基于ＧＰＲＳ技术的配电变压器监控系统的设计与实现

单工艺　李清武

[摘要]针对配电变压器监控系统对数据传输可靠性和实时性的要求，探讨一种无线通信的配电变压器监控系统的设计与实现，提出基于GPRS网络的配电变压器远程监控的解决方案。

[关键词]GPRS 配电变压器 远程监控

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0310013－02

一、引言

随着科技的发展，实现中低压配电网的自动化监控已成为可能。中低压配电网作为输配电系统的一个重要环节，其实现自动化的程度与供用电的质量和可靠性密切相关。为此，本文对中低压配电网自动化的必要性及其实现方案作简单的讨论。

二、基础知识准备

（一）GPRS知识

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称，采用的是基于GSM系统的无线高速数据分组传输技术，是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。它经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。

GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。这项全新技术可以令您在任何时间、任何地点都能快速方便地实现连接，同时费用又很合理。简单地说：速度上去了，内容丰富了，应用增加了，而费用却更加合理。

目前，在远距离的通信中，主要采用专线接入、光纤接入、GSM短消息等方式。GSM短消息方式可以实现主动发送，但是按条收费，运行费用高，而且在节假日短消息中心服务器繁忙时延时相当长。专线接入、光纤接入等通信稳定可靠，但是成本投入大。而GPRS通信则避免了这些问题，数据实现分组发送和接受，按流量计费，传输速度56～115Kbps，完全能满足的配电变压器监控系统的通信要求。

（二）RTU知识

RTU(remote terminal unit)是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监控和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统）系统中得到了大量的应用。

远程终端设备(RTU)是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制，从而实现了远距离控制和监视。

远程终端设备(RTU)可以用各种不同的硬件和软件来实现，这取决于被控现场的性质、系统的复杂性、对数据通信的要求、实时报警报告、模拟信号测量精度、状态监控、设备的调节控制和开关控制。

（三）SCADA知识

SCADA，即Supervision Control and Data Acquisition（数据采集与监视控制），组态软件，又称监控组态软件。组态软件的应用领域很广，它可以应用于数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。

三、系统结构

配电变压器监控系统的开发目标是建立一个安全可靠，能提供各种高级服务，并有为应用程序的执行和实施提供较强功能的开放式平台和运行在该平台的多个相对独立的应用子系统组成的系统，成为一个符合配电系统现代化管理要求的分布式、开放式、模块化、可扩充的配电变压器综合管理系统。

配电变压器监控系统除提供基本的硬件技术内核外，还提供诸如数据库系统、信息传递、人机界面、实时环境应用程序等基础服务。基于此基础之上的各应用功能包括：配电变压器管理、线损管理、谐波数据、购电量管理、数据查询、自动报表、图表和与其它系统的接口等。这些子系统之间在开放系统结构基础上实现有机的横向和纵向集成，形成一个完整的配电变压器监控系统。

配电变压器监控系统分为三个部分，分别是监控中心、通讯、终端监控。监控中心主要完成人机交互工作，负责网络数据链路建立和数据收发处理；通讯是利用GPRS协议转换器完成信息的上送与下发；监控终端主要完成数字量与模拟量的采集以及监控中心发出指令的执行。

四、系统设计

（一）远程终端的设计

配电变压器远程终端包括以下功能单元电路：单片机存储器扩展电路、遥测电路、开关量输入电路（遥信）、脉冲量输入电路、遥控电路、通讯接口电路。这些单元电路构成整个远程终端系统。

（二）系统软件的设计

监控系统负责对远程终端设备的监控、控制和管理，其主要功能包括：通信管理、远程终端管理、设备监控三部分。

通信管理模块主要用于管理和计算机相连的通信设备，连接、断开设备以及对收到的信息进行管理等。该模块包括通信参数设置、通信信息管理和其他信息管理。

远程终端管理模块包括远程终端设置、遥测参数设置、遥信遥控参数设置、定时传送设置等。远程终端设置：系统所管理的每个远程终端设备都必须在此增加，该单元用于增加、修改或删除远程终端设备，设置的项目包括：设备编码、设备名称、规格型号、所在台区、SIM卡号、报警卡号等。遥测参数设置：该单元的功能是设置远程终端设备遥测参数的上限值、下限值、标准值；TV、TA变比系数；电量脉冲系数和底数等。遥信遥控参数设置：系统有8个状态量和2路遥控。该单元用于设置每个状态量的类型和名称，以及每路遥控对应的开关项。定时传送设置：远程终端设备定时向监控中心上传遥测、遥信数据，该单元设置远程终端设备向监控中心自动传送数据的时间间隔和监控中心的电话号码。

设备监控模块包括台区设备监控、事故（事件）查询、历史数据查询、设备遥控等。台区设备监控：该单元通过查看每个远程终端设备上传的最新遥测、遥信、SOE数据，监控台区变压器的运行状况。

五、系统基本功能

配电变压器监控系统实现配电变压器的远程监控，可及时、准确、有效地获得配电变压器的全面连续的信息，从而为系统的分析、预测提供可靠的依据。它应具备以下基本功能：

1．采集功能：采集包括变压器的ABC三相电压、ABCN四线电流、三相功率（负荷）、三相无功功率、三相不平衡电流、功率因数、谐波、脉冲表的电度、变压器的温度等，还要采集设备开关状态、箱门状态、报警状态及通讯状态等开关量等。

2．分析功能：可对各种数据分类管理，根据这些原始数据分析计算，生成线损、相损，用户用电曲线等报表或图表数据，并可检测系统运行状态及异常用户状况。

3．控制功能：远方或就地进行切合开关的控制；根据预定的判据对无功补偿电容进行自动投切控制。

4．故障检测与报警：系统异常、故障报警与记录，故障定位，报警远程提示。

六、系统参考配置

系统由选择国内外知名厂商的产品组成，应保证其具有可靠性高、综合性价比高、开放性好、易扩展、易维护、易安装等特点。

假定测一个变压器，基本配置设备清单如下：

监控中心：

工控计算机1台打印机 1台

UPS电源 1台组态软件 1套

现场：

GRPS DTU数传装置1台GPRS SIM 卡1张

STC-2 RTU 1台温度变送器 1个

PT100或CU50温度传感器 1个脉冲电度表 1个

24V开关电源 1个户外防水箱 1个

七、结束语

我国许多中小型城市及农村的配电变压器的监控工作很少开展，居民用电质量不能得到很好地保障。这一系统的应用成功有利于实现我国中低压配电网监控自动化，有利于提高供电质量。

参考文献：

[1]《单片机原理及其接口技术（第2版）》，胡汉才，清华大学出版社，2004.7.

[2]《过程可视化组态软件InTouch应用技术》，马正午，机械工业出版社，2006.6.

[3]《GPRS网络技术》，文志成，电子工业出版社，2005.6.