GSM通信智能脱扣器系统设计
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随着科技的不断发展，人们对脱扣器性能提出了更高的要求，可通信、高性能、高可靠性、小型化、模块化、组合化、电子化和智能化成为脱扣器发展的方向。20世纪90年代，随着微处理器的蓬勃发展，出现了带微处理器的智能型脱扣器，标志着脱扣器进入了智能化阶段。如今，在信息技术和计算机网络的发展下，能与中央控制设备实现双向通信的智能脱扣器前景十分广阔。将智能脱扣器做成独立于某一型号断路器的通用型产品，也成为了一个发展趋势。因此，开发和研制新一代的智能脱扣器，具有重要的现实意义。我国现有的智能脱扣器与监控中心的通信均为传统的有线通信方式，主要为CAN、Modbus和Profibus三种总线系统。随着我国发电行业转向绿色可再生资源(如风电和太阳能发电)，传统的水力、火力发电中发电机组集中分布的情况已经变为分散式分布，风电站中每台风机之间间隔数百米甚至上千米，如果采用传统的有线通信方式传送现场数据，功耗大、前期投入大，后期还需耗费极大的人力、物力来维护和升级，因此，应选择无线通信方式。选择全球移动通信系统(GlobalSystemofMobileCommunication，gsm)短信通信方案，具有建设和维护成本低，通信可靠、迅速，监控人员可在移动中监控电网中出现的故障。通过GSM短信系统，使断路器具备遥测、遥控、遥信、遥调的“四遥”功能，满足电网输配电管理的网络化、自动化要求。
1GSM短信监控简介
短消息服务(ShortMessageService，SMS)是GSM技术应用的一项重要内容，具有一些突出特点，如一次可传输140Bytes的数据，数据的内容可以是字符或数字，其可以在GSM(全球通)网络内端对端的传输，还可从GSM网络外(如互联网)发送短消息给一个端点站;短消息通过设在移动通信部门的短消息中心(Message，ServiceCenter，MSC)，用GSM系统的信令信道传送，与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可进行传送。在短消息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程。MSC具有短消息的存储功能，当终端设备关机时，也可以保持消息在一定时间内有效等。利用这些特点及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和遥控。SMS是GSM系统中唯一不需要建立端到端业务通道的服务。点对点短消息是以任意形式的字母数字串通过数字控制信道传送的。空闲时占用独立专用控制信道(Stand-AloneDedicatedCon-trolChannel，SDCCH)，信息速率为782b/s;通话时占用慢速随路控制信道(SlowAssociatedCon-trolChannel，SACCH)，信道速率为383b/s。为了避免延时过长及这些争抢接入信道的负荷过大，每条短消息最大帧长度为140Bytes(按ASCII字符7bit编码为160个字符)。因此，无论话音或数据通信是否正在进行，都可以在任何时候发送或接收短消息的传输协议数据单元(TransportProto-colDataUnit，TPDU)。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立GSM系统不需要再组建专用通信网络，故具有实时传输数据功能的短消息应用，将可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，可以广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。
2系统结构和工作原理
2.1系统结构
智能脱扣器GSM监控系统依托现有的GSM网络，用于向手机或其他接收设备进行数据传输;也可以加上现场总线通信模块，组成多通道冗余通信系统，增加电网系统的可靠性。系统结构示意图如图1所示。
2.2系统工作原理
虽然智能脱扣器GSM通信系统和通信协议完全透明传输，但为了更好、更快地操作脱扣器，根据用户需求和现场实际情况，定义了一些控制器的操作格式。同时，由于手机显示的便捷性，对所有数据都采用如Ia:1000A的直观描述，使用户更加方便。其中，各符号的表述符合GB/T22710—2008《低压断路器用电子式控制器》［1］。
