引言

　　近年來(lái)，隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展及電力系統(tǒng)容量不斷擴(kuò)大，各種分布式發(fā)電單元逐步接入電網(wǎng)，各種非線性負(fù)載使用也不斷增加，造成公用電網(wǎng)電能質(zhì)量日益惡化，而各種電子設(shè)備對(duì)電壓擾動(dòng)的敏感性有增無(wú)減。因此，電力運(yùn)行對(duì)電力調(diào)度自動(dòng)化水平的要求和安全性的要求越來(lái)越高。電力調(diào)度需要各種功能更為齊全、操作更為簡(jiǎn)便的各種電力檢測(cè)儀器儀表，對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)、定位和分類(lèi)，以便及時(shí)治理。隨著中國(guó)電力市場(chǎng)的逐步建立，電能逐步實(shí)現(xiàn)按質(zhì)論價(jià)，電力用戶(hù)也要求高質(zhì)量的電能來(lái)保證其設(shè)備、儀器和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀表多采用RS － 485、光纖、Modem 撥號(hào)等有線傳輸方式，在偏遠(yuǎn)地區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散，環(huán)境惡劣，涉及到布線施工、建設(shè)成本、安全和可靠性等一系列問(wèn)題。因此，近年來(lái)多采用無(wú)線傳輸方式。目前，電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀表大多采用GSM 短消息方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。GSM 短消息通信方式為半雙工通信方式，不能同時(shí)雙向收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，而且在通信流量較大的情況下費(fèi)用高。GPRS ( General Packet Radio Service)采用分組交換技術(shù)，支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可和IP 網(wǎng)、X. 25 網(wǎng)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)流量、業(yè)務(wù)類(lèi)型及服務(wù)質(zhì)量等級(jí)的計(jì)費(fèi)功能。其計(jì)費(fèi)方式更加合理，在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)、準(zhǔn)確的前提下，將系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也降低到了最低。

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS 通信技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)，滿(mǎn)足電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性要求，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1. 1 總體設(shè)計(jì)

　　以電網(wǎng)運(yùn)行方式而言，目前的電能質(zhì)量問(wèn)題可分為暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題2大類(lèi)。暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題通常以頻譜和持續(xù)時(shí)間為特征，分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)2 大類(lèi)，其主要性能指標(biāo)是電壓波動(dòng)和閃變、電壓跌落及瞬間電壓中斷，其中，電壓跌落的影響最為普遍。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量以波形畸變?yōu)橹饕卣鳎掷m(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其主要性能指標(biāo)是諧波電壓、諧波電流、三相電壓不平衡、電壓偏差等。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量參數(shù)是進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。

　　電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控主站、GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)終端3 部分構(gòu)成，如圖1 所示。

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　圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　1. 2 系統(tǒng)工作原理

　　監(jiān)測(cè)終端通過(guò)自身裝配的GPRS 無(wú)線模塊(GPRS DTU)接入GPRS 網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到Internet 公用數(shù)據(jù)網(wǎng)，繼而連接到監(jiān)控主站，將數(shù)據(jù)送監(jiān)測(cè)主站作進(jìn)一步分析和處理。

　　根據(jù)電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)督管理的實(shí)際需要，確定監(jiān)測(cè)單元數(shù)量和安裝地點(diǎn)。

　　監(jiān)測(cè)終端的GPRS 模塊( GPRS DTU) 內(nèi)嵌TCP /IP 協(xié)議，每個(gè)模塊有可隨時(shí)設(shè)置和修改的唯一的ID 號(hào)，并保存主站的IP 地址。GPRS DTU上電后進(jìn)行初始化，設(shè)置相應(yīng)的通信參數(shù)，終端按設(shè)置的參數(shù)主動(dòng)向主站發(fā)出連接請(qǐng)求，GPRS 網(wǎng)絡(luò)的SGSN 處理該請(qǐng)求，為其分配一個(gè)動(dòng)態(tài)IP 地址;終端與主站建立連接后，主站報(bào)告自身的終端地址，主站收到后將其加到動(dòng)態(tài)地址數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后根據(jù)管理員的設(shè)定，完成任務(wù)及警告的主動(dòng)上傳。如果終端不能建立與主站的有效TCP 連接，會(huì)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)，待建立連接后再發(fā)送到主站。

