统管理模块远程数据采集通信模块数据统计与分析模块实时监控与报警模块历史数据查询模块数据显示与打印模块6端的安装场合的影响，GPRS网络在偏远地区使用时有数据丢失现象，这些问题可以采用现场调整和软件辨识相结合的办法提高通信质量。相信随着无线数传模块技术的发展以及GPRS网络的逐步完善，这种无线远距离通信模式将得到更广泛的应用。参考文献：1杜勇，裴作强。GPRS配电变压器监测系统设计[J]。微计算机应用，2004，25（5）：596～598。2王函韵，温云波。基于GPRS技术的配电网通信解决方案[J]。电力科学与工程，2003，4：46～49。3郑建勇等，一种能实现异种网络互联的通信控制器[J]。电力系统自动化。2003，27（12）：55～584王英洲，方旭明。短距离无线通信主要技术与应用[J]。数据通信，2004（4）：53-56作者简介：曹建平(1956)男，南京工业职业技术学院电子工程系副主任，副教授、高级工程师，研究方向：电力系统监测和智能仪器。email:[e-mail]戴娟（1962）女，南京工业职业技术学院电子工程系，高级工程师，研究方向：单片机应用及测试技术。基金项目：江苏省高校高新技术产业发展项目-电力系统配电变压器智能检测终端设备（JH02-065）