摘要：國內外電力部門(mén)和電力用戶(hù)對電能質(zhì)量的關(guān)心程度與日俱增，在闡述電能質(zhì)量監測重要性的基礎上，本文提出了基于GPRS模塊和DSP技術(shù)的電能表計量和監控原理。該系統由DSP電能表、通迅終端、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和監控中心四部分組成。采用基于DSP電能表，可降低廠(chǎng)站裝置的成本，增加對電壓凹陷、短時(shí)中斷、電壓凸起等事件的監測，擴大系統的應用范圍，使系統功能更加完善。采用本文提出的電能質(zhì)量監測系統和技術(shù)，能實(shí)現對電能質(zhì)量的永久性監視，能及時(shí)記錄供電系統的各種干擾，方便地對整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平做出綜合評價(jià)。

   關(guān)鍵詞：GPRS；數字信號處理；電能表；遠程測控

    1 引言

   在能源供應日趨緊張的21世紀，電能數據的準確計量、抄讀和對電能使用情況的監測直接關(guān)系到能源利用的經(jīng)濟效應和社會(huì )效應。過(guò)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(zhù)無(wú)線(xiàn)通迅技術(shù)與網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，取代機械計量和人工抄表的是，具有高精度的數字計量方法的出現以及自動(dòng)遠程無(wú)線(xiàn)抄表技術(shù)的發(fā)展。因為電能數據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(diǎn)。對電能表數據的抄讀，特別是對有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地區，非常適合采用無(wú)線(xiàn)通迅的方法進(jìn)行自動(dòng)抄表^[1-5]。本文結合新型DSP電能計量提出了一種基于GPRS標準的監測系統。該系統由DSP電能表、通迅終端、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和監控中心四部分組成。其中電能表是采用DSP技術(shù)的電能數據采集器，完成電能計量的功能；通迅終端和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是電能表與監控中心通迅的橋梁；監控中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)通迅完成對電能數據的管理、計費和監測控制。

   2 無(wú)線(xiàn)通訊終端GPRS

   2.1 GPRS技術(shù)參數

   GPRS是基于GSM系統的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，提供端到端的廣域無(wú)線(xiàn)IP連接。GPRS在分組交換模式下發(fā)送和接收數據，可以使不同的數據分享傳輸帶寬，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)數據傳輸業(yè)務(wù)。GPRS用于電力系統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(luò )，不受地域和位置限制；

   (2) 傳輸速率高，網(wǎng)絡(luò )數據傳輸速率最高可達171kbit/s，而且通過(guò)不同的編碼方式，支持不同速率的傳輸，能滿(mǎn)足遠程測控的應用需求；

   (3) 提供實(shí)時(shí)在線(xiàn)服務(wù)，能夠提供快速及時(shí)的連接，保證通訊的實(shí)時(shí)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）的數據傳輸；

   (5) 支持TCP/IP協(xié)議，可與Internet互通，突破了GSM通訊中數據流量的限制；

   (6) GPRS網(wǎng)絡(luò )系統提供可靠的數據安全性。

   2.2 GPRS硬件結構

    GPRS通訊模塊，通常作為數據通訊設備，與數據終端設備互連通訊。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(wú)線(xiàn)信號收發(fā)器、射頻放大器、天線(xiàn)連接器等組成。模塊支持分組數據交換業(yè)務(wù)和電路數據交換業(yè)務(wù)，支持EGSM900和GSM1800兩種頻段的GSM網(wǎng)絡(luò )通訊。在采用GPRS通訊時(shí)，數據上傳速率最大85.6kbps，下載速率最大42.8kbps。模塊提供了8線(xiàn)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(mén)子公司設計的MC39i模塊內部框圖如圖1所示。

   模塊的GSM內核需要由IGT引腳以預定時(shí)序激活，才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。IGT引腳的驅動(dòng)是通過(guò)三極管開(kāi)關(guān)電路實(shí)現，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(guò)4.6V直流電壓給MC39i加電，然后，當BATT引腳上的電壓超過(guò)3.0V后，將IGT引腳拉低至少looms的時(shí)間，同時(shí)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模塊內部框圖