　　監(jiān)測(cè)主站是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)終端的監(jiān)控和信息管理，并通過(guò)后臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的各種電能質(zhì)量信息的統(tǒng)計(jì)、分析和處理，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。其有固定的IP 地址，并對(duì)終端開(kāi)放相應(yīng)的偵聽(tīng)端口;接收GPRS DTU的連接請(qǐng)求，向終端下發(fā)參數(shù)和命令。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)流經(jīng)公網(wǎng)，為保證系統(tǒng)的安全性，數(shù)據(jù)傳輸至GPRS DTU 前可通過(guò)數(shù)據(jù)加密，而遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)主站的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，由專(zhuān)用處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密和校驗(yàn)。

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2. 1 監(jiān)測(cè)終端的硬件結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測(cè)終端主要測(cè)量系統(tǒng)電壓波動(dòng)、短時(shí)閃變和長(zhǎng)時(shí)閃變;測(cè)量50 次以?xún)?nèi)諧波電壓和諧波電流的含有率、電壓和電流總諧波畸變率;測(cè)量三相電壓、電流基波的幅值和相位，以及正序、負(fù)序、零序分量的幅值、相位和不平衡度;測(cè)量系統(tǒng)電壓偏差和頻率偏差。它具有友好的人機(jī)交互功能，用戶(hù)可方便地得到相關(guān)的信息;具有遠(yuǎn)程傳輸功能，服務(wù)于更高層的信息管理和分析系統(tǒng)。

　　終端監(jiān)控單元主要由中央處理單元(MCU)、數(shù)據(jù)采集電路和GPRS 模塊構(gòu)成，如圖2 所示。

　　MCU 采用S3C2410 微處理器，基于ARM920T 內(nèi)核的32 bit RISC CPU，采用5 級(jí)指令流水線，處理器運(yùn)行時(shí)的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到203 MHz; 片內(nèi)主要有SDRAM控制器、3 通道的UART、4 通道的DMA、4 個(gè)具有PWM 功能的計(jì)時(shí)器和1 個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8 通道10 bit A/D、觸摸屏接口和I2C 總線接口等，具有MMU 功能，適合移植Linux 操作系統(tǒng);具有低功耗、高性能的特點(diǎn)。

　　S3C2410 芯片使用2 片容量為32 MB、16 bit 的HY57V561620B 芯片，構(gòu)成容量為64 MB、32 bit的SDRAM 存儲(chǔ)器，主要用作程序的運(yùn)行空間及中間數(shù)據(jù)的保存，系統(tǒng)初始化后程序代碼調(diào)入SDRAM 運(yùn)行，可提高模塊的處理速度; 容量為2 MB的NOR Flash 芯片SST39VF3601 用于存放引導(dǎo)程序;容量為64 MB 的NAND Flash 芯片K9F120810B 主要用于存放程序代碼、常量表，以及一些在系統(tǒng)斷電后需要保存的用戶(hù)數(shù)據(jù)等。

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圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)圖

　　三相電流經(jīng)過(guò)電流互感器(CT)，三相電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器(PT)后轉(zhuǎn)換到適合的范圍，再經(jīng)過(guò)濾波及信號(hào)調(diào)理。由于諧波分析的范圍為2 ～ 50次諧波，設(shè)置了有源二階低通濾波器，濾除信號(hào)中高于50 次的諧波，以免出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，發(fā)生測(cè)量誤差。ADS7864 是一種高速、低功耗、6 通道、同時(shí)采樣保證無(wú)失碼的雙12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器。它包含2 個(gè)同時(shí)工作的12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器，可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存放在6 個(gè)寄存器中，6 個(gè)通道轉(zhuǎn)換完后，由MCU 順序讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再進(jìn)行下一次采樣、轉(zhuǎn)換［4］。電信號(hào)由A/D 采樣芯片ADS7864 進(jìn)行同步采樣、保持、A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入主芯片S3C2410 進(jìn)行計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，再把實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果送到LCD 顯示，并把超標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在NAND Flash 存儲(chǔ)器里。

