基于ARM+GPRS的遠程電能質量監測系統研究與設計

陶玉貴，汪金寶

(1.蕪湖職業技術學院信息工程學院，安徽蕪湖 241006；

2.安徽師范大學數學與計算機科學學院，安徽蕪湖 241003)

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基于ARM+GPRS的遠程電能質量監測系統研究與設計

陶玉貴1，汪金寶2

(1.蕪湖職業技術學院信息工程學院，安徽蕪湖 241006；

2.安徽師范大學數學與計算機科學學院，安徽蕪湖 241003)

[摘要]為了實現對電能質量的遠程在線實時監測，本文以嵌入式微控制器為核心，通過專業高精度電量芯片進行電壓電流參數采集，應用FFT算法進行數據處理，構建基于ARM+GPRS的遠程電能質量監測系統，對電壓、電流、功率、分時電度、諧波測量、不平衡度、諧波畸變率和故障錄波等電能質量進行測量、存儲、顯示，并通過GPRS網絡將所有信號及數據傳輸到監控主機進行監測和分析，充分實現了遠程、實時和在線監測的要求，具有較高的應用前景和市場價值。

[關鍵詞]電能質量；在線監測；ARM；GPRS

隨著現代電子技術的發展，電力電子器件等非線性負荷的使用加劇了電能質量問題，同時，更多精密敏感的儀器和用電設備應用到人類的生產生活中，對電能質量的要求越來越高。由于電能質量問題造成的危害和損失與越來越大，因此，監測電能質量的指標對電網和供配電系統的正常運行尤其顯得重要。為了保障電網、輸配電設備、用電設備與裝置的安全、經濟運行和正常使用，保證對用戶提供連續、可靠的電能，必須科學地對電力系統的電能質量進行實時監控，為改善電網供電情況、制定相關的預防措施提供依據。本文開發一種具備遠程在線監測功能的電能質量監測系統，對電力系統電能質量進行實時監控。

1監測系統總體設計及功能

電能質量監測系統總體結構如圖1所示，由分布式監測終端、無線通信網絡和遠程監控中心組成。測量多種常規電量數據，如電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數和頻率等，同時具有電壓電流不平衡度、諧波電壓電流含量、電壓電流諧波畸變率等電能質量分析功能。支持鏈路維護、軟件對時和SOE記錄傳送，采用GPRS網絡通信實現數據采集、傳輸和控制命令的遠程管理。

圖1　系統總體設計框圖

2系統硬件設計

電能質量監測系統通過電壓和電流互感器采集電網上的電壓和電流信號，得到的模擬信號經過高精度電能計量芯片內部集成高精度ADC和高速DSP進行A/D轉換器和信號預處理，完成電壓、電流、功率等相應參數的運算；再由ARM通過串口通信向DSP發送命令，DSP回送測量的數據及運算分析結果；在ARM上移植嵌入式實時操作系統，實現多任務調度，RS485串行通信接口(雙口)，MODBUS通訊協議，實現各種測量及監視參數、SOE記錄傳送等，并通過GPRS網絡將所有信號及數據傳輸到監控主機進行遠程實時監測、分析和人機交互顯示。

圖2　系統硬件結構圖

2.1信號采集模塊

信號采集模塊選用高精度三相電能專用計量芯片ATT7022C，其內部集成了6路16位高精度 ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路，并提供相序和斷相檢測、軟件調試功能。ATT7022C采用雙端差分信號輸入，通過電壓、電流互感器采集電壓電流信號，經V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N三個電壓通道和V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N三個電流通道ADC采樣轉換、信號處理后得到瞬時有功、無功、視在功率、功率因數、相位、頻率、電壓和電流等電參數[1]。ATT7022C通過SPI接口與ARM微控制器通信，讀取它存儲在采樣緩存區的數據。ATT7022C與ARM微控制器接口電路如圖3所示。

圖3　ATT7022C與ARM接口電路圖

2.2ARM微控制器模塊

ARM微控制器選用32位ARM7TDMI-S核LPC2136，具有片內256kB的Flash和32kB的靜態RAM，128位寬度接口，可實現高達60MHz工作頻率。通過片內boot裝載程序實現ISP/IAP。2個8路10位的A/D轉換器，共提供16路模擬輸入，EmbeddedICE-RT和嵌入式跟蹤接口通過片內RealMonitor軟件對代碼進行實時調試和高速跟蹤。

微控制器LPC2136控制系統運行，讀取ATT7022C采樣緩存區存儲的數據經FFT算法軟件再處理，實現電壓電流諧波分量和諧波畸變等功能，并實時處理鍵盤輸入、中斷管理、通信和參數顯示等任務。LPC2136與復位/E2PROM芯片CAT1025、E2PRAM芯片AT24C01及時鐘芯片PCF8563的接口電路如圖4所示。

