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1、2007 年10 月 电 工 技 术 学 报 Vol.22 No.10 第 22 卷第 10 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Oct.2007 基于 GPRS 的电力系统蓄电池在线 监测系统的设计与实现 栗秋华 周 林 张 凤 孟 婧 吴红春（重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室 重庆 400044）摘要 蓄电池性能和质量的好坏对发电厂和变电站是否安全运行有着重大的影响，其性能好坏的监测已经成为电力系统稳定、安全、可靠运行的关键因素之一。本文为了更好地对蓄电池的运行性能进行监测，开发了一套基于通用分组无线业务（
2、GPRS）的电力系统蓄电池在线监测系统。该系统可以通过远程监控终端监测蓄电池的电压、电流和温度等运行参数。蓄电池维护人员如果需要知道蓄电池的运行状况，可以向蓄电池现场监测单元发送短消息，系统由 GPRS 模块借助通信网络和 Internet 网络将参数发至手机或监控中心，从而实现对电力系统蓄电池的在线实时监测。本系统还可以设置蓄电池电压、电流和温度的报警范围，如果蓄电池出现异常，则系统自动将报警信息发送至系统监控中心或维护人员手机，从而可以使蓄电池的故障很快地得到解决。实际应用表明了本系统的优越性。关键词：蓄电池 通信分组无线业务 硬件设计 软件设计 抗干扰设计 中图分类号：TM451 Des
3、ign and Implementation of a Battery On-Line Monitoring System Based on GPRS Li Qiuhua Zhou Lin Zhang Feng Meng Jing Wu Hongchun（Chongqing University Chongqing 400044 China）Abstract The performance and quality of the battery is very important for the safe running of the power plant and transformer st
4、ation.So the supervision of the batterys performance is a sticking point for the stabilization,safety and reliability of the power system.In order to supervise the running performance of the battery,this paper proposes a battery on line monitoring system which is based on general packet radio servic
5、e（GPRS）network.This system can supervise the voltage,current and temperature of the battery through the long-distance supervised terminal.If the batterys maintenance person wants to know the running status of the battery,he can sent a short message to the supervision cell of the system,and then the
6、system sents the running parameter to the mobile telephone of the maintenance person or the supervision center by GPRS module through the communication network and Internet,so the real time supervision of the battery is realized.This system could also setup the alarm boundary of the voltage,current
7、and temperature aty of the battery,if the battery appears abnormal,the system would sent the alarm information to the mobile telephone of the maintenance person or the supervision center,so the trouble of the battery can be fixed up immediately.In practice it shows the superiority of the system.Keyw
8、ords：Battery,GPRS,hardware designing,software designing,anti-jamming designing 收稿日期 2006-09-07 改稿日期 2007-01-24 186 电 工 技 术 学 报 2007 年 10 月 1 引言 在电力系统中，直流系统担负着供给控制、信号、保护和自动装置等二次负荷电源及作为主要设备电源的任务，其可靠性直接影响到发电厂、变电站的正常运行，是电力系统的重要组成部分1-2。直流系统的电源在正常情况下一般是通过交流整流后得到的，当交流电源消失后，如系统事故或厂用电故障时，直流系统的电源将全部由蓄电池组提供。因此
