基于ARM的遠程電能質量監測系統的研究與設計

郄君，韓曉倩，李顏鑫

(1.河北政法職業學院，河北石家莊050061；2.石家莊鐵道大學四方學院，河北石家莊050061)

基于ARM的遠程電能質量監測系統的研究與設計

郄君1，韓曉倩1，李顏鑫2

(1.河北政法職業學院，河北石家莊050061；2.石家莊鐵道大學四方學院，河北石家莊050061)

經濟的進步帶來了電能質量的不斷惡化，使得對電能質量的監測變得越來越重要。以ARM為中心，設計了一種遠程電能質量監測系統。該系統利用底層采集網完成實時信號的采集，嵌入式Linux自帶的TCP/IP協議棧構建WEB服務器并提供PC機和手機客戶端的應用，形成了數據的采集、傳輸、處理、顯示、分析和控制的一體化監控功能。實驗證明，該監控系統適應性強、實時性好，誤差距離小，能有效地實現電網電能質量監控。

電能質量；Tiny4412；遠程監控；服務器

電能，作為現代社會中的一種廣泛使用的能源形式，已成為現代科技和國民經濟的支柱。而電力電子技術的發展，使眾多的精密設備應用到了生產和生活當中，這些儀器的使用一方面對電能質量提出了更高的要求，而另一方面，一部分儀器在使用過程中所產生的各種各樣的非線性干擾會對電能質量產生不利的影響。因此，加強對電能質量的監控是必不可少的環節。

電能質量的問題在近階段主要表現為以下幾個方面[1]：

(1)隨著各種開關電源和非線性設備的廣泛應用，特別是靜止變流器，會引起電網電流和電壓波形的畸變，使供電系統中增加了大量的非線性干擾，引起電網的多次諧波“污染”；

(2)各種大型生產設備投入，例如電弧爐、軋鋼機、電力機車等。不僅會引起高次諧波，而且使得電壓波動、閃變、三相不平衡日趨嚴重。因此，這些沖擊性、波動性的負荷會造成電網質量的降低，還會影響其他設備的安全運行；

(3)大量高精度儀器的投入，對電能質量提出了更高的要求，使電網中過去不被使用者所重視的電能質量問題也凸顯出來，例如暫時過電壓、瞬態過電壓等；

(4)隨著電力系統的完善，電力的利用效能也成為供電及用電雙方所關心的問題。因此，合理地進行電能的分配，以期電能取得最大的經濟效益。

基于以上的考慮，加強對電能質量的監控是現實的需要。而隨著現代電網在規模和復雜程度上日益增加，傳統的在線監測系統已不能滿足功能的要求，智能化、網絡化、信息化是電能質量監控系統的發展趨勢。

1 系統總體設計

傳統的電能質量監測系統主要采用單片機為控制核心，其優點是結構簡單，操作方便，技術成熟。但是單片機的缺點是數據處理能力不強，對于遠程監控的支撐能力不足。

基于ARM形式的監測系統是近年來發展的重點，ARM處理器最大的優勢在于處理速度快、功耗低、性能完善，同時，可以移植嵌入相應的實時操作系統，可以有效地實現多任務的處理和調度；而豐富的外圍接口，有的芯片還自帶各種通信接口模塊，為監控的現場顯示和遠程通信提供了良好的硬件支持。

以ARM為核心的監測系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統整體結構

系統的底層是數據采集系統，電網的電壓和電流由電流和電壓互感器進行數據的采集，并通過信號調理電路，將采集的信號調整到合理的范圍內。同時，通過A/D轉換電路，將模擬信號轉換為數字信號，再將數據發送至底層數據采集與控制中心。

底層數據采集與控制中心接收來自于電網的狀態信息，將這些信息通過串口傳送至ARM處理器，同時，底層數據采集與控制中心接收來自于ARM芯片的控制命令，并將控制命令傳達到執行機構，以控制現場的斷路器等電磁開關的動作。

整個系統的核心是ARM芯片，芯片上配有顯示模塊、按鍵模塊、存儲器、串口驅動、片上資源驅動、網絡控制驅動等。ARM芯片上移植Linux操作系統，并利用其強大的網絡功能和內置的TCP/IP協議棧，實現遠程數據的采集和監控。

數據處理的核心是遠程WEB服務器，內置oracle數據庫管理系統，完成電網參數如三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、諧波含量及頻率等參數分析和統計功能。同時，服務器配置專家知識庫，利用其中的規則來對電能質量進行分析，以實現智能化控制。

