基于GPRS和GPS技术的广域电力数据采集系统

摘要：为解决配电网中电力数据采集问题，基于GPRS和GPS技术以及结合嵌入式系统，设计出一种广域电力数据采集系统。重点使用GPS授时解决了广域中同步数据采集的问题，并针对配电网覆盖范围广的特点使用GPRS进行通信。最后通过实验对此系统进行了验证，表明此系统同步性良好，并且在实验室模拟环境下运行稳定，能有效采集配电网中电力数据，满足实际运行要求。

关键词：广域数据采集 GPS授时 GPRS通信

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-063-03

1 前言

由于我国配电网分支众多、线路复杂、维护困难并且自动化水平低，因此我国配电网故障频发。但是由于配电网线路覆盖面积广阔，难以采集到配电网中的电力数据，这就造成了一旦配电网出现故障，维修人员只能将此线路拉闸停电，寻找和修复故障后，线路再恢复供电。这种方法不仅耗时耗力，而且非故障线路也会因为拉闸而停电。为了提高供电可靠性和配网自动化水平，如何方便快捷的采集电力数据十分重要。

在整个配电网范围内采集电力数据需要解决一下两个关键问题：一是要采集的电力数据不仅要包括其幅值，还要采集相位和波形进行比较。所以此系统必须具备一个高精度的定时器，如果系统无法做到同步采集，那么相位和波形便失去了意义。二是采集到的数据要能快速且稳定的发送至一个中心服务器，服务器对数据进行分析，为维护人员提供故障依据。

本文针对配电网电力数据采集的问题，设计出一种基于GPRS和GPS技术的广域电力数据采集系统。

2 系统结构

广域电力数据采集系统主要包括中心服务器和采集终端两部分。其中中心服务器放置于监控室内部，用于接收和分析采集到的数据。采集终端分散于配电网中的各个节点，将采集到的数据发送至中心服务器。

采集到的数据通过GPRS网络和Internet网络发送至中心服务器，由中心服务器进行分析。

3 系统详细设计

由上文可知，在线路中的各个节点均需要设置采集终端，所以为了使所有采集终端同步采集数据，采集终端必须具备GPS模块。GPS系统是由美国经过20多年建成的导航系统，整个系统由24颗卫星组成，利用原子钟进行时钟控制，并向全世界传送高精度的UTC时间。能保证在92%的时间内其授时精度不低于0.5ps，在99.9%的时间不低于1.1ps。1ps对于我国周期50Hz的配电网来说，仅相当于0.018暗慕嵌龋梢院雎浴R虼耍肎PS授时系统可以很好的实现本装置的同步采集要求。

为了解决数据传输问题，采集终端搭载GPRS模块。GPRS可以提供高达 115Kbps的传输速率，并且覆盖面广，即使连接失败也能快速重新连接，几乎可以做到永远在线。此外GPRS是以传输的数据量而不是连接时间来计费，从而每个用户的通信成本更低。

3.1 采集终端设计

传统的8位和16位单片机，由于运算能力较弱且外设资源有限，不能满足系统对测量精度和实时控制响应的要求。随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式系统产品已经渗透到各个行业。当前应用最广泛的嵌入式处理器之一是ARM处理器，它基于RISC架构，具有功耗低、32位运算处理性能和优异的控制能力等特点，并且其工作频率可达72MHZ，具有较丰富的外设资源，完全满足对运算性能的要求。采集终端主要由数据采集和处理单元、同步控制单元、无限通信单元和中心CPU构成。

GPS模块为采集终端提供同步时间和秒脉冲，STM32微处理器的NVIC中断控制器接收到GPS秒脉冲的信号后，就会触发系统的采集程序。采集程序在20ms内（也就是50hz电的一个周期）连续采集64个值，将其绘制成一个完整的波形，并通过FFT运算出其初始采集时刻的电相位和幅值。然后STM32微处理器将最终计算出的数据通过GPRS模块发送至网络中，最后由中心服务器接收数据。整个程序流程如图3所示。

采集终端有时会受到干扰或者失控，使程序无法进行正常的循环。为了使程序进入正常的循环，一般都采用程序监听技术，即常说的“看门狗”技术。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统程序错误，然后强迫程序进入设定的入口，使系统正常运行。

STM32微处理器的看门狗采用专用的32KHz低速时钟，独立于系统时钟，能够完全独立工作。本系统初始化时启看门狗，对程序进行监控。在完成每次64点采样后进行喂狗程序，当程序进入非正常状态，长时间不喂狗，超过了看门狗的设定时间，看门狗会自动进行复位，使系统恢复正常。

3.2 中心服务器设计

中心服务器作为GPRS通信网的核心，其采用APN专线，所有采集终端都采用内网固定IP。此种方案中心服务器通过一条APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道为检测点分配专用的APN。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。得到APN后，给所有采集终端及中心服务器分配移动内部固定IP。本系统采用SQL Server 2008作为数据库，服务器端要运行两个数据库，其中一个用来存储分配给各个采集终端的内网IP、模块号和SIM卡号等基本信息；另一个数据库用来存储接收的数据，由于GPRS网络可能会丢帧，所以当接收到的数据格式为：模块号+时间+数据+终止符时，才将此条数据存入数据库，方便软件程序对数据进行分析和比对。

4 系统测试

为检验广域电力数据采集系统是否能正常运行，本文对此系统进行了同步性测试和系统仿真测试。

4.1 同步性测试

为检测其同步性，本实验利用一台信号发生器，模拟一个正弦信号，同时让三台采集终端进行测量其相位。其测量结果如表1所示。

通过表1的数据可看出，不同采集终端的同步测量相位误差均低于1埃獗砻鱃PS模块误差很小，完全达到采集终端同步性的要求。

4.2 系统仿真测试