电力参数检测与无线数据传输系统 张晓凡刘军纪传礼 本文介绍了利用微处理机及现代通信技术对我国 刻参数，了解即刻运行情况。 县级电力局所属变电站之电力参数进行自动检测、无 4,调度端主机对检测终端机连续选呼五次不成 线数据传输及兼有无线电话系统的实现。该系统已投 功，则发出告警信号，并转入呼叫下站或复原。 入运行，效果良好。县调度中心可以及时了解远离数 十公里的各变电站的运行状况。它不仅可以用于电力 二、系统组成 系统，也完全适用于油田采油、水文及煤气罐测报系 电力参数检测与数据传输系统由一个调度端和若 统。 干个终端站通过1：N中央无线通信方式组成电话和 本系统的检测终端机可对变电站电力参数自动进 数据传输共用网，如图1所示。· 行定时、瞬时采集与处理，并以报表形式输出。由于数 调度中心对各终端站采用双音频顺序制编码方法 据传输时间短，为充分利用无线信道、数据传输与无线 进行选呼和全呼。当终端站收到调度中心发来的本站 电话采用时分复用方式。下面重点讨论检测终端机。 地址码时，执行电路动作，表示被呼通；当收到非本站 地址码，执行电路拒动。目前用七种音频进行網码，构 一、系统的技术指标和主要功能 成的地址码数为： (一)技术指标 A=N!/(2N-M)!=7!/5!=42(门) 本系统的技术指标如下： 因此可选呼4？个终端站。使用另三种音频作为占线、 1.选呼数目：0~42个。 拆线和全呼信号。 2.使用频段：0.3~3.4kHz。 一般情况下，系统用于无线电话调度工作。当需 3,终端数目：16个。每站可检测模拟量32路 遥测遥信某终端站时，发出占线信号，将网上的所有 和开关量32个。 终端站封锁，再发出选站双音频信号，被呼的终端站 4,遥信输入规范：输入回路用光电隔离；遥信逻 将作出响应。调度端与终端站通过控制单元完成数据 辑以开关闭合为“1”电平，开关断开为“0”电平；输入回 通路的建立（信道存在着调制信号分别为2225Hz和 路接点电压为+5V(DC)。 Y 5.模拟量输入规范：输入电压范围为0~5V;采 电幻 幻 中 集速度为每通道128s(可提高到644s)；采集误差 分的 为士4%；综合计算误差为不大于1%。 MODEM C,数据信号传输参数：调制方式用FSK传输速 率为300bit/8;航结构为11位/字符；检错方式用大 数判快（五中取三）：纠错方式为ARQ反馈重传。 度成国 网 度这动 打机 中机 鱼这司 7.工作电压：终端机±5V(DC),±12V(DC)。 电州 电 电 (二)主要功能 变电站 变电帖m 变电站n 本系统的主要功能如下： 1.调度可定时(3小时)或瞬时呼叫各终端站上 包明 报数据，以表格形式显示并打印下列内容：站名、电压、 电流、功率值、功角、开关状态，并能显示与打印日电 aott☒ 量。 RS-2320 百解司 2.终端站可定时（②小时）或瞬时采集所有电力 打印可 C网 参数及开关状态，并打印输出下列内容：时间、电压、电 流、功角、功率值和电量。 同度中心 3.调度端可通过主机下达命令，可得到变电站即 图1系统构成示意图 g电子技术力189年第8期 (845)-9- 1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