9、，蓄电池性能、质量的好坏对发电厂、变电站是否安全可靠运行影响很大，其性能好坏的监测及判断已经成为电力系统稳定、安全、可靠运行的关键因素之一3-5。随着电力事业的发展，需要在一些偏远的地区建设变电站。由于这些地区交通设施的局限，使得设备的维护变得十分困难，设备的故障也不能及时进行维修。蓄电池只能通过维护人员的定期检修加以保障，完全不能满足蓄电池的可靠性要求。因此，在新形势下，需要新的手段来保证发电厂、变电所的运行安全6。通 用 分 组 无 线 业 务（General Packet Radio Service，GPRS）是在现有 GSM（Global System for Mobile Commu
10、nication）数字移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组业务。GPRS 通过在 GSM网络中引入分组交换的功能实体，以完成用分组方式进行的数据传输，将传输速率提高到 100Kbit/s以上，同时支持 IP 和 X.25 两种分组数据网的协议。GPRS系统可以看作是对原有的 GSM电路交换系统的基础上进行的业务扩充，以支持移动用户利用分组数据移动终端接入 Internet 或其他分组数据网络的需求。正是由于 GPRS 网络具有网络接入速度快，能与现有数据网建立无缝连接；支持中高速率的数据传输；适时在线，按流量计费的特点，所以现在已被应用到电力系统等众多领域中7-10。本文根据电力运行管理部
11、门的实际需要，充分利用 GPRS 网络成熟度高、费用低、基站覆盖范围广的优势，设计了一套基于 GPRS 的蓄电池在线监测系统，该系统可以实现对电力系统中蓄电池工作状况的实时监测，一旦蓄电池发生故障，则系统将故障的信息以短消息的方式直接发送到维修人员的手机上或以E-mail 的方式发送到监控中心，从而可以实现对蓄电池的实时监测与及时维护，对于保证电力系统的安全可靠运行具有重要意义。2 系统工作原理及构成 2.1 系统的工作原理及总体结构 该系统主要由蓄电池现场监测单元和系统集中监控中心及维护人员的手机三个部分构成，系统的总体结构框图如图 1 所示。图 1 系统总体结构框图 Fig.1 Struc
12、ture of the total system 图中的蓄电池是系统的数据源，系统主要对其工作状态进行监测；现场监测单元是整个系统的核心，也是系统设计的重点，它主要由通信模块和控制单元组成，通信模块负责与 GPRS 网络通信，传递各种数据，控制单元是现场单元的核心部分，它负责协调各部分的工作，从而实现对蓄电池工作状态进行监测的功能；GPRS 网络是整个系统的通信媒介，通过它可以接受和发送短消息、语音以及 IP和 X.25 两种分组数据；控制终端（手机）既是系统中的遥控器又是显示器，它负责给系统发送各种短消息命令（包括对蓄电池工作状态的随机监测和控制命令）和接收系统返回的短消息（包括短消息命令的
13、执行情况和故障报警信息）；监控中心是安装在电力系统管理部门的计算机，它负责接收现场单元发送来的蓄电池工作状态的数据，并对各种数据进行管理。2.2 现场监测单元硬件的设计 现场监测单元按照功能的不同可以分为五个部分：数据采集部分、通信部分、微控制器部分、显示部分等。现场监测单元的结构框图如图 2 所示。图 2 现场监测单元结构框图 Fig.2 Structure of the field monitor unit 图中数据采集部分主要负责采集蓄电池工作时的电流、电压和温度信号；通信模块主要负责与 GPRS网络通信，传输数据；LED 显示单元负责显示当前对哪一组蓄电池的状态进行监测，监测的是电流信
14、号还 第 22 卷第 10 期 栗秋华等 基于 GPRS 的电力系统蓄电池在线监测系统的设计与实现 187 是电压信号及其监测值的大小；单片机作为系统控制核心，负责协调系统各部分正常工作；电源部分负责提供系统需要的各种电压。由于蓄电池电压可能出现异常，为了使系统不受影响，采用了光电隔离模块。对蓄电池工作状态进行监测的关键在于对电压、电流和温度信号采样的精度，因此采样电路设计的得当与否对整个系统来说至关重要。在本系统的数据采集电路，采用 AD582 对电压信号进行采样保持；采用 DALLAS 公司的 DS1821 数字温度传感器，对温度信号进行采集；采用 WBI22K 霍尔隔离型传感器对电流信号
15、进行采集，将采集后的信号经过多路开关 CD4076，得到的信号输入到 C8051F022的 A/D 转换的输入端口，将模拟量变为数字量进行读取；为了增大系统的数据存储量，系统中外置了256K RAM 芯片11-12。本系统中的液晶显示模块为JHD240128A，因此该系统不仅可以显示被监测蓄电池的组数，还可以根据用户的需要，将所需要的历史数据用图形曲线显示或打印出来。现场监测单元的硬件电路框图如图 3 所示。图 3 用卡终端接收装置电路框图 Fig.3 Block diagram of the receiving unit 2.3 硬件系统的抗干扰设计 在设计现场固定监测单元时，硬件抗干扰是一
16、个重要的问题，现场监测单元的抗干扰性能是衡量整个系统可靠性的重要指标。影响本系统可靠安全运行的因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都可能构成系统的干扰因素，导致系统运行失常。本系统采取的抗干扰措施主要有13-14：（1）抑制干扰源。抑制干扰源就是尽可能地减小干扰源的 du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则。为了减小干扰源的 du/dt、di/dt，本系统采取的措施有：电路板上每个 IC 都并接一个 0.010.1F 高频电容，以减小 IC 对电源的影响，值得注意的是高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，
