GPS授时的配电监测系统设计

王 甜，张志伟,b,c，戴一帆，魏玉芸，朱 祥

(中北大学 a.信息与工程学院；b.电子测试重点实验室； c.仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



GPS授时的配电监测系统设计

王 甜a，张志伟a,b,c，戴一帆a，魏玉芸a，朱 祥a

(中北大学 a.信息与工程学院；b.电子测试重点实验室； c.仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

随着对电能传输过程保质量、高效率、强可靠的要求，时间同步设备对于电力系统安全运行以及故障检测尤为重要。文中介绍了以STC12C5A60S2单片微型计算机为控制器，NEO-6M 为全球定位(GPS)授时定位的配电监测系统。首先，对系统的功能实现做了整体框架设计；其次，着重对配电参数的采集、GPS授时定位模块做软硬件设计以及进行PROTEUS仿真；然后，通过液晶显示器(LCD)12864实现GPS时间、地理位置显示；最后，设计上位机软件进行试验，完成整个系统功能的实现。

STC12C5A60S2单片微型计算机; PROTEUS仿真; GPS授时; 液晶显示12864; 配电监测

0 引 言

电力公司和能源设施对时间和频率有严格的要求，以便有效的传送和分配动力。然而，由于目前我国配电变压器分布散落，使得它们在各自的时钟下工作造成系统时钟失去同步，进而对整个电力网的时间同步造成严重影响，比如不断出现的停电事故就是因为电网时间的不同步；此外，对故障的检测排查也造成很大麻烦。因此，电力系统自动化安全运行一个重要因素就是电力网时间的精确和统一[1]。基于此，许多电力公司将基于GPS授时的时间同步设备引入发电厂和分电站[2]。

24颗GPS卫星以12个恒星为周期环绕地球运行，使得在地面任一点均同时接收6颗卫星的定位信号，而我们只需要其中4颗卫星的定位信息即可完成授时功能[3]。GPS授时相对于传统授时在地理、延时等方面显示出更加高精度[4]、低成本、易于控制等优势；基于此，本文介绍了基于GPS高精度授时、LCD12864液晶显示的配电监测系统的设计及其功能的实现。

本文选择宏晶科技生产的单时钟/周期(1T)STC12C5A60S2单片机作为CPU构建嵌入式系统，它自带有高达60kb快闪只读存储器(Flash ROM)和1280 B的SRAM，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍[5]。设计系统也以STC12C5A60S2单片微型计算机(MCU)为处理器实现对GPS信号采集还从中解析日期、时间、经纬度并通过液晶屏显示。此外，通过SA9105F电度芯片进行三相电能计量和ADC0809模数转换芯片、数据存储以及和上位机进行通信等功能。

1 硬件结构设计及实现功能

1.1 系统结构设计

GPS高精度授时的配电监测系统，如图1所示。

图1 基于GPS高精度授时的配电监测系统示意图

本系统实现以下三部分功能：

1) 单片机控制GPS模块接收卫星信号实现该系统的实时授时，大大提高了时间的精确度。有GPS信号时通过GPS定位自动将时间信息校准到本地时间；无GPS信号时采用本地时钟电路进行日期显示。电源电路主要给GPS模块和LCD液晶显示模块供电，其中LCD12864液晶显示器实现对时间、经纬度显示。

2) 在功能1)的基础上实现对配电参数(三相电压、电流、功率因数等)的采集，通过上位机即用户机(PC)对单片机发送指令，单片机对互感器相关电路进行配电参数采集并且存储；

3) 实现下位机(即STC12C5A60S2单片机)与PC的USB实时通信，其速度相比于串口通信提高了100多倍。

PC上位机软件可以储存和管理多台配电变压器的名称、容量和安装位置等各种信息。当GPS授时的变压器较多时，工作人员可根据GPS授时时间和定位寻找故障。限于篇幅，下面重点介绍前两个功能。

1.2 数据采集设计

设计中配电参数采集主要是三相电压、电流等信号的采集。首先，采集电路采集到变压器低压侧的电压和电流量；然后，通过调理运放电路并经过模数转换芯片ADC0809进行模数转换；最后，传送给单片机进行数据处理。ADC0809对输入信号要求是单极性，电压范围为0～5 V。为防止信号太小须进行放大，本文设计出以下采集电路：

1)电流信号采集采用三个精密微型电流互感器，电流信号采用差分输入(可减小误差)。以A相电流采集为例，如图2所示：从互感器TR1经过并联的滑动变阻器RV1得到输入电压要求范围内的电压，再经过电容器C1滤波后，得到的小信号经过LM324放大器放大后接入模数转换芯片ADC0809将模拟信号转换为数字信号。B相、C相电流采集与A相原理相同[6]。

图2 电流调理运放电路图

2)电压信号采集则采用三个精密微型电压互感器，模数转换芯片ADC0809中电流、电压信号均为单端输入“A相”原理如图3所示。由火线接入电压互感器TR2后经过变阻器RV2分压使输出电压符合ADC0809要求的输入范围，再经过滤波，对地接电容C2以稳定读点电位，此处LM324为电压跟随器，使电压信号不衰减地传到负载，将输出稳定电压输入到ADC0809输入端。B相、C相电压采集与A相原理相同。