电力参数检测与无线数据传输系统 卜 张 晓凡 刘 军 纪 传 礼 本文介绍 了利用微处理机及 现代通信技 术对我国 县级 电力局所属 变 电站之 电力参数进行 自动检测 、 无 线载据 传输及兼有无线 电话 系统的实 现 。 该系统巳投 入运行 , 效果 良好 。 县调度 中心可以及时了解远离数 十公里的各变 电站的运行状 况 。 它不仅可以用于 电力 系统 , 也完全适用于油 田采 油 、 水文及煤气罐测报系 统 。 本系统的检测终端机可对 变 电站 电力参数 自动进 行定时 、 瞬 时采集与处 理 , 并 以报表形 式输出 。 由于数 据传输时间短 , 为 充分利用无线信道 、 数据传输与无 线 电话采用时分复用 方式 。 下面重点讨论检测终端机 。 刻 参数 , 了解即 刻运行 情况 。 调度 端主机对检测终端 机连续选呼 五 次 不 成 功 , 则 发出告警信 一 号 , 并 转入呼口下站或复原 。 熟 一 、 系统 的 技术 指标 和主 要功 能 一技术指标 本系统 的技术指标如下 丰 选呼数 目 个 。 · 使用频段 咦 。 终端数 目 个 。 每站可检测 模 拟 量 路 和开关量 个 。 遥信 输入规 范 输入回路用光电隔离 遥信逻 辑 以开关闭合为“ ’, 电平 , 开关 断开为“ ’电平 输入回 路接点 电压 为 。 模 拟量输入规范 输入 电压 范围为 采 集 速度为每 通道 户。 可提高到 补“ 采集 课差 为 士 裘 综合计算误差为不大于 。 数据信号 传输参数 调 制方式用 传输速 率为 七 盯 帧结构为 位 字符 检错 方式用大 数判决五中取三 纠错方式为 人 反馈重传 。 工作电压 终端机 士 , 士 。 二主要功能 本系统的 主要功能如下 调度可定时 小时或瞬时呼叫各 终 端 站 上 报数据 , 以表格形 式显示 并打 印下列 内容 站名 、 电压 、 电流 、 功率值 、 功角 、 开关状 态 , 并能显示与打印 日 电 且 。 终端站可定时 小 时或瞬时采集所 有 电力 参数及开关状态 , 并打印输出下列 内容 时间 、 电压 、 电 流 、 功角 、 功率值和 电量 。 调度端可通过主机下 达命令 , 可得到 变 电站即 二 、 系 统 组 成 电力参数检 测与数据传输系统 由一个调度端和若 干个终端站通过 中央无线通信方式组 成 电 话 和 数据 传输共用网 , 如 图 所 示 。 ‘ 调度 中心对各终端 站采用双音频顺序制编码方法 进行选呼和全呼 。 当终端站收到调度中心发来的本站 地址码 时 , 执行 电路动作 , 表示 被呼 通 当收到非本站 地址码 , 执行 电路 拒动 。 目前用七种音频进行编码 , 构 成的地址码数为 哥 一 二 。 们 因此可选呼 姆 个终端 站 。 使用另三种音频作为 占线 、 拆线和全呼信号 。 一般情况下 , 系统用于无 线 电话调度工作 。 当需 遥测遥信某终端 站时 , 发 出占线信号 , 将网上的所有 终端站封锁 , 再发 出选 站双 音频信号 , 被呼的终端站 将作出响应 。 调度端 与终端 站通过 控制单元完成 数据 通 路的 建立 信道存在着调制 信号分别为 和 交电站 女电站 交电姑 司卜, 润度 中心 图 系统构成示意图 《电子技术》 朋肠年第 期 肚 一 一
中回 T叫MODEM 应荠MODEM 亩西南五 壶品 2025/22 取工日 双工 sI回 电 的 270 MODEM 多筛开美 射加都分 附加部分 图3 MODEM原理图 句 开关量 处于呼叫方式，检测终端的MODEM处于应答方式， 侧知量 建立数据通路的必要条件必须得以满足，即各自的 图？检测终端机系统原理图 MODEM须接收到双方发来的“载波”，因此引入了 1270Hz的已调被)。此时，主机与检测终端机便可进 “假载频波”，即给各自的MODEM所需的固定频率和 行数据通信。主机将检测终端机上报的数据由打印机 固定幅度的载波，使其处于呼叫和应答方式。对于主 以报表的形式输出。数据通信完毕后，主机发出拆线 机端所需的“拨号”信号，通过主机键盘命令获得，而检 信号：解除对网上各终端站的封锁。 测终端的MODEM所需的“振铃”信号的处理，用并行 检测终端组成见图1所示，原理图如图2所示。