CN107591889A - 一种用于配电远程监控系统的监测终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于配电远程监控系统的监测终端，所述监测终端包括LCD、微处理器芯片、计量芯片、铁电存储器、电源和信号变换芯片、外围功能扩展模块，所述微处理器芯片包括1个RS485接口和1个GSM网络接口，所述铁电存储器为FM25640，所述外围功能扩展模块包括时钟芯片，所述时钟芯片为 DS1305。本发明对配电变压器远方监控终端进行了开发，所设计的终端选择无线通信方式，可以省去布线组网带来的很多问题：通信距离受限制、覆盖范围窄、通信可靠性差，便于实现数据的远程采集和处理，特别适合移动、分散、无人值守的监控领域。

Description

一种用于配电远程监控系统的监测终端

技术领域

本发明涉及配电监控技术领域，特别是涉及一种用于配电远程监控系统的监测终端。

背景技术

随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力的需求越来越大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电可靠性的要求也越来越高。因而，配电系统自动化DSA(Distribution System Automation)的研究与应用就显得特别重要。

电力供配电系统中，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。电力供配电系统中，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。运行数据包括：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、油温度等。这些数据正常与否是配电变压器运行是否良好的重要反映。因此，不断地监测配电变压器运行中的各种参数，依据采集的数据进行统计分析，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，它是配电自动化的基础与核心设备。

配电变压器监控终端就是用于配电变压器的各种运行参数的监视、测量与控制的远方终端，称为“TTU”(Transformer Terminal Unit)。一方面完成对配电变压器(箱式变压器)运行数据的自动监测、存储及传输，为电力企业提供的一些专业分析，例如负荷预测、线损分析等提供数据；另一方面实现现场控制无功电容的投切，就地保持系统的无功平衡；此外，配电变压器发生过载和缺相故障时可由TTU发出跳闸指令直接切除低压负载，并通过DTU（数据传输终端设备）上报电子站。

由于近年来计算机技术、通信技术及电力事业的飞速发展，配电网综合自动化成为必然趋势，国内许多厂家和研究单位纷纷研制和开发各种类型的TTU。TTU已从早期的功能单一、通信能力方式简单发展到现的智能化、小型化、多功能化并具备多种通信方式，加快了国内配电系统自动化的发展步伐。

目前，国内外很多厂家致力于研制和开发TTU产品，功能上各有侧重。例如，工业级单片机（MSP430），这种结构的产品虽然控制性能较好，但却不擅长数字信号的处理，特别是处理电力系统中复杂的数据运算时，耗时过长。随着DSP技术的推广，一些公司目前已经生产了DSP＋MCU的结构，其中DSP芯片为TI公司的TMS320C2XX系列，只用于测量数据的采集和运算，运算结果送入Intel MCS－96芯片，由单片机完成控制、通信及人机对话功能等，并由一块FPGA芯片完成片选及逻辑控制功能；还有北京时代集团推出的TPM2000型配电监控仪、洛阳卓飞公司的PD－A01配变监测终端也都是基于此类结构的产品。这些结构设计虽然能够满足性能上的要求，但系统设计上增加了难度，电路板接线复杂，从而使装置的可靠性降低；同时造成一定的资源浪费，成本较高，不利于我国配网工程中推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述设计虽然能够满足性能上的要求，但系统设计上增加了难度，电路板接线复杂，从而使装置的可靠性降低；同时造成一定的资源浪费，成本较高，不利于我国配网工程中推广应用的问题，而提供一种基于TTU的配电远程监控系统。

为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于配电远程监控系统的监测终端，所述监测终端包括LCD、微处理器芯片、计量芯片、铁电存储器、电源和信号变换芯片、外围功能扩展模块，所述微处理器芯片包括1个RS485接口和1个GSM网络接口，所述微处理器芯片为增强型51系列单片机STC89C516RD＋，具有1K字节RAM，使用C语言编程更方便；64K字节FLASH、具备应用编程（IAP）功能，所述计量芯片为ADE7758，所述ADE7758包括6通道模拟通道、A/D转换器和专用计算的DSP集成一体，所述铁电存储器为FM25640，所述外围功能扩展模块包括时钟芯片，所述时钟芯片为 DS1305。