图3 电压调理运放电路图

1.3 GPS接收模块设计

GPS接收模块是接收机最重要、最关键的部分，这里采用瑞士U-Blox公司生产的NEO-6M系列NEO-6M-0-001作为接收模块，具有24引脚，工作电压2.7 V～3.6 V；它是以高性能U-Blox 6定位引擎为特色的独立GPS接收机，且尺寸小巧，在16 mm×12.2 mm×2.4 mm的微型封装内提供了众多连接选项，200多万个相关器首次使用定位时间不到1 s，更新速率达到5 Hz；其紧凑的结构和断点记忆功能使得NEO-6模块非常适用于电池供电且具有严格尺寸和成本要求的大众市场终端产品[6]。

该GPS接收模块主要参数有:TIMEPULSE信号精度为30 ns；水平精度以圆概率误差(CEP)，即GPS定位在2.5 m精度的概率为50%；支持UART、USB、SPI接口通信，文中采用串口与外部设备MCU通信；它支持NAME、UBX、RTCM协议，在这里选择应用比较广泛的NAME 0183协议。

图4为GPS接收模块硬件连接原理图，VCC引脚接3.3V电源；TIMEPULSE引脚接蓝色LED指示灯，模块上电后指示灯亮，开始接收GPS信号时指示灯闪烁；RF_IN引脚接天线；SCL2和SDA2分别与电可擦可编程存储器24AA32A的SCL和SDA相连，每次掉电重启后，GPS模块会从中加载配置信息；V_BCKP引脚接备用电源；由于单片机和u-blox芯片输出均为TTL电平，则RXD1与单片机的RXD直接相连即可，用于单片机控制其接收信号；TXD1和单片机的TXD直接相连，用于向单片机发送采集到的GPS信号，单片机按照NAME 0183协议解析信号从中分离提取出时间信号通从而得到自主授时[7]。

图4 GPS接收模块硬件连接原理图

2 系统软件设计与实现

2.1 系统主流程设计

如图5所示，系统主程序工作流程与硬件电路设计中各模块相对应，系统开始工作时，首先对STC12C5A60S2单片机、ADC0809模数转换芯片等进行初始化，读时钟的日期和时分，记录开测日期和时分并开始对三相电压电流进行采样，根据相应的参数计算无功投切相应参数，通过该参数确定系统是否需要调用无功投切子程序，如果需要则调用该子程序；如果不需要执行该程序，则判断时间是否到达一分钟并执行读表指令，判断该指令内容，继而循环此过程；软件采用C语言编写和结构化设计程序，在Keil uVision4集成开发环境中完成，再经过不断地调试、修改、仿真。最后，通过上位机软件完成对配电参数的监测。

2.2 GPS接收模块软件设计

GPS授时技术就是利用接收机接收卫星不断发出的时钟参数，GPS接收机接收后发送给单片机再传给LCD12864液晶显示，而单片机如何从接收机中提取出我们需要的事件信息就是该部分的关键,因此了解与解析协议格式关系到整个授时功能的实现。

图5 主程序流程图

GPS数据的传输采用NMEA0183数据格式，是美国国家海洋电子协会(NMEA)为海用电子设备制定的标准格式[8]，它定义了GPS接收机信号的输出格式，共有十多种，输出均为ASCII码，包含了纬度、经度、速度、日期、时间、航向、以及卫星信号情况等大量信息，如果单片机全部接收再处理数据将会占用特别大的RAM，编写程序时就需要数据存储程序，由于该系统还有数据采集部分程序会导致开发成本高、调试难度加大；因此，在这里采用选择接收的方式，根据需求按照特定的格式编写相应的程序从中解析出有用信息，大大节约了RAM并较少程序处理时间，提高系统运行速度。

在此次设计中根据所需要的GPS授时功能只运用到了＄GPRMC定位数据语句，其结构为：

＄GPRMC,<1>,<2>,<2>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh

其中“＄”帧首，标志信息起始；GP为发送者ID,表示为GPS信号；RMC为句子ID，表明接下来<1>～<11>数据域包含的信息,这个句子中依次为定位点(UTC)时间、定位状态、纬度、纬度方向、经度、经度方向、对地航速、航向、定位点UTC日期、磁偏角、磁偏角方向；*hh为数据域各位的校验和；代表协议帧结束[9]。综上所述，GPS模块的软件流程如图6所示。

图6 读GPS信息流程图

2.3 PC机界面设计

上位机程序主要作用是实现对下位机的控制，即数据的双向传输。上位机通过写命令控制下位机采集配电参数，采集到的数据存储在USB接口芯片的缓冲区(端点)，当再次接到PC机对其发送命令时则将端点的数据转发给PC机实现监测。这就需要相关的PC机界面实现相应的显示、查询功能。可以根据不同的要求编写相应的人机界面。

