基于ARM+GPRS的远程电能质量监测系统研究与设计

陶玉贵，汪金宝

(1.芜湖职业技术学院信息工程学院，安徽芜湖 241006；

2.安徽师范大学数学与计算机科学学院，安徽芜湖 241003)



基于ARM+GPRS的远程电能质量监测系统研究与设计

陶玉贵1，汪金宝2

(1.芜湖职业技术学院信息工程学院，安徽芜湖 241006；

2.安徽师范大学数学与计算机科学学院，安徽芜湖 241003)

[摘要]为了实现对电能质量的远程在线实时监测，本文以嵌入式微控制器为核心，通过专业高精度电量芯片进行电压电流参数采集，应用FFT算法进行数据处理，构建基于ARM+GPRS的远程电能质量监测系统，对电压、电流、功率、分时电度、谐波测量、不平衡度、谐波畸变率和故障录波等电能质量进行测量、存储、显示，并通过GPRS网络将所有信号及数据传输到监控主机进行监测和分析，充分实现了远程、实时和在线监测的要求，具有较高的应用前景和市场价值。

[关键词]电能质量；在线监测；ARM；GPRS

随着现代电子技术的发展，电力电子器件等非线性负荷的使用加剧了电能质量问题，同时，更多精密敏感的仪器和用电设备应用到人类的生产生活中，对电能质量的要求越来越高。由于电能质量问题造成的危害和损失与越来越大，因此，监测电能质量的指标对电网和供配电系统的正常运行尤其显得重要。为了保障电网、输配电设备、用电设备与装置的安全、经济运行和正常使用，保证对用户提供连续、可靠的电能，必须科学地对电力系统的电能质量进行实时监控，为改善电网供电情况、制定相关的预防措施提供依据。本文开发一种具备远程在线监测功能的电能质量监测系统，对电力系统电能质量进行实时监控。

1监测系统总体设计及功能

电能质量监测系统总体结构如图1所示，由分布式监测终端、无线通信网络和远程监控中心组成。测量多种常规电量数据，如电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和频率等，同时具有电压电流不平衡度、谐波电压电流含量、电压电流谐波畸变率等电能质量分析功能。支持链路维护、软件对时和SOE记录传送，采用GPRS网络通信实现数据采集、传输和控制命令的远程管理。

图1　系统总体设计框图

2系统硬件设计

电能质量监测系统通过电压和电流互感器采集电网上的电压和电流信号，得到的模拟信号经过高精度电能计量芯片内部集成高精度ADC和高速DSP进行A/D转换器和信号预处理，完成电压、电流、功率等相应参数的运算；再由ARM通过串口通信向DSP发送命令，DSP回送测量的数据及运算分析结果；在ARM上移植嵌入式实时操作系统，实现多任务调度，RS485串行通信接口(双口)，MODBUS通讯协议，实现各种测量及监视参数、SOE记录传送等，并通过GPRS网络将所有信号及数据传输到监控主机进行远程实时监测、分析和人机交互显示。

图2　系统硬件结构图

2.1信号采集模块

信号采集模块选用高精度三相电能专用计量芯片ATT7022C，其内部集成了6路16位高精度 ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路，并提供相序和断相检测、软件调试功能。ATT7022C采用双端差分信号输入，通过电压、电流互感器采集电压电流信号，经V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N三个电压通道和V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N三个电流通道ADC采样转换、信号处理后得到瞬时有功、无功、视在功率、功率因数、相位、频率、电压和电流等电参数[1]。ATT7022C通过SPI接口与ARM微控制器通信，读取它存储在采样缓存区的数据。ATT7022C与ARM微控制器接口电路如图3所示。

图3　ATT7022C与ARM接口电路图

2.2ARM微控制器模块

ARM微控制器选用32位ARM7TDMI-S核LPC2136，具有片内256kB的Flash和32kB的静态RAM，128位宽度接口，可实现高达60MHz工作频率。通过片内boot装载程序实现ISP/IAP。2个8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入，EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪。

