摘要：針對GIS傳統(tǒng)在線監(jiān)測時現(xiàn)場數(shù)據(jù)不能及時傳輸，導致故障不能及時的預測、報警和處理等問題，開發(fā)了基于GPRS的GIS遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89S51為主控制芯片，重點闡述GPRS的組網(wǎng)方式以及具體實現(xiàn)過程，并在LabWindows／CVI下編寫PC端服務器程序。通過工程實踐證明，本系統(tǒng)能準確、可靠、實時對GIS局部放電進行測量、發(fā)送、管理。
關鍵詞：GPRS；GIS；監(jiān)測系統(tǒng)；AT89S51

    隨著數(shù)字變電站技術的研究發(fā)展，如何實現(xiàn)GIS局部放電的遠程監(jiān)測成為巨大挑戰(zhàn)。電力監(jiān)管部門對局部放電的定位和放電量的評估提出更高要求，構建實用性強、覆蓋面廣、靈活性好的局部放電遠程監(jiān)控系統(tǒng)對于數(shù)字變電站技術的發(fā)展具有重要意義。隨著移動通信的不斷發(fā)展，一種利用公用通信網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞街饾u受到重視，該方式采用GPRS終端或者GPRS終端與PC機相結合的方式傳輸數(shù)據(jù)，該方式使用專用的GSM模塊，GPRS終端可移動，網(wǎng)絡的覆蓋范圍廣，接入時間短，傳輸速度快，通信范圍更寬，資源利用率高，可接入Internet網(wǎng)。GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩院褪褂贸杀镜牡土允蛊涑蔀槟壳斑h程監(jiān)控系統(tǒng)中性價比較高的通信方式。
    本文設計并實現(xiàn)了基于GPRS的GIS局部放電的遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要任務是借助無線通信系統(tǒng)，將GIS局部放電的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)控中心計算機系統(tǒng)連接起來，從而實現(xiàn)變電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時傳輸以及監(jiān)控中心對現(xiàn)場的監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)總體結構
    局部放電的遠程監(jiān)測系統(tǒng)分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端、GPRS通信模塊和監(jiān)控中心3部分。由于局部放電脈沖所激發(fā)的電磁波的頻帶較寬，為了獲得比較豐富的信息，本文采用自補結構的超寬帶雙臂平面等角螺旋天線，該天線在超高頻頻段具有非頻變特性，天線阻抗近似為50 Ω，在寬頻帶內(nèi)很容易實現(xiàn)天線和傳輸線間的阻抗匹配，避免了波形畸變。天線放置于GIS外部，靠近GIS外殼和盆式絕緣子連接處。信號傳輸線使用雙屏蔽電纜，屏蔽銅絲網(wǎng)多點接地，避免信號在傳輸過程中引入干擾。由于GIS中的局部放電信號極為微弱，信號在電纜中也有衰減，因此，采用高頻雙通道前置放大器，以提高信噪比，放大器在300 MHz～1．6 GHz頻帶內(nèi)的增益大于25 dB?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端通過RS232接口傳輸數(shù)據(jù)給GPRS通信模塊；GPRS通信模塊通過GPRS網(wǎng)絡采用TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)現(xiàn)場采集終端和監(jiān)控中心上位機之間數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控中心為整個監(jiān)控系統(tǒng)核心，完成系統(tǒng)管理控制和數(shù)據(jù)匯總、分析和處理數(shù)據(jù)，中心對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲處理，同時也能發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端
    現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端主要由信號獲取與處理和單片機系統(tǒng)組成?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端結構框圖如圖2所示。主要信號處理電路、MCU、實時時鐘、E2PROM和RS232串口。

    傳感器將測得的信號經(jīng)A／D轉換后送入單片機，經(jīng)單片232電平，由TCP／IP協(xié)議轉換模塊送入GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(以下簡稱GPRS模塊)中，這時，該模塊中的信號已轉換為TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡信號，再傳到GPRS網(wǎng)絡(GPRS網(wǎng)絡通過路由器與Internet相連)，最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到具有固定IP地址的監(jiān)控中心服務器端口。MCU選用AT89S51單片機，其它組成部分大多數(shù)與單片機直接相連在其控制下工作。E2PROM存儲和RS232通訊與儀器測量數(shù)據(jù)相關，保存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)參數(shù)和測量數(shù)據(jù)。實時時鐘芯片選用美國DALLAS公司推出的DS1302芯片，可以對年、月、日、周、時、分、秒自動計時，且具有閏年補償功能，時鐘操作可通過AM／PM指示決定采用24或12小時格式，工作電壓為2．5～5．5 V。單片機讀取實時時鐘芯片，記錄各模擬量采集時的時刻，以獲得GIS在對應時間下局部放電的數(shù)據(jù)。控制器采用了ATMEL公司的AT89S51，這是一個低功耗、高性能的8位單片機，片內(nèi)含4 kB ISP的可反復擦寫1 000次的Flash程序存儲器，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳；4 k B Hash片內(nèi)程序存儲器；128 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)；32個外部雙向輸入／輸出(I／O)口；5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷；2個16位可編程定時計數(shù)器：2個全雙工串行通信口。