采用VC++6.0针对采集要求设计的人机界面，如图7所示。界面上设计了“采集”，“查询”，“整理”，“报表”等8个控制项，每一项下又可以实现其相关功能。“采集”按钮实现配电参数采集以及存库；“整理”则实现对数据库数据的备份、清除、恢复等功能；“查询”则根据具体编号变压器在具体时间的具体配电参数的查询，不仅可以对A、B、C相电压电流进行监测，还可以分别对其三相功率因数进行测量；“参数”按钮实现对变压器编号、变比、容量等参数的记录设置；“报表”按钮可查询负荷分析表、日负荷记录表、电量统计表、配变参数管理表等，除此之外，还可以实现远抄功能。点击“退出”则退出程序。

图7 配电参数采集人机界面

3 GPS授时显示仿真

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件，能够仿真单片机及外围电路的仿真，对于验证程序以及电路的正确性有很大帮助。

仿真主要有三个步骤：(1) 按照原理图布图，在这里所有的器件必须可以在库里找到仿真原型，找不到的可以找兼容的器件代替。由于STC12C5A60S2单片机与51单片机代码完全兼容，在本次的仿真以51系列单片机AT89C51代替STC12C5A60S2单片机进行仿真；(2) 代码调试，在Keil uVision4编写完成后进行调试，成功后再进行编译生成.hex文件，下载到图7中单片机；(3) 本次仿真只对GPS输出的信息进行解析，使得授时信息显示在LCD上，因此需要将单片机与外围电路协同仿真，这里利用虚拟串口VSPD通过图7中的COMPIN串口接收来自GPS接收机的信号，设置好COMPIN的波特率和COM口后点击仿真按钮[10-11]。表示仿真成功，如图8所示。

图8 GPS授时仿真显示

4 实验结果

测试结果主要是基于GPS授时的数据监测，因此，要完成两部分的功能即GPS接收模块时间显示及上位机对相关配电数据的显示。

4.1 GPS模块实验结果

测试时给STC12C5A60S2单片机上电后，将NEO-6M-0-001接收模块(带天线)放置在可接收到信号的地方，GPS模块与单片机在电源模块供电下，首次定位时间稍长一点，当没有GPS信号时本地时钟电路提供时间，如图9a)所示，当有GPS信号时显示GPS授时时间，如图9b)所示。测试地点为中北大学，显示信息如图9所示。

图9 无GPS信号和有GPS信号时授时

4.2 配电监测实验结果

配电参数的监测查询结果如图10所示，利用设计好的USB接口实现PC机与配电采集系统的通信，选择所要测量变压器编号，在GPS授时显示为12月19日15:28:08时，点击“查表”按钮，选择负荷分析选项，选择所要查询的条件，点击查询则出现图10所示的负荷分析结果，限于篇幅实验结果只给出负荷分析查询结果，该监测系统还可对电流、功率以及功率因数等进行实时监测，至此实现了GPS授时的配电装置电参数的监测。

图10 10106号变压器负荷分析查询

5 结束语

该系统分别在硬件、软件上将GPS授时和配电数据采集结合，完成基于GPS授时的配电监测系统设计。测试结果显示系统很好的实现授时、监测功能，使用嵌入式NEO-6M-0-001 GPS模块，确保信号接受的精确性，当众多配电变压器分布在不同位置时，则能够精确得到统一的时间和各变压器位置信息，利于获取故障位置信息以便于排查。由于电力系统对时间同步严格性与迫切性要求，加上该GPS模块体积特别小、精度高等优点，实用性强，可推广并应用于其他电力同步设备。

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王 甜 女，1991年生，硕士研究生。研究方向为配电参数采集及传输系统设计。

张志伟 男，1964年生，教授，博士。研究方向为光电探测理论与技术和自动化仪器与仪表。

戴一帆 女，1993年生，硕士研究生。研究方向为光电探测理论与技术。

魏玉芸 女，1992年生，硕士研究生。研究方向为声光调制通信技术。

朱 祥 男，1991年生，男，研究生。研究方向为光外差干涉信号，通信系统与应用。

The Design of Distribution Monitoring System Based on the GPS Timing

WANG Tiana，ZHANG Zhiweia,b,c，DAI Yifana，WEI Yuyuna,ZHU Xianga

(a.School of Information and Communication Engineering; b.Key Laboratiory of Electronic Testing Technology; c.Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Test, North University of China,Taiyuan 030051,China)

With the power transfer requiring ensuring quality,high efficiency,strong reliability,time synchronization equipments are particularly important for the safe operation and fault detection of power system.The distribution monitoring system based on single-chip controller STC12C5A60S2 and NEO-6M GPS timing module is introduced.First,the overall framework of the system is designed to achieve the paticular functions; second,hardware and software design is made mainly on the acquisition system of distribution parameters ，GPS timing and positioning module,PROTEUS simulation is done; then,GPS time and position displaying through LCD12864 is realized; finally,PC software is designed to achieve the the entire system function.

STC12C5A60S2 micro controller unit; PROTEUS simulation; GPS timing; LCD12864; distribution monitoring

��技术·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.017

王甜 Email：1165542838@qq.com

2016-07-05

2016-09-18

TM93

A

1004-7859(2016)10-0074-05