基于ARM+GPRS的遠程電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計

陶玉貴，汪金寶

(1.蕪湖職業(yè)技術學院信息工程學院，安徽蕪湖 241006；

2.安徽師范大學數(shù)學與計算機科學學院，安徽蕪湖 241003)

?

基于ARM+GPRS的遠程電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計

陶玉貴1，汪金寶2

(1.蕪湖職業(yè)技術學院信息工程學院，安徽蕪湖 241006；

2.安徽師范大學數(shù)學與計算機科學學院，安徽蕪湖 241003)

[摘要]為了實現(xiàn)對電能質(zhì)量的遠程在線實時監(jiān)測，本文以嵌入式微控制器為核心，通過專業(yè)高精度電量芯片進行電壓電流參數(shù)采集，應用FFT算法進行數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建基于ARM+GPRS的遠程電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，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(zhì)量進行測量、存儲、顯示，并通過GPRS網(wǎng)絡將所有信號及數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機進行監(jiān)測和分析，充分實現(xiàn)了遠程、實時和在線監(jiān)測的要求，具有較高的應用前景和市場價值。

[關鍵詞]電能質(zhì)量；在線監(jiān)測；ARM；GPRS

隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，電力電子器件等非線性負荷的使用加劇了電能質(zhì)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(chǎn)生活中，對電能質(zhì)量的要求越來越高。由于電能質(zhì)量問題造成的危害和損失與越來越大，因此，監(jiān)測電能質(zhì)量的指標對電網(wǎng)和供配電系統(tǒng)的正常運行尤其顯得重要。為了保障電網(wǎng)、輸配電設備、用電設備與裝置的安全、經(jīng)濟運行和正常使用，保證對用戶提供連續(xù)、可靠的電能，必須科學地對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量進行實時監(jiān)控，為改善電網(wǎng)供電情況、制定相關的預防措施提供依據(jù)。本文開發(fā)一種具備遠程在線監(jiān)測功能的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量進行實時監(jiān)控。

1監(jiān)測系統(tǒng)總體設計及功能

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由分布式監(jiān)測終端、無線通信網(wǎng)絡和遠程監(jiān)控中心組成。測量多種常規(guī)電量數(shù)據(jù)，如電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)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(zhì)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(wǎng)絡通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制命令的遠程管理。

圖1　系統(tǒng)總體設計框圖

2系統(tǒng)硬件設計

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)通過電壓和電流互感器采集電網(wǎng)上的電壓和電流信號，得到的模擬信號經(jīng)過高精度電能計量芯片內(nèi)部集成高精度ADC和高速DSP進行A/D轉(zhuǎn)換器和信號預處理，完成電壓、電流、功率等相應參數(shù)的運算；再由ARM通過串口通信向DSP發(fā)送命令，DSP回送測量的數(shù)據(jù)及運算分析結(jié)果；在ARM上移植嵌入式實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)多任務調(diào)度，RS485串行通信接口(雙口)，MODBUS通訊協(xié)議，實現(xiàn)各種測量及監(jiān)視參數(shù)、SOE記錄傳送等，并通過GPRS網(wǎng)絡將所有信號及數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機進行遠程實時監(jiān)測、分析和人機交互顯示。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，并提供相序和斷相檢測、軟件調(diào)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(jīng)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(zhuǎn)換、信號處理后得到瞬時有功、無功、視在功率、功率因數(shù)、相位、頻率、電壓和電流等電參數(shù)[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(qū)的數(shù)據(jù)。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(nèi)256kB的Flash和32kB的靜態(tài)RAM，128位寬度接口，可實現(xiàn)高達60MHz工作頻率。通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)ISP/IAP。2個8路10位的A/D轉(zhuǎn)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(nèi)RealMonitor軟件對代碼進行實時調(diào)試和高速跟蹤。

微控制器LPC2136控制系統(tǒng)運行，讀取ATT7022C采樣緩存區(qū)存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)FFT算法軟件再處理，實現(xiàn)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(shù)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(wǎng)絡的通用分組無線交換技術，采用廣域無線IP協(xié)議連接，具有接入范圍廣、傳輸速率高、按流量計費等優(yōu)點，能滿足電能質(zhì)量遠程實時監(jiān)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(shù)據(jù)喚醒，提供標準的RS232接口，經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換與ARM的RXD0、TXD0相連，將采集設備的各種狀態(tài)信號、數(shù)據(jù)以及控制設備的信號，通過GPRS網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件設計

本文設計采用主從結(jié)構(gòu)，測控終端充分利用LPC2136的邏輯控制功能和ATT7022C的數(shù)據(jù)采集及處理能力，并通過ARM控制WG-8010-232 GPRS DTU模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸和控制。監(jiān)控中心上位機采用輪詢方式進行數(shù)據(jù)查詢，通過發(fā)送操作命令激活WG-8010-232進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.1監(jiān)測終端軟件設計

圖6　監(jiān)測終端主流程圖

ARM是監(jiān)測終端的控制核心，負責各模塊間的信號傳輸、數(shù)據(jù)通信和狀態(tài)控制，主要完成電量芯片的信號采集控制、數(shù)據(jù)運算與處理、GPRS通信控制等功能。軟件設計以Linux操作系統(tǒng)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(tǒng)的實時性要求。通過FFT算法實現(xiàn)各次諧波分量的數(shù)據(jù)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(diào)檢波法進行電壓波動和閃邊、故障錄波、諧波畸變等電能質(zhì)量指標的檢測[2]。經(jīng)數(shù)據(jù)運算分析后，根據(jù)收到的發(fā)送請求，通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)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(tǒng)，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?qū)ο笳Z言進行模塊化設計，主要包括系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)記錄與分析模塊、數(shù)據(jù)存儲與顯示模塊、報表打印模塊等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、處理、分析、存儲、顯示和打印。數(shù)據(jù)庫設計采用 SQL Server 2005 軟件開發(fā)，由VB 6.0設計的界面窗口通過ADO方式連接SQL Server 2005訪問數(shù)據(jù)庫，并將監(jiān)測終端的狀態(tài)與電能質(zhì)量參數(shù)以曲線和表格的形式顯示[3]。

4結(jié)語

本設計利用32位ARM微控制器LPC2136為處理核心，通過專業(yè)高精度電量芯片ATT7022C進行參數(shù)采集，實現(xiàn)電量參數(shù)的處理、顯示、存儲等，并通過GPRS網(wǎng)絡在中央控制室與設備現(xiàn)場直接實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享。該裝置符合電能質(zhì)量國家標準的各項指標，滿足遠程監(jiān)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(tǒng)、工礦企業(yè)、智能大廈等的電力電能監(jiān)控系統(tǒng)中。

[參考文獻]

[1]束慧,陳衛(wèi)兵.基于ARM和ATT7022C的電能質(zhì)量監(jiān)測終端的設計[J].制造業(yè)自動化,2012,34(8):34-36.

[2]江友華,葉尚興,黃志敏.基于無線網(wǎng)絡的電能質(zhì)量監(jiān)測與管理系統(tǒng)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(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[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(jiān)測系統(tǒng)研究”(KJ2015A449)；安徽高校優(yōu)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