其中，所述配电远程监控系统，包括控制端和受控端，所述控制端和受控端通过GSM通信网络相连接，控制端由GSM通讯模块和计算机组成，受控端由GSM通讯模块、TTU和配电变压器组成，GSM通信网络包括通信基站和短消息服务中心，控制端的GSM通讯模块和计算机通过串行口RS232连接，受控端的GSM通讯模块通过串行口RS232与TTU连接，TTU与配电变压器连接，控制端的GSM通讯模块通过通信基站与短消息服务中心相连接，短消息服务中心通过通信基站与受控端的GSM通讯模块相连接。

本发明对配电变压器远方监控终端进行了开发，所设计的终端选择无线通信方式，可以省去布线组网带来的很多问题：通信距离受限制、覆盖范围窄、通信可靠性差，便于实现数据的远程采集和处理，特别适合移动、分散、无人值守的监控领域。

附图说明

图1所示为本发明的系统结构示意图；

图2所示为本发明提供的GSM通信网络的结构示意图；

图3所示为本发明提供的TTU的结构示意图；

图4所示为本发明提供的计量芯片的电路结构示意图；

图5所示为本发明提供的铁电存储器的电路结构示意图；

图中：A- 控制端，B-GSM通信网络，C-受控端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，其既可以指代某一部件与另一部件直接连接，也可以指代某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

本申请应用于配电自动化系统内，对于分布范围大、地域比较复杂、实时数据量小、数量众多的配电变压器监测和控制来说可以节省耗费巨大的导线材料和人工费用，而且免除了日常检修和维护费用。同时，具有高可靠性，扩展性和抗干扰性。这样配变监控系统应用GSM技术可以监控配电变压器的运行状态、用户的电表读数等参数。

因此，将GSM通信技术应用于配电自动化系统中，将会使配电自动化系统更加方便地服务于人们。

如图1所示，本发明一种基于GSM通信模块的配电远程监控系统，包括控制端和受控端，所述控制端和受控端通过GSM通信网络相连接，控制端由GSM通讯模块和计算机组成，受控端由GSM通讯模块、TTU和配电变压器组成，GSM通信网络包括通信基站和短消息服务中心，控制端的GSM通讯模块和计算机通过串行口RS232连接，受控端的GSM通讯模块通过串行口RS232与TTU连接，TTU与配电变压器连接，控制端的GSM通讯模块通过通信基站与短消息服务中心相连接，短消息服务中心通过通信基站与受控端的GSM通讯模块相连接。

GSM远程监控系统由控制端和受控端两部分组成，本系统中，控制端由GSM通讯模块和计算机组成，受控端由TTU和配电变压器组成。其中计算机用于监测和控制，计算机不但可以接受通过GSM模块发送过来的TTU的数据，而且还可以通过GSM模块控制TTU。计算机经短消息服务中心向受控端发送短消息，GSM模块接收短消息后，通过串行口RS232传给TTU，TTU根据接收到的短消息进行处理，从中提取控制命令，再对配电变压器进行相应的控制操作；而配电变压器的状态信息也是以短消息的形式通过GSM模块发送给短消息服务中心，再由短消息服务中心发送给计算机。计算机收到短消息后，根据短消息的内容可发回短消息进行对配电变压器的控制。

图2为GSM远程监控原理框图。其中，所述GSM通信网络包括交换网路子系统(SS)、无线基站子系统(BSS)和移动台(MS)及操作维护子系统(OMC)四大子系统，所述交换网路子系统（SS)包括：移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR)、归属位置寄存器（HLR)、鉴权中心（AUC）、移动设备识别寄存器（EIR）；无线基站子系统(BSS)包括基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)；移动台包括移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)；短信息业务中心(SMSC)。

交换网路子系统（SS)完成交换功能和用户数据移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，SS由一系列功能尸体所构成，各功能实体介绍如下：

移动业务交换中心（MSC）是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域移动台进行控制和话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。

拜访位置寄存器（VLR)用来存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，所处位置区域的识别，向客户提供服务参数。

归属位置寄存器（HLR)用于存储管理部门用于移动客户管理的数据。

鉴权中心（AUC）用于产生为确定移动客户身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的功能实体。

移动设备识别寄存器（EIR）用于存储有关移动台设备参数。

无线基站子系统(BSS)BSS主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)。

移动台是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)。

操作维护子系统(OMC)OMC完成对整个GSM网络的管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。

GSM网上还配有短信息业务中心(SMSC)即可开放点对点的短信息业务，又可开放广播式公共信息业务。另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率。

