基于嵌入式Modem的漏電遠程監測系統

2019-11-03 10:01:30

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供稿：網友

全云海
　　（浙江科技學院　計算機與電子工程學系，浙江　杭州310012）

　　摘　要：在農村，由于線路絕緣老化、電氣維修誤操作或觸電等造成的漏電事故時有發生，對于線路漏電發生的地點、故障時間、漏電流的大小缺乏有效準確的監測。通常，系統監測采用RS－485通信、現場總線技術等，鋪設網絡費用高，通信距離短，很難實現漏電遠程監測。然而，利用嵌入式Modem通過電話網（PSTN）跟遠方監測部門組成網絡，不存在費用和距離的限制，能迅速找到故障線路的地點、故障的原因等，從而可以迅速排除漏電故障，保證電網的安全運行。

　　關鍵詞：嵌入式Modem；電話網；微控制器；EEPROM　

　　隨著電力事業的迅猛發展，電力在農村中得到了廣泛的應用。但由于線路絕緣老化、電氣維修誤操作或觸電等造成的漏電事故也屢有發生，農忙時發生更頻繁。有的漏電保護裝置只是把發生觸電、漏電的線路分斷，以保人身的安全，而對于線路漏電發生的地點、故障時間、漏電流的大小缺乏監測，因此，對于故障的排除仍有困難，對于事故的原因也無從得知。為此，迫切需要開發一種漏電監測系統對線路的上述參數進行監測［1］。

　　農村地處偏僻，要跟遠方的監測部位建立網絡，若采用RS－485通信、現場總線技術等，則鋪設網絡費用高，通信距離短，很難實現；然而，利用Modem通過電話網（PSTN）跟遠方監測部門組成網絡，則不存在費用和距離的限制，而且采用有情況上報的機制，上報數據量少，Modem傳輸速率不高的缺點也不成為問題，從而有很強的實用性。

　　基于上述情況開發的漏電監測系統，可以利用Modem通信技術把漏電線路的故障時間、漏電流的大小等參數上傳到供電監測部門。由于系統對線路進行了編號，對于線路的實際地址進行了存儲和分類管理，因此，能夠迅速找到故障線路的地點、故障的原因等，從而可以迅速排除漏電故障，保證電網的安全運行［2］。

　　1　系統的組成

　　系統組成原理如圖1所示。本系統由遠端計算機監控中心、漏電監測單元、Modem調制解調器三部分組成。

　　1．1　遠端計算機監控中心

　　本部分屬于上位機控制中心，安裝在電網控制部門的監控計算機上。主要提供以下功能：①對整個系統所轄的線路采用16位編號，理論上可監測216個前端漏電監測單元，組成的網絡覆蓋范圍廣。而且擴充簡單方便，只要在需監測的線路接入漏電監測單元，并在控制中心添加線路的編號即可。②對于線路的位置分類管理。詳細記錄線路的位置，存儲線路管理人的聯系方法，從而便于快速查找故障的地點，及時通知相關人員排除故障。③設置各個電路的漏電流的限值。可以主動查詢每一個線路的運行情況，自動接收、識別、記錄前端線路上的上傳報警信息數據［3］。④對所轄線路的漏電監測單元提供對時功能，使各個漏電單元具有統一的時間。⑤實行聲光報警。對于Modem的響應振鈴采用特殊的序列，使用戶可以很容易區分正常的電話和線路故障。建立電子地圖系統，錄入線路的地理信息，故障發生時自動顯示相應線路的地理信息，從而幫助控制中心的管理人員及時發現故障，并對故障線路迅速定位［4］。⑥負責整個系統的管理工作。對報警信息、恢復信息、測試信息等數據進行管理，用戶可以通過操作界面進行查詢，打印。

　　監控中心按照模塊設計，分為通信模塊和數據管理模塊，其構成如圖2所示。

　　1．2　漏電監測單元

　　智能控制模塊與多路采集模塊共同構成一個漏電監測單元，如圖3所示。其中多路采集模塊跟智能控制模塊的CPU通過串行總線通信，完成漏電流限值的設定、漏電參數數據的集中。智能控制模塊采用嵌入式Modem，需要傳輸數據時通過微控制器的數據接口直接向相應的寄存器讀寫即可［1］。編程方便快捷，比傳統的串行傳輸數據的Modem具有更強的抗干擾能力。本模塊數據傳輸格式采用電力系統配電自動化遠方終端單元（RTU）中最常用的國際標準IEC68070－5－101（101規約）協議，并提供RS－485接口。現有的變電站自動化系統大多采用485網絡，在靠近變電站的情況下，可通過跳線插針選擇使用485通信接口，利用現成的變電站485網絡跟遠端監控中心通信［5］。隨著技術的發展甚至可以納入到采用101規約的變電站自動化系統中。本單元主要包括以下模塊。

　　1．2．1　多路采集模塊　

　　本模塊負責采集線路的漏電參數，設計有專用的母板插槽，可以根據用戶的需要選擇所需路數。通常六路插板組成一個采集模塊，其中插板的模塊如圖4所示。調理單元對漏電信號進行放大、分檔，轉換成A／D轉換器能夠處理的信號，送入A／D器件進行轉換，轉換完的結果經過CPU擬合、修正后按照預定的算法跟設定的漏電流值進行比較，根據比較結果得出相應的開關量控制線路的保護動作，實現對線路的保護功能。