　　在MCU 中，對(duì)采集到的周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉(FFT) 級(jí)數(shù)分解，可得到基波分量和大于基波頻率的諧波分量，由FFT 運(yùn)算得到基波的幅值和相位，以及各次諧波的幅值和相位，求出三相電壓的正序、負(fù)序分量，確定三相不平衡度，得到電壓有效值、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率、電壓波動(dòng)和電壓短時(shí)閃變等計(jì)算結(jié)果。

　　采用GPRS 模塊的MC55 實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，是一款內(nèi)部帶有TCP /IP 協(xié)議棧的模塊，目前廣泛運(yùn)用于智能公交、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程無(wú)線抄表等系統(tǒng)中，可在－ 20 ～ 70 ℃的環(huán)境下正常工作，功耗低、可靠性高、性?xún)r(jià)比高。由于MC55 模塊內(nèi)嵌TCP /IP 協(xié)議棧，對(duì)用戶(hù)屏蔽了傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層及數(shù)據(jù)鏈路層，用戶(hù)可直接對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)提高了控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力。MC55 與S3C2410可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的串口直接相連，如圖3 所示。

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圖3 GPRS 模塊與S3C2410 連接圖

　　由于MC55 模塊串口部分的邏輯電平為+ 2. 65 V，不能直接與S3C2410 的+ 3. 3 V 串口相連，需要加邏輯電平轉(zhuǎn)換電路。該設(shè)計(jì)在其各引腳電路中都串接了一個(gè)100 Ω 的電阻，以實(shí)現(xiàn)兩者串口電平的匹配。模塊的RING0 口與S3C2410 的UCLK 引腳相連，當(dāng)數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)用來(lái)通知控制器，作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嘈盘?hào)。

　　2. 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式采用B /S 模式，采用Internet /Intranet技術(shù)，適用于廣域網(wǎng)環(huán)境，可根據(jù)訪問(wèn)量，動(dòng)態(tài)配置Web 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，以保證系統(tǒng)性能?？蛻?hù)端直接利用現(xiàn)有的局域網(wǎng)或Internet 連接，不需要特殊設(shè)置和安裝;使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet 瀏覽器，直接訪問(wèn)Web 服務(wù)器頁(yè)面，即可觀看監(jiān)測(cè)和分析電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并能查詢(xún)所需歷史數(shù)據(jù)。

　　主站主要用于與監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行通信，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理。考慮到系統(tǒng)的移植性和跨平臺(tái)性，使用J2EE 企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺(tái)，有利于系統(tǒng)功能模塊的擴(kuò)展和系統(tǒng)安全性的保障;用ASP技術(shù)開(kāi)發(fā)Web 服務(wù)器，使用Apache 和Tomcat整合服務(wù)器環(huán)境;使用數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

　　監(jiān)測(cè)終端向主站發(fā)送信息、數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行相應(yīng)的控制操作等。監(jiān)測(cè)終端采用了嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其具備完整的嵌入式TCP /IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可根據(jù)需要進(jìn)行裁剪。軟件采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，其結(jié)構(gòu)采用模塊化形式，監(jiān)測(cè)終端程序流程如圖4 所示。

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圖4 監(jiān)測(cè)終端程序流程圖

　　3 測(cè)試結(jié)果

　　采用FLUKE F43B 電能質(zhì)量記錄儀和該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)同一電壓波形進(jìn)行處理，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性。FLUKE F43B 是手持式單相諧波功率儀，集示波器、萬(wàn)用表和電能質(zhì)量分析儀于一體，能進(jìn)行2 ～ 51 次諧波分析，可測(cè)電壓、電流、功率因數(shù)和諧波相位等參數(shù)。測(cè)量到的數(shù)據(jù)精確有效，適合高級(jí)電能質(zhì)量分析和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。以測(cè)量實(shí)驗(yàn)室單相電壓為例，比較結(jié)果如表1 所示。該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以比較準(zhǔn)確地測(cè)到電壓有效值、電壓峰值、功率因數(shù)和基波頻率等數(shù)據(jù)。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較。

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　　4 結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)分析，不僅減少了建設(shè)成本，而且可任意增減監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，具有無(wú)需布線、工作量小、傳輸數(shù)據(jù)量大和系統(tǒng)建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，為實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量智能化管理提供了可行性基礎(chǔ)。

　　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，通信組網(wǎng)功能強(qiáng)、成本低、使用靈活、可擴(kuò)展性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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