    當GSM內核啟動(dòng)后，應將IGT引腳恢復為高阻態(tài)，模塊內看門(mén)狗在正常工作時(shí)，由ERG引腳輸出的心跳信號傳送DSP的I/O引腳用于監測模塊狀態(tài)。另外布置了電池電路作為后備電源，在外部電源斷電時(shí)繼續維持模塊工作。通過(guò)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(luò )上通過(guò)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(luò )上斷開(kāi)，模塊軟件進(jìn)入安全狀態(tài)且將重要數據保存。若GPRS模塊出現較長(cháng)時(shí)間不響應外部命令，或不能通過(guò)AT命令正常關(guān)閉等特殊情況時(shí)，將EMERG引腳拉低3.25以上，輸入到電源集成電路的看門(mén)狗脈沖信號將被切斷，電源集成電路會(huì )切斷模塊的內部電源供應。模塊外部的電源供電線(xiàn)路連接在常閉繼電器的兩端，當前兩種方法都無(wú)法重新激活模塊時(shí)，則通過(guò)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

    GPRS軟件系統體現在通訊中。通訊中可能出現的問(wèn)題有：1通訊掉包；2 通訊掉線(xiàn)；3 網(wǎng)絡(luò )阻塞；GPRS通訊軟件主要解決這三個(gè)問(wèn)題。

   通訊過(guò)程描述：

    GPRS終端連上線(xiàn)后，就發(fā)送一個(gè)心跳包給服務(wù)器，服務(wù)器回送一個(gè)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(gè)心跳包。若GPRS終端在一個(gè)心跳包周期的時(shí)間間隔內未收到服務(wù)器端的心跳回送包，GPRS終端重發(fā)心跳包（此時(shí)可認為是通訊阻塞或者掉包），若在下一個(gè)心跳包周期的時(shí)間間隔內仍未收到服務(wù)器端心跳回送包（此時(shí)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(gè)或者幾個(gè)心跳包都將其視作一個(gè)心跳包處理，過(guò)一個(gè)心跳包周期，繼續發(fā)送心跳包；若未能收到回送的心跳包（此時(shí)認為是掉線(xiàn)），則GPRS終端自動(dòng)重連，重連后若收到幾個(gè)心跳包則將其視作一個(gè)心跳包處理。通訊過(guò)程如圖2所示。
  
                      
                               圖 2 GPRS端發(fā)送心跳包流程圖

    服務(wù)器端在收到GPRS終端第一次發(fā)來(lái)的心跳包后回送一個(gè)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(gè)心跳周期后，服務(wù)器端未收到GPRS終端的心跳包數據，則進(jìn)入等待接收GPRS終端心跳包狀態(tài)，在服務(wù)器端等待接收GPRS終端心跳包狀態(tài)時(shí)，若收到幾個(gè)心跳包，只將其視做一個(gè)心跳包處理。

    當服務(wù)器端需要建立與GPRS終端的連接，則發(fā)送一個(gè)連接包，等待GPRS終端回送一個(gè)握手包，收到一個(gè)握手包后則認為連接成功。若在一個(gè)心跳周期的時(shí)間間隔內未收到握手包，則要等到收到一個(gè)心跳包之后回送一個(gè)心跳包，同時(shí)發(fā)出連接包，繼續等待接收握手包，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(gè)服務(wù)器端的連接包時(shí)回送一個(gè)握手包。流程如圖3所示。

   3 基于DSP技術(shù)的電能表

   3.1 基于DSP技術(shù)的電能表硬件系統設計

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

    系統可以分為電源電路，前端信號調理電路，模數轉換電路，數字信號外理電路，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(shí)鐘電路，通訊電路等，各模塊功能如下：

    電源電路為系統提供穩定電源。上電時(shí)，系統保證在可靠復位后再進(jìn)入電能計量，外置看門(mén)狗電路可在程序出現意外跑飛后，產(chǎn)生復位信號使系統重新復位運行。掉電時(shí)，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(jìn)行掉電保護操作，以保護采集到的電能等重要數據。