　　1．2．2　智能控制模塊　

　　該模塊是多路采集模塊和Modem的橋梁，也是本系統漏電監測單元的核心。如圖5所示，它主要完成如下功能：①多路采集模塊漏電流限值的設定。此功能也可由

　　上位機實現，下位機再次設置此功能是為了監測單元模塊靈活方便地根據具體情況隨時設定線路漏電流的限值。②嵌入式Modem的初始化。要使Modem能正常工作，其內部的寄存器必須經過正確的初始化，智能控制模塊在系統上電復位后立即對Modem進行初始化，以保證出現報警時能及時上傳數據。③故障線路的上傳報警、本地報警。本地報警和上傳報警共同保證了故障的及時發現和排除。④智能控制模塊設置了人機接口模塊，此模塊提供故障線路參數的本地顯示和故障查詢等功能。⑤手動調整實時時鐘單元的時間。實時時鐘由監控中心統一對時，當時鐘走時不準時，可以手動調整［2］。

　　本單元微控制器采用ATMEL公司的89C52芯片，其內部自帶8 K字節的EPROM，256字節的RAM，使系統不需要任何外擴展資源就可以滿足要求。參數采用I2C接口的AT24系列2 K字節的EEPROM，參數包括用戶設置的基本信息和采集模塊上報的漏電信息，基本信息在系統上電時自動調入。實時時鐘采用Philips公司的I2C接口的時鐘芯片Pcf8563。該時鐘芯片走時準確、極低功耗，保證系統提供精確時鐘；看門狗采用MAXIM公司的MAX813L，提供系統上電復位、電壓監測和程序監視，保證了系統的可靠穩定工作［6］。

　　1．3　嵌入式Modem

　　普通Modem通過電話網將監控中心計算機的控制命令下達給智能控制模塊的CPU，嵌入式Modem并將智能控制模塊的報警數據上傳給遠端計算機控制中心，從而完成遠程通信功能［7］。漏電監測單元的Mo－dem采用天石公司開發的嵌入式Modem模塊，該Modem具有14．4～56 KBS的傳輸速率，支持V32BIS、V．34、V．90標準，支持AT命令集撥號／自動應答功能，具有普通Modem的大部分技術參數及功能，可方便地嵌入到微控制器設計中。而遠端計算機控制中心的Modem采用通用的Modem，價格便宜從而節省費用。

　　2　系統的工作模式

　　2．1　下位機故障上報工作模式

　　在正常的工作條件下，多路采集模塊不間斷地采集線路的漏電流情況，數據處理后跟存儲在本機中的漏電流限值比較，如果超限則設置相應的標志位，并將本次漏電值連同標志位一起存儲在固定的地址單元中，同時控制相應的繼電器動作保護本線路。智能控制模塊的CPU按照一定的時間間隔，定時輪詢線路漏電流采集模塊的漏電流情況，如果監測到某一線路的漏電流超過限值，則記錄漏電流發生的時刻和此時的漏電流值到EEPROM中，并通過Modem向監控中心上位機報告本次故障情況，當地亦可顯示漏電流情況。如果沒有檢測到故障，則當地顯示線路的正常漏電流情況，為當地維護人員提供參考。

　　2．2　監控中心定時查詢下位機模式

　　系統正常工作后，如果線路沒有發生故障，智能控制模塊跟多路采集模塊組合在一起構成漏電監測單元，其功能相當于一個多路的漏電測試儀表，但不向監控中心上報任何數據。當故障發生時，向監控中心上報故障情況，這主要是為了避免網絡擁擠的情況發生，并降低用戶的網絡費用。如果某一時刻同時有不同區域的幾條線路發生漏電故障，故障線路多次上報仍然沒有得到監控中心的響應，這時該故障線路不可能長時間重復報警，只能將故障數據存儲到EEPROM中，并且當地顯示報警（這種情況相當少）。這樣上位監控中心的數據有可能錯過一些線路的故障數據，因此，在監控中心的軟件中設置了定時查詢功能，監控軟件按照一定的日期定時查詢下位線路的情況，如果發現有未記錄的漏電故障數據，則保存到數據庫中，并啟動報警功能，為分析線路的絕緣等參數提供幫助。

　　2．3　控制中心手動查詢下位機模式

　　監控軟件在設置定時自動查詢功能的同時，也設置了手動查詢功能，操作人員可以啟動該功能查詢線路的故障電流情況。查詢時上傳的數據跟已存儲的數據比較，如果沒有該數據則將其記錄到數據庫中，并提示操作人員線路有故障發生。

　　3　結束語

　　筆者研發的漏電監測系統實現了對線路漏電流參數的監測功能，不僅為分析排除漏電故障提供了方便，而且減少了線路損耗、節省了電力能源，同時可以替代線路中大量使用的漏電保護器，解決了現在的漏電保護器功能單一、保護值不可變的問題，可以在農村電網、小區供電系統中得到廣泛應用。　

　　參考文獻

　　［1］王福瑞．微控制器測控系統設計大全［M］．北京：北京航空航天大學出版社，1999．

　　［2］遲　巖，莊　諧．低壓配電監控系統在智能住宅中的應用［J］．工業控制計算機，2003，16（4）：42－44．

　　［3］石東海．微控制器數據通信技術從入門到精通［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2002．

　　［4］熊志金，陳三寶．基于嵌入式Internet的電力線在線監控系統設計［J］．電子設計應用，2003，（9）：49－51．

　　［5］何立明．I2C總線應用系統設計［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2000．

　　［6］李中華．一種遠程數據采集模塊設計［J］．計算機測量與控制，2003，5（11）：368－370．

　　［7］黃　軍．DELPHI串口通信編程［M］．北京：人民郵電出版社，2001．

　摘自《浙江科技學院學報》

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