17、否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。供电电源两端都并联了电容，以减小电源的突变。布线时尽量避免 90折线，以减少高频噪声发射。（2）切断干扰传播路径 在信号传输过程中加光电隔离芯片，来切断信号的电磁联系。因为许多单片机对电源噪声很敏感（电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半），所以本系统单片机的电源由专门的电源变换芯片来供给，并添加利用磁珠和电容组成的型滤波电路。晶振布线时，使晶振与单片机引脚尽量靠近，并用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。电路板合理分区，尽可能把干扰源与敏感元件（如单片机）远离。用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地
18、（A/D、D/A芯片布线也以此为原则）。在单片机 I/O 口、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。（3）提高敏感器件的抗干扰性能。它是指敏感器件尽量减少获得干扰噪声，以及尽快脱离异常状态的能力。本系统采取的措施有：布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。布线时，电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。对于单片机闲置的 I/O 口，不要悬空，应通过串入电阻接地或接电源，其他 IC 的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。对单片机使用电源监控及看门狗电路。IC 器件尽量采用贴片封装（直接焊在电路板上
19、），少用 IC 座。（4）其他抗干扰措施 为了保证通信的可靠性，系统设计中采用不锈钢外壳封装的通信模块，并采用外置的 GPRS天线增强无线信号的接收能力。同时，为了减小强电场干扰对现场单元工作可靠性的影响，设计时将整个现场单元装在铝壳中，并将铝壳接地，以屏蔽外来干扰。为了提高总线的驱动能力和信号传输的可 188 电 工 技 术 学 报 2007 年 10 月 靠性，增强抗电磁干扰能力，设计时将地址/数据总线通过 10k的上拉电阻与电源相连；同时将 SMBus接口、外部中断引脚等均通过 10k的上拉电阻高挂。3 系统软件设计 3.1 主程序框图 主程序是软件的主体框架，它的主要任务是首先完成系统
20、初始化，然后循环判断各个标志，一旦满足条件（即标志为 1）就进入相应的子功能模块中，当处理完后再返回到主循环中。本系统主程序采用循环的结构，现场固定单元的主程序流程框图如图 4 所示。图 4 主程序框图 Fig.4 Flow chart of the main program 主循环中的子功能模块共有：处理短消息命令、自发消息、删除短消息 3 个部分，各部分的功能及设置如下：（1）处理短消息命令模块。首先分析发送短消息的用户是否为授权手机或者装置本身，接着分析发送的密码是否正确以及命令是否合法，再根据不同的命令作出相应的响应（比如：修改用户密码、修改用户号码、修改电子邮箱、系统复位等），最后给
21、出命令的响应结果（包括错误的提示）。因为 GSM 短信的最大长度是 160 个字节，所以对于读取蓄电池状态的命令，如果大于 160 个字节则以电子邮件方式发送，反之，则以短消息方式发送。如果是装置自身发出的消息则校准时钟芯片，再判断是否为初次上电的情况（因为系统上电时需要自发自收短消息），如果是，则设定时钟起闹的时间，并给出提示消息。反之，则认为是每天定时读取蓄电池的状态信息，于是现场单元读取蓄电池的状态信号，再以附件的方式发送到数据中心。最后清除相关标志后退出该子功能模块。（2）自发消息模块。是装置给自己本身发送消息，内容为空。通过这个消息，一方面可以校准时钟芯片，另一方面也可以说明装置现在
22、的工作状态（要么是初次通电，要么是定时读取蓄电池的状态信息）。分别按要求处理后，再清除相关标志退出该子功能模块。（3）删除短消息模块。当现场单元存储的短信超出了 SIM 卡的存储容量后，该装置将不能再接收新的短信，直到删除部分消息为止。本系统中 SIM的存储容量是 50 条，程序中设定的上限为 45 条，以保证有足够的余量。3.2 软件的抗干扰设计 在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性高等优点越来越受到人们的重视。在工程实践中，软件抗干扰主要包括两个方面的内容：第一，消除模拟输入信号的噪音（如数字滤波技术）；第二，程序运行混乱时确保能重新回到正常轨道。通