它 接口的一位输出线来控制，模拟收到“振铃”信号，示意 由Z80单板机为核心构成了一个完整的具有数据采 如图3所示的附加部分。我们用这种方法将电话网上 集、数据处理及数据传输，并完成数据与话路兼容的控 用的MODEM改成无线网上用的MODEM,实验证明 制功能的终端机系统。 没有误码，现场运行效果良好。 三、调制解调器的应用 四、话路与数据通路时分复用 微处理机的通信是一种数字信号的传输，即基带 无线电话在系统中与数据传输处于同等重要地 传输。因此，在通过无线电台或电话线传输时，需要使 位，利用无线电话进行调度非常方便，因此要研究易行 用调制解调器(MODEM)完成数字信号到模拟信号的 的数话兼容方法。因为数据传输占用系统工作时间的 调制以及模拟信号到数字信号的解调过程。 一部分，所以采用数话分时复用的体制。这种方法不 系统中使用的MODEM带有RS-232C接口，它 但易于实现，而且电路简单、设备成本降低。实现电话 通过微机带的R9-282C接口，在CPU的管理下，完成 时分复用的原理电路如图4所示。 为通信双方建立数据通道以及数据通信功能。可以进 行全双工或半双工操作，具有呼叫及应答模式和自动 应答与自动断开的功能。采用二进制异步通信格式，速 率为300bit/s,调制方式为FSK,解调方式为计数式 半周期检波法。它的原理如图3所示。 本系统所用的MODEM是采用自动电话网上用 的MODM,经改装后用于无线通信网上。因为电话 话 网有交换台，所以两地的MODEM要进行数据传输， MODEM 10 必须按一定的通信协议建立数据通路方可交换信息， 双方的MODEM建立数据通路的最终结果是信道上 有（两个频率的）叠加载波。它由工作在呼叫方式的 开发射杭控制线 MODEM送出的1270Hz载波和工作在应答方式的 图4选呼及数话转换电路 M0DEM送出的2225Hz的载波合成。同时双方需永 久地接收到对方发来的载波为必要条件，否则数据通 五、检错与纠错方法 路不能建立。另外，MODEM是利用电话网上存在的 由于系统是采用无线数据传输，其抗干扰性能比 拨号和振铃这两个信号决定自己所处的工作状态（方 有线传输差，因此要有检错和纠错手段。 式)。可见，要进行数据通信，必须确定MODEM工作 为了简化通信软件，同时要保证数据的正确性，加 方式，建立数据通路，即1270Hz载波与2225Hz载波 之微机的容量有限，系统采用大数判决及ARQ反馈 存在于信道中。本系统中，设置调度中心的MODEM 重传方法进行检错与纠错。主机与检测终端机之间交 -10一(346) 《电子技术力1980年第8期 1994-201 I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
位通刃兀涂念葡 …奋黝 叫气气 们山 图 原理图 图 检测 终端机系统原理图 宁 的 已调波沁 世例, 主机与检测终端机便可进 行数据通信 。 主机将检测终端机上报的数据由打印机 以报表的形 式输出 。 数据通信完毕后 , 主机发出拆线 信 号 』 解除对网上各终端站的 封锁 。 检测终端 组成见 图 所示 , 原 理图如图 所示 。 它 由 。单板机为 核心构 成了一个完整的具 有 数 据 采 集 、 数据处理及数据传输 , 并完成数据与话路兼容的控 制功能的终端机系统 。 处于呼叫方式 , 检测终端的 处于应答方式 , 建立数据通路的必要条件必须得 以满 足 , 即 各 自的 须接收到双方发来的 “载波 ” , 因 此 引 入 了 “假载频波 ”, 即给各 自的 所需的 固定频 率和 固定幅度的载波 , 使其处于呼叫和应答方式 。 对于主 机端所需的 “ 拨号”信号 , 通过 主机键盘命令获得 , 而检 测终端的 所需的 “ 振铃” 信号的处理 , 用 并行 接口 的一位输 出线来控制 , 模 拟收到 “ 振铃 ” 信号 , 示意 如 图 所示的附加部分 。 