需要说明的是，点对点短消息是GSM Phasel标准定义的业务，它通过信令信道传送，无业务信道呼叫时使用独立专用控制信道(CSDCCH)，有业务信道呼叫时使用慢伴随控制信道(SACCH)，最大消息长度为140字节或160英文字母(7Bit编码)或80个中文汉字(Unicode编码)。对短消息的控制共有三种模式：Block模式，基于AT指令的PDU模式，基于AT指令的Text模式。前，Block模式已逐渐被PDU模式取代，Text模式收发短信原理简单，程序实现起来比较容易，但其显著的缺点是只能收发英文信息不能收发中文信息，PDU模式则完全可以解决这个问题，通过PUD编码的短消息内容不仅可以是英文而且也可以是中文，另外通过PDU编码的短消息内容可以是声音或图像。同时PDU模式支持不同的编码方式，可以实现各种数据的操作，这些编码方式包括：7bit、8bit和USC2编码，随着短消息协议的发展，短消息将来能够支持更多样化的数据。

一般来说，接收短消息是先将消息存放SIM卡中，将其读出，然后再把处理完的短消息删除，这样一次接收短消息要进行4次读写SIM卡(写SIM卡、读短消息、将SIM卡中的短消息由未读标记为已读、删除短消息数据)，这势必影响SIM卡的寿命。使用PDU模式就可以避免读写SIM卡而将短消息数据直接交付给用户终端设备，从而提高系统的可靠性。所以PDU模式比Text模式有更大的优势。由于PDU模式具有明显的优点，所以它实际中得到广泛应用，本系统设计就是采用PDU模式。

对TTU的设计还没有统一的国家标准，但可以根据其功能参照某些国标和行业标准来执行

如图3所示，所述TTU包括LCD、微处理器芯片、计量芯片、铁电存储器、电源和信号变换芯片、外围功能扩展模块，所述微处理器芯片包括1个RS485接口和1个GSM网络接口。

根据系统总体功能的要求，对装置进行了软件和硬件电路设计。硬件电路主要包括：主控模块、数据采集处理模块、时钟模块、开关量输入输出模块、通信模块。本终端不仅能测量配电变压器的交流电参量，还能通过GSM网络与监控主机通信，以便调度室能随时对配电变压器的运行状态和参数进行监控。

经过需求分析和参照的标准，确定TTU的设计指标如下：

（1）TTU可实现三相四线（或三相三线）的实时交流数据采集，电压176～264V，电流取自一次电流互感器的二次侧，额定电流5A（监测终端可与多种规格的一次电流互感器配合使用，但监测终端的输入电流最大为5A）。电压测量精度0.5级，电流测量精度0.5级，功率测量精度1级；

（2）频率测量精度为0.1Hz；

（3）断相保护功能，即使出现断掉一相或者两相的情况也可以继续工作，并作为故障状态记录；

（4）统计配变的各种运行参量，包括：三相的电压、电流、功率、频率；

（5）1个RS-485口，1个GSM接口；

（6）时钟精度为±60s/月，断电后也可以保证10年的走时。

其中，所述微处理器芯片为增强型51系列单片机STC89C516RD＋，具有1K字节RAM，使用C语言编程更方便；64K字节FLASH、具备应用编程（IAP）功能。

微处理器芯片作为系统的核心控制单元，微控制器的选择至关重要，它直接关系到系统的整体性能。为了确保整个嵌入式系统的可靠运行首先必须有大容量的ROM、RAM资源，其次运行速度要足够快，PC机中的

TCP/IP协议栈有操作系统的支持，被划分成多个任务和进程来进行，而本系统中没有采用操作系统，仍然是单任务、单进程。

考虑到以上因素，价格相对低廉的前提下，采用深圳宏晶科技公司推出的增强型51系列单片机STC89C516RD＋作为控制器。传统8051内核12个时钟周期为一个指令周期，而这种双倍速8051内核将处理速度提高到6个时钟周期为一个指令周期，最高支持80M的晶振频率。STC89C系列单片机与8051系列（MCS－51）完全兼容，原有资源均可使用。同时，它具有高速、低功耗、系统/应用编程（IAP、ISP）功能。

其结构特点主要如下：

（1）具有1K字节RAM，使用C语言编程更方便；64K字节FLASH、具备应用编程（IAP）功能；

（2）可以打开或关闭ALE地址锁存功能。关闭时仅MOVX或MOVC指令执行时输出，大大提高了系统EMI性能；

（3）支持双数据指针（DPTR），查表、寻址更方便；

（4）内置8个中断源，中断优先级为4级；

（5）内置看门狗，可以根据需要打开或关闭看门狗输出；

（6）具有输出监测功能，电源电压降至3.85V时进行输出；

（7）3个16位定时器/计数器。

微控制器不仅要读取计量芯片ADE7758中相应寄存器的数值，还要实现GSM通讯协议、数据处理。STC89C516RD＋单片机提供的64K字节FLASH可以很好的解决程序空间问题。

