基于GPRS 技术的电能质量在线监测系统-基础电子

精品文档-下载后可编辑基于GPRS技术的电能质量在线监测系统-基础电子摘要:设计一种基于GPRS无线通信的电能质量监测系统，详细阐述了基于ARM9和MC55的监测终端主要功能模块的硬件结构和软件流程。监测终端实现了数据的采集、计算、存储、传输和就地显示。监测主站完成对终端的远程控制和管理，并对上传的数据作进一步的综合分析和处理。试验结果表明，该系统符合电能质量监测的各项要求，具有测量精度高、运行安全可靠、通信费用低等特点。

0引言

近年来，随着电力工业的飞速发展及电力系统容量不断扩大，各种分布式发电单元逐步接入电网，各种非线性负载使用也不断增加，造成公用电网电能质量日益恶化，而各种电子设备对电压扰动的敏感性有增无减。因此，电力运行对电力调度自动化水平的要求和安全性的要求越来越高。电力调度需要各种功能更为齐全、操作更为简便的各种电力检测仪器仪表，对电能质量扰动进行检测、定位和分类，以便及时治理。随着中国电力市场的逐步建立，电能逐步实现按质论价，电力用户也要求高质量的电能来保证其设备、仪器和系统的正常运行。

传统的电能质量监测仪表多采用RS－485、光纤、Modem拨号等有线传输方式，在偏远地区监测点分散，环境恶劣，涉及到布线施工、建设成本、安全和可靠性等一系列问题。因此，近年来多采用无线传输方式。目前，电网监测仪表大多采用GSM短消息方式与上位机进行通信。GSM短消息通信方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据，实时性不强，而且在通信流量较大的情况下费用高。GPRS(GeneralPacketRadioService)采用分组交换技术，支持基于标准数据通信协议的应用，可和IP网、X.25网互联互通，实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级的计费功能。其计费方式更加合理，在保证数据传输的及时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了。

本文设计了一种基于GPRS通信技术的电能质量在线监控系统，满足电能质量监测的实时性要求，实时地监测电能质量的各项指标。

1系统设计

1.1总体设计

以电网运行方式而言，目前的电能质量问题可分为暂态电能质量问题和稳态电能质量问题2大类。暂态电能质量问题通常以频谱和持续时间为特征，分为脉冲暂态和振荡暂态2大类，其主要性能指标是电压波动和闪变、电压跌落及瞬间电压中断，其中，电压跌落的影响为普遍。稳态电能质量以波形畸变为主要特征，持续时间较长，其主要性能指标是谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡、电压偏差等。稳态电能质量参数是进行电能质量监测的主要对象。

电能质量监测系统由监控主站、GPRS通信网络和监测终端3部分构成，如图1所示。

图1电能质量监测系统结构图。

1.2系统工作原理

监测终端通过自身装配的GPRS无线模块(GPRSDTU)接入GPRS网络，再通过GPRS无线网络连接到Internet公用数据网，继而连接到监控主站，将数据送监测主站作进一步分析和处理。

根据电网电能质量监督管理的实际需要，确定监测单元数量和安装地点。

监测终端的GPRS模块(GPRSDTU)内嵌TCP/IP协议，每个模块有可随时设置和修改的的ID号，并保存主站的IP地址。GPRSDTU上电后进行初始化，设置相应的通信参数，终端按设置的参数主动向主站发出连接请求，GPRS网络的SGSN处理该请求，为其分配一个动态IP地址;终端与主站建立连接后，主站自身的终端地址，主站收到后将其加到动态地址数据库中，然后根据管理员的设定，完成任务及警告的主动上传。如果终端不能建立与主站的有效TCP连接，会将实时数据压缩存储，待建立连接后再发送到主站。

监测主站是一个计算机系统，可实现对监测终端的监控和信息管理，并通过后台软件，实现对采集的各种电能质量信息的统计、分析和处理，实现长期数据的存储与管理。其有固定的IP地址，并对终端开放相应的侦听端口;接收GPRSDTU的连接请求，向终端下发参数和命令。由于系统数据流经公网，为保证系统的安全性，数据传输至GPRSDTU前可通过数据加密，而远程监测主站的数据库服务器收到数据后，由专用处理软件对数据进行解密和校验。

2系统实现

2.1监测终端的硬件结构

监测终端主要测量系统电压波动、短时闪变和长时闪变;测量50次以内谐波电压和谐波电流的含有率、电压和电流总谐波畸变率;测量三相电压、电流基波的幅值和相位，以及正序、负序、零序分量的幅值、相位和不平衡度;测量系统电压偏差和频率偏差。它具有友好的人机交互功能，用户可方便地得到相关的信息;具有远程传输功能，服务于更高层的信息管理和分析系统。

终端监控单元主要由中央处理单元(MCU)、数据采集电路和GPRS模块构成，如图2所示。

MCU采用S3C2410微处理器，基于ARM920T内核的32bitRISCCPU，采用5级指令流水线，处理器运行时的时钟频率可达到203MHz;片内主要有SDRAM控制器、3通道的UART、4通道的DMA、4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟、8通道10bitA/D、触摸屏接口和I2C总线接口等，具有MMU功能，适合移植Linux操作系统;具有低功耗、高性能的特点。