我们用这种方法将 电话网上 用的 改成无线网上用的 , 实验证明 没 有误码 , 现场运行效果 良好 。 三 、 调 制 解调 器的 应用 微处理机的通信是一种数字信号的 传输 , 即基带 传输 。 因此 , 在通过无 线 电台或电话线传输时 , 需 要使 用调制解调器 完成数字信号到模拟信号的 调制以及模拟信号到 数字信号的解调过程 。 系统中使用的 带有五另一 接口, 它 通过微机带的 一 留 接 口 , 在 的管理下 , 完成 为通信双方建立 数据通 道以 及数据通信功能 。 可以进 行全双工 或半双 工操 作 , 具 有呼叫及应答模式和 自动 应答与 自动断开的功能 。 采用 二进制异 步通信 格式 , 速 率为 , 调制方式为 卜 邓风 解调方式为计数式 半周 期检波法 。 它的 原理如图 所示 。 本系统所用的 是采用 自动 电话 网 上 用 的 , 经改装后用 于无 线通信网上 。 因为 电话 网有交换 台 , 所以两地的 要进 行数据传输 , 必 须按一定的 通信协议建立数据通路方可 交 换 信 息 , 双 方的 建立数据 通路的最终结果是 信 道 上 有两个频率的叠加载波 。 它由工作 在 呼 叫 方 式 的 址 送 出的 载波和工作在应 答 方 式 的 送出的 的载波合成 。 同时双方需永 久 地接收到对方发来的载波为必要 条件 , 否则数据通 路不能建 立 。 另外 , 是利用 电话网上存在的 拨 号和振铃这两个信号决定 自己所处的工 作 状态 方 式 。 可见 , 要进行数据通信 , 必须确定 工作 方式 , 建立 数据通路 , 即 载波与 载波 存在于信道 中 。 本系统 中 , 设置调度中心的 四 、 话路 与数 据通 路时 分 妞用 无线 电话在系 统中与数据 传输处 于 同 等 重 要 地 位 , 利用无线 电话进行调度非 常方便 , 因此要研究易行 的数话兼容方法 。 因为数据传输 占用系统工作时间的 一部分 , 所以采用 数话分时复用 的体制 。 这种方法不 但易于实现 , 而且 电路简单 、 设备成本降低 。 实现 电话 时分复用的原理 电路如 图 所示 。 助 曰 圈 目 毋 曰 图 选呼及数 话转换 电路 五 、 检错 与纠 错方 法 由于系统是采用无 线数据 传输 , 其 抗干扰性能比 有线传输差 , 因此要有检错和 纠错手段 。 为 了简化通信软件 , 同时要保证数据的正 确性 , 加 之微机的容最有限 , 系统采用 大数判决及 人丑 反馈 重 传方法 进行检错与纠错 。 主机与检测终端机之间交 一 一 豁 《 电子 技术》 口即 年第 期
换信息一数据或命令，每顿发五次，五中取三判决， 有： 即有任意三懒字节相同，则认为该顿（字节）为所接收 rw=Py☑i+P3wdi+…+Pw4t,+… 的数据或命令正确，否则传输有错。在此情况下，可重 发以达到纠错的目的。如果五次收到的数据都有错，则 =P,, 发出告警。 Qxw=Pw41+Pu4ig+…+Pod,+… 采用上述到错方法是基于对实际信道误码率的划 -会Pk 试，其P。为10‘，最大突发长度为8位。考虑到环境 取t,=1/3G00(h) 电气设备的影响，进行了冗余设计。该方法经现场应 Qw=1/36002P(kw.h) 用，效果尚好。 Qw-1/36002Pw(kW) 六、软件组成 功率因数cos中利用有功功率和视在功率来得 系统软件采用模块化结构。按功能化分，模块间彼 到。设有功功串为P视在功率为P,则有： 此独立，它们之间的信息交换是通过固定的缓冲区和 cos中=Pv/P.=Pv/√3Ualn 指定的工作单元进行。