吳蔡茂

（佛山市綠能環(huán)保有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展和全球能源供應(yīng)緊張局勢(shì)日益惡化，提升電能質(zhì)量和降低能源損耗已成為國(guó)家政策的重要組成部分[1-4]。線損率是電力在輸電過(guò)程中由于電阻、電感和電容等元件引起的能量損耗占輸送總能量的比例，是衡量電力系統(tǒng)輸電效率和穩(wěn)定性的重要參數(shù)[5-7]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的配電網(wǎng)自動(dòng)化水平較低。自動(dòng)化程度方面，我國(guó)配電網(wǎng)用戶終端的數(shù)據(jù)采集仍依賴于傳統(tǒng)的人工方式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集效率低下且容易出錯(cuò)。此外，配網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸通信技術(shù)的落后限制了配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，影響線損計(jì)算等。文章開(kāi)發(fā)一種基于通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）技術(shù)的創(chuàng)新低壓配電網(wǎng)絡(luò)線損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)裝置單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用基于單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的硬件方案，以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，結(jié)合電力采集模塊和GPRS模塊，保障數(shù)據(jù)采集和通信功能的完整性?？紤]裝置主板的功能要求，系統(tǒng)選擇Intel 80C196處理器作為主控板的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。

1.1.1 單片機(jī)與可編程外圍芯片的接口設(shè)計(jì)

為滿足單片機(jī)外圍電路的功能需求，選擇型號(hào)為PSD934F2的可編程外圍芯片（Programmable System Device，PSD）。該芯片可以實(shí)現(xiàn)輸入/輸出（Input/Output，I/O）重構(gòu)、邏輯組合以及芯片選擇等電路設(shè)計(jì)，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。利用PSDsoft軟件開(kāi)發(fā)PSD934F2硬件平臺(tái)。PSD934F2具備高度集成和強(qiáng)大的在線編程功能，可以輕松完成PSD934F2器件的開(kāi)發(fā)工作。CPU與PSD芯片的電路如圖1所示。

圖1 CPU與PSD芯片的電路

1.1.2 單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)

通過(guò)觸發(fā)Reset信號(hào)，可以控制單片機(jī)的初始化過(guò)程，并啟動(dòng)系統(tǒng)初始化軟件。在10 MHz時(shí)鐘頻率下，為確保復(fù)位操作有效，需要保持Reset信號(hào)的低電平狀態(tài)至少持續(xù)600 ns，相當(dāng)于6個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。因此，設(shè)計(jì)中需要特別注意Reset信號(hào)的時(shí)序控制，以確保設(shè)備正常運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)有效的復(fù)位操作，PSD芯片通過(guò)接收Reset信號(hào)可以回到初始狀態(tài)，以確保正常的功能和操作。此外，為滿足單片機(jī)和其他外設(shè)芯片的要求，綜合考慮后，需要將Reset信號(hào)保持在低電平狀態(tài)至少100 ms，以確保所有設(shè)備在上電時(shí)有效復(fù)位。

1.1.3 轉(zhuǎn)換器的選擇

采用MAX197型號(hào)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）能夠有效提升電氣測(cè)量系統(tǒng)的精度和可靠性，為數(shù)據(jù)采集和分析提供可靠的基礎(chǔ)。采用適當(dāng)?shù)臑V波電容能夠降低電路中的噪聲干擾，提供清晰穩(wěn)定的電源信號(hào)，從而保證裝置的可靠性和優(yōu)化裝置的性能。

1.2 GPRS通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

以MC35模塊為核心，設(shè)計(jì)兼容RS-232標(biāo)準(zhǔn)，并利用串行異步收發(fā)器作為數(shù)據(jù)輸入/輸出接口的關(guān)鍵組件。硬件流量控制采用請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）機(jī)制，軟件流量控制則使用XON/XOFF協(xié)議。這些功能的結(jié)合使得數(shù)據(jù)的傳輸和控制更加可靠和靈活。此外，AT命令被廣泛支持，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的配置和控制。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

2.1.1 主程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)裝置軟件流程如圖2所示。在設(shè)置參數(shù)方面，需要配置多個(gè)寄存器。這些參數(shù)的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行和功能調(diào)用具有重要作用。