S3C2410芯片使用2片容量为32MB、16bit的HY57V561620B芯片，构成容量为64MB、32bit的SDRAM存储器，主要用作程序的运行空间及中间数据的保存，系统初始化后程序代码调入SDRAM运行，可提高模块的处理速度;容量为2MB的NORFlash芯片SST39VF3601用于存放引导程序;容量为64MB的NANDFlash芯片K9F120810B主要用于存放程序代码、常量表，以及一些在系统断电后需要保存的用户数据等。

图2电能质量监测终端硬件结构图。

三相电流经过电流互感器(CT)，三相电压经过电压互感器(PT)后转换到适合的范围，再经过滤波及信号调理。由于谐波分析的范围为2～50次谐波，设置了有源二阶低通滤波器，滤除信号中高于50次的谐波，以免出现混叠现象，发生测量误差。ADS7864是一种高速、低功耗、6通道、同时采样保证无失码的双12bitA/D转换器。它包含2个同时工作的12bitA/D转换器，可以将转换结果分别存放在6个寄存器中，6个通道转换完后，由MCU顺序读出转换结果，然后再进行下采样、转换［4］。电信号由A/D采样芯片ADS7864进行同步采样、保持、A/D转换成数字信号，送入主芯片S3C2410进行计算、数据处理、存储数据和传输数据，再把实时计算结果送到LCD显示，并把超标数据存储在NANDFlash存储器里。

在MCU中，对采集到的周期性非正弦电量进行傅里叶(FFT)级数分解，可得到基波分量和大于基波频率的谐波分量，由FFT运算得到基波的幅值和相位，以及各次谐波的幅值和相位，求出三相电压的正序、负序分量，确定三相不平衡度，得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电压波动和电压短时闪变等计算结果。

采用GPRS模块的MC55实现采集数据的远程传输，是一款内部带有TCP/IP协议栈的模块，目前广泛运用于智能公交、无线数据传输和远程无线抄表等系统中，可在－20～70℃的环境下正常工作，功耗低、可靠性高、性价比高。由于MC55模块内嵌TCP/IP协议栈，对用户屏蔽了传输层、网络层及数据链路层，用户可直接对应用层进行软件开发，降低了设计的复杂度，同时提高了控制器处理其他数据的能力。MC55与S3C2410可以通过标准的串口直接相连，如图3所示。

图3GPRS模块与S3C2410连接图。

由于MC55模块串口部分的逻辑电平为+2.65V，不能直接与S3C2410的+3.3V串口相连，需要加逻辑电平转换电路。该设计在其各引脚电路中都串接了一个100Ω的电阻，以实现两者串口电平的匹配。模块的RING0口与S3C2410的UCLK引脚相连，当数据到来时用来通知控制器，作为数据传输的中断信号。

2.2系统软件设计

软件结构设计模式采用B/S模式，采用Internet/Intranet技术，适用于广域网环境，可根据访问量，动态配置Web服务器和数据库服务器，以保证系统性能。客户端直接利用现有的局域网或Internet连接，不需要特殊设置和安装;使用标准的Internet浏览器，直接访问Web服务器页面，即可观看监测和分析电能质量的实时数据，并能查询所需历史数据。

主站主要用于与监测终端进行通信，并进行数据的分析与处理。考虑到系统的移植性和跨平台性，使用J2EE企业级网络架构平台，有利于系统功能模块的扩展和系统安全性的保障;用ASP技术开发Web服务器，使用Apache和Tomcat整合服务器环境;使用数据库MySQL，实现对监测数据的存储和管理。

监测终端向主站发送信息、数据，以及执行相应的控制操作等。监测终端采用了嵌入式Linux实时操作系统。其具备完整的嵌入式TCP/IP网络协议栈，可根据需要进行裁剪。软件采用C语言编写，其结构采用模块化形式，监测终端程序流程如图4所示。

图4监测终端程序流程图。

3测试结果

采用FLUKEF43B电能质量记录仪和该监测系统对同一电压波形进行处理，并将测量结果进行比较，验证系统的正确性。FLUKEF43B是手持式单相谐波功率仪，集示波器、万用表和电能质量分析仪于一体，能进行2～51次谐波分析，可测电压、电流、功率因数和谐波相位等参数。测量到的数据有效，适合电能质量分析和统一标准测试。以测量实验室单相电压为例，比较结果如表1所示。该电能质量监测系统可以比较准确地测到电压有效值、电压峰值、功率因数和基波频率等数据。

表1监测数据比较。

4结语

设计的电能质量监测系统通过无线通信，实现对电网的远程监控和历史数据分析，不仅减少了建设成本，而且可任意增减监测站点，具有无需布线、工作量小、传输数据量大和系统建设周期短等优点。通过对电网电能质量进行监测和分析，为实现电能质量智能化管理提供了可行性基础。

实验室测试表明，监测系统的各项指标达到了设计要求，通信组网功能强、成本低、使用灵活、可扩展性好，具有