这样，某一模块的修改不影响其 上式右侧的参数为已知量。考虑到电压、电流的 它模块，易于扩充。主要模块软件有初始化模块、实时 瞬时不平衡性，取U,、I之积的平均值，因此功率因 钟模块、数据处理模块、通信模块、打印模块和中断处 数也就有其平均的特性。 理模块，其主程序流程图如图5所示。 U数l轴=1/3(U4Bla+Ucla+UoAlo) 开蜡 cos中=√3P,/(U4al4+Uolg+UoIo) 示 关中晰、照中撕城.置中断方式 本文所讨论的系统经实践证明是成功的，系统经 受了现场强磁场的干扰，无故障、运行稳定可靠，已通 使？体风，做据骨件区初略调 过了省级技术鉴定。该系统是在原无线调度电话网基 CTC.PO.SIO粉喻化 础上形成的，目前正进一步研究与实现直接利用微机 打印W 开中解 对终端站进行选呼和有线/无线电脑自动拨号系统。 图5主程序流程图 (上接第8页) 表2 七、电量、功角检测及电量的累计方法 f(Hz) 0.5 1.0 2.0 4.0 8.0 目前有功电量、无功电量及功角变送器尚无工业 产品，对它们的检测一般是在电度表盘上加装如电磁 IH(⊙)|(dB) 15.3322.6645.06 67.11 87.50 铁、光电器件等的检测元件，将表盘的转数变换成电脉 用上式计算得滤波器特性如表2， 冲数，从而可以得到电量。该方法有很大的缺点，一是 由于有源滤波器后接A/D转换器，因此考虑到其 要打开电表装检测元件影响电表精度；二是给计量部 输入范围为一1.9999V~+1.9999V,滤波器的直流 门和用户带来不便。本文介绍的方法是将功率对时间 增益k取0.8。同时，若电阻都采用精密金属膜的电 进行积分来得到电量。该方法充分利用了微型单板机 阻（精度为0.01%），电容器容量的精度在1%以内，截 运算速度快的特点，由软件代替硬件。 止频率可以下降到4日z。 设有功电量为，无功电量为？，有功功率为 P无功功率为P,则有： 三、A/D转换器 Pd A/D转换器将前级输出的电压信号转换成BCD g.-rt 码送入到MC9-48系列单片微处理机中进行补偿修 正，并变换成位移量，再通过CPU将该位移量在显示 由于采用数值计算，时间元：的选取是关键。从 电路上实现显示。 理论上讲，：越小，则电量的积分值越准确。在电力 设计A/D转换静电路的要求是：分辨率达0.1 系统中，一部大型用电设备的启动一般在8~15s内 mV;量程为0~士1.9999V;对采样速度不作任何要 可以完成，即进入稳态。我们选取：为13，已满足本 求。为此我们采用双斜率积分式的42/2位A/D转换 系统的要求。 器TSC7135。在7135的输入端接一个RC低通滤波 议。时刻的有功功率、无功功事分别为Pw、Pw, 电路，使A/D转换信号更加稳定。 4电子技术为1980年第8期 (847)-11一 1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
换 信息— 敬据或命令 , 每帧发五次 , 五中取三判决 , 即有任意三 祯字节相同 , 则 认为该帧 字节为所 接收 的数据或命令正 确 , 否则传 输有错 。 在此情况下 , 可重 发以达到纠错的 目的 。 如果五次收到的数 据都有错 , 则 发 出告警 。 采用上述纠错方法是基 于对实际信道误码率的测 试 , 其 为 一 , 最大突发长度为 位 。 考虑到环境 电气设备的影响 , 进行 了冗余设计 。 该方法经现场应 用 , 效 果尚好 。 有 叼 , , 刁‘ , , ‘, … ‘, 刁‘。 一 艺 乃沪’ ‘, 。 ‘。 刁‘, 尸知 刁 … 一。 “ … 习 几 。 , ‘ 恨一 取 刁 ‘二 六 、 软 件 组 成 系统软件采用模块化结构 。