3 基于MC55的終端通信單元硬件設計
    MC55模塊對外有兩個通信接口，一個通過RS232接口與主控MCU連接，另一個利用GPRS模塊撥號登陸至GPRS網(wǎng)絡。兩個接口之間采用數(shù)據(jù)直接轉發(fā)的透明機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端和GPRS無線網(wǎng)絡的互聯(lián)。主站發(fā)送的數(shù)據(jù)通過天線進入MC55模塊，經(jīng)過TCP／IP協(xié)議解析提取有用數(shù)據(jù)，根據(jù)通信規(guī)約重新組幀發(fā)給MCU，MCU響應的數(shù)據(jù)經(jīng)過MC55模塊調制成GSM信號，通過外部數(shù)據(jù)網(wǎng)以TCP／IP傳輸協(xié)議傳送至主站。

4 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的核心是單片機與GPRS模塊之間的通信：首先定義通信協(xié)議，并規(guī)定幀的格式，再通過AT指令實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡附著并激活TCP數(shù)據(jù)鏈路，完成數(shù)據(jù)傳輸任務。單片機上電后，系統(tǒng)對串口、多路轉換開關初始化，并通過AT指令對GPRS模塊初始化，包括獲得IP地址、監(jiān)控中心計算機的IP地址以及檢查端口、配置GPRS服務號碼等。單片機通過循環(huán)方式采集電路的參數(shù)并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，利用串口中斷程序判斷是否有來自GPRS模塊的數(shù)據(jù)。如果有，就將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊，由內(nèi)置的TCP／IP協(xié)議進行處理并發(fā)送。GPRS終端通過GPRS模塊實現(xiàn)無線上網(wǎng)功能。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

    在對GPRS模塊控制時采用AT指令，AT指令集是從終端設備或數(shù)據(jù)終端設備向終端適配器或數(shù)據(jù)電路終端設備發(fā)送的。GPRS指令是用于模塊連接到GPRS網(wǎng)絡上的指令，通過這些指令可以設置模塊在連上INTERNET之前模塊的各種參數(shù)，AT+CGCONT用于設置模塊所附著的網(wǎng)絡。AT+ CGACT激活網(wǎng)絡。TCP／IP指令是用于應用TCP／IP服務的指令，主要功能是通過GPRS網(wǎng)絡連接上INTERNET后建立建鏈接，完成數(shù)據(jù)傳輸。

5 監(jiān)控中心
    監(jiān)控中心是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它在系統(tǒng)中所起的作用是系統(tǒng)管理控制和數(shù)據(jù)匯總、分析和處理。對于監(jiān)控單位來說，普通的服務器或P C機就能夠勝任監(jiān)控中心的全部工作。服務器端軟件采用LabWindows／CVI作為設計平臺。采用WinSock控件接收遠程數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存到access數(shù)據(jù)庫中。Microsoft提供的Winsock控件對用戶而言是不可見的，用戶不需要了解TCP或底層Winsock API函數(shù)，通過設置Winsock控件的屬性和調用該控件的方法，就可以很容易地連接到遠程計算機并進行雙向的數(shù)據(jù)交換。Winsock創(chuàng)建服務器應用程序，先設置一個本地端口(LocalPort屬性)，用Listen方法監(jiān)聽這個端口，當客戶機連接到該端口，就會發(fā)生ConnectionRequest事件，調用Accept方法完成連接過程。建立連接后，下位機發(fā)送數(shù)據(jù)過來時，產(chǎn)生DataArrival事件，調用GetData方法就可獲取數(shù)據(jù)。

6 結束語
    本系統(tǒng)實現(xiàn)了GIS局部放電遠程監(jiān)控，節(jié)約了人力成本。當然，在進行系統(tǒng)測試過程中，發(fā)現(xiàn)仍有值得改進之處，最明顯的問題就是對于移動運營商提供的通信信道的要求較高，在一些移動信號覆蓋較弱的區(qū)域，可能出現(xiàn)無法登陸GPRS網(wǎng)絡的現(xiàn)象。此外，基于TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程中，通雙方先握手建立可靠連接，這造成傳輸數(shù)據(jù)時出現(xiàn)明顯的延時，系統(tǒng)實時性降低。對于實時性要求較高的系統(tǒng)而言，可以考慮采用U D P協(xié)議進行傳輸，省去通信雙方建立可靠連接的過程，但要求數(shù)據(jù)傳輸格式更加嚴格，編寫程序更加完整。通過這套系統(tǒng)可以建立起實用性強、覆蓋面廣、實時性好、靈活性好的GIS局部放電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，已在測試過程中取得良好效果，運行穩(wěn)定。隨著數(shù)字變電站技術的不斷發(fā)展和GPRS網(wǎng)絡的不斷完善，該系統(tǒng)將有更廣闊的前景。