基于GPRS的电能质量在线监测系统设计

　　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 ( General Packet Radio Service)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最低。

　　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，电压跌落的影响最为普遍。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(GPRS DTU)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( GPRS DTU) 内嵌TCP /IP 协议，每个模块有可随时设置和修改的唯一的ID 号，并保存主站的IP 地址。GPRS DTU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，主站报告自身的终端地址，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GPRS DTU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GPRS DTU 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32 bit RISC CPU，采用5 级指令流水线，处理器运行时的时钟频率最高可达到203 MHz; 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10 bit A/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32 MB、16 bit 的HY57V561620B 芯片，构成容量为64 MB、32 bit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2 MB的NOR Flash 芯片SST39VF3601 用于存放引导程序;容量为64 MB 的NAND Flash 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12 bit A/D 转换器。它包含2 个同时工作的12 bit A/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，然后再进行下一次采样、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NAND Flash 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3 GPRS 模块与S3C2410 连接图

　　由于MC55 模块串口部分的逻辑电平为+ 2. 65 V，不能直接与S3C2410 的+ 3. 3 V 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100 Ω 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FLUKE F43B 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。FLUKE F43B 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。测量到的数据精确有效，适合高级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，具有广阔的应用前景。