本文設計并實現了基于GPRS的GIS局部放電的遠程數據傳輸系統，該系統的主要任務是借助無線通信系統，將GIS局部放電的數據采集系統與監控中心計算機系統連接起來，從而實現變電站現場數據的實時傳輸以及監控中心對現場的監控功能。
1 系統總體結構
局部放電的遠程監測系統分為現場數據采集終端、GPRS通信模塊和監控中心3部分。由于局部放電脈沖所激發的電磁波的頻帶較寬，為了獲得比較豐富的信息，本文采用自補結構的超寬帶雙臂平面等角螺旋天線，該天線在超高頻頻段具有非頻變特性，天線阻抗近似為50 Ω，在寬頻帶內很容易實現天線和傳輸線間的阻抗匹配，避免了波形畸變。天線放置于GIS外部，靠近GIS外殼和盆式絕緣子連接處。信號傳輸線使用雙屏蔽電纜，屏蔽銅絲網多點接地，避免信號在傳輸過程中引入干擾。由于GIS中的局部放電信號極為微弱，信號在電纜中也有衰減，因此，采用高頻雙通道前置放大器，以提高信噪比，放大器在300 MHz～1．6 GHz頻帶內的增益大于25 dB。現場數據采集終端通過RS232接口傳輸數據給GPRS通信模塊；GPRS通信模塊通過GPRS網絡采用TCP／IP協議實現系統現場采集終端和監控中心上位機之間數據通信。監控中心為整個監控系統核心，完成系統管理控制和數據匯總、分析和處理數據，中心對接收到的數據進行存儲處理，同時也能發送控制指令和數據到現場數據采集終端。系統總體結構框圖如圖1所示。
2 現場數據采集終端
現場數據采集終端主要由信號獲取與處理和單片機系統組成。現場數據采集終端結構框圖如圖2所示。主要信號處理電路、MCU、實時時鐘、E2PROM和RS232串口。
傳感器將測得的信號經A／D轉換后送入單片機，經單片232電平，由TCP／IP協議轉換模塊送入GPRS無線數據傳輸模塊(以下簡稱GPRS模塊)中，這時，該模塊中的信號已轉換為TCP／IP協議的網絡信號，再傳到GPRS網絡(GPRS網絡通過路由器與Internet相連)，最后將數據包發送到具有固定IP地址的監控中心服務器端口。MCU選用AT89S51單片機，其它組成部分大多數與單片機直接相連在其控制下工作。E2PROM存儲和RS232通訊與儀器測量數據相關，保存傳輸系統參數和測量數據。實時時鐘芯片選用美國DALLAS公司推出的DS1302芯片，可以對年、月、日、周、時、分、秒自動計時，且具有閏年補償功能，時鐘操作可通過AM／PM指示決定采用24或12小時格式，工作電壓為2．5～5．5 V。單片機讀取實時時鐘芯片，記錄各模擬量采集時的時刻，以獲得GIS在對應時間下局部放電的數據。控制器采用了ATMEL公司的AT89S51，這是一個低功耗、高性能的8位單片機，片內含4 kB ISP的可反復擦寫1 000次的Flash程序存儲器，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳；4 k B Hash片內程序存儲器；128 B的隨機存取數據存儲器(RAM)；32個外部雙向輸入／輸出(I／O)口；5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷；2個16位可編程定時計數器：2個全雙工串行通信口。
3 基于MC55的終端通信單元硬件設計
MC55模塊對外有兩個通信接口，一個通過RS232接口與主控MCU連接，另一個利用GPRS模塊撥號登陸至GPRS網絡。兩個接口之間采用數據直接轉發的透明機制，實現數據采集終端和GPRS無線網絡的互聯。主站發送的數據通過天線進入MC55模塊，經過TCP／IP協議解析提取有用數據，根據通信規約重新組幀發給MCU，MCU響應的數據經過MC55模塊調制成GSM信號，通過外部數據網以TCP／IP傳輸協議傳送至主站。
4 系統軟件設計
系統軟件實現的核心是單片機與GPRS模塊之間的通信：首先定義通信協議，并規定幀的格式，再通過AT指令實現GPRS網絡附著并激活TCP數據鏈路，完成數據傳輸任務。單片機上電后，系統對串口、多路轉換開關初始化，并通過AT指令對GPRS模塊初始化，包括獲得IP地址、監控中心計算機的IP地址以及檢查端口、配置GPRS服務號碼等。單片機通過循環方式采集電路的參數并存入數據緩沖區，利用串口中斷程序判斷是否有來自GPRS模塊的數據。如果有，就將數據發送到GPRS模塊，由內置的TCP／IP協議進行處理并發送。GPRS終端通過GPRS模塊實現無線上網功能。系統主程序流程如圖3所示。
在對GPRS模塊控制時采用AT指令，AT指令集是從終端設備或數據終端設備向終端適配器或數據電路終端設備發送的。GPRS指令是用于模塊連接到GPRS網絡上的指令，通過這些指令可以設置模塊在連上INTERNET之前模塊的各種參數，AT+CGCONT用于設置模塊所附著的網絡。AT+ CGACT激活網絡。TCP／IP指令是用于應用TCP／IP服務的指令，主要功能是通過GPRS網絡連接上INTERNET后建立建鏈接，完成數據傳輸。
5 監控中心
監控中心是整個監控系統的核心，它在系統中所起的作用是系統管理控制和數據匯總、分析和處理。對于監控單位來說，普通的服務器或P C機就能夠勝任監控中心的全部工作。服務器端軟件采用LabWindows／CVI作為設計平臺。采用WinSock控件接收遠程數據，并將數據存到access數據庫中。Microsoft提供的Winsock控件對用戶而言是不可見的，用戶不需要了解TCP或底層Winsock API函數，通過設置Winsock控件的屬性和調用該控件的方法，就可以很容易地連接到遠程計算機并進行雙向的數據交換。Winsock創建服務器應用程序，先設置一個本地端口(LocalPort屬性)，用Listen方法監聽這個端口，當客戶機連接到該端口，就會發生ConnectionRequest事件，調用Accept方法完成連接過程。建立連接后，下位機發送數據過來時，產生DataArrival事件，調用GetData方法就可獲取數據。
6 結束語
本系統實現了GIS局部放電遠程監控，節約了人力成本。當然，在進行系統測試過程中，發現仍有值得改進之處，最明顯的問題就是對于移動運營商提供的通信信道的要求較高，在一些移動信號覆蓋較弱的區域，可能出現無法登陸GPRS網絡的現象。此外，基于TCP／IP協議的數據傳輸過程中，通雙方先握手建立可靠連接，這造成傳輸數據時出現明顯的延時，系統實時性降低。對于實時性要求較高的系統而言，可以考慮采用U D P協議進行傳輸，省去通信雙方建立可靠連接的過程，但要求數據傳輸格式更加嚴格，編寫程序更加完整。通過這套系統可以建立起實用性強、覆蓋面廣、實時性好、靈活性好的GIS局部放電數據采集系統，已在測試過程中取得良好效果，運行穩定。隨著數字變電站技術的不斷發展和GPRS網絡的不斷完善，該系統將有更廣闊的前景。