按功能化分 , 模块间彼 此独立 , 它们之间的信息交换 是通过 固定 的缓冲区和 指定 的工作单元 进行 。这样 , 某一模块的修 改不影 响其 它模 块 , 易于扩充 。 主要模 块软件有初始化模块 、 实时 钟模块 、 数据处理模块 、 通信模 块 、 打 印模块和中断处 理模块 , 其主程序流程图如图 所示 。 心 。 习 ‘, ‘一 心 。 艺 ‘。 “ · 关中断 、 盈 中断 孤址 进 中断方式 立 杯志 民 胜 据贾存区 , 初 始位 功率 因数 价利用 有功功率和 视 在 功 率 来 得 到 。 设有功功率 为 几 , 视在功率为 凡 , 则有 , 价 氏 凡 一 尸扩寸百 砂“ 上式右侧的参数为 已知量 。 考虑到 电压 、 电流的 瞬时不平衡性 , 取 从 、 幼 之积的平 均值 , 因此功率 因 数也就有其平均的特性 。 故劫 , , ‘ , 。 , , 价二 了百 尸。 , , 通 口, 。 , 。, 本文所讨论 的系统经实践证明是成功的 , 系统经 受了现场强磁场的 千扰 , 无故障 、 运行稳定可靠 , 已通 过了省级技术鉴定 。 该 系统是在原无 线调度电话网基 础上形成的 , 目前正进一 步研 究与实现直接利用微机 对终端站进行选呼 和有线 无线电脑 自动拨 号系统 。 图 主程序流程图 上接第 页 七 、 电 、 功 角检洲及 电 的 累计 方 法 目前 有功 电量 、 无功 电量及功 角变送 器尚无 工业 产品 , 对 它们的检测一般 是在 电度表盘上加装如 电磁 铁 、 光 电器件等的检测元 件 , 将表盘的 转数 变换成 电脉 冲数 , 从而可以得到 电量 。 该 方法有很大的缺点 , 一 是 要打开 电表装检测元件影响 电表精度 二是给 计量部 门和用户带来 不便 。 本文介绍的方法是将功率对时 间 进行 积分来得到 电量 。 该方法充分利用了微型单板机 运算速度快的 特点 , 由软件代 替硬件 。 设有功 电量为 , , 无功 电量为 心 。, 有功功率 为 几 , 无功功率为 几 , 则有 表 一匕竺土一 田 匡 · , 阵 · 兰 · “ 兰 · 王 兰” · 。 用上式计算得滤 波器特性如表 。 由于有源滤波 器后接 转换 器 , 因此考虑到 其 输入范围为 一 ! ∀ # ∃ ! , 滤波器的直流 增益 k 取 0 . 8 。 同时 , 若 电阻都采用精密 金属膜 的 电 阻(精度为 0 . 01 % ) , 电容器容量的精度在 1% 以内 , 截 止频 率可 以下降到 4H za 吼一 j: 晒 “。 一 厂片, 。 由于采用 数值计算 , 时间元 水 的 选取是关键 。 从 理论 上讲 , 水 越小 , 则 电量的 积分值越准确 。 在 电 力 系统中 , 一部大型用 电设备的启 动一 般 在 8~ 15 5 内 可以完成 , 即进入稳态 。 我们 选取 水 为 工s , 巳满足本 系统 的要 求 。 设 ‘时刻的有功功率 、 无 功功率分别为 只 , 、 马。 三 、 A / D 转换 器 A /D 转换 器将前级输出的 电压信号转 换 成 B C D 码送入到 M CS 一 48 系列单片微处理机 中进 行 补 偿 修 正 , 并变换成位移 量 , 再通过 C P U 将该位移里在显 示 电路 上实 现显示 。 设计 A /D 转换器 电路 的要求是 : 分 辨 率 达 0 . 1 m v ; 量程为 。~ 士 1 . 9 99 V ; 对采 样速度不作任何要 求 。 为此我们采用双 斜率 积分 式 的 4丫, 位 A /D 转换 器 T sc 7135 。 在 7135 的输入端接一个 R o 低通滤波 电路 , 使 A / D 转换信号更 加稳定 。 《 电子技术》 扮肠 年第 8 期 (胜7)一 11 一