整個系統的最后一個部分是監控系統的應用部分。在本設計當中，監控的應用主要包括了PC端的應用和手機終端的應用，主要提供狀態數據的顯示、遠程控制命令的發布等。

2 硬件選型及電路設計

系統的硬件部分是功能實現的實體，其核心是ARM芯片，在本設計中，選擇Tiny4412開發板。Tiny4412是高性能的Cortex-A9，核心板采用三星高性能的Exynos 4412四核處理器，具有超強的數據處理能力，也能承擔相應的網關功能。其硬件資源分布如圖2所示。

圖2 Tiny4412硬件分布圖

Tiny4412核心板的CPU采用Samsung ARM Cortex-A9四核Exynos 4412 Quad-core處理器，運行主頻1.5 GHz，1 G DDR3 RAM內存，32 bit數據總線，標配4 G eMMC；底板提供了網絡、LCD、USB Host、按鍵、串口等接口，可以有效地完成功能要求。

Tiny4412接收來自于底層數據采集系統的信息。底層數據采集系統由電流電壓互感器、調理電路、ADS模塊與底層數據采集中心組成。電流電壓互感器采集電力系統的電壓或電流等信號，并將其傳送至調整電路，經信號調整電路進行去干擾等操作后，傳送入ADS模塊進行數模轉換。轉換后的信號傳送至底層采集中心。

底層采集中心可以采用單片機，也可以采用嵌入式芯片，選擇的依據是功能的要求和成本的核算。底層采集中心將數據通過串口傳送至Tiny4412開發板中。

底層采集中心的通信可以采用CAN總線形式，也可以采用無線傳感網。其電源和信號調理電路設計如2.1和2.2所示。

2.1 電源系統設計

電源實現的功能主要為核心板等提供穩定的3.3 V電壓，同時為一些需要電壓相對較大的傳感器模塊等提供5 V或3 V電壓。另外在該模塊中還包括了重啟功能，支持系統重啟。電源模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

在供電方式上支持USB供電、調試接口供電和4節干電池供電，只要將電源接入相應的引出的接口即可相對比較靈活。該模塊中起核心作用的是REG1117-3.3穩壓芯片，其主要功能是將輸入的電壓(5 V)轉成穩定的3.3 V電壓，輸出電流為800 mA，周圍的電容主要起去耦作用。

2.2 信號調理電路設計

信號調理電路的作用是從電壓或電流互感器中采集相應的數據，并將這些信號中的干擾信號進行濾除，其工作原理如圖4所示。過濾后的信號經幅度調整后傳送入ADS模塊進行轉換，在本設計中，ADS模塊選擇了ADS7864。

圖4 信號調理電路

3 總結

本文利用嵌入式芯片Tiny4412構建了電能質量監測系統。該監測系統利用底層采集系統采集電能數據，并利用移植了Linux操作系統的Tiny4412將電能參數上傳至WEB服務器進行電能質量的計算，從而得出相應的電網如三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、諧波含量及頻率等參數的分析和統計結果。經測試，該系統運行穩定、適應性強、實時性好、誤差距離小，能有效實現電網電能質量監控。

[1]荊小剛.基于ARM的遠程電能質量監測系統的研究[D].南京：南京理工大學，2008：1-2.

Research and design of remote power quality monitoring system based on ARM

QIE Jun1,HAN Xiao-qian1,LI Yan-xin2
(1.Hebei Vocational College of Politics and Law,Shijiazhuang Hebei 050061,China;2.Sifang College,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang Hebei 050061,China)

The progress of economy has brought the worsening of power quality.So the monitoring of power quality becomes more and more important.Based on the ARM,a remote power quality monitoring system was designed.The underlying collection net was used to complete real-time signal acquisition.The TCP/IP protocol stack of embedded Linux was used to build WEB server and provide the PC and the mobile client application.The integrated monitoring system with data collection,transmission,processing,display,analysis and control was formed.Experiments show the monitoring system of power quality has many advantages,such as strong adaptability,good real-time monitoring and small miss distance.So it can effectively realize the monitoring of power quality.

power quality;Tiny4412;remote monitoring;server

TM 41

A

1002-087 X(2016)08-1703-03

2016-03-06

郄君(1982—)，女，河北省人，講師，主要研究方向為計算機科學與技術，電子商務。