   前端信號調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(shí)，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(shí)，選擇放大倍數為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，使得系統在10000：1的負載動(dòng)態(tài)范圍內保持計量精度不超差。用戶(hù)空載時(shí)，軟件上的防潛動(dòng)閥值處理不會(huì )讓系統產(chǎn)生潛動(dòng)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轉換。將信號調理電路采集的電壓信號轉換成16位數字量，供DSP處理器進(jìn)行運算處理。

    數字信號處理電路主要由ADI公司的高性?xún)r(jià)比DSP芯片ADSP-BF532組成，ADSP-BF532時(shí)鐘可高達400MHz，具有豐富的接口功能，包括16位的數據總線(xiàn)接口，多個(gè)串口（含SPI、UART等），以及定時(shí)器，存儲器等豐富的內部資源。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，同時(shí)完成對電能數據的增益補償與相位補償。有功功率對時(shí)間進(jìn)行積分，從而獲得有功電能，此有功電能即為系統計量電能的依據。

    電能數據管理處理器采用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據進(jìn)行處理，包括顯示，完成自動(dòng)校表與自動(dòng)抄表、采集DSP運算結果、對電能數據進(jìn)行存儲與保護、實(shí)時(shí)處理用戶(hù)命令以及實(shí)現包括預付費在內的報警與負荷控制等功能。

    3.2 基于DSP技術(shù)的電能表軟件系統設計

    計量程序設計是否合理，直接關(guān)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(guān)重要的。因為相位差直接關(guān)系到有功功率計算是否準確，從而也直接關(guān)系到有功電能的計算。如果計算無(wú)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

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

    電能表：完成滿(mǎn)足行業(yè)標準的電能數據采集和遠算，具備通迅功能，與GPRS模塊連接后，能與GPRS進(jìn)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，可以執行相應指令，進(jìn)行數據上傳、負荷控制等操作；

    GPRS模塊：接收和發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號，在網(wǎng)絡(luò )與電能表之間完成無(wú)線(xiàn)通迅和數據傳遞功能；

    通迅網(wǎng)絡(luò )：包括無(wú)線(xiàn)通迅網(wǎng)絡(luò )和因特網(wǎng)，完成數據的快速傳送；

    測控中心：測控中負責對電能數據的管理，完成包括電能計費、電力調度、數據分析、負荷控制等功能。
  
                    
                            圖6  遠程測控系統硬件架構圖

    4.2 系統軟件設計

    主站軟件主要功能：

    (1) 定時(shí)抄表功能：抄表中心可根據預先設定的時(shí)間通過(guò)中心計算機對各表進(jìn)行抄表、儲存。

    (2) 實(shí)時(shí)分析功能：測控中心在集中了各地的電能數據后，完成指定的數據分析功能，如需量分析、復費率計費等。
 
    (3) 節點(diǎn)考核功能：一般把一個(gè)表定義為一個(gè)節點(diǎn)（可以任意定義電表），通過(guò)計算可迅速得到輸入、輸出的電量、線(xiàn)損率等?？梢詫τ幸闪x電表進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤監視，顯示用電量的二維曲線(xiàn)圖、餅圖、柱圖等，并及時(shí)監測該表的計量異常情況，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題及時(shí)處理。

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

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

    5 結語(yǔ)

   采用基于DSP技術(shù)的廠(chǎng)站裝置，可降低廠(chǎng)站裝置的成本，增加對電壓凹陷、短時(shí)中斷、電壓凸起等事件的監測，擴大系統的應用范圍，使系統功能更加完善。同時(shí)采用本文提出的電能質(zhì)量監測系統和技術(shù)，能實(shí)現對電能質(zhì)量的永久性監視，能及時(shí)記錄供電系統的各種干擾，方便地對整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平做出綜合評價(jià)，有利于分析擾動(dòng)原因和找出減輕干擾影響的方法，進(jìn)而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的監督管理水平。

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   彭勇（1981-）

   男，湖南岳陽(yáng)人，大學(xué)本科，助理工程師，現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(dòng)化博覽》2012年第三期