微控制器LPC2136控制系统运行，读取ATT7022C采样缓存区存储的数据经FFT算法软件再处理，实现电压电流谐波分量和谐波畸变等功能，并实时处理键盘输入、中断管理、通信和参数显示等任务。LPC2136与复位/E2PROM芯片CAT1025、E2PRAM芯片AT24C01及时钟芯片PCF8563的接口电路如图4所示。

图4　ARM模块电路图

2.3GPRS通讯模块

GPRS是基于GSM网络的通用分组无线交换技术，采用广域无线IP协议连接，具有接入范围广、传输速率高、按流量计费等优点，能满足电能质量远程实时监测和在线服务的要求。

本设计GPRS通讯采用WG-8010-232 GPRS DTU模块，该模块支持永久在线、短信和下位机串口数据唤醒，提供标准的RS232接口，经MAX232电平转换与ARM的RXD0、TXD0相连，将采集设备的各种状态信号、数据以及控制设备的信号，通过GPRS网络平台实现数据信息的透明传输。接口电路如图5所示。

图5　GPRS模块串行接口电路图

3系统软件设计

本文设计采用主从结构，测控终端充分利用LPC2136的逻辑控制功能和ATT7022C的数据采集及处理能力，并通过ARM控制WG-8010-232 GPRS DTU模块来实现数据无线传输和控制。监控中心上位机采用轮询方式进行数据查询，通过发送操作命令激活WG-8010-232进行数据发送。

3.1监测终端软件设计

图6　监测终端主流程图

ARM是监测终端的控制核心，负责各模块间的信号传输、数据通信和状态控制，主要完成电量芯片的信号采集控制、数据运算与处理、GPRS通信控制等功能。软件设计以Linux操作系统为基础，采用多任务的设计，汇编和C语言混合编程方式，提高系统的实时性要求。通过FFT算法实现各次谐波分量的数据计算，采用正负相序理论计算电压电流不平衡度，利用平方解调检波法进行电压波动和闪边、故障录波、谐波畸变等电能质量指标的检测[2]。经数据运算分析后，根据收到的发送请求，通过GPRS网络将数据发送到监控中心上位机。具体软件设计流程如图6所示。

3.2上位机软件设计

上位机的软件设计基于Windows操作系统，采用客户端/服务器模式(C/S)。应用软件设计采用Visual Basic 6.0高级面向对象语言进行模块化设计，主要包括系统管理模块、数据采集模块、数据记录与分析模块、数据存储与显示模块、报表打印模块等，实现数据的实时采集、处理、分析、存储、显示和打印。数据库设计采用 SQL Server 2005 软件开发，由VB 6.0设计的界面窗口通过ADO方式连接SQL Server 2005访问数据库，并将监测终端的状态与电能质量参数以曲线和表格的形式显示[3]。

4结语

本设计利用32位ARM微控制器LPC2136为处理核心，通过专业高精度电量芯片ATT7022C进行参数采集，实现电量参数的处理、显示、存储等，并通过GPRS网络在中央控制室与设备现场直接实现远程监控和数据共享。该装置符合电能质量国家标准的各项指标，满足远程监控和实时性的要求，作为一种智能化电能测控装置，可广泛应用于城市轨道交通、电力系统、工矿企业、智能大厦等的电力电能监控系统中。

[参考文献]

[1]束慧,陈卫兵.基于ARM和ATT7022C的电能质量监测终端的设计[J].制造业自动化,2012,34(8):34-36.

[2]江友华,叶尚兴,黄志敏.基于无线网络的电能质量监测与管理系统的设计[J].上海电力学院学报,2015,31(1):63-67.

[3]袁斌,朱正伟,孙广辉,等.基于FPGA的电能质量监测系统[J].电源技术,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

[作者简介]陶玉贵(1979- )，男，副教授，硕士，从事信号检测与处理研究。

[基金项目]安徽高校省级自然科学研究重点项目“低压电力电能监测系统研究”(KJ2015A449)；安徽高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2016592)。

[收稿日期]2015-12-07

[中图分类号]TM933

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)02-0036-04