2.2.1智能脱扣器工作原理通过互感器，将主线的电压、电流信号转换成模拟电路可处理的电平信号;信号处理单元对这些信号经过滤波、调理，转换成微控制单元(MicroControlUnit，MCU)的A/D模块能转换的信号;A/D模块则对这些信号采样，将模拟信号转换成数字信号;CPU进行逻辑运算和处理，运算结果与整定值比较后输出符合预定保护特性的逻辑电平信号;这些信号经放大后直接驱动断路器的执行机构，使断路器动作。各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设定，预先储存在Flash，并可在应用中随时修改。
2.2.2GSM短信监控工作原理系统正常时，各具有权限的手机号可对脱扣器状态进行查询，对该脱扣器的实时电流及各项保护值进行查看，并可对脱扣器进行保护值修改。可通过多种方式对脱扣器进行监控操作。
(1)管理中心计算机控制。通过通信接口，将控制命令按通信协议送入短信控制机;短信控制机将命令组合打包，通过短信方式传输到短消息数据传输模块ZWG－01DP［2］，ZWG－01DP将所接收的数据进行解包、校验，并将完整的命令通过通信接口下传到智能脱扣器;智能脱扣器根据指令对本体进行相应操作，操作结果相关数据再通过短信送入ZWG－01DP;模块再将数据组合打包，以短消息方式传输给短信控制机，GSM短信控制机将数据解包、校验后送入管理中心计算机。整个控制过程完成。
(2)工作人员通过手机发送短消息控制。手机按格式编辑短消息，发送到短消息数据传输模块ZWG－01DP;ZWG－01DP将接收的数据进行解包、校验，并将完整的命令通过通信接口下传到智能脱扣器;智能脱扣器根据指令对本体进行相应操作，操作结果相关数据再通过短信送入ZWG－01DP;模块将数据组合打包，以短消息方式传送至工作人员手机上。
(3)控制器故障报告。出现故障时，脱扣器主动将故障状态以短信方式发送到管理中心计算机或工作人员手机上，自动提醒抢修人员进行排查和维修，实现无人值守。
3系统设计
智能脱扣器的监控对象是线路运行电流，无论是对电流的检测还是对电器设备的保护动作，均要求具有很高的实时性、可靠性。此外，监控单元物理空间小，系统内存容量有限，程序编写和数据存放都要精心考虑。
3.1智能脱扣器软件主流程
主程序主要实现功能调度机制。首先，进行系统的初始化工作;然后，系统自检，检查系统是否正常。若不正常，则报警，继续执行自检工作;如果正常，电流一周期采样结束后，进行电流监测和数据显示。当线路故障时，主动发送故障信息;当收到上位机的查询短消息时，发送相应的数据。电流信息处理结束后，根据按键信息状态对按键进行处理;然后，根据通信状态进行通信处理。所有工作结束后，回到自检部分，重复上述过程。控制软件主流程如图2所示。由于自检工作对于智能脱扣器能否正常工作非常重要，故将其安排在所有任务前面。系统一切正常后，才能继续进行其他工作。由于电流监测判断是非常重要的工作，优先级高于按键处理和通信处理，因此，在调度时常排在其前面。图2智能脱扣器控制软件主流程图系统设定的电流采样频率为32kHz。对于50Hz交流电而言，每周期采样64点，因而电流监控程序模块应每120ms执行一次。
3.2智能脱扣器GSM通信子程序
该子程序主要用于脱扣器和ZWG－01DP的通信，并对收到的短消息进行分析处理。ZWG－01DP的初始化在系统初始化中完成。子程序采用中断方式，其流程如图3所示。ZWG－01DP在收到短消息后会发送中断给脱扣器。为了减少干扰，脱扣器在收到中断后再查询判断一次，是否收到短信。短信格式为自行定义。如查询格式为:1234，CXZC(CXGZ或CXZD)(标点需为英文标点)。其中，1234就是自行定义的密码，CXZC为查询正常值的命令。脱扣器在收到短消息后判断密码是否正确(该密码可以在脱扣器上进行整定，设置密码是为了对用户进行身份验证，防止误发或者他人误操作)，密码不对，则回送短消息(密码错误)。密码验证完成后，脱扣器将收到的数据整理后判断是整定还是查询，如为整定，判断整定项是否符合格式，整定值是否超出范围，如果不对，则回送短消息(整定失败);如为查询，则判断查询的项目，将相应的查询值整理成字符串后送入发送缓冲。最后，通过ZWG－01DP发送到相应的工作人员手机，或者监控中心短信控制器。
4结语
智能脱扣器的开发符合国家产业政策和行业的技术发展趋势，并遵循国家有关标准，投资少、开发周期短、具有自主知识产权，能满足电网输配电管理的网络化、自动化要求，同时，为现场设备与监控中心的通信提供一种新的参考模式。本文提出了一种基于GSM短信通信的无线通信方式的智能脱扣器系统的设计方案，实际运行结果表明，该方案具有可靠性高，适应各种复杂环境、监控中心无人值守等优点，可用于补充或者取代传统的有线通信系统。