圖2 監(jiān)測(cè)裝置軟件流程

2.1.2 定時(shí)模塊設(shè)計(jì)

定時(shí)模塊是該系統(tǒng)的主要模塊，定義了多個(gè)核心模塊任務(wù)。系統(tǒng)需要完成的任務(wù)包括上報(bào)線損量、日線損量以及定義定時(shí)抄送和上傳。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，MAX197開(kāi)啟轉(zhuǎn)換功能。利用寫(xiě)操作能夠靈活選擇多個(gè)通道，并確定輸入范圍，包括單向或雙向輸入模式。在進(jìn)行一次寫(xiě)操作時(shí)，能夠激活一次數(shù)據(jù)采集或初始化采樣程序，從而啟動(dòng)MAX197的轉(zhuǎn)換過(guò)程。這種操作序列使得MAX197轉(zhuǎn)換過(guò)程具有控制能力，確保可以根據(jù)需要準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)。通過(guò)引入外部采集模式，能夠提高采樣間隔的準(zhǔn)確性，并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。若新的控制字節(jié)被寫(xiě)入轉(zhuǎn)換周期，則會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前轉(zhuǎn)換失敗，從而引發(fā)一次全新的采集過(guò)程。采用外部采集模式能夠靈活控制數(shù)據(jù)的采樣和轉(zhuǎn)換過(guò)程，以滿足精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集的需求。用戶可以通過(guò)發(fā)送2個(gè)寫(xiě)脈沖，實(shí)現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)采集和控制過(guò)程。第1個(gè)寫(xiě)脈沖發(fā)出后，應(yīng)將ACQMOD位置調(diào)整至1，以確保操作模式的準(zhǔn)確性。發(fā)送第2個(gè)寫(xiě)脈沖時(shí)，將ACQMOD位設(shè)為0，從而觸發(fā)轉(zhuǎn)換并結(jié)束采集過(guò)程。需要注意，在這2個(gè)寫(xiě)脈沖之間，多路輸入通道的地址位值必須保持一致。

2.1.4 線損計(jì)算子程序設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控可以利用數(shù)學(xué)模型估算各個(gè)主干線的損耗情況，并將結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)。從存儲(chǔ)地址中提取等效電阻值，并在預(yù)定的采集時(shí)間內(nèi)計(jì)算線損，然后使用提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。線損計(jì)算軟件流程，如圖3所示。

圖3 線損計(jì)算軟件流程

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)與GPRS之間的串行通信

通過(guò)8位異步串口通信模式，可以實(shí)現(xiàn)GPRS模塊、嵌入式傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）單片機(jī)系統(tǒng)以及其他相關(guān)設(shè)備的有效連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 軟件層次模型

軟件層次結(jié)構(gòu)中，底層是操作系統(tǒng)，中間層是支撐軟件，上層為應(yīng)用軟件。

2.4 控制中心獲取數(shù)據(jù)的方法

為實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)公共網(wǎng)絡(luò)的連接，監(jiān)控中心采用非對(duì)稱數(shù)字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）等方式。為實(shí)施該方案，需要向互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商申請(qǐng)ADSL等寬帶業(yè)務(wù)[8,9]。

（1）固定IP。該方案具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，推薦使用該方案。

（2）通過(guò)與域名服務(wù)器（Domain Name Server，DNS）服務(wù)提供商協(xié)商，客戶可以啟用動(dòng)態(tài)域名服務(wù)，以確保監(jiān)控點(diǎn)和中心之間的連接暢通無(wú)阻。使用域名搜索技術(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與訪問(wèn)，同時(shí)提供安全和可靠的監(jiān)測(cè)服務(wù)。

（3）目前，控制中心能夠使用Socket接口從采集器獲取來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的信息，輕松讀取通過(guò)GPRS模塊傳輸至公網(wǎng)的數(shù)據(jù)，從而獲取采集端的數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 論

文章提出一種基于GPRS技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。該系統(tǒng)能夠用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)的線損監(jiān)測(cè)，具備確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和完整性，簡(jiǎn)化了負(fù)荷點(diǎn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程，對(duì)電力系統(tǒng)的管理和評(píng)估具有重要意義。