所述计量芯片为ADE7758，所述ADE7758包括6通道模拟通道、A/D转换器和专用计算的DSP集成一体。

如图4所示，采用ADE7758芯片作为计量模块，辅助相应的外围电路完成测量功能。ADE7758是ADI公司为三相电能计量而研制的专用ASIC，它将6通道模拟通道、A/D转换器和专用计算的DSP集成一体，完成周期电压、电流有效值、有功和无功的累积值（功率、电能），通过外部辅助的数字计算可完成电网全部电参数的测量，ADE7758的测量精度等级可1000：1的动态范围内达到0.1%精度；片内集成高精度的基准电压和温度测量单元。采用标准的SPI完成同外围MCU接口，通过SPI可实现对ADE7758的编程配置、电量数据的采集、校准等多种功能。

其中，所述铁电存储器为FM25640。

经过计量芯片ADE7758处理后，得到大量的电量数据、设置数据、校准数据，就要根据需要对数据进行存储。STC89C516RD＋单片机中，FLASH的容量高达64K。

但是FLASH的读写有着严格的条件限制：

1.有一定的编程/删除电压值，虽然这个电压可以由内部电压发生器来提供，但需要提供足够的电流；

2.编程/删除时间由FLASH存储器的硬件来控制，软件没办法进行干涉；

3.编程/删除期间，不能FLASH存储器中执行任何代码；

4.因为FLASH的写入只能将0写成1，所以进行写之前必须进行清零操作；

5.代码段和数据段同时放同一块FLASH中，为了避免由于代码段和数据段发生重叠而引起的程序错误执行，这就给相应的软件设计带来诸多不便。

以上的种种限制，显然不符合TTU系统实时性的要求。这些重要数据要求存储可靠、准确而且掉电不丢失，而且大量的电量数据存实时累积，大量次数写入等要求。

基于这种特点，存储信息的方案我们采用外部扩展铁电RAM来完成。铁电存储器十分适合电量数据的频繁写操作和掉电不丢失特性，满足监测终端的设计要求，考虑到读写速度要求和需要，选择FM25640，它具有64KB（8K字节）存储空间、工业级的工作范围、无限制的读写访问和无延时的写入特点、低功耗、写保护功能；带有高速SPI接口，简洁的外形尺寸（8PINS的DIP或SOP）。考虑数据的可靠性，所有的数据存储都采用冗余备份方式，满足了数据操作的可靠性要求。FM25640工作电路图如图5所示。

其中，所述外围功能扩展模块包括时钟芯片，所述时钟芯片为 DS1305。

实时时钟芯片选用的是DS1305，它是带SPI串行接口的报警实时时钟芯片，可通过串行接口提供BCD码形式的时间和日期。该芯片有16管脚DIP和20管脚的TSSOP两种封装形式，工作电压为2.0V～5.5V，可外接充电电池，系统掉电后仍可正常维持内部时钟运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于配电远程监控系统的监测终端，其特征在于，所述监测终端包括LCD、微处理器芯片、计量芯片、铁电存储器、电源和信号变换芯片、外围功能扩展模块，所述微处理器芯片包括1个RS485接口和1个GSM网络接口，所述微处理器芯片为增强型51系列单片机STC89C516RD＋，具有1K字节RAM，使用C语言编程更方便；64K字节FLASH、具备应用编程（IAP）功能，所述计量芯片为ADE7758，所述ADE7758包括6通道模拟通道、A/D转换器和专用计算的DSP集成一体，所述铁电存储器为FM25640，所述外围功能扩展模块包括时钟芯片，所述时钟芯片为 DS1305。

2.根据权利要求1所述的用于配电远程监控系统的监测终端，其特征在于：所述配电远程监控系统，包括控制端和受控端，所述控制端和受控端通过GSM通信网络相连接，控制端由GSM通讯模块和计算机组成，受控端由GSM通讯模块、TTU和配电变压器组成，GSM通信网络包括通信基站和短消息服务中心，控制端的GSM通讯模块和计算机通过串行口RS232连接，受控端的GSM通讯模块通过串行口RS232与TTU连接，TTU与配电变压器连接，控制端的GSM通讯模块通过通信基站与短消息服务中心相连接，短消息服务中心通过通信基站与受控端的GSM通讯模块相连接。