圖4　ARM模塊電路圖

2.3GPRS通訊模塊

GPRS是基于GSM網絡的通用分組無線交換技術，采用廣域無線IP協議連接，具有接入范圍廣、傳輸速率高、按流量計費等優點，能滿足電能質量遠程實時監測和在線服務的要求。

本設計GPRS通訊采用WG-8010-232 GPRS DTU模塊，該模塊支持永久在線、短信和下位機串口數據喚醒，提供標準的RS232接口，經MAX232電平轉換與ARM的RXD0、TXD0相連，將采集設備的各種狀態信號、數據以及控制設備的信號，通過GPRS網絡平臺實現數據信息的透明傳輸。接口電路如圖5所示。

圖5　GPRS模塊串行接口電路圖

3系統軟件設計

本文設計采用主從結構，測控終端充分利用LPC2136的邏輯控制功能和ATT7022C的數據采集及處理能力，并通過ARM控制WG-8010-232 GPRS DTU模塊來實現數據無線傳輸和控制。監控中心上位機采用輪詢方式進行數據查詢，通過發送操作命令激活WG-8010-232進行數據發送。

3.1監測終端軟件設計

圖6　監測終端主流程圖

ARM是監測終端的控制核心，負責各模塊間的信號傳輸、數據通信和狀態控制，主要完成電量芯片的信號采集控制、數據運算與處理、GPRS通信控制等功能。軟件設計以Linux操作系統為基礎，采用多任務的設計，匯編和C語言混合編程方式，提高系統的實時性要求。通過FFT算法實現各次諧波分量的數據計算，采用正負相序理論計算電壓電流不平衡度，利用平方解調檢波法進行電壓波動和閃邊、故障錄波、諧波畸變等電能質量指標的檢測[2]。經數據運算分析后，根據收到的發送請求，通過GPRS網絡將數據發送到監控中心上位機。具體軟件設計流程如圖6所示。

3.2上位機軟件設計

上位機的軟件設計基于Windows操作系統，采用客戶端/服務器模式(C/S)。應用軟件設計采用Visual Basic 6.0高級面向對象語言進行模塊化設計，主要包括系統管理模塊、數據采集模塊、數據記錄與分析模塊、數據存儲與顯示模塊、報表打印模塊等，實現數據的實時采集、處理、分析、存儲、顯示和打印。數據庫設計采用 SQL Server 2005 軟件開發，由VB 6.0設計的界面窗口通過ADO方式連接SQL Server 2005訪問數據庫，并將監測終端的狀態與電能質量參數以曲線和表格的形式顯示[3]。

4結語

本設計利用32位ARM微控制器LPC2136為處理核心，通過專業高精度電量芯片ATT7022C進行參數采集，實現電量參數的處理、顯示、存儲等，并通過GPRS網絡在中央控制室與設備現場直接實現遠程監控和數據共享。該裝置符合電能質量國家標準的各項指標，滿足遠程監控和實時性的要求，作為一種智能化電能測控裝置，可廣泛應用于城市軌道交通、電力系統、工礦企業、智能大廈等的電力電能監控系統中。

[參考文獻]

[1]束慧,陳衛兵.基于ARM和ATT7022C的電能質量監測終端的設計[J].制造業自動化,2012,34(8):34-36.

[2]江友華,葉尚興,黃志敏.基于無線網絡的電能質量監測與管理系統的設計[J].上海電力學院學報,2015,31(1):63-67.

[3]袁斌,朱正偉,孫廣輝,等.基于FPGA的電能質量監測系統[J].電源技術,2014,38(12):2436-2437.

Research and Design of Remote Power Quality Monitoring System Based on ARM and GPRS

TAO Yu-gui1, WANG Jin-bao2

(1.School of Information Engineering, Wuhu Institute of Technology, Wuhu Anhui 241006, China；2.School of Mathematics & Computer Science, Anhui Normal University, Wuhu Anhui 241003, China)

Abstract:In order to realize the remote on-line real-time monitoring of power quality, the embedded microcontroller is the core, and the voltage and current parameters are collected by the professional high precision electric power chip. The FFT algorithm is applied to data processing, and the remote power quality monitoring system based on ARM+GPRS is constructed. Thus, the system measured, stored and displayed the voltage, current, power, time-sharing electricity harmonic measurement, imbalance, harmonic distortion rate, the fault recording and other power quality, and then transmitted all signals and data to monitor host through the GPRS network, these signals and data can be monitored and analyzed, and the requirements of remote, real-time and on-line monitoring are fully realized, which has high application prospect and market value.

Key words:power quality；online monitoring；ARM；GPRS

[作者簡介]陶玉貴(1979- )，男，副教授，碩士，從事信號檢測與處理研究。

[基金項目]安徽高校省級自然科學研究重點項目“低壓電力電能監測系統研究”(KJ2015A449)；安徽高校優秀青年人才支持計劃重點項目(gxyqZD2016592)。

[收稿日期]2015-12-07

[中圖分類號]TM933

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)02-0036-04