23、常软件抗干扰的主要工作是集中在 CPU 抗干扰方面15-16。本系统在程序设计中用到的软件抗干扰措施主要有：（1）指令冗余。在关键地方插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写，本系统设计过程中，在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的 NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令 NOP 的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序就自动纳入正轨。此外，在系统流向起重要作用的指令如 RET、RETI、LCALL、LJMP、JC 等指令之前插入两条 NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些指令的正确执行。（2）软件陷阱。本系统在设计过程中，在系统未用到的程序存储器区中设置软件陷阱
24、，能及时捕捉跑飞到该区域的干扰，只要在该区域中写入NOP NOP LJMP 0000H（机器码为 0000020000）指令，就能使程序回到正常轨道（程序存储器区结束处应填入机器码 020000）。在未用到的中断服务程序中设置软件陷阱，就可以及时捕获错误的中断。例如：本系统未用到外部中断 1，则在外部中断 1 的矢量中断地址入口添加：NOP NOP LJMP 0000H 命令。这样会使出错的 第 22 卷第 10 期 栗秋华等 基于 GPRS 的电力系统蓄电池在线监测系统的设计与实现 189 程序自然回到开始位置。考虑到程序存贮器的容量，本系统的软件陷阱存储空间为 1K。（3）软件“看门狗”技
25、术。本系统中，由于片内硬件看门狗的超时时间太短，采用软件的方式来实现。程序中采用一个定时器作为监视定时器（在系统初始化时，设置好该定时器的工作方式和计数初值），其工作原理如下：在子程序的入口处启动看门狗定时器，根据被监视子程序需要运行的时间设置进入中断的次数，接着运行被监视子程序，在子程序的出口处关闭监视定时器。在子程序不关闭总中断的前提下，如果在设置时间内，子程序能正常退出，则不会对正常流程进行干预，反之，如果子程序在执行过程中超过了事先设定的中断次数，则程序进入监视定时器中断到达总次数的部分，在该部分中运行错误处理程序，来纠正“死循环”。4 系统主站的设计 系统主站是安装在用电管理部门的计
26、算机，负责接收现场监测单元发送来蓄电池的状态信息和报警信息，并对数据进行分类保存。主站系统一方面通过 GPRS 网络与现场采集终端进行双向通信，另一方面为用户提供一个可视化界面，让用户足不出户即可了解远方蓄电池是否正常工作。与现场 GPRS 无线 Modem 相对应，主站计算机必须借助 GPRS 无线 Modem 进入 GPRS 网络，方能与现场采集终端进行远程通信。主站系统选用 Windows 2000/XP 作为操作系统，系统应用软件采用模块化的设计，主要分为下列模块：（1）初始化模块。从配置文件中装载系统参数并初始化，以保证系统的可靠运行。这些参数包括串口参数（如 com 口、波特率等）
27、、GPRS 终端参数（如短信息中心号码等）和系统参数（报警信息查询周期、列表显示的信息条数、日志保存时间等）。与该模块配合使用的还有系统设置模块。其作用是设置上述参数以使系统更好运行并保存至系统配置文件，供系统再次运行时的初始化调用。（2）报警信息自动处理模块。该模块是系统最重要的模块。在系统初始化以后，用户启动程序则开始执行自动处理报警信息模块。这个模块包括并行运行的两个模块：报警信息读取模块。定时地从外部文件读入报警信息至报警信息队列（先进先出队列）。此处的报警信息是由报警内容、报警时间、来源模块、目标组等构成的按预先设定的间隔符间隔排列的字符串。报警信息发送模块。实现报警信息的处理和发送
28、。从队列中获取报警信息，分离出报警时间、报警来源模块、目标组、报警内容等部分，通过MC35 终端将信息发送至目标组下的成员手机并书写发送日志。（3）报警信息手动处理模块。有时运行值班人员要根据实际情况对报警信息进行手动处理，基于此考虑，系统中编制了报警信息手动处理模块。运用该模块，运行值班人员可手动输入或从成员信息数据库中选取一个或多个目标手机号码，附加上报警内容后便可发送至指定手机或手机组。（4）附加功能模块。开发中添加了下列模块：日志管理模块。主要包含三个部分：日志保存：详细记录每条报警信息发送的具体情况；日志查询：按照用户选择的时间段显示日志信息以供查询；日志清除：支持手动、自动清除过期
29、日志，以防止日志文件过于庞大。数据库管理模块。该模块主要完成成员信息数据库的维护工作。用户可以对数据库中的成员信息进行查看、添加、删除、修改及更新等操作。5 结束语 本文针对偏远地区变电所的蓄电池维护困难，故障问题不能得到及时解决的现状，开发出了一套基于 GPRS 的蓄电池在线监测系统。该系统利用市场上通用的手机作为系统的显示、控制终端，既降低了系统的开发成本，又提高了蓄电池状态监测的灵活性。本系统是根据电力运行管理部门的实际需要开发的，系统的应用很成功，可有效地监测电池的运行状态，有利于发现蓄电池的早期故障，对电力系统的安全运行有重要的保障作用。本文所开发的系统，具有成本低、体积小、操作方便
30、、无需建网和维护、通信费少等优点，它不但可以应用在蓄电池状态监测的场合，也可以应用于其他工业场合。参考文献 1 陈旭，张昭秦 蓄电池温度智能监测系统设计J 成组技术与生产现代化，2004，21（3）：20-23.Chen Xu,Zhang Zhaoqin.Design of intelligent inspection system of storage battery temperatureJ.190 电 工 技 术 学 报 2007 年 10 月 Group Technology&Production Modernization,2004，21（3）：20-23.2 桂长清.通信用密封铅蓄
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